基于單片機的燃氣熱水器控制器設(shè)計

摘要隨著社會的不斷進步發(fā)展，人們對燃氣熱水器的要求越來越高。而現(xiàn)今大多數(shù)熱水器還是處于手動調(diào)溫階段，熱水溫度不能實時顯示，水量和氣量不能實時顯示和控制，洗浴過程中調(diào)溫困難等等情況。根據(jù)以上情況，設(shè)計了合理的燃氣熱水器恒溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：采用8位單片機89S51和DS18B20溫度傳感器構(gòu)成溫度采集系統(tǒng)的方案，較之采用16位的單片機和熱敏電阻加A/D轉(zhuǎn)換器的溫度采集系統(tǒng)具有較高的性價比；單片機根據(jù)溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序處理，發(fā)送數(shù)據(jù)指令給0832，通過DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出不同的電流來控制燃氣比例閥的開度，達到控制火力的大小，實現(xiàn)溫度的自動控制；為了提高溫度控制精度，采用數(shù)字PID程序控制，可實現(xiàn)溫度的連續(xù)可調(diào)，用液晶顯示器LCD1602顯示出水溫度；為加強系統(tǒng)的安全性能，設(shè)計中還加入了看門狗和聲光報警電路；最后，制作出了工程樣板并進行硬件模擬調(diào)試。實際調(diào)試結(jié)果顯示硬件設(shè)計基本達到了要求的技術(shù)指標，對比分析可知此設(shè)備具有良好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：單片機；溫度轉(zhuǎn)換；DS18B20；DAC0832ABSTRACTWiththecontinuousprogressanddevelopment,peopleareincreasinglydemandinggaswaterheater.Andnowmostofthewaterheaterthermostatstageorinthemanual,hotwatertemperaturecannotbereal-timedisplay,waterandgascannotbereal-timedisplayandcontroltheprocessbaththermostat,etc.difficultsituation.Accordingtotheabove,thedesignofareasonablegaswaterheatertemperaturecontrolsystemarchitecture:8-bitmicrocontroller89S51andtemperaturesensorDS18B20programsconstitutethetemperatureacquisitionsystem,comparedwith16-bitmicrocontrollerandthethermistorplusA/Dconvertertemperatureacquisitionsystemhasahighprice;Microcontrolleraccordingtothetemperaturesensortothedata,afterprocedurestosendcommandstothe0832data,throughtheDAC0832digital-analogconverteroutputcurrenttocontrolthedifferentgasproportionalvalveopening,tocontrolthesizeoffirepowertoachieveautomatictemperaturecontrol;Toimprovetheaccuracyoftemperaturecontrol,digitalPIDprocesscontrol,enablingthetemperatureofthecontinuouslyadjustable,LCD1602displaywithwatertemperature;Toenhancethesafetyperformanceofthesystem,thedesignwatchdogalsoaddedsoundandlightalarmcircuit;Finally,theprojectproducedasimulationmodelandhardwaredebugging.Theresultsshowedthattheactualhardwaredesigndebugbasicallyreachedtherequirementsofthetechnicalindicators,comparativeanalysisshowsthatthisdevicehasagoodprospect.

