智能电热水壶控制系统设计Word文件下载.doc

智能电热水壶控制系统设计Word文件下载.doc

《智能电热水壶控制系统设计Word文件下载.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能电热水壶控制系统设计Word文件下载.doc（95页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

Abstract:

ThethesisintroductsthemethodofusetheADuC7026whichisthecontrolchiptocontroltheworkofkettleheatwithelectricenergy.Throughelectricheatedcircle,thewaterwillbeheated,thensamplethetemperatureofthewater.ThesamplingsignalwillsetthemimictothesystemofARMthroughDS18B20,afterprocessedbythecomputerandcontrolledbytheswitch,itwillbeshowedbyLCD.Atthesametime,thesystemcancontrolthetemperaturebeyondthesetting,thesystemofalarmwillrun.

Keywords:

Temperaturecontrol；

Controller

目录

一、系统设计目标 3

1.基本设计目标 4

2.发挥与拓展 4

二、系统方案设计与论证 5

1.系统方案选择与比较 5

2.系统框图和方案描述 5

三、理论分析计算 6

四、单元电路设计与功能实现说明 11

1.模块电路设计 11

2.流程图 17

3.模块实现 18

4.整体电路设计 20

4.1电路原理 20

4.2Pcb版图 20

4.3电路元器件清单 21

五、测试方案与测试结果 22

1.测试方案 22

2.测试仪器 22

3.测试结果 22

六、收获和体会 23

七、致谢 27

附录一：

参考文献 28

附录二：

系统框图 28

附录三：

系统流程图 28

附录四：

系统源码清单 30

1.头文件：

30

2.程序主体：

35

一、系统设计目标

对于常规的电热水壶，只要接通电源，就开始加热，直到水沸腾后通过蒸汽来产生声音报警。

这种设计有下面几个方面的不足：

1．如水壶中没水，电源误接通时也会一直加热，容易引起事故。

2．当只需要加热到沸点以下某一温度时，不能及时给出声音报警信号。

3．当水加热沸腾后不能自动停止工作。

而电热水壶是家家户户都用的，因此本设计具有广泛的应用价值。

本课程设计要求完成一个电热水壶控制器的电路设计。

用ADuC7026作为控制芯片，管理整个电热水壶的工作情况，构成了一个闭环控制系统。

具体来说，我们的智能电热水壶控制系统设计的目标是：

产品化、人性化、智能化。

首先，我们此次完成的作品是一个普通用户可以使用的产品，配套有产品使用说明书。

然后，我们努力做到使我们的产品能够想用户之所想，知用户之所需，这包括人机交互环节的友好性以及使用过程中的流畅性。

最后，在实现以上目标以后精益求精，依赖算法的不断完善，提高测量精度，增强算法的功能，实现产品的智能化。

详细设计目标见下：

1.基本设计目标

1）控制加热

2）温度实时显示

3）烧沸断电

4）任意温度保温

5）蜂鸣提示

2.发挥与拓展

1）红外远距离控制

2）傻瓜烧水模式和智能烧水模式之间的切换

3）按键近距离控制

4）开始工作时间预设定

5）期望温度预设定

6）倒计时显示

7）工作时间实时显示

8）烧水过程中任意时刻重新设定

9）工作状态指示灯

10）产品化外包装

11）其他功能与性能。

二、系统方案设计与论证

1.系统方案选择与比较

拿到题目后我们团队首先很快提出了两套方案：

方案一：

采用功率电子器件控制电热水壶主电路。

具体采用IGBT或其他类似功能的电力电子器件串联在热水壶供电线路中，并将电力电子器件的控制端连接芯片的输出管脚。

通过程序给输出管脚置高低不同电平，实现电热水壶供电线路的导通与断开，从而控制电热水壶的工作状态。

优点：

环境适应能力强，可以承受大功率电器，产品寿命长等；

缺点：

强直流供电需要对220V交流进行整流，电路复杂等。

方案二：

采用电磁继电器作为电热水壶主电路的开关。

同样，将电磁继电器串接入电热水壶供电线路的火线上，并且弱电控制部分接入芯片的输出管脚。

通过程序的判断来输出高低电平，配合采用上拉电压及三极管控制电磁继电器的吸合与断开，控制电热水壶供电线路的导通与否，从而控制电热水壶的工作状态。

强弱电分离，直接用220V交流供电，电路简单等；

通过对以上两套方案进行比较，考虑具体实现时的难度，结合我们设计的目标，我们团队则更倾向于第二套方案。

第二套方案中，采用电磁继电器实现电路控制和强弱电的分离。

此方案中电路简单易行，器件体积较小，方便我们产品化的设计。

同时不需要对220V高压进行整流处理，减少了很多不必要的麻烦。

2.系统框图和方案描述

220V交流电源分出两路，一路通过电磁继电器和电热水壶相连接，电磁继电器处于交流电路的火线上，相当于开关；

