基于单片机的燃气热水器控制器设计

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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

2、制；为了 提高温度控制精度，采用数字 PID 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 ；DAC0832 ABSTRACT With the continuous progress and development, people are increasingly demanding gas water heater. And

3、 now most of the water heater thermostat 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 tempe

4、rature control system architecture: 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 accordi

5、ng to the temperature sensor to 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

6、 accuracy of temperature control, 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

7、 a simulation model and hardware 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 桂林

8、电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 I 页 目 录 1 绪论 .1 1.1 选题的意义 .1 1.1.1 燃气热水器简介.1 1.1.2 燃气热水器的发展趋势.2 1.1.3 现有燃气热水器温度调节方案及不足.3 2 燃气热水器方案设计 .4 2.1 设计要求及系统设计要点 .4 2.1.1 设计要求.4 2.1.2系统设计要点.5 2.2 方案设计 .6 2.3 系统性能指标 .8 3 热水器控制器系统分析 .9 3.1 燃气热水器的系统组成与工作原理 .9 3.2 燃气热水器的数字 PID 温度控制 .10 3.2.1 PID算法控制的实现.10 3.2.2 PID控制器的参数整定.

9、13 4 燃气热水器系统的硬件设计 .14 4.1 元器件的选择 .14 4.1.1 单片机的选择.14 4.1.2 显示器件的选择.15 4.1.3 数字温度传感器的选择.18 4.1.4 D/A 数模转换的选择 .20 4.1.5 比例阀的选择.22 4.1.6 风机的选择.24 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页 4.1.7 水汽联动装置的选择.24 4.1.8 变压器的选择.26 4.2 硬件电路的设计 .26 4.2.1 主控制电路的设计.26 4.2.2 键盘输入电路的设计.27 4.2.3 声光报警电路的设计.28 4.2.4 温度检测电路的设计.28 4.2

10、.5 液晶显示电路的设计.28 4.2.6 电流控制电路的设计.29 4.2.7 系统的安全性研究.29 5 系统软件设计 .32 5.1 主程序流程图 .32 5.2 测温程序流程图 .34 5.3 数字 PID 控制器的实现 .35 6 系统的设计 .35 6.1 软件的调试 .35 6.2 硬件的调试 .36 6.2.1 检测元器件.36 6.2.2 检测各个引脚信号.36 7 总结和体会 .37 谢 辞 .38 参考文献： .39 附录一 .40 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 III 页 附录二 .41 附录三 .42 附录四 .43 附录五（程序）： .44 桂林电子

11、科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 49 页 1 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

12、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

13、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 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 49 页 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：

14、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，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

15、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

16、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） ， 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 49 页 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

17、，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

18、 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

19、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。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 49 页 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

20、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

21、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。

22、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。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 49 页 （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 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

23、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 气热水器的进水量调至额定水流量，设定出水温度

24、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，也就是要求控制 器的鲁

25、棒性要强。 （3）操作方便性：控制器对使用者是不可见的，他只有通过控制器的人机接口将 指令传达给系统。操作的方便性就是力求设计简便的流程来实现使用者设置工作方式、 设置洗浴、采暖温度等操作，以达到双功能燃气热水器使用方便快捷的目的。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 49 页 （4）成本：燃气热水器最终是要形成产品，进入千家万户使用。而成本是一个产 品必须考虑的，尽可能在满足各方面要求的前提下降低成本是厂家追求的。作为整个 产品的一部分，控制器也必须尽量压低成本，尽量做到用较小。 （5）功能要求：控制器的设计要体现出产品的智能化，除了要实现生活水出水温 度控制以外，它还

26、要具有如下功能：提供人机交互用户可以设置出水温度；故障 报警等等。 2.2 方案设计 方案设计的总体思路如下：首先通过键盘设定一个温度值，然后通过温度传感器 采集温度，与设定的温度进行比较，如果温度小于设定值，燃气热水器比例阀开度加大， 燃烧室煤气浓度增加，燃烧室火力变大，水温升高，当水温达到设定值时，则停止调节 比例阀，保持当前设定值，设定的温度和水温通过 LCD1602 显示出来。当水温高于某临 界温度（如 70）时，报警器发出报警，同时燃气热水器停止工作。所以可以得出电路 以单片机为核心，包括温度设定按键模块，LCD 显示模块，报警和输出电路等模块组成。 燃气热水器温度控制系统硬件部分按