Keywords:microcontroller;temperatureconversion;DS18B20;DAC0832桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第PAGEIII頁目錄1緒論 11.1選題的意義 11.1.1燃氣熱水器簡介 11.1.2燃氣熱水器的發(fā)展趨勢 21.1.3現(xiàn)有燃氣熱水器溫度調(diào)節(jié)方案及不足 32燃氣熱水器方案設(shè)計 42.1設(shè)計要求及系統(tǒng)設(shè)計要點 42.1.1設(shè)計要求 42.1.2系統(tǒng)設(shè)計要點 52.2方案設(shè)計 62.3系統(tǒng)性能指標 83熱水器控制器系統(tǒng)分析 93.1燃氣熱水器的系統(tǒng)組成與工作原理 93.2燃氣熱水器的數(shù)字PID溫度控制 103.2.1PID算法控制的實現(xiàn) 103.2.2PID控制器的參數(shù)整定 134燃氣熱水器系統(tǒng)的硬件設(shè)計 144.1元器件的選擇 144.1.1單片機的選擇 144.1.2顯示器件的選擇 154.1.3數(shù)字溫度傳感器的選擇 184.1.4D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換的選擇 204.1.5比例閥的選擇 224.1.6風機的選擇 244.1.7水汽聯(lián)動裝置的選擇 244.1.8變壓器的選擇 264.2硬件電路的設(shè)計 264.2.1主控制電路的設(shè)計 264.2.2鍵盤輸入電路的設(shè)計 274.2.3聲光報警電路的設(shè)計 284.2.4溫度檢測電路的設(shè)計 284.2.5液晶顯示電路的設(shè)計 284.2.6電流控制電路的設(shè)計 294.2.7系統(tǒng)的安全性研究 295系統(tǒng)軟件設(shè)計 325.1主程序流程圖 325.2測溫程序流程圖 345.3數(shù)字PID控制器的實現(xiàn) 356系統(tǒng)的設(shè)計 356.1軟件的調(diào)試 356.2硬件的調(diào)試 366.2.1檢測元器件 366.2.2檢測各個引腳信號 367總結(jié)和體會 37謝辭 38參考文獻： 39附錄一 40附錄二 41附錄三 42附錄四 43附錄五（程序）： 44桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第29頁共49頁1緒論1.1選題的意義1.1.1燃氣熱水器簡介所謂燃氣熱水器就是指以氣體燃料燃燒為熱源的熱水器的統(tǒng)稱，是一種小型的熱力設(shè)備。它的工作原理大體是這樣：燃氣在燃燒室內(nèi)完全燃燒，產(chǎn)生高溫煙氣。高溫煙氣流經(jīng)換熱器，把換熱器中的冷水加熱為所需的衛(wèi)生熱水。燃氣熱水器有這些分類方式，按使用氣種可以分為使用天然氣、人工煤氣和液化石油氣3種。按結(jié)構(gòu)可分為容積式和直流式。按給排氣方式可分為：直排式、煙道式、平衡式、強排式、強制給排氣式等。相對于其它類型熱水器而言，燃氣熱水器具有這樣一些優(yōu)勢：不需預熱；節(jié)能；不結(jié)垢、壽命長；使用成本低；款式超薄纖細，外觀時尚。第一臺燃氣熱水器誕生已經(jīng)超過了100年。而燃氣熱水器技術(shù)的發(fā)展主要是二戰(zhàn)之后50多年的時間內(nèi)完成的。我國的燃氣熱水器生產(chǎn)也有近30年的歷史。燃氣熱水器的發(fā)展迄今為止經(jīng)歷了三個階段：（1）以實現(xiàn)簡單功能為目的的第一階段：作為第一階段代表的燃氣熱水器是熱水流量為5L/min的小型熱水器。采用壓電陶瓷點火方式，小火先著，水氣聯(lián)動控制閥、控制點火，互相獨立的氣、水調(diào)節(jié)閥門，熱電偶式的熄火保護裝置。這種類型的熱水器具有初步的安全性保證，滿足基本功能，操作也不復雜，但很快顯現(xiàn)出的問題在于：點火裝置的可靠性與壽命；熄火保護裝置的壽命；操作的相對煩瑣。特別是熱電偶式熄火保護裝置在點火初期的時間延遲操作，令使用者倍感不便。因此，這一階段的后期，熱水器在此基礎(chǔ)上做了一些更新：點火裝置由壓電陶瓷變?yōu)殡娒}沖式，引入了內(nèi)置電源，同時取消了熄火保護裝置，水—氣聯(lián)動閥是熱水器上唯一的安全裝置。（2）以完善使用特性為目的的第二階段：自吸閥的引入是對完善使用特性的重要貢獻，而以水驅(qū)式自動點火作為主要特征，這一進步使燃氣熱水器的技術(shù)品質(zhì)有了一個質(zhì)的飛躍。雖然這種類型的熱水器仍然由電脈沖點火裝置、水—氣聯(lián)動閥、自吸閥、獨立的水—氣調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成，但其使用性能有了很大的提高，表現(xiàn)為：操作極為方便，使用更為安全。一開水點火便自動進行，在一般情況下，熱水器安裝在浴室外成為可能，這使燃氣熱水器使用的安全隱患大大減低。自吸閥靈敏的熄火保護特性，使熱水器非燃燒狀態(tài)的燃氣泄漏現(xiàn)象幾乎不會出現(xiàn)。有別于自吸閥的一些安全裝置也有出現(xiàn)，目前采用自吸閥的燃氣熱水器依然是市場的主流。此外，熱水器的大流量化進一步興起，出水量超過8L/min的品種增加，市場進一步擴大。