基于单片机的燃气热水器控制器设计.doc
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1、摘 要随着社会的不断进步发展,人们对燃气热水器的要求越来越高。而现今大多数热水器还是处于手动调温阶段,热水温度不能实时显示,水量和气量不能实时显示和控制,洗浴过程中调温困难等等情况。根据以上情况,设计了合理的燃气热水器恒温控制系统结构:采用8位单片机89S51和DS18B20温度传感器构成温度采集系统的方案,较之采用16位的单片机和热敏电阻加A/D转换器的温度采集系统具有较高的性价比;单片机根据温度传感器采集到的数据,经过程序处理,发送数据指令给0832,通过DAC0832数模转换输出不同的电流来控制燃气比例阀的开度,达到控制火力的大小,实现温度的自动控制;为了提高温度控制精度,采用数字PID
2、程序控制,可实现温度的连续可调,用液晶显示器LCD1602显示出水温度;为加强系统的安全性能,设计中还加入了看门狗和声光报警电路;最后,制作出了工程样板并进行硬件模拟调试。实际调试结果显示硬件设计基本达到了要求的技术指标,对比分析可知此设备具有良好的应用前景。关键词:单片机;温度转换; DS18B20 ;DAC0832ABSTRACTWith the continuous progress and development, people are increasingly demanding gas water heater. And now most of the water heater t
3、hermostat stage or in the manual, hot water temperature can not be real-time display, water and gas can not be real-time display and control the process bath thermostat, etc. difficult situation. According to the above, the design of a reasonable gas water heater temperature control system architect
4、ure: 8-bit microcontroller 89S51 and temperature sensor DS18B20 programs constitute the temperature acquisition system, compared with 16-bit microcontroller and the thermistor plus A / D converter temperature acquisition system has a high price; Microcontroller according to the temperature sensor to
5、 the data, after procedures to send commands to the 0832 data, through the DAC0832 digital-analog converter output current to control the different gas proportional valve opening, to control the size of firepower to achieve automatic temperature control; To improve the accuracy of temperature contro
6、l, digital PID process control, enabling the temperature of the continuously adjustable, LCD1602 display with water temperature; To enhance the safety performance of the system, the design watchdog also added sound and light alarm circuit; Finally, the project produced a simulation model and hardwar
7、e debugging.The results showed that the actual hardware design debug basically reached the requirements of the technical indicators, comparative analysis shows that this device has a good prospect. Keywords: microcontroller; temperature conversion; DS18B20; DAC0832目 录1绪论11.1选题的意义11.1.1 燃气热水器简介11.1.2