27、核心处理器、外围电路和外部设备三部分来 进行设计。核心处理器选用 ATMEL 公司生产的 89S51 系列单片机，该单片机功能强大， 资源丰富，运算速度快，满足我们温度控制系统的设计需要。外围电路设计必要的电 源电路，复位电路等。外部设备分为几个部分加以设计：键盘输入电路、LCD 显示电路， 燃气比例阀控制电路，温度采样电路、外部看门狗电路及蜂鸣器报警电路。系统设计 了一路模拟量转数字量输入（热水器出水口温度） ；三开关量输入（温度加一信号、温 度减一信号、确定输入信号） ；LCD 显示部分分两行显示，第一行显示设定的热水温度， 第二行显示实际出水温度，显示范围为 099 度。控制器硬件结构电

28、路原理如图 3.4 所示。 单 片 机 温度测定电路 燃气比例阀控 制电路 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 49 页 图 3.4 硬件结构原理图 温度设定电路。通过一个按键产生脉冲输入单片机来调节水温的设定值。 温度测定电路，采用温度传感器来测量温度。 单片机，是整个电路的控制核心，实现 PID 模糊控制。 LCD 液晶显示电路，单片机通过液晶显示温度的设定值和实际测温值。 比例阀控制电路，通过控制 DAC0832 输出大小不同的电流，控制比例阀的开 度。 报警电路，当实际温度高于设定温度时，报警电路报警。 保护电路，当出现干烧，温度高于设定值等情况，自动切断电源，停

29、止工作。 看门狗电路，用于单片机断电保持和复位等。 2.3 系统性能指标 1测温范围：099 因为被控参数是水，其工作状态始终是液态，所以其工作温度就是在 099之间， LCD 液晶显示，其显示数值范围是 099，代表温度范围是 099。同时，根据多 年总结的控制经验，当燃气热水器处于最佳工作状态时，最适合温度应该稳定工作在 40左右。 2设定温度 用户可以自行设定任何一个测量点的温度数值，数字小键盘输入、LCD 显示，其 温度设定电路 LCD 液晶显示 电路 看门狗电路 保护电路 安全报警电路 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 49 页 显示数值范围是 099，代表温

30、度范围是 099。 3掉电数据保护和系统故障复位 利用看门狗（watchdog ）电路，具有掉电数据保护功能和系统故障复位功能。当 系统突然失电时，可以利用看门狗中的 EEPROM 数据储存器，将控制系统中的正在运 算的数值和结果保存起来，当系统恢复供电后，单片机再从看门狗中读出这些数据， 从而保证了系统中临时数据的安全。同时，当系统出现故障死机或者程序跑飞进入某 个死循环后，可以利用看门狗电路向单片机发出复位信号，使系统重新开始运行。 4报警功能 当温度测量数值偏离设定数值时，系统会自动报警，以提醒用户及时查明故障原 因和解决问题。同时当温度调节到位也由蜂鸣器发声，告知用户温度调节完毕，实现

31、 智能化。 3 热水器控制器系统分析 3.1 燃气热水器的系统组成与工作原理 燃气热水器结构上包括控制，供水与加热，燃气供应与燃烧，供风与排气等多 个组成单元，图 2.1 表示出了具体研究的燃气热水器的结构。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 49 页 图 2.1 燃气热水器基本结构 生活水回路，进水一端接冷水，出水一端接洗浴装置。冷水进水端打开以后，水的 压力控制安全阀打开，燃气进入喷嘴，同时电子打火装置也开始工作，燃气开始在燃 烧室内燃烧，冷水经过热交换器变成热水供人们使用。通过控制比例阀的大小可以控 制火力的大小从而控制水温，由温度传感器反馈信息，通过单片机运用

