第27卷第6期增刊 2006年6月 仪器仪表学报 Chinese Journal of Scientific Instrument VolI 27 No．6 June．2006 电热水器 恒温 控制器的设计 季忠苑1 朱更军2 林祝亮2 1(浙江丽水学院计算机与信息学院 丽水 323000) 2(浙江师范大学信息科学与工程学院金华321004) 摘 要 本文所设计的控制器采用AT89C51单片机作为控制核心，将PID算法和PWM脉宽调制技术相结合，通过光耦控 制晶闸管导通角的大小实现热水器的恒温控制。该系统能根据设定的温度，实现温度的自动采集和控制，解决了传统的电热 水器用冷热水闸门调节温度出现的温度不易调节的缺点。 关键词 单片机 脉宽调制 温度控制PID算法 Design of water heater constant temperature controller 1(Insitute of Computer And Information，ZheJiang Lishui University，Lishui 323000，China) 2(Insitute of Information Science and Engineering，Zhejiang Normal University，Jinhua 321 004，China) J i Zhong Yuanl Zhu Gengj un2 Lin Zhulian92 Abstract The paper designes the controller which takes the AT89C5 1 scan as the control core，combine the PZP arithmetic and PWM impulse width modulate，and realize the constant temperature control of water heater through the photoelectric coupling to control magnitude of the thyristor conduction angle．The system can achieve the temperature of automatic collection and contr01 according to the enactment temperature．It resolves that the traditional water heater using the cold-hot water gate tO control the temperature bring the problem of temperature no-easy adj ust． Key words SCM impulse width modular temperature control PID arithmetic 1 引 言 为了满足人们对现代电器的智能化的要求，利用 目前微电子的最新成果改善电热水器的性能已经完全 可能和必要。针对传统的电热水器用冷热水闸门调节 温度出现的温度不稳定，不易调节的缺点，本文设计的 控制器很好的解决了这一问题。 2 系统的硬件组成与设计 2．1 系统的硬件组成 系统由单片机控制系统、前向通道、后向通道、人 机对话通道四个主要的功能模块组成，总体框图如 图1所示。 2。2系统硬件设计 单片机基本系统以AT89C51为核心，通过A／D、 万方数据 图1系统框图 LED显示和按键完成数据采集、温度显示、温度设定 功能，并完成控制算法的实现和控制信号的输出。系 统前向通道是信息采集的通道，主要包括由温度传感 器AD590、运算放大器OP一07和电阻R1、VRl、R2、 VR2组成的信号转换与放大电路、ADC0804组成的信 号采集电路和单片机为核心的信号处理电路。水温经 温度传感器和信号放大电路产生0V至5v的模拟电 压信号送入A／D转换器的输入端，A／D转换器将模拟 

622 仪器仪表学报 第27卷 量转换为数字量通过系统总线送人单片机进行运算处 则可得增量式PID控制算式为： 理。后向通道是控制信号的输出通道，主要由功率放 △u(k)一u(k)一u(k一1)一Kc[e(k)一e(k一1)]+ 大电路、光电耦合电路、双向晶闸管、电热装置等组成。 K1 e(k)+KD[e(k)一2e(k一1)+e(k一2)]一Kc△e(k) 单片机输出的控制信号由7407构成的运放放大后，送 +K，e(k)+KD△2e(k) 到光电偶合器MOC3041，它的输出级由过零触发的双 3．2软件设计 向可控硅BTAl2构成，它控制着主电路双向可控硅的 系统软件由主程序、PID子程序、PWM波子程序 导通与关断，控制电热装置，从而实现温度控制。 组成。主程序流程图如图3所示。 3系统软件设计 PID子程序其作用是为根据设定温度，实测温度 和调节器系数K。、K。、K。计算变换量△u，，并将变换量 按比例转换为PWM波的时间来控制可控硅导通时 3．1增量式PID控制算法 间。