8、 燃气热水器的发展趋势21.1.3 现有燃气热水器温度调节方案及不足32燃气热水器方案设计42.1设计要求及系统设计要点42.1.1 设计要求42.1.2系统设计要点52.2方案设计62.3系统性能指标83热水器控制器系统分析93.1燃气热水器的系统组成与工作原理93.2燃气热水器的数字PID温度控制103.2.1 PID算法控制的实现103.2.2 PID控制器的参数整定134燃气热水器系统的硬件设计144.1元器件的选择144.1.1 单片机的选择144.1.2显示器件的选择154.1.3 数字温度传感器的选择184.1.4 D/A数模转换的选择204.1.5 比例阀的选择224.1.6
9、风机的选择244.1.7水汽联动装置的选择244.1.8 变压器的选择264.2硬件电路的设计264.2.1主控制电路的设计264.2.2键盘输入电路的设计274.2.3声光报警电路的设计284.2.4温度检测电路的设计284.2.5液晶显示电路的设计284.2.6电流控制电路的设计294.2.7系统的安全性研究295系统软件设计325.1主程序流程图325.2测温程序流程图345.3数字PID控制器的实现356系统的设计356.1 软件的调试356.2 硬件的调试366.2.1检测元器件366.2.2检测各个引脚信号367总结和体会37谢 辞38参考文献:39附录一40附录二41附录三42附
10、录四43附录五(程序):441绪论1.1选题的意义1.1.1 燃气热水器简介所谓燃气热水器就是指以气体燃料燃烧为热源的热水器的统称,是一种小型的热力设备。它的工作原理大体是这样:燃气在燃烧室内完全燃烧,产生高温烟气。高温烟气流经换热器,把换热器中的冷水加热为所需的卫生热水。燃气热水器有这些分类方式,按使用气种可以分为使用天然气、人工煤气和液化石油气 3种。按结构可分为容积式和直流式。按给排气方式可分为:直排式、烟道式、平衡式、强排式、强制给排气式等。相对于其它类型热水器而言,燃气热水器具有这样一些优势:不需预热;节能;不结垢、寿命长;使用成本低;款式超薄纤细,外观时尚。第一台燃气热水器诞生已经
11、超过了 100 年。而燃气热水器技术的发展主要是二战之后 50 多年的时间内完成的。我国的燃气热水器生产也有近 30 年的历史。燃气热水器的发展迄今为止经历了三个阶段:(1)以实现简单功能为目的的第一阶段:作为第一阶段代表的燃气热水器是热水流量为 5L/min 的小型热水器。采用压电陶瓷点火方式,小火先着,水气联动控制阀、控制点火,互相独立的气、水调节阀门,热电偶式的熄火保护装置。这种类型的热水器具有初步的安全性保证,满足基本功能,操作也不复杂,但很快显现出的问题在于:点火装置的可靠性与寿命;熄火保护装置的寿命;操作的相对烦琐。特别是热电偶式熄火保护装置在点火初期的时间延迟操作,令使用者倍感不
12、便。因此,这一阶段的后期,热水器在此基础上做了一些更新:点火装置由压电陶瓷变为电脉冲式,引入了内置电源,同时取消了熄火保护装置,水气联动阀是热水器上唯一的安全装置。(2)以完善使用特性为目的的第二阶段:自吸阀的引入是对完善使用特性的重要贡献,而以水驱式自动点火作为主要特征,这一进步使燃气热水器的技术品质有了一个质的飞跃。虽然这种类型的热水器仍然由电脉冲点火装置、水气联动阀、自吸阀、独立的水气调节装置构成,但其使用性能有了很大的提高,表现为:操作极为方便,使用更为安全。一开水点火便自动进行,在一般情况下,热水器安装在浴室外成为可能,这使燃气热水器使用的安全隐患大大减低。自吸阀灵敏的熄火保护特性,
13、使热水器非燃烧状态的燃气泄漏现象几乎不会出现。有别于自吸阀的一些安全装置也有出现,目前采用自吸阀的燃气热水器依然是市场的主流。此外,热水器的大流量化进一步兴起,出水量超过 8L/min 的品种增加,市场进一步扩大。(3)以追求高品质为目的的第三阶段,目前正处在第三阶段的兴盛期,亦是竞争最激烈的时期。从事热水器研究与生产的业内人士,同时在追求燃气热水器的更高品质。这主要表现在先进控制技术的引入,目的是解决燃气热水器使用中仍然存在的主要矛盾:出水温度调节给使用者带来的问题,水温度的调产品,线控热水器、恒温热水器、智能型热水器亦有出现。同时,在安全节范围不能满足其使用要求,尽管这种感觉是错误的,只是
14、由于调节过程的复杂性以及使用者对于调节过程的理解障碍所导致,但为解决这一问题,似乎能用热水器本身提供的装置自动解决更为合适。这便是追求热水器更高品质的原因。作为特征性保障方面,缺氧保护装置、防止不完全燃烧装置的使用更是使燃气热水器的综合性能有了极大的提高。1.1.2 燃气热水器的发展趋势随着社会生产力的发展以及人们生活水平的提高,燃气热水器也在不断更新、发展,以满足人们对较高生活品质的追求。而今燃气热水器正朝着以下这些方向发展:(1)安全性能不断完善燃气热水器对人体的安全威胁主要是燃烧所产生的烟气。随着排气方式不断地改革,热水器的安全使用已基本得到解决。而安全问题在燃气热水器开发过程中始终是处
15、于重要的位置。(2)舒适性的提高燃气热水器使用的舒适性便是人们关心的重要问题。作为淋浴用热水器要实现舒适沐浴有两个基本要求:一是水温,二是水量。为提高使用舒适性,国内正在研究的课题有:a)扩大热水器的负荷调节比,要求不小于 20100(即冬夏型功能),国外热水器负荷调节均在 30100;b)发展良好恒温性能的智能化热水器,满足使用过程中水温波动在设定值1范围内;c)实现低的水流阻力,大的水量并维持使用过程中水量相对稳定且不低于 7L/min; d)热水器低的运行噪音,希望维持在 5060 分贝;e)快速加热功能,减少开始使用或关机后重新启动时的冷水量;f)快速水温恒定功能,以避免淋浴水时冷时热
