即热式电热水器模糊温度控制器的研制.txt

智能家用电热水器控制器设计参考资料~~！！

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图2一12双向可控硅触发象限
在负载电流过零时，门极用直流或单极性触发，优先采用负的门极电流，理
由如下。若运行在+3象限，由于双向可控硅的内部结构，门极离主载流区域较远，
将会导致下列后果:浙江工业大学工程硕士学位论文
高工。T一需要高峰值工。。
由工。触发到负载电流开始流动，两者之间滞后时间较长一要求工。维持较长时
间。
低得多得Drld/t承受能力一若控制负载具有高d工/dt值，门极可能发生强烈
退化。
高工。值(1一工况亦如此)一对于很小得负载，若在电源半周起始点导通，可
能需要较长时间得工。，才能让负载电流达到较高得工L。
在标准的AC相位控制电路中，门极和MTZ的极性始终不变，这表明，工况总
是在1十和3一象限，这里双向可控硅的切换参数相同，门极此时最灵敏。因此，根
据以上分析，在设计双向可控硅触发电路时，就要尽可能避开+3象限。
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图2一13双向可控硅Vll特性曲线
2..24过零检测电路
过零检测电路由NNP晶体管和电阻R22和R23组成，用于检测电源电压波形的过
零点，产生过零脉冲。由整流电路输出的的全波脉动直流电压经电阻RZ:和R23分压
后，送入晶体管的基极。只要R22上的分压值大于O.V7，就会使NNP晶体管饱和导
通。因此，当交流电压处于过零点时，NNP晶体管截止，输出正脉冲信号，这个脉
冲信号就是过零脉冲信号，经整形电路整形后，产生IOms的负脉冲过零信号，它
被送到单片机的中断请求引脚RIQ，作为中断请求信号，用于触发可控硅进行同步
移相。浙江工业大学工程硕士学位论文
.2.25键盘、显示接口电路
显示接口电路由2个LED7段数码显示管、2个三极管和限流电阻组成。在
软件上采用动态轮流扫描方式，来控制数码管的显示。单片机的输出端口P0口通
过限流电阻与数码管的阴极相连，用于控制7段数码管的字形显示。单片机的输
出引脚PZ.O和P2.1分别通过限流电阻和三极管与数码管的阳极相连，用于向它
们提供选通信号。当端口输出低电平时，相应的三极管导通，从而使相应的7段
数码管选通。当端口输出高电平时，相应的三极管截止，从而使相应的7段数码
管关闭。
键盘接口电路由按键Sl一S3组成，这3个按键分别接到单片机的输入引脚
Pl
.
2、PI.3和Pl.4，按键S1作为整个控制系统的启/停键;按键S2、S3作为设
定键，用于设置温度的增减。当按键未按下时，相应的输入引脚上只能检测到高
电平。而当按键按下时，相应的引脚上便会检测到低电平。因此，通过软件检测
输入引脚上的电平值，便可检测到是否有按键按下。
2..26单片机的选型
系统采用ATMEL公司生产的单片机AT89552作为模糊处理的核心，该芯片是
一个低功耗，高性能eMoss位单片机，片内含skBytesIsp(In一systom
Prgor~ba)el的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准Mcs一51指令系统及80c51引
脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和SIPFlash存储单元。AT89552具
有如下特点:40个引脚，ksBytesFlash片内程序存储器，256byets的随机存取数
据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(UO)口，5个中断优先级2层中断
嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)
电路，片内时钟振荡器。
.2.27隔电墙技术
其实“隔电墙”是一种简称，它确切的表述法应是“水电阻衰减隔离法”。在
一般的印象中，水是一种导体，与电接触是十分危险的。其实，任何物体都是有
电阻的，因此在符合经济性原则的前提下就可能被改造成符合人们需要的器具而浙江工业大学工程硕士学位论文
造福人类。
“隔电墙”(即水电阻衰减隔离法)就是利用了水本身所具有的电阻(如国标
规定在巧℃时水的电阻应大于130OQ·mc)，通过对电热水器内通水管路材质的
选择、管径和距离的确定形成“隔电墙”。当电热水器通电工作时，加热内月旦中的
水即使有电，也会在通过“隔电墙”时被水本身的电阻衰减掉而达到将电隔离的
目的，在热水器进出水两端达到几乎为零的电压和0.02mA/wk以下的极微弱电流，
大大优于国标0.25mAk/w的标准。采用“隔电墙”技术不仅可以阻隔电热水器本
身可能产生的漏电，也可以阻隔因地线带电或水管带电而对淋浴者带来的安全威
胁。所以热水器采用“隔电墙”技术可以充分保证人的洗浴安全。
2.3控制系统软件设计
即热式电热水器温度控制系统程序是由毗S一51单片机汇编语言编写，该软件
由主要由以下五个子模块组成:
1.数据采集模块完成对出水温度、内胆温度模拟量的模数转换，并将采集到的数
据进行中值滤波，存入相应单元;
2.’键盘输入模块通过键盘设定加热温度的值;
3.ELD显示模块对出水温度进行实时显示，并在出现异常情况时，显示错误代码;
4.控制模块采用模糊控制器进行控制，具体方法在第四章介绍;
5.输出驱动模块对采集数据进行控制运算获得控制强度后，输出控制信号来控制
双向可控硅的导通角，以获得预定的控制强度;
单片机控制系统的整个程序由主程序、T0、T1定时中断服务程序、INTI过零
触发中断服务程序(包括以上五个模块)组成。在整个程序中使用了三个中断，T0、
