基于PID算法的速熱式飲水機(jī)控制器設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字式智能速熱飲水機(jī)控制系統(tǒng)。針對目前市場上的速熱式飲水機(jī)存在的溫度控制問題和干燒現(xiàn)象，設(shè)計(jì)基于STC1 5F204單片機(jī)的溫控系統(tǒng)，以水箱水溫、出水水溫、電源電壓和水流量為反饋量的PID控制，結(jié)合外圍控制電路，實(shí)現(xiàn)對飲用水的快速加熱和水溫的控制。重點(diǎn)介紹了控制器硬件電路的設(shè)計(jì)和工作原理以及程序的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)。

0 引言

速熱式飲水機(jī)能在瞬間(3—8秒)把從飲水機(jī)里所出的飲用水燒開，即出即開即飲，較傳統(tǒng)的飲水機(jī)而言，大大提高了簡約性，由于所需加熱時間短，因此更節(jié)能更省電。速熱式飲水機(jī)控制器主要由水溫檢測電路、加熱元件、水溫控制電路組成，目前市場上銷售的速熱式飲水機(jī)一般采用分檔控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)加熱，使用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，通過恒定電機(jī)的功率控制水溫，此種加熱方式出水溫度容易受水壓以及室溫的影響。某些速熱式飲水機(jī)為了達(dá)到穩(wěn)定的水溫輸出效果，采用了一種簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過溫度傳感器對水溫進(jìn)行監(jiān)控，以簡單的PID調(diào)節(jié)反饋控制出水溫度，此控制系統(tǒng)較開環(huán)控制系統(tǒng)對水溫的穩(wěn)定控制效果有所改善，但對于溫差比較大的環(huán)境下，出水溫度仍存在較大誤差。對此，本文對PID閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，通過分析溫度控制過程，設(shè)計(jì)了一種包括水箱水溫、熱水水溫、電源電壓和水流量作為反饋量的PID控制系統(tǒng)，并基于STC15F204單片機(jī)搭建了硬件電路。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及分析

針對控制系統(tǒng)對加熱后的水溫的控制受加熱前水溫、水壓、水流量以及電源電壓的影響，本文設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)以出水溫度為反饋量，以水箱水溫、電源電壓和水流量為前饋量，減小上述外界的干擾因素的影響。本文的控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

速熱式飲水機(jī)控制器選用STC15F204單片機(jī)作為處理器，該單片機(jī)由宏晶公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，是一款以51為內(nèi)核的8位高速低耗8051單片機(jī)，擁有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，大大簡化了本控制器硬件電路的設(shè)計(jì)。硬件電路包括功率電路、顯示電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤電路和加熱控制電路。

2.1 功率電路

功率電路用于給控制電路提供電源，STC15F204芯片電源電壓為5V直流電壓，本文采用整流橋電路較220V交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓，用AP8022開關(guān)電源控制器，將220V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，功率電路圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路包括對水溫、電壓和水流量的數(shù)據(jù)采集。溫度采集通過熱敏電阻與分壓電阻串聯(lián)，接入單片機(jī)接口，由于STC15F204單片機(jī)擁有高速A/D轉(zhuǎn)換接口，單片機(jī)可直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此無需再設(shè)A/D轉(zhuǎn)換電路。熱敏電阻的阻值與溫度值的關(guān)系函數(shù)應(yīng)用最下二乘法求得，因此水箱溫度和加熱后水溫的數(shù)值直接根據(jù)熱敏電阻采樣值求出。電壓采集電路為二極管半波整流電路，通過電阻分壓和電容濾波直接采集得到。水流量采集電路通過采集渦輪式流量計(jì)的轉(zhuǎn)速求得。如圖3所示，左圖為溫度采集電路，右圖為電壓采集電路。

2.3 顯示電路和鍵盤電路

為方便用戶對速熱式飲水器的使用，本文設(shè)計(jì)了控制器的顯示電路，顯示電路主要由LED數(shù)碼管和LED燈組成，兩對LED數(shù)碼管用于顯示用戶的目標(biāo)溫度和實(shí)際的出水溫度，LED燈用于指示電源、兒童鎖、警報等信號。

為簡化硬件電路，本設(shè)計(jì)的鍵盤電路的四個按鍵共用一個單片機(jī)接口，四個按鍵通過串聯(lián)不同阻值的電阻共同接于單片機(jī)A/D接口，單片機(jī)A/D通過檢測不同電壓值判斷按下的按鍵。

2.4 加熱控制電路

加熱控制電路由繼電器、直流電機(jī)、三極管開關(guān)電路等組成，繼電器控制加熱板電熱膜的開關(guān)，三極管開關(guān)電路與單片機(jī)接口相連，通過單片機(jī)輸出不同頻率的脈沖信號控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制水箱中的飲用水進(jìn)入加熱板電熱膜的水流量，進(jìn)而控制出水溫度。加熱控制電路原理圖如圖4所示。

3 溫度控制算法實(shí)現(xiàn)

溫度控制算法程序主要包括主程序和中斷控制程序，其中主程序包括數(shù)據(jù)采集子程序、LED顯示子程序、按鍵程序、PID控制子程序等。數(shù)據(jù)采集子程序主要對水溫、電壓和水流量進(jìn)行采集;LED顯示子程序負(fù)責(zé)在LED數(shù)碼管和LED等上顯示當(dāng)前的水溫、目標(biāo)水溫、加熱狀態(tài)、出水量和報警信號;按鍵程序的四個按鍵包括電源開關(guān)、溫度選擇、兒童鎖和出水按鍵;PID控制子程序負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持溫度穩(wěn)定在用戶的設(shè)定值。溫度控制流程圖如圖5所示。

溫度控制依據(jù)所采集的實(shí)際水溫和目標(biāo)溫度之差來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制飲用水流經(jīng)加熱板的速度、調(diào)節(jié)出水溫度。溫度控制系統(tǒng)的核心是PID控制，如圖所示，控制系統(tǒng)通過采集出水溫度與目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較，然后依據(jù)入水溫度、水流量和電源電壓值進(jìn)行比例積分微分運(yùn)算。這里被控對象傳遞函數(shù)為

，去目標(biāo)溫度為50℃，T=50，τ=0.3，經(jīng)計(jì)算，增益系數(shù)K=8，比例參數(shù)kp=5，積分參數(shù)ki=0.1，微分參數(shù)kd=2;為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，在MATLAB/Simulink軟件中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其中，閉環(huán)控制環(huán)節(jié)可以用一階滯后環(huán)節(jié)來近似代替，如圖6所示為仿真框圖，得到如圖7所示的仿真結(jié)果，圖7中圖a)為目前市場上所用的控制器的仿真結(jié)果，圖b)為基于本文所設(shè)計(jì)的PID算法的控制器。

從仿真結(jié)果可以看出，對于給定的控制對象， 本文所設(shè)計(jì)的PID溫度控制器能更快地得到穩(wěn)定的出水溫度，較常規(guī)的單反饋量PID控制算法，能更有效地實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定地控制速熱式飲水機(jī)的加熱工作。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的基于STCF204單片機(jī)的控制器實(shí)現(xiàn)了對速熱式飲水機(jī)的飲用水快速加熱，并通過多反饋量的PID控制算法實(shí)現(xiàn)了對出水溫度快速達(dá)到穩(wěn)定要求的目標(biāo)。本研究對于速熱式飲水機(jī)控制器的溫度控制問題找到了另外一種切實(shí)可行的實(shí)施方案。