（3）以追求高品質(zhì)為目的的第三階段，目前正處在第三階段的興盛期，亦是競爭最激烈的時期。從事熱水器研究與生產(chǎn)的業(yè)內(nèi)人士，同時在追求燃氣熱水器的更高品質(zhì)。這主要表現(xiàn)在先進控制技術(shù)的引入，目的是解決燃氣熱水器使用中仍然存在的主要矛盾：出水溫度調(diào)節(jié)給使用者帶來的問題，水溫度的調(diào)產(chǎn)品，線控熱水器、恒溫熱水器、智能型熱水器亦有出現(xiàn)。同時，在安全節(jié)范圍不能滿足其使用要求，盡管這種感覺是錯誤的，只是由于調(diào)節(jié)過程的復雜性以及使用者對于調(diào)節(jié)過程的理解障礙所導致，但為解決這一問題，似乎能用熱水器本身提供的裝置自動解決更為合適。這便是追求熱水器更高品質(zhì)的原因。作為特征性保障方面，缺氧保護裝置、防止不完全燃燒裝置的使用更是使燃氣熱水器的綜合性能有了極大的提高。1.1.2燃氣熱水器的發(fā)展趨勢隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展以及人們生活水平的提高，燃氣熱水器也在不斷更新、發(fā)展，以滿足人們對較高生活品質(zhì)的追求。而今燃氣熱水器正朝著以下這些方向發(fā)展：（1）安全性能不斷完善燃氣熱水器對人體的安全威脅主要是燃燒所產(chǎn)生的煙氣。隨著排氣方式不斷地改革，熱水器的安全使用已基本得到解決。而安全問題在燃氣熱水器開發(fā)過程中始終是處于重要的位置。（2）舒適性的提高燃氣熱水器使用的舒適性便是人們關(guān)心的重要問題。作為淋浴用熱水器要實現(xiàn)舒適沐浴有兩個基本要求：一是水溫，二是水量。為提高使用舒適性，國內(nèi)正在研究的課題有：a）擴大熱水器的負荷調(diào)節(jié)比，要求不小于20％～100％（即冬夏型功能），國外熱水器負荷調(diào)節(jié)均在30％～100％；b）發(fā)展良好恒溫性能的智能化熱水器，滿足使用過程中水溫波動在設(shè)定值±1℃范圍內(nèi)；c）實現(xiàn)低的水流阻力，大的水量并維持使用過程中水量相對穩(wěn)定且不低于7L/min；d）熱水器低的運行噪音，希望維持在50～60分貝；e）快速加熱功能，減少開始使用或關(guān)機后重新啟動時的冷水量；f）快速水溫恒定功能，以避免淋浴水時冷時熱現(xiàn)象。（3）更加環(huán)保我國燃氣熱水器標準中現(xiàn)在除規(guī)定了對排煙CO含量的限制外，即限制燃燒不完全程度，還對排煙NOx含量作了要求。（4）向更為節(jié)能的方向發(fā)展發(fā)達國家對燃氣熱水器提出低污染環(huán)保要求的同時也提出進一步節(jié)能的要求，即鼓勵支持高效低污染燃氣熱水器的研制。節(jié)能的深遠意義不僅是節(jié)約開支而是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求。（5）功能的多元化從單一淋浴發(fā)展為多功能的熱水器：a）供暖/淋浴兩用；b）制冷（空調(diào)）/淋浴兩用；c）其它多功能多用途的熱水器。燃氣熱水器雖然容量小，但分布量大面廣，其發(fā)展和社會的千家萬戶有著密切的關(guān)系。目前燃氣熱水器正在向著大容量、高效節(jié)能和減少環(huán)境污染的方向發(fā)展，其發(fā)展目標主要包括燃燒系統(tǒng)高效率低污染的自動控制燃燒和熱交換部件傳熱效率的提高、公眾安全性以及滿足現(xiàn)代生活的舒適感。1.1.3現(xiàn)有燃氣熱水器溫度調(diào)節(jié)方案及不足目前市場上燃氣熱水器產(chǎn)品的溫度控制基本上采取兩種方案：（1）機械旋鈕式：熱水器的溫度調(diào)節(jié)是通過機械式旋鈕實現(xiàn)的，有火力調(diào)節(jié)旋鈕和水量調(diào)節(jié)旋鈕共同控制?；鹆φ{(diào)節(jié)旋鈕按標識調(diào)小時，熱水溫度降低；調(diào)大時，熱水溫度升高。水量調(diào)節(jié)旋鈕按標識調(diào)小時，水流量減少，熱水溫度升高；調(diào)大時，水流量增大，熱水溫度降低。用戶可以調(diào)節(jié)合適的熱水溫度（推薦沐浴溫度范圍為38℃～42℃）洗浴。（2）數(shù)字式這種方式下，水溫的調(diào)節(jié)是通過數(shù)字控制實現(xiàn)的，當需要出水溫度升高時，則微電腦控制比例閥開大，燃氣壓力升高，水溫升高；反之，則比例閥開小，水溫降低。在實際生活中，我們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的中、低檔產(chǎn)品都采用機械旋鈕式方案，而這些產(chǎn)品恰恰式市場的主流。但是，此類熱水器還存在許多不盡如人意的地方，因為該類燃氣熱水器使用的是煤氣和氧氣進行燃燒產(chǎn)生熱量，需要安裝在室外通風良好的地方，否則氧氣不足會造成煤氣不完全燃燒而產(chǎn)生一氧化碳對人的生命構(gòu)成威脅，而對熱水器的控制調(diào)節(jié)都在機體上，以致洗浴時需要預先調(diào)節(jié)好水溫，有時候遇到水壓不正常就造成水溫浮動不定，使洗浴者又要出來調(diào)節(jié)水溫，這樣不僅浪費水和燃氣，而且給洗浴者帶來極大不便?；谝陨峡紤]，本方案擬設(shè)計一個基于單片機控制的燃氣熱水器水溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即通過室內(nèi)的控制器，輸入預定溫度，由執(zhí)行機構(gòu)自動快速地調(diào)節(jié)到預定溫度，以解決上述問題。