PWM波子程序按PID运算结果，软件编写完成 模拟控制系统的PID控制规律表达式为： 心，一K。[e(t)+瓠0m冰+Tn掣] 对于DDC控制系统，要对上式进行离散化，再利用递 推原理得： 控制双向晶闸管的导通时间。 4结束语 本文利用增量式PID算法设计的的控制器，实现 u(k一1)=Kce(k—1)+K。∑e(i)+KD[e(k一1) 对电热水器的自动控制，温度分辨力可达0．1℃，具有 一e(k一2)] 自动化、智能化、易于操作、控制精度高、性价比高等 特点。 参考文献 [1]刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真[M]．北 京：电子工业出版社，2003． [2]陶永华．新型PID控制及其应用[M]．北京：机械工业 出版社，2002． [3]李华，孙晓民，李红青，等．MC孓51系列单片机实用口 技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003． [4] 张毅刚．MC孓51单片机应用设计[M]．黑龙江：哈尔 滨工业大学出版社，1990． [5] 何小艇．电子系统设计[M]．浙江：浙江大学出版 桂，2004． 16] 韩志军，沈晋源，王振波．单片机应用系统设计[M]．北 图3主程序流程图 京：机械工业出版社，2005． 万方数据 

电热水器恒温控制器的设计 作者： 季忠苑， 朱更军， 林祝亮， Ji Zhong Yuan， Zhu Gengjun， Lin Zhuliang 作者单位： 季忠苑,Ji Zhong Yuan(浙江丽水学院计算机与信息学院,丽水,323000)， 朱更军,林祝亮 ,Zhu Gengjun,Lin Zhuliang(浙江师范大学信息科学与工程学院,金华,321004) 刊名： 仪器仪表学报 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT 年，卷(期)： 2006，27(z1) 0次 引用次数： 参考文献(6条) 1.刘金琨 先进PID控制及其MATLAB仿真 2003 2.陶永华.尹怡欣.葛芦生 新型PID控制及其应用 2002 3.李华.孙晓民.李红青 MCS-51系列单片机实用口技术 2003 4.张毅刚.彭喜源.谭晓昀 MCS-51单片机应用设计 1990 5.何小艇 电子系统设计 2004 6.韩志军.沈晋源.王振波 单片机应用系统设计 2005 相似文献(10条) 1.期刊论文 卢玉宇 用单片机产生脉宽调制(PWM)电压输出的方法 -福建农业大学学报(自然科学版)2001,30(3) 在智能化产品开发中,许多常用的单片机没有提供脉宽调制(PWM)电压输出功能,而在某些特定的场合需要得到PWM电压.本文阐述了利用单片机定时器 功能,通过软件设计产生PWM电压输出,使产品硬件设计简单化,提高可靠性,降低成本,提高产品使用寿命. 2.学位论文 王立谦 基于MOTOROLA单片机的空调控制系统的研究与设计 2007 随着人们生活水平的不断提高，对空调的数量和质量的要求都在不断提高，变频空调由于其性能优异，节省能源等特点已经成为空调企业的发展方 向。变频空调的优点在启动电流小，工作噪音低，温度控制精度低等特点，能够创造更舒适的温度控制环境。本文从硬软件两方面着手，探讨了在空调 控制领域如何应用温度控制系统，并探讨了如何使单片机，程序以及外围电路设计进行有效融合，来提高产品的使用价值，同时，本文也探讨了如何在 相应硬件平台的支持下通过软件开发来增加系统的应用功能。 首先，本文通过对空调控制系统硬件及软件需求的分析研究，确定系统的软、硬件 结构和功能划分，得出空调器的软件模型并构建模型。并从新增功能等角度分析此空调需要满足的几个方面，并提出的具体设计方案。主要体现在两个 方面：1基于摩托罗拉单片机的空调控制系统的硬件系统的研究，设计和实现；2软件系统的可移植性以及开放性。并经过研究解决了以下问题：PWM脉宽 调制实现压缩机的转速控制，移植性的提高，室内机与室外机的通信的可靠性增加等。 而后，通过对单片机的体系结构的分析以及在设计过程中 所用的主要特性的说明，来论述使用MOTOROLA单片机作为控制系统的主要核心部件能够完成所需功能。此外，由于空调器可能用于环境恶劣的地方，单 片机作为整个控制系统的核心部件，要考虑到其电气特性以及其它性能。根据其特性，该单片机的性能完全空调器的使用要求。 此外，在整个系 统的设计过程中，外围硬件电路的设计也是一个重要的部分。在这里我们先充分了解MOTORULA单片机的特点和引脚结构，然后通过分析系统要完成的功 能来进行功能划分及设计。其中包括PWM脉宽调制的原理及实现，以及控制压缩机转速的智能模块的设计。然后对系统的结构进行了详细的分析。最后对 单片机及外围电路进行详细的分析设计来实现硬件所要完成的功能，设计出了音乐提示等人性化的功能，此外还新增自诊断功能。 在软件设计上 ，首先分析在硬件基础上软件所要达到的功能和要求，然后介绍了开发环境以及控制软件的主要逻辑流程，并以室外机的控制板设计为例，从模块划分 ，函数定义，软件流程等方面具体地描述了相关功能的设计。