基于PID算法的速熱式飲水機控制器設計

摘要：設計了一種新型的數字式智能速熱飲水機控制系統。針對目前市場(chǎng)上的速熱式飲水機存在的溫度控制問(wèn)題和干燒現象，設計基于STC1 5F204單片機的溫控系統，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，結合外圍控制電路，實(shí)現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計和工作原理以及程序的結構和實(shí)現。

0 引言

速熱式飲水機能在瞬間(3—8秒)把從飲水機里所出的飲用水燒開(kāi)，即出即開(kāi)即飲，較傳統的飲水機而言，大大提高了簡(jiǎn)約性，由于所需加熱時(shí)間短，因此更節能更省電。速熱式飲水機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(chǎng)上銷(xiāo)售的速熱式飲水機一般采用分檔控制電機轉速調節加熱，使用的是開(kāi)環(huán)控制系統，通過(guò)恒定電機的功率控制水溫，此種加熱方式出水溫度容易受水壓以及室溫的影響。某些速熱式飲水機為了達到穩定的水溫輸出效果，采用了一種簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統，通過(guò)溫度傳感器對水溫進(jìn)行監控，以簡(jiǎn)單的PID調節反饋控制出水溫度，此控制系統較開(kāi)環(huán)控制系統對水溫的穩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)控制系統進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)分析溫度控制過(guò)程，設計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，并基于STC15F204單片機搭建了硬件電路。

1 控制系統設計原理及分析

針對控制系統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，本文設計的閉環(huán)控制系統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。本文的控制系統原理如圖1所示。

2 硬件電路設計

速熱式飲水機控制器選用STC15F204單片機作為處理器，該單片機由宏晶公司設計生產(chǎn)，是一款以51為內核的8位高速低耗8051單片機，擁有8路高速10位A/D轉換，大大簡(jiǎn)化了本控制器硬件電路的設計。硬件電路包括功率電路、顯示電路、數據采集電路、鍵盤(pán)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交流電轉換為直流電壓，用AP8022開(kāi)關(guān)電源控制器，將220V電壓轉換為5V電壓，功率電路圖如圖2所示。

2.2 數據采集電路

數據采集電路包括對水溫、電壓和水流量的數據采集。溫度采集通過(guò)熱敏電阻與分壓電阻串聯(lián)，接入單片機接口，由于STC15F204單片機擁有高速A/D轉換接口，單片機可直接進(jìn)行A/D轉換，因此無(wú)需再設A/D轉換電路。熱敏電阻的阻值與溫度值的關(guān)系函數應用最下二乘法求得，因此水箱溫度和加熱后水溫的數值直接根據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(guò)電阻分壓和電容濾波直接采集得到。水流量采集電路通過(guò)采集渦輪式流量計的轉速求得。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(pán)電路

為方便用戶(hù)對速熱式飲水器的使用，本文設計了控制器的顯示電路，顯示電路主要由LED數碼管和LED燈組成，兩對LED數碼管用于顯示用戶(hù)的目標溫度和實(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(jiǎn)化硬件電路，本設計的鍵盤(pán)電路的四個(gè)按鍵共用一個(gè)單片機接口，四個(gè)按鍵通過(guò)串聯(lián)不同阻值的電阻共同接于單片機A/D接口，單片機A/D通過(guò)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、三極管開(kāi)關(guān)電路等組成，繼電器控制加熱板電熱膜的開(kāi)關(guān)，三極管開(kāi)關(guān)電路與單片機接口相連，通過(guò)單片機輸出不同頻率的脈沖信號控制直流電機的轉速，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

溫度控制算法程序主要包括主程序和中斷控制程序，其中主程序包括數據采集子程序、LED顯示子程序、按鍵程序、PID控制子程序等。數據采集子程序主要對水溫、電壓和水流量進(jìn)行采集;LED顯示子程序負責在LED數碼管和LED等上顯示當前的水溫、目標水溫、加熱狀態(tài)、出水量和報警信號;按鍵程序的四個(gè)按鍵包括電源開(kāi)關(guān)、溫度選擇、兒童鎖和出水按鍵;PID控制子程序負責調節電機的轉速，保持溫度穩定在用戶(hù)的設定值。溫度控制流程圖如圖5所示。

溫度控制依據所采集的實(shí)際水溫和目標溫度之差來(lái)調節電機的轉速，從而控制飲用水流經(jīng)加熱板的速度、調節出水溫度。溫度控制系統的核心是PID控制，如圖所示，控制系統通過(guò)采集出水溫度與目標溫度值進(jìn)行比較，然后依據入水溫度、水流量和電源電壓值進(jìn)行比例積分微分運算。這里被控對象傳遞函數為

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

從仿真結果可以看出，對于給定的控制對象， 本文所設計的PID溫度控制器能更快地得到穩定的出水溫度，較常規的單反饋量PID控制算法，能更有效地實(shí)現快速穩定地控制速熱式飲水機的加熱工作。

4 結束語(yǔ)

本文所設計的基于STCF204單片機的控制器實(shí)現了對速熱式飲水機的飲用水快速加熱，并通過(guò)多反饋量的PID控制算法實(shí)現了對出水溫度快速達到穩定要求的目標。本研究對于速熱式飲水機控制器的溫度控制問(wèn)題找到了另外一種切實(shí)可行的實(shí)施方案。