32、PID 编程处理 控制，达到水温恒温自动控制。 3.2 燃气热水器的数字 PID 温度控制 PID 控制系统原理框图如图 4.5.1 所示。系统由 PID 控制器和被控对象组成。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 49 页 图 4.5.1 PID 控制系统原理框图 PID 控制器是一种线性控制器,一种它根据给定值 rin(t)与实际输出值 yout(t)构 成控制偏差： e(t)=rin(t)-yout(t) (4-1) PID 控制就是对偏差信号进行比例、积分、微分运算后，形成一种控制规律。即， 控制器的输出为： (4-2) tDp dteTetKtu01)()()

33、()( 式中， 比例系数； Ti积分时间常数； 微分时间常数。pKD 3.2.1 PID 算法控制的实现 由 51 单片机组成的数字控制系统控制中，PID 控制器是通过 PID 控制算法实现的。 51 单片机通过 AD 对信号进行采集，变成数字信号，再在单片机中通过算法实现 PID 运 算，再通过 DA 把控制量反馈回控制源。从而实现对系统的伺服控制。 本文采用位置式 PID 控制算法具体如下 PID 位置算法 受控对象 r e + 一 u y 位置式 PID 控制算法的简化示意图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 49 页 上图的传递函数为： （2-1） 在时域的传

34、递函数表达式 （2-2） 对上式中的微分和积分进行近似 （2-3） 式中 n 是离散点的个数。 于是传递函数可以简化为： （2-4） 其中 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 49 页 u(n)第 k 个采样时刻的控制； KP 比例放大系数； Ki 积分放大系数； Kd 微分放大系数； T 采样周期。 如果采样周期足够小，则（2-4）的近似计算可以获得足够精确的结果，离散控制 过程与连续过程十分接近。 （2-4）表示的控制算法直接按（2-1）所给出的 PID 控制规律定义进行计算的， 所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式 PID 控制算法。 缺点： 1

35、）由于全量输出，所以每次输出均与过去状态有关，计算时 e(k)(k=0,1,n)进 行累加，工作量大。 2)因为计算机输出的 u(n)对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障， 输出 u(n)将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产 事故，这在实际生产中是不允许的。 3.2.2 PID 控制器的参数整定 PID 控 制 器 的 参 数 整 定 是 控 制 系 统 设 计 的 核 心 内 容 。 它 是 根 据 被 控 过 程 的 特 性 确 定 PID 控 制 器 的 比 例 系 数 、 积 分 时 间 和 微 分 时 间 的 大 小 。 PID 控 制 器 参

36、 数 整 定 的 方 法 很 多 ， 概 括 起 来 有 两 大 类 ： 一 是 理 论 计 算 整 定 法 。 它 主 要 是 依 据 系 统 的 数 学 模 型 ， 经 过 理 论 计 算 确 定 控 制 器 参 数 。 这 种 方 法 所 得 到 的 计 算 数 据 未 必 可 以 直 接 用 ， 还 必 须 通 过 工 程 实 际 进 行 调 整 和 修 改 。 二 是 工 程 整 定 方 法 ， 它 主 要 依 赖 工 程 经 验 ， 直 接 在 控 制 系 统 的 试 验 中 进 行 ， 且 方 法 简 单 、 易 于 掌 握 ， 在 工 程 实 际 中 被 广 泛 采 用 。 P

37、ID 控 制 器 参 数 的 工 程 整 定 方 法 ， 主 要 有 临 界 比 例 法 、 反 应 曲 线 法 和 衰 减 法 。 三 种 方 法 各 有 其 特 点 ， 其 共 同 点 都 是 通 过 试 验 ， 然 后 按 照 工 程 经 验 公 式 对 控 制 器 参 数 进 行 整 定 。 但 无 论 采 用 哪 一 种 方 法 所 得 到 的 控 制 器 参 数 ， 都 需 要 在 实 际 运 行 中 进 行 最 后 调 整 与 完 善 。 现 在 一 般 采 用 的 是 临 界 比 例 法 。 利 用 该 方 法 进 行 PID 控 制 器 参 数 的 整 定 步 骤 如 下 ：

38、 (1)首 先 预 选 择 一 个 足 够 短 的 采 样 周 期 让 系 统 工 作 ； (2)仅 加 入 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 49 页 比 例 控 制 环 节 ， 直 到 系 统 对 输 入 的 阶 跃 响 应 出 现 临 界 振 荡 ， 记 下 这 时 的 比 例 放 大 系 数 和 临 界 振 荡 周 期 ； (3)在 一 定 的 控 制 度 下 通 过 公 式 计 算 得 到 PID 控 制 器 的 参 数 。 在 实 际 调 试 中 ， 只 能 先 大 致 设 定 一 个 经 验 值 ， 然 后 根 据 调 节 效 果 修 改 。 对 于 温