2燃氣熱水器方案設(shè)計2.1設(shè)計要求及系統(tǒng)設(shè)計要點2.1.1設(shè)計要求進行市場調(diào)查，了解燃氣熱水器的最新發(fā)展和用戶使用需求。收集、消化有關(guān)燃氣熱水器及其控制器的資料。設(shè)計出燃氣熱水器的單片機控制器，要求功能齊備，使用方便，經(jīng)濟實用，安全可靠。1.控制器應(yīng)具有以下功能：水溫的自動控制和顯示；完善的安全保護措施。2.水溫：20～90℃可調(diào)。3.電源：AC220V或電池本課題是制作一款基于單片機控制的燃氣熱水器控制器系統(tǒng)，使燃氣熱水器按人們的需求能快速、穩(wěn)定的達到人們所需求的溫度，以體現(xiàn)燃氣熱水器比一般熱水器所具有的優(yōu)勢。要求溫度傳感器及轉(zhuǎn)換電路，水溫設(shè)定與自動調(diào)節(jié)電路，單片機輸入輸出接口電路以及顯示模塊的設(shè)計。其中的難點是實現(xiàn)PID控制溫度。2.1.2系統(tǒng)設(shè)計要點燃氣熱水器控制器的設(shè)計主要考慮的要點是安全性、舒適性、操作方便性以及成本等因素。這些要點尤其是對控制器的應(yīng)用軟件設(shè)計提出了較強約束和嚴格要求。（1）安全性：安全性是整個系統(tǒng)設(shè)計首先需要考慮的問題，雖然燃氣熱水器發(fā)展到今天可以認為基本解決了安全性的問題，但是諸如燃氣泄漏、煙氣泄漏、水溫偏高導致燙傷等安全事故還是偶有發(fā)生，所以保證系統(tǒng)運行安全可靠是控制器設(shè)計的基本要求。安全性設(shè)計首先要解決的問題就是避免燃氣泄漏和煙氣泄漏，要保證做到燃氣熱水器工作于燃燒狀態(tài)時煙道暢通；要嚴格控制燃氣閥的開閉；要做到控制器意外死機后燃氣閥能及時關(guān)閉等。其次要解決的安全性設(shè)計問題是避免生活水和采暖水水溫偏高，要保證水溫過高時控制器中斷加熱或停機報警。（2）舒適性：舒適性即洗浴的舒適性，也就是要求對生活水出水溫度進行良好的控制。溫度控制是控制器設(shè)計的最重要的任務(wù)，控制器設(shè)計是否成功關(guān)鍵就是看它對出水溫度的控制效果。參照普通燃氣熱水器的標準，燃氣熱水器生活水溫度控制的指標如下：a）控溫精度：熱水器的實際出水溫度達到穩(wěn)態(tài)后與設(shè)定出水溫度相比較，其穩(wěn)態(tài)誤差不大于±1℃b）初始加熱時間和超調(diào)量：按GB6932-94之規(guī)定，在標準測試條件下，將燃氣熱水器的進水量調(diào)至額定水流量，設(shè)定出水溫度為進水溫度加上20℃，燃氣熱水器從冷機開始起動加熱并將水加熱至設(shè)定溫度的時間不大于20秒，且燃氣熱水器的出水溫度的超調(diào)不大于3c）進水量變化時的超調(diào)：按GB6932-94之規(guī)定，在標準測試條件下，將燃氣熱水器的進水量調(diào)至額定水流量，在燃氣熱水器的出水溫度達到穩(wěn)定后，將燃氣熱水器的進水量瞬時變化±20%時，燃氣熱水器出水溫度的超調(diào)不大于±3℃；將燃氣熱水器的進水量瞬時下調(diào)50%時，燃氣熱水器出水溫度的超調(diào)不大于8從指標可以看出，對生活水溫控制的“穩(wěn)、快、準”要求較高。另外為了保證舒適性，在進水量不同的情況下也要求對生活水溫度進行良好的控制，也就是要求控制器的魯棒性要強。（3）操作方便性：控制器對使用者是不可見的，他只有通過控制器的人機接口將指令傳達給系統(tǒng)。操作的方便性就是力求設(shè)計簡便的流程來實現(xiàn)使用者設(shè)置工作方式、設(shè)置洗浴、采暖溫度等操作，以達到雙功能燃氣熱水器使用方便快捷的目的。（4）成本：燃氣熱水器最終是要形成產(chǎn)品，進入千家萬戶使用。而成本是一個產(chǎn)品必須考慮的，盡可能在滿足各方面要求的前提下降低成本是廠家追求的。作為整個產(chǎn)品的一部分，控制器也必須盡量壓低成本，盡量做到用較小。（5）功能要求：控制器的設(shè)計要體現(xiàn)出產(chǎn)品的智能化，除了要實現(xiàn)生活水出水溫度控制以外，它還要具有如下功能：提供人機交互——用戶可以設(shè)置出水溫度；故障報警等等。2.2方案設(shè)計 方案設(shè)計的總體思路如下：首先通過鍵盤設(shè)定一個溫度值，然后通過溫度傳感器采集溫度，與設(shè)定的溫度進行比較，如果溫度小于設(shè)定值，燃氣熱水器比例閥開度加大，燃燒室煤氣濃度增加，燃燒室火力變大，水溫升高，當水溫達到設(shè)定值時，則停止調(diào)節(jié)比例閥，保持當前設(shè)定值，設(shè)定的溫度和水溫通過LCD1602顯示出來。當水溫高于某臨界溫度（如70°）時，報警器發(fā)出報警，同時燃氣熱水器停止工作。所以可以得出電路以單片機為核心，包括溫度設(shè)定按鍵模塊，LCD顯示模塊，報警和輸出電路等模塊組成。燃氣熱水器溫度控制系統(tǒng)硬件部分按核心處理器、外圍電路和外部設(shè)備三部分來進行設(shè)計。核心處理器選用ATMEL公司生產(chǎn)的89S51系列單片機，該單片機功能強大，資源豐富，運算速度快，滿足我們溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計需要。