單片機(jī)家用太陽能加熱控溫沐浴系統(tǒng)

1、：基于msp430的家用太陽能加熱控溫沐浴系統(tǒng) 摘要（中英文）針對現(xiàn)在的太陽能加熱，我們的系統(tǒng)分為三部分：信號輸入部分，加熱控制控制部分以及電機(jī)控制出水溫度部分。信號輸入部分我們采用便于現(xiàn)場控制的鍵盤輸入和便于用戶控制的紅外輸入，加熱部分采用的是溫度和容量可調(diào)的加熱系統(tǒng)，而電機(jī)控制采用的是發(fā)展較為成熟的PID控制以及定位準(zhǔn)確的步進(jìn)電機(jī)控制。三個系統(tǒng)相互聯(lián)系，總體上達(dá)到淋浴控溫和加熱目的。The water heating bath system is designed based on the solar energy water heating The system can be divid

2、ed into three parts : definition part ， heating and heat preservation part ， and stepping motor temperature controlling part 。 For easy control ， we use infrared controlling and keypad input method 。 For quickly heating ， we defined two modes for heating and heat preservation 。 For quickly and stabl

3、y temperature controlling in water outlet ， we use PID method in running stepping motor 。 1. 引言簡述系統(tǒng)設(shè)計的背景、目的、和所要解決的問題。隨著進(jìn)入節(jié)能時代，較好地利用各種的再生資源是我們設(shè)計產(chǎn)品的一個重要因素。太陽能，作為最容易獲得的能量，漸漸開始成為各種綠色能源的首選?；谶@個立場，我們基于太陽能加熱的方案來設(shè)計出水溫度的系統(tǒng)，利用電機(jī)控制冷水和熱水的混合來達(dá)到控制出水溫度的目的。再則考慮到晚上太陽能水箱熱能散失導(dǎo)致溫度下降熱水供給不足的問題，我們可以需要給予系統(tǒng)加熱的功能，解決晚上用戶舒適洗澡的

4、問題。在用戶使用這個模塊，考慮到用戶在使用的時候因?yàn)樵∈业脑?，用液晶顯示可能模糊，所以我們選用的是數(shù)碼管顯示輸出。為了便于用戶的操作使用，我們采用紅外控制，同時作 系統(tǒng)的總體構(gòu)造思想是：用戶可以在任意時候設(shè)定需要的目標(biāo)值，例如水位，熱水箱的溫度，以及出水時候的溫度。而對于系統(tǒng)，我們的做法是：水位超過的時候不給予進(jìn)水，低于最低水位的時候?yàn)榱吮Ｗo(hù)系統(tǒng)必須關(guān)閉出水強(qiáng)行進(jìn)水同時關(guān)閉加熱控制。加熱控制和水位控制并行操作，可以為用戶節(jié)約時間。在超低水位時進(jìn)行過熱保護(hù)等措施。為了讓洗澡時候的供水溫度穩(wěn)定，只有水位和熱水溫度到了設(shè)定的參數(shù)才準(zhǔn)許用戶開水洗澡。在出水控制這一模塊，為了更好地獲得穩(wěn)定快速的輸出，

5、我們會采用現(xiàn)在較為成熟的PID算法對在出水控制這一塊電機(jī)輸出進(jìn)行控制。最后，為了方便用戶控制，我們同時采用紅外和按鈕鍵盤的方式給系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)。用紅外的方式可以更好的讓用戶進(jìn)行控制。而按鈕鍵盤則為了更容易對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試以及在應(yīng)急情況下對系統(tǒng)進(jìn)行控制。2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計以下是對系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的硬件設(shè)計進(jìn)行簡要說明：水位控制模塊：水位控制框圖：用戶設(shè)定參數(shù)水位檢測水位超出? Y 關(guān)閉熱水閥 N超低水位? N進(jìn)水水位控制模塊思想比較簡單，只關(guān)心水位是否達(dá)到設(shè)定要求。沒有的時候就進(jìn)水，有的時候就停止進(jìn)水，節(jié)省用水。設(shè)計這一塊的時候?yàn)榱朔乐挂驗(yàn)樗贿^低而引起的熱水箱損壞，設(shè)計時候我們設(shè)計了超低水位，用來