该系统主要包括系统初始化，状态控制，通信模块以及A/D转换等六个基本模块，通过软件 设计，为空调器的更人性化的设计，更轻松的升级换代提供了良好的基础。 3.期刊论文 周安德 基于80C196MC单片机的脉宽调制仿真 -电力机车与城轨车辆2003,26(5) 以16位单片机80C196MC为主控制器,采用实时的算法,用MCS96汇编语言编写程序,在ICES-16仿真器上成功实现实时的PWM仿真. 4.期刊论文 王锦仁.DUAN Zhao-li.段兆丽 基于脉宽调制的程控恒流源设计 -佳木斯大学学报（自然科学版） 2008,26(2) 详细介绍了程控恒流源电路的设计,分析了电路原理.程控恒流源电路是由单片机片内定时器输出的脉宽调制信号来控制,并用该电压控制恒流源产生 可控电流.通过单片机的键盘接口对输出电流进行设定,实现输出电流的连续调节及电流的动态测量.由MSP430单片机及其外围电路经过巧妙的设计构成 ,电路的性能十分理想. 5.学位论文 王洹 基于单片机的中频电源系统实现--脉宽调制技术研究 2000 课题针对磨床专用中频变频器的具体要求,采用INTEL公司的十六位单片机80C196MC 作为主控单元,使用MCS 96系列的汇编语言编程,实现一个输出 2KHz的中频正弦脉宽调制的变频器.课题研究过程中对中频变频器的控制策略进行了探讨,提出了驱动砂轮类恒转矩负载情况下最佳工作点的寻找策略,指 出以直流母线最小电流和最小电流变化率作为寻优目标的合理性.在调制策略上作者尝试着使用了随机脉冲位置脉宽调制抑制载波附近高幅值的谐波.变 步器在工作点采用同步调制策略,作者对变频器采用正弦脉宽调制注入三次谐波制策略时,输出线电流和相电压的波形和频谱进行了分析比较. 6.期刊论文 丁喜波.段兆丽.王锦仁.张任.张俊杰.DING Xi-bo.DUAN Zhao-li.WANG Jin-ren.ZHANG Ren.ZHANG Jun-jie 脉宽调制程控恒流源的设计 -传感器与微系统2008,27(6) 介绍了程控恒流源电路的设计.该程控恒流源电路的原理是由单片机片内定时器输出的脉宽调制信号产生可控的电压输出,并用该电压控制恒流源产 生可控电流,通过单片机的键盘接口对输出电流进行设定,从而实现输出电流的连续调节与电流的动态测量,采用该程控恒流源电路进行了气敏元件烧结、 老化装备设计,保证了气敏元件的产品质量. 7.学位论文 张琰 气动伺服系统模糊控制研究及单片机实现 1999 该文首先介绍了处于试验阶段的脉宽调制气动比例舵机的主要组成部分,即:以微机为核心的控制器、脉宽调制放大器、阀控缸、模拟负载装置以及 反馈装置等几部分;之后,介绍了用于模糊控制研究的理论基础,以及模糊控制的常规研究方法;最后,研究了用于伺服系统的变结构模糊控制器.同时,为了 

实际应用的需要研究了单片机模糊控制器.该文以变结构模糊控制器为研究重点.从理论到实验,阐述了变结构模糊控制器在气动伺服系统中的应用可行性 及其优越性. 8.期刊论文 堵利宾.张河新.李建朝.韩建海.陈仲库.DU Libin.ZHANG Hexin.LI Jianchao.HAN Jianhai.CHEN Zhongku 基于C8051F脉宽调制(PWM)的气动比例调压阀的开发 -机床与液压2008,36(3) 介绍了气动比例调压阀的组成、工作原理及控制系统.该气动比例调压阀是由先导式调压阀、高速开关阀、压力传感器、以C8051020单片机为核心的 控制电路和显示电路组成的闭环控制系统.该系统通过软件编程输出脉宽调制(PWM)信号来控制两个气动高速开关阀,对气动调压阀先导腔压力进行控制 ,以实现对调压阀出口压力进行比例控制的目的.通过实验表明系统具有良好的控制性能和实用性. 9.期刊论文 秦香丽.祖静.裴东兴.靳鸿.QIN XIANGLI.ZU JING.PEU DONGXING.JIN HONG 基于MSP430单片机的热线 式风速测量系统的设计 -微计算机信息2008,24(8) 构建了基于MSP430单片机的风速测量系统,重点探讨了能产生PWM的单片机在热线风速仪中的应用,采用PWM(脉宽调制)给热线供电,并利用PWM的占空 比变化来调整平衡热线温度.系统采用恒温差方式实现对加热器的控制.此测量系统利用MSP430单片机内部的12位ADC完成了其中的模数转换部分,文中对 系统的软、硬件设计作了详细的介绍.通过利用此系统测量实际风速,所得的测试结果表明,设计满足实际风速的测量要求. 10.学位论文 李晓明 高速客车空调逆变电源电压矢量轨迹脉宽调制控制 1997 该文分析了电压矢量轨迹脉宽调制的原理,建立了数学模型,提出用电压矢量逼近理想磁链圆的方法,并给出了任一分割方式的逼近路径,进而得到逆 变器的开关状态表,在此基础上进行了误差分析和谐波分析.最后设计实现电压矢量轨迹脉宽调制控制的硬件和软件. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_yqyb2006z1241.aspx 下载时间：2010年3月15日