外圍電路設(shè)計必要的電源電路，復位電路等。外部設(shè)備分為幾個部分加以設(shè)計：鍵盤輸入電路、LCD顯示電路，燃氣比例閥控制電路，溫度采樣電路、外部看門狗電路及蜂鳴器報警電路。系統(tǒng)設(shè)計了一路模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量輸入（熱水器出水口溫度）；三開關(guān)量輸入（溫度加一信號、溫度減一信號、確定輸入信號）；LCD顯示部分分兩行顯示，第一行顯示設(shè)定的熱水溫度，第二行顯示實際出水溫度，顯示范圍為0～99度?？刂破饔布Y(jié)構(gòu)電路原理如圖3.4所示。燃氣比例閥控制電路單片機溫度測定電路燃氣比例閥控制電路單片機溫度測定電路LCD液晶顯示電路LCD液晶顯示電路溫度設(shè)定電路溫度設(shè)定電路安全報警電路保護電路安全報警電路保護電路看門狗電路看門狗電路圖3.4硬件結(jié)構(gòu)原理圖溫度設(shè)定電路。通過一個按鍵產(chǎn)生脈沖輸入單片機來調(diào)節(jié)水溫的設(shè)定值。溫度測定電路，采用溫度傳感器來測量溫度。單片機，是整個電路的控制核心，實現(xiàn)PID模糊控制。LCD液晶顯示電路，單片機通過液晶顯示溫度的設(shè)定值和實際測溫值。比例閥控制電路，通過控制DAC0832輸出大小不同的電流，控制比例閥的開度。報警電路，當實際溫度高于設(shè)定溫度時，報警電路報警。保護電路，當出現(xiàn)干燒，溫度高于設(shè)定值等情況，自動切斷電源，停止工作?？撮T狗電路，用于單片機斷電保持和復位等。2.3系統(tǒng)性能指標1．測溫范圍：0～99因為被控參數(shù)是水，其工作狀態(tài)始終是液態(tài)，所以其工作溫度就是在0～99℃之間，LCD液晶顯示，其顯示數(shù)值范圍是0～99℃，代表溫度范圍是0～99℃2．設(shè)定溫度用戶可以自行設(shè)定任何一個測量點的溫度數(shù)值，數(shù)字小鍵盤輸入、LCD顯示，其顯示數(shù)值范圍是0～99，代表溫度范圍是0～99℃3．掉電數(shù)據(jù)保護和系統(tǒng)故障復位利用看門狗（watchdog）電路，具有掉電數(shù)據(jù)保護功能和系統(tǒng)故障復位功能。當系統(tǒng)突然失電時，可以利用看門狗中的EEPROM數(shù)據(jù)儲存器，將控制系統(tǒng)中的正在運算的數(shù)值和結(jié)果保存起來，當系統(tǒng)恢復供電后，單片機再從看門狗中讀出這些數(shù)據(jù)，從而保證了系統(tǒng)中臨時數(shù)據(jù)的安全。同時，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障死機或者程序跑飛進入某個死循環(huán)后，可以利用看門狗電路向單片機發(fā)出復位信號，使系統(tǒng)重新開始運行。4．報警功能當溫度測量數(shù)值偏離設(shè)定數(shù)值時，系統(tǒng)會自動報警，以提醒用戶及時查明故障原因和解決問題。同時當溫度調(diào)節(jié)到位也由蜂鳴器發(fā)聲，告知用戶溫度調(diào)節(jié)完畢，實現(xiàn)智能化。3熱水器控制器系統(tǒng)分析3.1燃氣熱水器的系統(tǒng)組成與工作原理 燃氣熱水器結(jié)構(gòu)上包括控制，供水與加熱，燃氣供應(yīng)與燃燒，供風與排氣等多個組成單元，圖2.1表示出了具體研究的燃氣熱水器的結(jié)構(gòu)。圖2.1燃氣熱水器基本結(jié)構(gòu)生活水回路，進水一端接冷水，出水一端接洗浴裝置。冷水進水端打開以后，水的壓力控制安全閥打開，燃氣進入噴嘴，同時電子打火裝置也開始工作，燃氣開始在燃燒室內(nèi)燃燒，冷水經(jīng)過熱交換器變成熱水供人們使用。通過控制比例閥的大小可以控制火力的大小從而控制水溫，由溫度傳感器反饋信息，通過單片機運用PID編程處理控制，達到水溫恒溫自動控制。3.2燃氣熱水器的數(shù)字PID溫度控制PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4.5.1所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。圖4.5.1PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器,一種它根據(jù)給定值rin(t)與實際輸出值yout(t)構(gòu)成控制偏差：e(t)=rin(t)-yout(t)(4-1)PID控制就是對偏差信號進行比例、積分、微分運算后，形成一種控制規(guī)律。即，控制器的輸出為：(4-2)式中，——比例系數(shù)；Ti——積分時間常數(shù)；——微分時間常數(shù)。3.2.1PID算法控制的實現(xiàn)由51單片機組成的數(shù)字控制系統(tǒng)控制中，PID控制器是通過PID控制算法實現(xiàn)的。51單片機通過AD對信號進行采集，變成數(shù)字信號，再在單片機中通過算法實現(xiàn)PID運算，再通過DA把控制量反饋回控制源。從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的伺服控制。 本文采用位置式PID控制算法具體如下PID位置算法PID位置算法受控對象re+一uy位置式PID控制算法的簡化示意圖