6、對水箱進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)水位過低的時候，強(qiáng)行關(guān)閉熱水閥，沒有熱水供出。同時加水，燒水，到了安全情況的時候才可以繼續(xù)正常使用。熱水加熱模塊：加熱模塊框圖：用戶參數(shù)設(shè)定熱水水溫檢測 N水溫比較低？(要快速加熱嗎) Y N水溫小于設(shè) 定水溫？快速加熱模式 Y 慢速加熱模式加熱模塊設(shè)計思想是：為了可以快速地達(dá)到設(shè)定的水溫同時可以穩(wěn)定的控制水溫，我們設(shè)定兩種加熱模式：快速加熱模式和慢速加熱模式。假設(shè)那個溫度點(diǎn)我們設(shè)在設(shè)定溫度的70%那里，那么在設(shè)定溫度的70%以下的時候，我們把加熱模式設(shè)置為快速加熱模式；在超過的時候，我們設(shè)置在慢速加熱模式。當(dāng)溫度小于設(shè)定溫度，則用慢速加熱。淋浴供水輸出模塊框圖：需要淋浴出而

7、且情況正常？ 冷水水閥關(guān)閉 N Y冷水水閥打開計算溫度偏差(實(shí)際出水溫度-目標(biāo)出水溫度)PID計算輸出電壓 電壓驅(qū)動輸出 電機(jī)控制的主要思想是：首先判斷是否用戶是否需要淋浴且機(jī)器情況正常。機(jī)器不正常或者用戶不需要都會關(guān)閉冷水閥，禁止冷水流出。符合條件之后，電機(jī)控制冷水的進(jìn)出來控制輸出的水溫。用這種方法的好處是當(dāng)用戶不需要進(jìn)水的時候或者出現(xiàn)突發(fā)情況時候，系統(tǒng)可以很及時地做出相應(yīng)，而且電機(jī)的壽命可以得到延長。同時，鑒于市面上的水閥控制，采用PID算法來控制可以得到更加平穩(wěn)的調(diào)溫效果和比較快捷的目標(biāo)時間。PID控制模塊：采用位置式的PID算法，控制系統(tǒng)如下： 設(shè)定出水溫度 + 淋浴水溫輸出 - PI

8、D控制算法D/A 電機(jī)調(diào)節(jié)溫水輸出用戶輸入模塊：用戶輸入模塊框圖： 用戶參數(shù)設(shè)定（第一次是標(biāo)準(zhǔn)值） 紅外掃描中斷輸入鍵盤掃描中斷輸入用戶輸入模塊分為紅外和鍵盤兩部分。都采用中斷的方式，可以及時對單片機(jī)內(nèi)部的參數(shù)賦值，然后讓系統(tǒng)按照新的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。漏電保護(hù)模塊：如下圖所示：作為一個沐浴系統(tǒng)所必需的安全保護(hù)系統(tǒng)中最重要的漏電保護(hù)系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，立即關(guān)閉所有工作（軟件控制）并切斷電源（硬件電路控制）。3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計詳細(xì)介紹算法設(shè)計與算法流程圖（不得大量復(fù)制源代碼）系統(tǒng)軟件的設(shè)計上，在主程序開始之前，是參數(shù)的設(shè)定，有目標(biāo)熱水溫度(aim_hot_temp)，目標(biāo)出水溫度(aim_temp

9、)，目標(biāo)水位設(shè)置(aim_water_level), 用戶是否使用(use)。主程序開始部分是對各個端口的設(shè)定，以及關(guān)閉watch dog，開啟各個中斷模塊的標(biāo)識。對單片機(jī)的資源分配如下：P1.0P1.6 鍵盤輸入 P1.7 紅外輸入P2.0P2.3 水位檢測P3.0，P3.1 數(shù)碼管顯示P4.0 DAC步進(jìn)電機(jī)電機(jī)電壓控制輸出P4.1 步進(jìn)電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制輸出P4.2 冷水緊熱水箱閥門P4.3 淋浴熱水放出閥門P4.4 淋浴冷水放出閥門P5.3 P5.4 熱水加熱模塊(低速高速)P6.0 P6.1 接ds18b20溫度檢測模塊接收溫度以下是主程序的while（1）模塊：while(1) in

10、t Time = 40; /延時部分 int i; for(;Time!=0;Time-) for(i=0;i<123;i+); if( P2IN & 0xf0 = 0xf0)water_level = 2;/2是一人水位 else if( P2IN & 0xf0 = 0x80 ) water_level = 3;/3是二人水位 else if( P2IN & 0xf0 = 0x00 ) water_level = 4; else water_level = 8;/(異常處理) now_temp = Do1Convert();/Do1Convert()是ds18b