39、 度 系 统 ： P（ %） 20-60， I（ 分 ） 3-10， D（ 分 ） 0.5-3 对 于 流 量 系 统 ： P（ %） 40-100， I（ 分 ） 0.1-1 对 于 压 力 系 统 ： P（ %） 30-70， I（ 分 ） 0.4-3 对 于 液 位 系 统 ： P（ %） 20-80， I（ 分 ） 15 PID 参 数 整 定 过 程 很 复 杂 ， 所 以 很 难 掌 握 ， 可 按 如 下 口 诀 进 行 ： 参 数 整 定 找 最 佳 ， 从 小 到 大 顺 序 查 先 是 比 例 后 积 分 ， 最 后 再 把 微 分 加 曲 线 振 荡 很 频 繁 ， 比

40、例 度 盘 要 放 大 曲 线 漂 浮 绕 大 湾 ， 比 例 度 盘 往 小 扳 曲 线 偏 离 回 复 慢 ， 积 分 时 间 往 下 降 曲 线 波 动 周 期 长 ， 积 分 时 间 再 加 长 曲 线 振 荡 频 率 快 ， 先 把 微 分 降 下 来 动 差 大 来 波 动 慢 。 微 分 时 间 应 加 长 理 想 曲 线 两 个 波 ， 前 高 后 低 4 比 1 一 看 二 调 多 分 析 ， 调 节 质 量 不 会 低 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 49 页 4 燃气热水器系统的硬件设计 4.1 元器件的选择 4.1.1 单片机的选择 （1）单

41、片机芯片的选择 MCS5 一 51 系列单片机及其兼容机在国内拥有广泛的用户。目前，国内市场上， Intel 公司生产的 MCS5 一 51 系列单片机已少见，代之以其它公司生产的 MCS 一 51 系列兼容单片机。 在 Ateml 公司的系列产品中，常用的 AT89C 系列单片机己经停产，因此 AT89S 系列单片机的价格比 AT89C 系列单片机低，而且 AT89S 系列单片机相对于 AT89C 系列单片机新增不少功能，性能有了较大提升。AT89S 系列单片机价格便宜、 性能可靠，所以采用 AT89S51 单片机作为处理芯片。 （2）单片机管脚使用的说明 AT89S51 是一个有 40 个

42、引脚的芯片，引脚配置如图 2-2 所示。与 8031 相比， AT89S51 自带 4K 的 ROM 和 128B 的 RAM，因此编写中小型系统就无需任何硬件进行 扩展。 图 2-2 AT89S51 引脚配置 89S51 相对于 89C51 增加的新功能包括： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 49 页 - 新增加很多功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比 89C51 更低！ - ISP 在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯 片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 - 工作频率为 33MHz，大家都知道 89C51 的极限工

43、作频率只有 24M，就是说 S51 具 有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 - 具有双工 UART 串行通道。 - 内部集成看门狗计时器，不再需要像 89C51 那样外接看门狗计时器单元电路。 - 双数据指示器。 - 电源关闭标识。 - 全新的加密算法，这使得对于 89S51 的解密变为不可能，程序的保密性大大加 强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 - 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列产品。比如 8051、89C51 等等早期 MCS-51 兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的 单片机是 8051 还是 89C51 还是 MCS-51 等

44、等） ，在 89S51 上一样可以照常运行，这 就是所谓的向下兼容。 4.1.2 显示器件的选择 显示器件有液晶模块、数码管等等；液晶模块又分为三类:数显液晶模块、点阵字 符液晶模块、图形液晶模块。 数码管虽然价格便宜，但数码管里面的发光二极管基本上属于电流敏感器件，其 正向压降的分散性很大， 并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度， 就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变 化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流 的大小以实现色差平衡温度补偿。即使是短 时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏。 显示包括设定温度和实时温度的显示，并且要显示4