T1定时中断为内部中断，主要是为了控制采样时间和控制双向可控硅的导通时间。
NITI中断主要是为了检测过零信号而设的外部中断，每检测到一个过零信号，就
产生一个中断请求。
23.1主程序
在主程序中，首先考虑的是初始化的问题。在此，包括单片机的初始化、定
时器、外部中断及数据单元的初始化等。为保证系统正常运行，T0中断服务程序浙江工业大学工程硕士学位论文
的运行时间必须小于采样时间，采样时间设计为0.55。当程序开始执行后，系统
的工作便进入循环状态。主程序的流程图如图2一14所示。
各各存储单元初始化化
显显示初始化化
设设置相关中断断
键键扫描描
显显示示
键键扫描描
数数据采集集
模模糊处理理
控控制量输出出
图2一4主程序流程图
2.3.2TO、Ti中断服务程序
TO中断服务程序用于等待DS18B20进行温度转换所需的时间。Tl中断服务程
序用于控制双向可控硅触发脉冲的延时时间。T0定时/计数器的初值由DS18B20的
延时时间以及T0溢出中断次数来决定。因为本设计中时钟频率为12MHz，即使采
用16位的定时方式，也无法实现0.165的定时，故必须在硬件定时的基础上再用浙江工业大学工程硕士学位论文
软件计数的方式来完成。先在定时器中设计一个时间常数，使其每隔20ms产生一
次溢出中断，CUP响应中断后将R7中计数值加一，当R7中内容为8时，即可实现
0.165的定时。
时间常数的确定方法为:
机器周期=12+晶振频率=10一65
需设定初值为X，则(2‘6一X)x10一6=0.02
X=65536一20000=45536
转化为十六进制:X=OBIEOH，故初值为THO=OBIH，TLI=OEOH
.2.34数据采集模块设计
数据采集模块，其框图如图2一15、图2一16所示。在一次采集中，对二个通道
连续各采集3次数据，经DS18BZO转换成数字量后并经过数字中值滤波消除干扰
后，存入相应寄存器，再送入CPU中进行处理。
.2.35键盘、显示模块设计
由于不同的季节对热水的温度有不同的要求，因此即热式电热水器的出水温
度可通过键盘来设置适宜的数值。根据功能设置了三个键，分别为开关键、温度
增加键和减少键。在软件设计上主要采用扫描来检测有无键按下，当检测到低电
平时，调用一段延时来消除抖动，防止误触发。其框图如图2一17所示。
显示部分主要用于实时显示出水口温度的值，并能在出现异常情况时，显示
错误代码。数据每0.55更新一次，与采样的时间间隔相同。其流程图如图2一18
所示。浙江工业大学工程硕士学位论文
入口
发DS18B20复位命令
发跳过ROM命令
发读取温度命令
读取操作，CRC校验
9字节完?
YES
RC校验
确?
YES
移入温度暂存器
结束
置置数据采集次数为333
键键扫描、显示示
加加热控制制
模模糊控制制
读读取温度度
中中值滤波波
图2一巧温度读取子程序图2一16数据采集子程序
延延时消抖抖
设设置单元+11111设置单元=5000
设设置单元一lllll设置单元=3000
置置显示缓存收址址
置置显示位数为2位位
查查表，取段选码码
取取位选码码
延延时时
显显示缓存地址+lll
图2一17键扫描子程序图2一18显示子程序浙江工业大学工程硕士学位论文
第三章控制系统原理研究
传统控制理论在工业生产、军事科学、空间技术等许多领域都己经得到了广
泛且成功的应用。在这些控制应用过程中，其控制器的设计是建立在被控对象精
确数学模型的基础之上的。但是在现实世界中，很多系统极其复杂，具有高度非
线性、时变、干扰、强藕合、时滞等特征，构成了所谓大系统和所谓人一机系统。
由于这类系统本身所固有的模糊性、复杂性以及其它种种原因，使得人们难以用
传统的数学方法为其建立精确的数学模型，传统控制理论显得难以奏效，而采用
模糊控制则更为有效。
3.1PID控制原理
3.1.1常规PID控制原理
在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PDI控制。常规P功控制系
统原理框图如图3一1所示。系统由模拟PDI控制器和被控对象组成。
r(t)e()t
旦鱼拼菠夜石豪
图3一1常规PID控制系统原理框图
PID控制器是一种线形控制器，它根据给定值r()t与实际输出值c(t)构
成控制偏差:
e(t)=r(t)一e(t)
将偏差的比例(P)、积分()I和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被
控对象进行控制，故称P功控制器。其控制规律为:浙江工业大学工程硕士学位论文
。，_z‘、.1.几de(t)，
u气‘)=八。l七气，)--I一一二厂一一一一月十
—]不土e(‘)dtat(3一1)
或写成传递函数形式:
G(s)U(s)
E(s)
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简单说来，P功控制器各校正环节的作用如下:
比例环节:比例控制作用的优点在于误差一旦产生，控制器立即就有控制作
用，使被控制量朝着误差减小的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数，比
例控制的缺点就是对于具有自平衡性的被控对象存在静差，加大可减小静差，但
当过大时，会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。
积分环节:积分控制的优点为它能够对误差进行记忆并积分，有助于消除静
差，但它的不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强，会使控制的动
态性能变差，一致子使系统不稳定。
微分环节:微分控制的优点是它能对误差进行微分，反映偏差信号的变化趋