另一路通过220V交流转5V直流进行变压，提供5V直流电源，用来给最小系统板以及PCB外设板供电。

与最小系统板相连接的还有温度传感器、输入输出外设、电磁继电器。

温度传感器放置在电热水壶中，用来传回水壶中水的温度。

通过输入的设定值与传感器返回温度值的比较、判断来控制输出端口状态，从而控制外设与电磁继电器，实现整体的智能控制。

其中，温度传感器使用DS18B20，输入设备有按键和红外，输出设备为液晶显示屏、指示灯、蜂鸣器等。

整体系统组成框图如下：

220V交流电源

电热水壶

电磁继电器

220V交流转5V直流变压器

温度传感器

ADuC7026

输出设备

输入设备

图2.1系统组成框图

三、理论分析计算

单元电路的设计多采用先在面包板上调试，实验通过以后再在PCB板上设定具体器件的参数，故外设电路中的电阻、电容等多采用经验值。

设计的软件部分用到了PID算法，以精确控制温度，下面对此算法进行展开计算。

PID（ProportionalIntegralDerivative）控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完整的控制方法和典型的结构。

它不仅适用于数学模型已知的控制系统中，而且对于大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效果。

PID工作基理：

由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行。

若扰动出现使得现场控制对象值（以下简称被控参数）发生变化，现场检测元件就会将这种变化采集后经变送器送至PID控制器的输入端，并与其给定值（以下简称SP值）进行比较得到偏差值（以下简称e值），调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值（SP值），以达到控制目的，如图1所示，其实PID的实质就是对偏差（e值）进行比例、积分、微分运算，根据运算结果控制执行部件的过程。

图3.1模拟PID控制系统原理图

PID控制器的控制规律可以描述为：

（1）

比例（P）控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。

但是，比例控制不能消除稳态误差。

比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。

积分（I）控制的作用是：

只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。

因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。

积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。

微分（D）控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

根据不同的被控对象的控制特性，又可以分为P、PI、PD、PID等不同的控制模型。

数字PID的实现

在连续-时间控制系统（模拟PID控制系统）中，PID控制器应用得非常广泛。

其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。

随着计算机的快速发展，人们将计算机引入到PID控制领域，也就出现了数字式PID控制。

由于计算机基于采样控制理论，计算方法也不能沿袭传统的模拟PID控制算法（如公式1所示），所以必须将控制模型离散化，离散化的方法：

以T为采样周期，k为采样序号，用求和的形式代替积分，用增量的形式（求差）代替微分，这样可以将连续的PID计算公式离散：

（2）

式1就可以离散为：

（3）

或者：

（4）

这样就可以让计算机或者单片机通过采样的方式实现PID控制，具体的PID控制又分为位置式PID控制和增量式PID控制，公式4给出了控制量的全部大小，所以称之为全量式或者位置式控制；

如果计算机只对相邻的两次作计算，只考虑在前一次基础上，计算机输出量的大小变化，而不是全部输出信息的计算，这种控制叫做增量式PID控制算法，其实质就是求Δμ的大小，而 

Δμk 

=μk 

-μk-1 

；

所以将式4做自减变换有：

（5）

其中

温度控制PID算法设计

本设计利用了上面所介绍的位置式PID算法，将温度传感器采样输入作为当前输入，然后与设定值进行相减得偏差ek，然后再对之进行PID运算产生输出结果fOut，然后让fOut控制定时器的时间进而控制加热器。

为了方便PID运算，首先建立一个PID的结构体数据类型，该数据类型用于保存PID运算所需要的P、I、D系数，以及设定值，历史误差的累加和等信息：

typedefstructPID

{

floatSetPoint;

//设定目标DesiredValue

floatProportion;

//比例系数ProportionalConst

floatIntegral;

//积分系数IntegralConst

floatDerivative;

//微分系数DerivativeConst

intLastError;

//上次偏差

intSumError;

//历史误差累计值

}PID;

PIDstPID;

//定义一个stPID变量

下面是PID运算的算法程序，通过PID运算返回fOut，fOut的值决定