上圖的傳遞函數(shù)為：

（2-1）在時域的傳遞函數(shù)表達式

（2-2）對上式中的微分和積分進行近似

（2-3）式中n是離散點的個數(shù)。于是傳遞函數(shù)可以簡化為：

（2-4）其中u(n)——第k個采樣時刻的控制；KP——比例放大系數(shù)；

Ki——積分放大系數(shù)；Kd——微分放大系數(shù)；T——采樣周期。如果采樣周期足夠小，則（2-4）的近似計算可以獲得足夠精確的結(jié)果，離散控制過程與連續(xù)過程十分接近。（2-4）表示的控制算法直接按（2-1）所給出的PID控制規(guī)律定義進行計算的，所以它給出了全部控制量的大小，因此被稱為全量式或位置式PID控制算法。缺點：1）由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，計算時e(k)(k=0,1,…n)進行累加，工作量大。 2)因為計算機輸出的u(n)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，輸出u(n)將大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅度變化，有可能因此造成嚴重的生產(chǎn)事故，這在實際生產(chǎn)中是不允許的。3.2.2PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。對于溫度系統(tǒng)：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3對于流量系統(tǒng)：P（%）40--100，I（分）0.1--1對于壓力系統(tǒng)：P（%）30--70，I（分）0.4--3對于液位系統(tǒng)：P（%）20--80，I（分）1—5PID參數(shù)整定過程很復雜，所以很難掌握，可按如下口訣進行：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復慢，積分時間往下降曲線波動周期長，積分時間再加長曲線振蕩頻率快，先把微分降下來動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長理想曲線兩個波，前高后低4比1一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低4燃氣熱水器系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.1元器件的選擇 4.1.1單片機的選擇（1）單片機芯片的選擇MCS5一51系列單片機及其兼容機在國內(nèi)擁有廣泛的用戶。目前，國內(nèi)市場上，Intel公司生產(chǎn)的MCS5一51系列單片機已少見，代之以其它公司生產(chǎn)的MCS一51系列兼容單片機。在Ateml公司的系列產(chǎn)品中，常用的AT89C系列單片機己經(jīng)停產(chǎn)，因此AT89S系列單片機的價格比AT89C系列單片機低，而且AT89S系列單片機相對于AT89C系列單片機新增不少功能，性能有了較大提升。AT89S系列單片機價格便宜、性能可靠，所以采用AT89S51（2）單片機管腳使用的說明AT89S51是一個有40個引腳的芯片，引腳配置如圖2-2所示。與8031相比，AT89S51自帶4K的ROM和128B的RAM，因此編寫中小型系統(tǒng)就無需任何硬件進行擴展。圖2-2AT89S51引腳配置89S51相對于89C51增加的新功能包括：

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新增加很多功能，性能有了較大提升，價格卻基本不變，甚至比89C51更低！

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ISP在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于改寫單片機存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個強大易用的功能。

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工作頻率為33MHz，大家都知道89C51的極限工作頻率只有24M，就是說S51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計算速度。

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具有雙工UART串行通道。

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內(nèi)部集成看門狗計時器，不再需要像89C51那樣外接看門狗計時器單元電路。

