西南科技大学自学考试毕业论文设计西南科技大学高等教育自学考试毕业设计（论文）任务书 题目名称基于pid算法的速热式饮水机控制器设计学生姓名 准考证号 题目来源教师科研 社会实践实验室建设 其它题 目 类 型理论研究 应用研究设计开发 其它选题背景及目的速热式饮水机能在瞬间(3-8秒)把从饮水机里所出的饮用水烧开，即出即开即饮，较传统的饮水机而言，大大提高了简约性，由于所需加热时间短，因此更节能更省电。速热式饮水机控制器主要由水温检测电路、加热元件、水温控制电路组成，通过温度传感器对水温进行监控，以简单的PID调节反馈控制出水温度，此控制系统较开环控制系统对水温的稳定控制效果有所改善，但对于温差比较大的环境下，出水温度仍存在较大误差 。工作任务及要求时间安排以上内容由指导教师填写指导教师签 字教师姓名：年 月 日助学点审核审核意见： 组长签字： 年 月 日学生接受任务签字接受任务时间：2015 年 12 月 11 日 学生签名： V西南科技大学高等教育自学考试毕业设计（论文）申报表 学生姓名何登旭性别男年龄20准考证号 学生住址联系电话 毕业设计（论文）题目名称基于pid算法的速热式饮水机控制器设计拟请指导教师 指导教师职称信息工程系讲师指导教师电话 指导教师单位绵阳市职业技术学院选题背景及目的速热式饮水机能在瞬间(3-8秒)把从饮水机里所出的饮用水烧开，即出即开即饮，较传统的饮水机而言，大大提高了简约性，由于所需加热时间短，因此更节能更省电。速热式饮水机控制器主要由水温检测电路、加热元件、水温控制电路组成，通过温度传感器对水温进行监控，以简单的PID调节反馈控制出水温度，此控制系统较开环控制系统对水温的稳定控制效果有所改善，但对于温差比较大的环境下，出水温度仍存在较大误差。工作任务及要求时间安排助学中心评审意见主考院校评审意见西南科技大学高等教育自学考试毕业设计（论文）进度检查及成绩评定表日期工作内容执行情况指导教师签字学生姓名何登旭专业班级电信142准考证号070115337545成绩汇总评分项目评分比例（）分数总分指导教师评分40评阅教师评分30答辩小组评分30指导教师毕业设计（论文）过程评语评分签字： 年 月 日评阅教师毕业设计（论文）成果评语评分签字： 年 月 日答辩组毕业设计（论文）答辩评语评分签字： 年 月 日主考院校评审意见签章 年 月 日基于pid算法的速热式饮水机控制器设计摘要：针对目前市场上的速热式饮水机存在的温度控制问题和干烧现象，设计基于STC15F204单片机的温控系统，以水箱水温、出水水温、电源电压和水流量为反馈量的PID控制，结合外围控制电路，实现对饮用水的快速加热和水温的控制。重点介绍了控制器硬件电路的设计和工作原理以及程序的结构和实现，速热式饮水机能在瞬间(3-8秒)把从饮水机里所出的饮用水烧开，即出即开即饮，较传统的饮水机而言，大大提高了简约性，由于所需加热时间短，因此更节能更省电。速热式饮水机控制器主要由水温检测电路、加热元件、水温控制电路组成，目前市场上销售的速热式饮水机一般采用分档控制电机转速调节加热，使用的是开环控制系统，通过恒定电机的功率控制水温，此种加热方式出水温度容易受水压以及室温的影响。某些速热式饮水机为了达到稳定的水温输出效果，采用了一种简单的闭环控制系统，通过温度传感器对水温进行监控，以简单的PID调节反馈控制出水温度，此控制系统较开环控制系统对水温的稳定控制效果有所改善。关键词：即热式；温度控制；PID控制；温控系统Design of Controller for Instant Water Heater Based on PID ControlAbstract:This paper designs a new digital intelligent instant water heater control system. Aim at the problemsof temperature control and the dry burning phenomenon exiting on the markets, design a temperature control systembased on STCF204 microchip, and PID control with the feedback quantities of water temperature before heated,water temperature after heated, supply voltage and water flow. Combine with the peripheral control circuits, controlthe heat velocity and the water temperature. The paper mainly describes