基于单片机的燃气热水器控制器设计

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

2、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 ；DAC0832ABSTRACTWith the continuous progress and development, people are increasingly demanding gas water heater. And now most of the

3、 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 temperature control s

4、ystem 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 according to the temper

5、ature 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 accuracy of tem

6、perature 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 a simulation mo

7、del 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桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸

8、桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第 页页 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 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

9、.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 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.29桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告

10、用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第I页页 5 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附录四.43附录五（程序）：.44桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第0页页 共共49页页1 绪论绪论1.1 选题的意义选题的意义1.1.1 燃气热水器简介所

11、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

12、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

13、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桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第1页页 共共49页页的重要贡献，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

14、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

15、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

16、在燃气热水器开发过程中始终是处于重要的位置。（2）舒适性的提高桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第2页页 共共49页页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

17、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

18、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，热水温桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第3页页 共共49页页度

19、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。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，

20、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燃气热水器方案设计2.1 设计要求及系统设计要点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

21、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。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第4页页 共共49页页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。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

22、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。

23、（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。桂林电子科技大学毕业设

24、计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第5页页 共共49页页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

25、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。（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

26、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，包括温度设定按键桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第6页页 共共49页页模块，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

27、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。控制器硬件结构电路原理如图 3.4 所示。图 3.4 硬件结构原理图 温度设定电路。通过一个按

28、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。单片机温度测定电路温度设定电路燃气比例阀控制电路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）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第7页页 共共49页页 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

29、源，停止工作。 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，其显示数值范围是 099，代表温度范围是 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

30、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，实现智能化。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第8页页 共共49页页3 热水器控制器系统分析热水器控制器

31、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。 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 PID 编程处理控制，达到水温恒温自动控制。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告

32、用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第9页页 共共49页页3.2 燃气热水器的数字燃气热水器的数字 PID 温度控制温度控制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。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) tDpdttdeTdtteTteKtu01)()(1)()(式中，比例系数；

33、Ti积分时间常数；微分时间常数。pKDT3.2.1 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 re+一uy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）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第10页页 共共49页页 上图的传递函数为： （2-1） 在时域的传递函数表达式

34、（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）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第11页页 共共49页页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

35、：缺点：1）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

36、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。 PID 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 控制器参数的桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第12页页 共共49页页整定步骤如

37、下： (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）15PID 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

38、查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比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）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第13页页 共共49页页4 燃气热水器系统的硬件设计燃气热水器系统的硬件设计4.1 元器件的选择元器件的选择4.1.1 单片机的选择（1）单片机芯片的选择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，In

39、tel 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

40、 的 RAM，因此编写中小型系统就无需任何硬件进行扩展。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第14页页 共共49页页图 2-2 AT89S51 引脚配置89S51 相对于 89C51 增加的新功能包括：- 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

41、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

42、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

43、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。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第15页页 共共49页页（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。1602采用标准的16脚接口，其中: 第1脚：VSS为地

44、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：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，1

45、6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RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第16页页 共共49页页清显示0000000001光标返回000000001置输入模式00000001I/DS显示开/关控制0000001DCB光标或字符移位000001S/CR/L置功能00001DLNF置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址（AGG）置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址（ADD）读忙标志

46、或地址01BF计数器地址（AC）写数到 CGRAM 或 DDRAM10要写的数从 CGRAM 或 DDRAM 读数11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

47、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 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：读数据桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学

48、毕业设计（论文）报告用纸 第第17页页 共共49页页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 DS

49、18B20 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，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。1、DS18B20 产品的特点（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 2、DS18B

50、20DS18B20 的引脚介绍的引脚介绍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桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第18页页 共共49页页1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的 VDD 引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。3 3DS18B20DS18B20 的使用方法的使用方法由于 DS18B20 采用的是 1Wire 总线协议方式，即在一根数据线

51、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。DS

52、18B20 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。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第19页页 共共49页页对于 DS18B20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时

53、，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、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路 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

54、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 4-83D/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 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。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第20页页 共共49页页DAC0832 引脚功能说明：DI0DI7：数据输入线，TLL 电平。 ILE：数据锁存允许

55、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）

56、 D/A 转换器 DAC0832DAC0832 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，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桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第21页页 共共49页页由上式可见，输出的模拟量 与输入的数字量（ ） 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

57、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 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：桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第22页页 共共49页页a、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

58、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

59、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。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

60、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桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第第23页页 共共49页页