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雙數(shù)據(jù)指示器。

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電源關(guān)閉標識。

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全新的加密算法，這使得對于89S51的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加強，這樣就可以有效的保護知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯。

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兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產(chǎn)品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容產(chǎn)品。也就是說所有教科書、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書上采用的單片機是8051還是89C51還是MCS-51等等），在89S51上一樣可以照常運行，這就是所謂的向下兼容。 4.1.2顯示器件的選擇顯示器件有液晶模塊、數(shù)碼管等等；液晶模塊又分為三類:數(shù)顯液晶模塊、點陣字符液晶模塊、圖形液晶模塊。數(shù)碼管雖然價格便宜，但數(shù)碼管里面的發(fā)光二極管基本上屬于電流敏感器件，其正向壓降的分散性很大，并且還與溫度有關(guān)，為了保證數(shù)碼管具有良好的亮度均勻度，就需要使其具有恒定的工作電流，且不能受溫度及其它因素的影響。另外，當溫度變化時驅(qū)動芯片還要能夠自動調(diào)節(jié)輸出電流的大小以實現(xiàn)色差平衡溫度補償。即使是短時間的電流過載也可能對發(fā)光管造成永久性的損壞。顯示包括設(shè)定溫度和實時溫度的顯示，并且要顯示4位，如果用數(shù)碼管則會占用單片機太多的端口，那樣可能要進行端口擴展，這樣就要用到其它擴展芯片，造成成本的上升，并且數(shù)碼管容易受到干擾，特別是對溫度測量這種精度要求較高的顯示，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定，造成更大的誤差，所以決定選用功能強大不易受到干擾的液晶LCD1602顯示。（1）LCD1602A液顯及其引腳說明： 溫度顯示采用LCD1602,以降低對單片機端口數(shù)的要求,同時也降低系統(tǒng)的功耗.時間控制電路和鍵盤輸入,1602A可以顯示2行16個字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7，和RS、R/W、EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光。1602采用標準的16腳接口，其中:第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15～16腳：15腳接VCC，16接GND,作背光用。（2）LCD1602的指令控制：1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表2-1所示，表2-1指令表指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清顯示0000000001光標返回000000001置輸入模式00000001I/DS顯示開/關(guān)控制0000001DCB光標或字符移位000001S/CR/L置功能00001DLNF置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址（AGG）置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址（ADD）讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址（AC）寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫的數(shù)從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H,光標復位到地址00H位置

指令2：光標復位，光標返回到地址00H

指令3：光標和顯示模式設(shè)置I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效

指令4：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有光標，低電平表示無光標B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍

指令5：光標或顯示移位S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標

指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F:低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置指令8：DDRAM地址設(shè)置

指令9：讀忙信號和光標地址BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。

指令10：寫數(shù)據(jù)

指令11：讀數(shù)據(jù)4.1.3數(shù)字溫度傳感器的選擇采用集成器件DS18B20，DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃，可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。1、DS18B20產(chǎn)品的特點（1）、只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。（2）、在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號。（3）、實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。（4）、測量溫度范圍在－55。C到＋125。C之間。（5）、數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。（6）、內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。2、DS18B20的引腳介紹TO－92封裝的DS18B20的引腳排列見圖1，其引腳功能描述見表1。（底視圖）圖1表1DS18B20詳細引腳功能描述序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。DS18B20的使用方法由于DS18B20采用的是1－Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對AT89S51單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20的復位時序DS18B20的讀時序?qū)τ贒S18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18B20的讀時序是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。DS18B20的寫時序?qū)τ贒S18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。對于DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。4.1.4D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換的選擇DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，集成電路內(nèi)有兩級輸入寄存器，使DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。一個8位D/A轉(zhuǎn)換器有8個輸入端（其中每個輸入端是8位二進制數(shù)的一位），有一個模擬輸出端。輸入可有28=256個不同的二進制組態(tài)，輸出為256個電壓之一，即輸出電壓不是整個電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是256個可能值。圖4-83是DAC0832的邏輯框圖和引腳排列。圖4-83D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)。運放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機電路連接。DAC0832引腳功能說明：DI0~DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。CS：片選信號輸入線，低電平有效。WR1：為輸入寄存器的寫選通信號。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線，低電平有效。WR2：為DAC寄存器寫選通輸入線。Iout1:電流輸出線。當輸入全為1時Iout1最大。Iout2:電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。Rfb:反饋信號輸入線,芯片內(nèi)部有反饋電阻.Vcc:電源輸入線

(+5v~+15v)Vref:基準電壓輸入線

(-10v~+10v)AGND:模擬地,摸擬信號和基準電源的參考地.DGND:數(shù)字地,兩種地線在基準電源處共地比較好.采用ADC0809實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。如圖4-82所示，它由倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、運算放大器和參考電壓VREF四大部分組成。運算放大器輸出的模擬量V0為：

圖4-82由上式可見，輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量（）成正比，這就實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