the hardware circuits and the softwareprograms of the system.Key words: instant heat; temperature control; PID control第1章 绪论1.1课题背景及研究目的和意义随着现代工业技术的不断发展，目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构加到被控系统上控制系统的被控量经过传感器变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统其传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligent regulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器（PLC） 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。本设计MCU选择STC15F204，自带10位AD转换。其他还包括功率电路、显示电路、数据采集电路、键盘电路和加热电路，数据采集包括对水温、电压、和水流量的数据采集，显示电路用LCD1602，显示当前水箱水温、水流量、出水水温、电压值等，键盘则用来设置加热水温、最低水温、最高水温等值。第2章 速热式饮水机控制器设计的系统方案2.1控制系统设计原理及分析针对控制系统对加热后的水温的控制受加热前水温、水压、水流量以及电源电压的影响，本文设计的闭环控制系统以出水温度为反馈量，以水箱水温、电源电压和水流量为前馈量，减小上述外界的干扰因素的影响。控制系统原理如图2.1.1所示。图2.1.1 控制器工作原理框图2.2硬件电路设计速热式饮水机控制器选用STC15F204单片机作为处理器，该单片机由宏晶公司设计生产，是一款以51为内核的8位高速低耗8051单片机，拥有8路高速10位A/D转换，大大简化了本控制器硬件电路的设计。硬件电路包括功率电路、显示电路、数据采集电路、键盘电路和加热控制电路。2.2.1功率电路功率电路用于给控制电路提供电源 ，STC15F204芯片电源电压为5V直流电压，整流桥电路较220V交流电转换为直流电压，用AP8022开关电源控制器，将220V电压转换为5V电压，功率电路图如图2所示。图2 功率电路原理图2.2.2数据采集电路数据采集电路包括对水温、电压和水流量的数据采集。温度采集通过热敏电阻与分压电阻串联，接入单片机接口，由于STC15F204单片机拥有高速A/D转换接口，单片机可直接进行A/D转换，因此无需再设A/D转换电路。热敏电阻的阻值与温度值的关系函数应用最下二乘法求得，因此水箱温度和加热后水温的数值直接根据热敏电阻采样值求出。电压采集电路为二极管半波整流电路，通过电阻分压和电容滤波直接采集得到。水流量采集电路通过采集涡轮式流量计的转速求得。如图3所示，左图为温度采集电路，右图为电压采集电路。a) 温度采集电路 b) 电压采集电路图3 数据采集电路原理图2.2.3显示电路和键盘电路为方便用户对速热式饮水器的使用，本文设计了控制器的显示电路，显示电路主要由LED数码管和LED灯组成，两对LED数码管用于显示用户的目标温度和实际的水温度，LED灯用于指示电源、儿童锁、警报等信号。为简化硬件电路，本设计的键盘电路的四个按键共用一个单片机接口，四个按键通过串联不同阻值的电阻共同接于单片机A/D接口，单片机A/D通过检测不同电压值判断按下的按键。2.2.4 加热控制电路加热控制电路由继电器、直流电机、三极管开关电路等组成，继电器控制加热板电热膜的开关，三极管开关电路与单片机接口相连，通过单片机输出不同频率的脉冲信号控制直流电机的转速，从而控制水箱中的饮用水进入加热板电热膜的水流量，进而控制出水温度。加热控制电路原理图如图4所示。图4 加热控制电路原理图2.3 温度控制算法实现温度控制算法程序主要包括主程序和中断控制程序，其中主程序包括数据采集子程序、LED显示子程序、按键程序、PID控制子程序等。数据采集子程序主要对水温、电压和水流量进行采集；LED显示子程序负责在LED数码管和LED等上显示当前的水温、目标水温、加热状态、出水量和报警信号；按键程序的四个按键包括电源开关、温度选择、儿童锁和出水按键；PID控制子程序负责调节电机的转速，保持温度稳定在用户的设定值。温度控制流程图如图5所示。温度控制依据所采集的实际水温和目标温度之差来调节电机的转速，从而控制饮用水流经加热板的速度，调节出水温度。温度控制系统的核心是PID控制，如图 所示，控制系统通过采集出水温度与目标温度值进行比较，然后依据入水温度、水流量和电源电压值进行比例积分微分运算。这里被控对象传递函数为 ，去目标温度为50 o C，T=