45、位，如果用数码管则会占用单 片机太多的端口，那样可能要进行端口扩展，这样就要用到其它扩展芯片，造成成本 的上升，并且数码管容易受到干扰，特别是对温度测量这种精度要求较高的显示，容 易产生不稳定，造成更大的误差，所以决定选用功能强大不易受到干扰的液晶 LCD1602显示。 （1）LCD1602A 液显及其引脚说明： 温度显示采用 LCD1602,以降低对单片机端口数的要求,同时也降低系统的功耗.时 间控制电路和键盘输入,1602A 可以显示 2 行 16 个字符，有 8 位数据总线 D0-D7，和 RS、 R/W、EN 三个控制端口，工作电压为 5V，并且带有字符对比度调节和背光。 桂林电子科技

46、大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 49 页 1602采用标准的16脚接口，其中: 第1脚：VSS为地电源 第2脚：VDD接5V正电源 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最 高，对比度过高时会产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10K的电位器调整对比度 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS和RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙 信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 第6脚

47、：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714 脚：D0D7为8位双向数据线。 第1516脚：15脚接VCC，16接GND,作背光用。 （2）LCD1602 的指令控制： 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如表 2-1 所示， 表 2-1 指令表 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 显示开/关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 光标或字符移位 0 0 0 0

48、0 1 S/C R/L 置功能 0 0 0 0 1 DL N F 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址（AGG） 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址（ADD） 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址（AC） 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 49 页 写数到 CGRAM 或 DDRAM 1 0 要写的数 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 1 1 读出的数据 它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。 （说明：1 为高电平、 0 为低电平） 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置 指令 2：光

49、标复位，光标返回到地址 00H 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕 上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效 指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表 示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光 标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平 时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5x7

50、的点阵字符，高电平时显示 5x10 的点阵字符 指令 7：字符发生器 RAM 地址设置指令 8：DDRAM 地址设置 指令 9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命 令 或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10：写数据 指令 11：读数据 4.1.3 数字温度传感器的选择 采用集成器件 DS18B20，DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感 器，具有 3 引脚 TO92 小体积封装形式；温度测量范围为55125，可编程 为 9 位12 位 A/D 转换精度，测温分辨率可达 0.0625，被测温度用符号扩展的 16 位数字量方式串行输

51、出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生； 多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上，CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点 使 DS18B20 非常适用于远距离多点温度检测系统。 DS18B20 数字温度计是 DALLAS 公司生产的 1Wire，即单总线器件，具有线路简单， 体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 18 页 共 49 页 挂很多这样的数字温度计，十分方便。 1、DS18B20 产品的特点

52、（1） 、只要求一个端口即可实现通信。 （2） 、在 DS18B20 中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3） 、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4） 、测量温度范围在55 。 C 到125 。 C 之间。 （5） 、数字温度计的分辨率用户可以从 9 位到 12 位选择。 （6） 、内部有温度上、下限告警设置。 2、 DS18B20 的引脚介绍 TO92 封装的 DS18B20 的引脚排列见图 1，其引脚功能描述见表 1。 （底视图）图 1 表 1DS18B20 详细引脚功能描述 序 号 名称 引脚功能描述 1 GND 地信号 2 DQ 数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引

53、脚。当被用着在寄生电源 下，也可以向器件提供电源。 3 VDD 可选择的 VDD 引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 3 DS18B20 的使用方法 由于 DS18B20 采用的是 1Wire 总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传 输，而对 AT89S51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软 件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 DS18B20 芯片的访问。 由于 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序 要求。DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义 了几种信号的时序：初

54、始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备， 单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始， 如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。 数据和命令的传输都是低位在先。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 19 页 共 49 页 DS18B20 的复位时序 DS18B20 的读时序 对于 DS18B20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 的读时序是从主机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放单总线， 以让 DS18B20 把数据传输到单总线上。DS18B20 在完成一个

55、读时序过程，至少需要 60us 才能完成。 DS18B20 的写时序 对于 DS18B20 的写时序仍然分为写 0 时序和写 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时，单总线要被拉 低至少 60us，保证 DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 IO 总线上的 “0”电平，当要写 1 时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线。 4.1.4 D/A 数模转换的选择 DAC0832 是采样频率为八位的 D/A 转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使 DAC0832 芯片具备双缓冲、单缓冲和直通