11、20 檢測出水水溫的傳遞函數(shù) vel -=1;use = 0; if(water_level >= aim_water_level ) /p42 = 1 是冷水閥門開 否則關(guān)閉 p43 = 1是熱水閥開,否則關(guān)閉 P4OUT &= BIT2; P4OUT |= BIT3; else P4OUT |= BIT2; P4OUT &= BIT3; else P5OUT &= 0xf3; if(hot_temp > aim_hot_temp - 3) /當(dāng)熱水溫度低于目標(biāo)熱水溫度3攝氏度的時候可以淋浴 P4OUT |= BIT3; P4OUT |= BIT4; if

12、(P4OUT & 0x04 = 0x04)/如果熱水閥開了 控制電機(jī) temp_distant = PID_Caculate(aim_temp - now_temp); temp_distant ); else 延時程序以下是while（1）的流程圖：檢測參數(shù)(當(dāng)前水箱水溫,出水水溫,水位)用戶正在使用use=1?目標(biāo)水位-=1use = 0 Y 水位到了嗎?打開相應(yīng)閥門進(jìn)水 N N Y水箱溫度符合要求嗎? N Y電機(jī)控制調(diào)節(jié)出水溫度 電機(jī)控制的部分我們采用PID算法。PID算法的控制如下：PID控制算法框圖如下： 溫度誤差誤差記錄隊列 比例放大 P 積分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié) 限幅環(huán)節(jié) 限幅

13、環(huán)節(jié) 輸入 + + + 輸出結(jié)果 輸出輸出結(jié)果會直接反饋到DAC環(huán)節(jié)里里面，用電壓開控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。為了防止在水溫變化環(huán)境異常，比如熱水箱收到破壞而造成溫度驟降，以及讓溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的時候超調(diào)量幅值較小，在這個環(huán)節(jié)里面，我們在積分環(huán)節(jié)和輸出環(huán)節(jié)都采用限幅環(huán)節(jié)。有限幅環(huán)節(jié)的PID算法會更加平穩(wěn)，安全性更高，在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用也相對廣泛。PID算法代碼如下：int PID_Caculate(int Error) int i; float OutPut; if(FirstFlag) /判斷第一次上電 FirstFlag=0;/以后再也不執(zhí)行 for(i=0;i<10;

14、i+) Prev_Errori=Error;al+=Error; if (Integral<0)&&(Error>0) Integral+=Error; /兩種有助于控制的情況例外 else /較小偏差時才啟動積分 Integral+=Error; if(Integral<-Set_Integral) Integral = -Set_Integral ; /積分限幅 if(Integral> Set_Integral) Integral = Set_Integral; if(OutPut>Set_Output) OutPut=Set_Output;

15、 else if (OutPut<-Set_Output) OutPut=-Set_Output; /輸出限幅，Set_Output表示的是輸出的幅值 return (OutPut);中斷部分模塊設(shè)計：中斷部分主要包括兩個部分：控制信號輸入中斷、水位過低信號中斷以及漏電保護(hù)系統(tǒng)?？刂菩盘栔袛嗝看涡薷膮?shù)的時候都會引發(fā)中斷，待用戶設(shè)定好參數(shù)之后恢復(fù)現(xiàn)場繼續(xù)主程序。而水位過低信號中斷則是當(dāng)水位過低的時候引發(fā)中斷，系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)措施，控制確?，F(xiàn)場安全，水位安全中斷結(jié)束，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。中斷模塊流程圖如下：P1中斷源觸發(fā)? N鍵盤有輸入? Y Y N紅外有輸入? N Y用戶參數(shù)設(shè)定恢復(fù)現(xiàn)場P2中斷模塊流程圖：P2中斷源觸發(fā)? N Y關(guān)閉熱水閥水箱注水 恢復(fù)現(xiàn)場4. 系統(tǒng)創(chuàng)新對于我們的系統(tǒng)，在整體上說考慮到的因素比較多。例如水位的控制，安全的控制，以及一些節(jié)能的思想。我們采用電壓控制步進(jìn)電機(jī)，利用430內(nèi)有的資源DAC資源，可以得到精度為1/256甚至更高的精度。與此同時，我們采用PID算法，讓水溫的控制的速度更敏捷，而且更穩(wěn)定。