基于PID算法的速熱式飲水機控制器設計 - 全文

　　摘要：設計了一種新型的數字式智能速熱飲水機控制系統。針對目前市場上的速熱式飲水機存在的溫度控制問題和干燒現象，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，實現對飲用水的快速加熱和水溫的控制。重點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，即出即開即飲，較傳統的飲水機而言，大大提高了簡約性，由于所需加熱時間短，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，目前市場上銷售的速熱式飲水機一般采用分檔控制電機轉速調節加熱，使用的是開環控制系統，通過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，采用了一種簡單的閉環控制系統，通過溫度傳感器對水溫進行監控，以簡單的PID調節反饋控制出水溫度，此控制系統較開環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境下，出水溫度仍存在較大誤差。對此，本文對PID閉環控制系統進行改進，通過分析溫度控制過程，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，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開關電源控制器，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。溫度采集通過熱敏電阻與分壓電阻串聯，接入單片機接口，由于STC15F204單片機擁有高速 A/D轉換接口，單片機可直接進行A/D轉換，因此無需再設A/D轉換電路。熱敏電阻的阻值與溫度值的關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 顯示電路和鍵盤電路

　　為方便用戶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的目標溫度和實際的出水溫度，LED燈用于指示電源、兒童鎖、警報等信號。

　　為簡化硬件電路，本設計的鍵盤電路的四個按鍵共用一個單片機接口，四個按鍵通過串聯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、三極管開關電路等組成，繼電器控制加熱板電熱膜的開關，三極管開關電路與單片機接口相連，通過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入加熱板電熱膜的水流量，進而控制出水溫度。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、出水量和報警信號;按鍵程序的四個按鍵包括電源開關、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際水溫和目標溫度之差來調節電機的轉速，從而控制飲用水流經加熱板的速度、調節出水溫度。溫度控制系統的核心是PID控制，如圖所示，控制系統通過采集出水溫度與目標溫度值進行比較，然后依據入水溫度、水流量和電源電壓值進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軟件中進行仿真實驗，其中，閉環控制環節可以用一階滯后環節來近似代替，如圖6所示為仿真框圖，得到如圖7所示的仿真結果，圖7中圖a）為目前市場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。