56、三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 20 页 共 49 页 要求多路 D/A 异步输入、同步转换等)。 一个 8 位 D/A 转换器有 8 个输入端（其中每个输入端是 8 位二进制数的一位），有 一个模拟输出端。输入可有 28=256 个不同的二进制组态，输出为 256 个电压之一，即 输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是 256 个可能值。图 4-83 是 DAC0832 的 逻辑框图和引脚排列。 图 4-83 D/A 转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入 阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过

57、 RFB 端引用片内固有电阻，也可 外接。DAC0832 逻辑输入满足 TTL 电平，可直接与 TTL 电路或微机电路连接。 DAC0832 引脚功能说明： DI0DI7：数据输入线，TLL 电平。 ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。 CS：片选信号输入线，低电平有效。 WR1：为输入寄存器的写选通信号。 XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。 WR2：为 DAC 寄存器写选通输入线。 Iout1:电流输出线。当输入全为 1 时 Iout1 最大。 Iout2: 电流输出线。其值与 Iout1 之和为一常数。 Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻. Vcc:电源输入

58、线 (+5v+15v) Vref:基准电压输入线 (-10v+10v) AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地. DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好. 采用 ADC0809 实现 A/D 转换。 （一） D/A 转换器 DAC0832 DAC0832 是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型 8 位数/模转换器。如图 4-82 所示， 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 21 页 共 49 页 它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算 放大器输出的模拟量V0 为： 图 4-82 由上式可见，输出的模拟量 与输入的数字量（

59、） 成正比， 这就实现了从数字量到模拟量的转换。 4.1.5 比例阀的选择 燃气比例阀是一种可动永磁式的电磁比例阀系统，它可根据电脑控制器输出电流的 大小，自动调节阀口的开度，对燃气流量不断地进行细微的无级调节，使热水器的出 水温度可无级设定；另外在比例阀输入电流不变的条件下，阀口开度可随输入压力变 化而自动调整，保证输出口压力稳定，使热水器所设定的出水温度保持恒定。该比例 阀还具有结构紧凑，性能可靠，调节灵敏等优点。适用于恒温热水器等燃气设备 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 22 页 共 49 页 A：结构及工作原理介绍 该阀由开关阀、比例调节系统、稳压系统三大部分组成： a、

60、开关阀：如上图所示,它是一个通断型电磁阀，根据控制器的电信号来打开或关 闭阀口。 b、比例调节系统：主要由电磁系统、永磁体、球阀组件构成。当线圈得到控制电 流时,在磁芯的下端面产生与永磁体端面极性相同的电磁场力，按同性相斥的原理，二 者产生排斥力，推动永磁体及球阀下移，与橡胶阀口之间形成相应的开度。电流增加 时磁芯磁场增加，推开永磁体的力增大，阀口开度增大；电流减小时磁芯磁场减小， 推开永磁体的力减小，阀口开度减小。这样控制器可通过水温反馈信号自动调节电流 来自动控制燃气流量，从而达到调控水温、稳定水温的目的。 当线圈断电时电磁力消失，永磁力使永磁体吸向磁芯，球阀上移关闭阀口；在断电状 态下永

61、磁体始终吸向磁芯，对球阀产生恒定拉力，使该阀口具有良好的密封效果。 C、稳压系统：当电流按设定温度值确定后，磁场力可视为一个恒定作用力。输入 压力升高，膜片受力增大向上位移，使阀口开度减小；输入压力下降，膜片受力减小 向下位移，使阀口开度增大。这样一来保证了输出压力的稳定，使燃烧工况始终保持 所需状态。 根据温度传感器传给控制板的数据，由单片机发出指令，自动控制火力的大小，从 而达到水温的自动调节和控制。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 23 页 共 49 页 4.1.6 风机的选择 选择强排式燃气热水器风机： 一、设计上根据不同的燃气用强排式热水器的要求，采用气动力学与气动声学