16、现象。(3)更加环保我国燃气热水器标准中现在除规定了对排烟 CO 含量的限制外,即限制燃烧不完全程度,还对排烟 NOx含量作了要求。(4)向更为节能的方向发展发达国家对燃气热水器提出低污染环保要求的同时也提出进一步节能的要求,即鼓励支持高效低污染燃气热水器的研制。节能的深远意义不仅是节约开支而是国民经济可持续发展的要求。(5)功能的多元化从单一淋浴发展为多功能的热水器:a)供暖/淋浴两用;b)制冷(空调)/淋浴两用;c)其它多功能多用途的热水器。燃气热水器虽然容量小,但分布量大面广,其发展和社会的千家万户有着密切的关系。目前燃气热水器正在向着大容量、高效节能和减少环境污染的方向发展,其发展目标
17、主要包括燃烧系统高效率低污染的自动控制燃烧和热交换部件传热效率的提高、公众安全性以及满足现代生活的舒适感。1.1.3 现有燃气热水器温度调节方案及不足目前市场上燃气热水器产品的温度控制基本上采取两种方案:(1)机械旋钮式:热水器的温度调节是通过机械式旋钮实现的,有火力调节旋钮和水量调节旋钮共同控制。火力调节旋钮按标识调小时,热水温度降低;调大时,热水温度升高。水量调节旋钮按标识调小时,水流量减少,热水温度升高;调大时,水流量增大,热水温度降低。用户可以调节合适的热水温度(推荐沐浴温度范围为3842)洗浴。(2)数字式这种方式下,水温的调节是通过数字控制实现的,当需要出水温度升高时,则微电脑控制
18、比例阀开大,燃气压力升高,水温升高;反之,则比例阀开小,水温降低。在实际生活中,我们发现绝大多数的中、低档产品都采用机械旋钮式方案,而这些产品恰恰式市场的主流。但是,此类热水器还存在许多不尽如人意的地方,因为该类燃气热水器使用的是煤气和氧气进行燃烧产生热量,需要安装在室外通风良好的地方,否则氧气不足会造成煤气不完全燃烧而产生一氧化碳对人的生命构成威胁,而对热水器的控制调节都在机体上 ,以致洗浴时需要预先调节好水温,有时候遇到水压不正常就造成水温浮动不定,使洗浴者又要出来调节水温,这样不仅浪费水和燃气,而且给洗浴者带来极大不便。基于以上考虑,本方案拟设计一个基于单片机控制的燃气热水器水温自动调节
19、系统,即通过室内的控制器,输入预定温度,由执行机构自动快速地调节到预定温度,以解决上述问题。2燃气热水器方案设计2.1设计要求及系统设计要点2.1.1 设计要求进行市场调查,了解燃气热水器的最新发展和用户使用需求。 收集、消化有关燃气热水器及其控制器的资料。 设计出燃气热水器的单片机控制器,要求功能齐备,使用方便,经济实用,安全可靠。1. 控制器应具有以下功能:水温的自动控制和显示;完善的安全保护措施。2.水温:2090可调。3.电源:AC 220V或电池本课题是制作一款基于单片机控制的燃气热水器控制器系统,使燃气热水器按人们的需求能快速、稳定的达到人们所需求的温度,以体现燃气热水器比一般热水
20、器所具有的优势。要求温度传感器及转换电路,水温设定与自动调节电路,单片机输入输出接口电路以及显示模块的设计。其中的难点是实现PID控制温度。2.1.2系统设计要点燃气热水器控制器的设计主要考虑的要点是安全性、舒适性、操作方便性以及成本等因素。这些要点尤其是对控制器的应用软件设计提出了较强约束和严格要求。(1)安全性:安全性是整个系统设计首先需要考虑的问题,虽然燃气热水器发展到今天可以认为基本解决了安全性的问题,但是诸如燃气泄漏、烟气泄漏、水温偏高导致烫伤等安全事故还是偶有发生,所以保证系统运行安全可靠是控制器设计的基本要求。 安全性设计首先要解决的问题就是避免燃气泄漏和烟气泄漏,要保证做到燃气
21、热水器工作于燃烧状态时烟道畅通;要严格控制燃气阀的开闭;要做到控制器意外死机后燃气阀能及时关闭等。其次要解决的安全性设计问题是避免生活水和采暖水水温偏高,要保证水温过高时控制器中断加热或停机报警。(2)舒适性:舒适性即洗浴的舒适性,也就是要求对生活水出水温度进行良好的控制。温度控制是控制器设计的最重要的任务,控制器设计是否成功关键就是看它对出水温度的控制效果。参照普通燃气热水器的标准,燃气热水器生活水温度控制的指标如下:a) 控温精度:热水器的实际出水温度达到稳态后与设定出水温度相比较,其稳态误差不大于1。b) 初始加热时间和超调量:按 GB6932-94 之规定,在标准测试条件下,将燃气热水
22、器的进水量调至额定水流量,设定出水温度为进水温度加上 20 ,燃气热水器从冷机开始起动加热并将水加热至设定温度的时间不大于 20 秒,且燃气热水器的出水温度的超调不大于3。c) 进水量变化时的超调:按 GB6932-94 之规定,在标准测试条件下,将燃气热水器的进水量调至额定水流量,在燃气热水器的出水温度达到稳定后,将燃气热水器的进水量瞬时变化20%时,燃气热水器出水温度的超调不大于3 ;将燃气热水器的进水量瞬时下调 50%时,燃气热水器出水温度的超调不大于 8。从指标可以看出,对生活水温控制的“稳、快、准”要求较高。另外为了保证舒适性,在进水量不同的情况下也要求对生活水温度进行良好的控制,也
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