62、优化 组合的原理，最大限度发挥多翼式风机的特点，使整机具有流量大，风压适中，噪声 低的卓越优点。 二、风机外壳采用优质钢板制作并表面处理，外形及安装可依据不同配套厂家定 做，从而保证与整机协调统一、美观，安装灵活方便。 三、叶轮采用铝合金整体制作或铆合而成,并经严格静、动平衡校正，因些振动极 小。 四、电机配套轴承采用日本 NSK、NTK 轴承，质量可靠，经久耐用. 五、相关风机性能参数：(参考值)电压：AC220V 频率：50HZ 转速：2750r/min 输 入功率：25+10%W 风量：1.3m/min 负压：180Pa(也可设置正压）。 4.1.7 水汽联动装置的选择 水气联动装置（俗

63、称水气联动阀）包括水控装置和气控装置，工作原理就是检测到 足够的冲击水压时，启动燃气机械开关（草帽垫），接通电路（一般为微动开关）， 进而启动脉冲点火器和电磁阀以及电机。水控装置是控制水流量的装置，又称水温调 节阀；气控装置由气阀组件组成，控制燃气的启闭和燃气流量，又称火力调节阀。水 气联动装置主要部件有：进气口、泻压阀杆、锥形管、鼓膜、水温调节阀、顶杆、微 动开关、火力调节阀、电磁阀、进气口等。 水气联动装置的作用是保证在水压足够且被引进热交换器流动时，燃气制阀门才能 打开。而当水流停止或压力不足时，自动切断燃气的供气通路，防止因缺水而烧坏设 备。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸

64、第 24 页 共 49 页 简单地说，就是检测到足够的冲击水压时，启动燃气机械开关（草帽垫），接通电 路（一般为微动开关），进而启动脉冲点火器和电磁阀以及电机。 现在常用的水气联动装置主要有两种：一种是压力式，另一种是压差式。 1、压差式：采用薄膜两侧水的压力差的原理。它的输水管设置了节流孔（文氏管） ，当水流过节流孔时，在薄膜的两侧产生压力差，由压力差来开启和关闭燃气阀瓣。 由于节流孔的内径是固定的，所以在单位时间内流过节流孔的水越多，则经过节流孔 时水的流速就越快，根据伯努利原理，节流孔两侧所生产的压力差就越大，由阀杆控 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 25 页 共 49 页

65、 制阀瓣，使阀口开启的程度随之加大。这样就保证了在热水器的热负荷范围之内，热 水温度保持基本稳定，不至于忽冷忽热。当水阀关闭，水停止流动时，薄膜两侧的压 力差消失，阀瓣在弹簧的作用下复位，切断了主燃烧器的供气，主燃烧器熄火（此时 如有小火燃烧器则保持原来的燃烧状态）。压差式水气联动阀既可用于前制式，又可 用于后制式。（本文用压差式） 2、干簧管（或霍尔）式：采用磁钢感应干簧管（霍尔开关）。热水器进水管内安 装磁钢，打开水阀水流量达到设计值时，磁钢转过感应点，干簧管就闭合，控制电路 接通，燃气阀门打开，热水器燃烧。 4.1.8 变压器的选择 变压器主要是将 220V 变压成燃气热水器中各个系统所

66、需要的电压，可以买伊戈尔 电气公司的产品，质量和功能都能满足多电源提供的要求。 4.2 硬件电路的设计 4.2.1 主控制电路的设计 主控制电路由看门狗复位电路、晶振电路、LED 灯显示电路、单片机芯片等构成， 单片机通过程序控制外围电路互相配合，进行温度的显示、调节、控制等操作。如图 4.2.1. 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 26 页 共 49 页 图 4.2.1 4.2.2 键盘输入电路的设计 由于本系统要求的输入，仅为用户预设的两位温度值，故所需要的键数比较少， 用 3 个单键（十位按键，个位按键，确定）即可，还有一个结束按键。由于单片机引 脚有限，在设计初期还不能确定是否有多出来的资源供使用，还有考虑到键盘响应的 及时性和单片机运行的效率，所以本系统采用中断扩展控制方式，即四个单键先分别 与四个 I/O 口相连。其电路图如图 3.5 所示。 图 3.5 键盘输入电路 4.2.3 声光报警电路的设计 如下图所示，蜂鸣器主要起报警作用，当出现干烧，温度过大等情况时，蜂鸣器响起。 图 4.2.3 蜂鸣器报警电路 4.2.4 温度检测电路的设计 温度检测电路由 DS1