4.1.5比例閥的選擇燃氣比例閥是一種可動永磁式的電磁比例閥系統(tǒng)，它可根據(jù)電腦控制器輸出電流的大小，自動調(diào)節(jié)閥口的開度，對燃氣流量不斷地進行細微的無級調(diào)節(jié)，使熱水器的出水溫度可無級設(shè)定；另外在比例閥輸入電流不變的條件下，閥口開度可隨輸入壓力變化而自動調(diào)整，保證輸出口壓力穩(wěn)定，使熱水器所設(shè)定的出水溫度保持恒定。該比例閥還具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，調(diào)節(jié)靈敏等優(yōu)點。適用于恒溫熱水器等燃氣設(shè)備 A：結(jié)構(gòu)及工作原理介紹該閥由開關(guān)閥、比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)三大部分組成：a、開關(guān)閥：如上圖所示,它是一個通斷型電磁閥，根據(jù)控制器的電信號來打開或關(guān)閉閥口。b、比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)：主要由電磁系統(tǒng)、永磁體、球閥組件構(gòu)成。當線圈得到控制電流時,在磁芯的下端面產(chǎn)生與永磁體端面極性相同的電磁場力，按同性相斥的原理，二者產(chǎn)生排斥力，推動永磁體及球閥下移，與橡膠閥口之間形成相應(yīng)的開度。電流增加時磁芯磁場增加，推開永磁體的力增大，閥口開度增大；電流減小時磁芯磁場減小，推開永磁體的力減小，閥口開度減小。這樣控制器可通過水溫反饋信號自動調(diào)節(jié)電流來自動控制燃氣流量，從而達到調(diào)控水溫、穩(wěn)定水溫的目的。當線圈斷電時電磁力消失，永磁力使永磁體吸向磁芯，球閥上移關(guān)閉閥口；在斷電狀態(tài)下永磁體始終吸向磁芯，對球閥產(chǎn)生恒定拉力，使該閥口具有良好的密封效果。C、穩(wěn)壓系統(tǒng)：當電流按設(shè)定溫度值確定后，磁場力可視為一個恒定作用力。輸入壓力升高，膜片受力增大向上位移，使閥口開度減小；輸入壓力下降，膜片受力減小向下位移，使閥口開度增大。這樣一來保證了輸出壓力的穩(wěn)定，使燃燒工況始終保持所需狀態(tài)。根據(jù)溫度傳感器傳給控制板的數(shù)據(jù)，由單片機發(fā)出指令，自動控制火力的大小，從而達到水溫的自動調(diào)節(jié)和控制。4.1.6風機的選擇選擇強排式燃氣熱水器風機：一、設(shè)計上根據(jù)不同的燃氣用強排式熱水器的要求，采用氣動力學與氣動聲學優(yōu)化組合的原理，最大限度發(fā)揮多翼式風機的特點，使整機具有流量大，風壓適中，噪聲低的卓越優(yōu)點。

二、風機外殼采用優(yōu)質(zhì)鋼板制作并表面處理，外形及安裝可依據(jù)不同配套廠家定做，從而保證與整機協(xié)調(diào)統(tǒng)一、美觀，安裝靈活方便。三、葉輪采用鋁合金整體制作或鉚合而成,并經(jīng)嚴格靜、動平衡校正，因些振動極小。四、電機配套軸承采用日本NSK、NTK軸承，質(zhì)量可靠，經(jīng)久耐用.五、相關(guān)風機性能參數(shù)：(參考值)電壓：AC220V頻率：50HZ轉(zhuǎn)速：2750r/min輸入功率：25+10%W風量：1.3m/min負壓：180Pa(也可設(shè)置正壓）。4.1.7水汽聯(lián)動裝置的選擇水氣聯(lián)動裝置（俗稱水氣聯(lián)動閥）包括水控裝置和氣控裝置，工作原理就是檢測到足夠的沖擊水壓時，啟動燃氣機械開關(guān)（草帽墊），接通電路（一般為微動開關(guān)），進而啟動脈沖點火器和電磁閥以及電機。水控裝置是控制水流量的裝置，又稱水溫調(diào)節(jié)閥；氣控裝置由氣閥組件組成，控制燃氣的啟閉和燃氣流量，又稱火力調(diào)節(jié)閥。水氣聯(lián)動裝置主要部件有：進氣口、瀉壓閥桿、錐形管、鼓膜、水溫調(diào)節(jié)閥、頂桿、微動開關(guān)、火力調(diào)節(jié)閥、電磁閥、進氣口等。水氣聯(lián)動裝置的作用是保證在水壓足夠且被引進熱交換器流動時，燃氣制閥門才能打開。而當水流停止或壓力不足時，自動切斷燃氣的供氣通路，防止因缺水而燒壞設(shè)備。

簡單地說，就是檢測到足夠的沖擊水壓時，啟動燃氣機械開關(guān)（草帽墊），接通電路（一般為微動開關(guān)），進而啟動脈沖點火器和電磁閥以及電機。

現(xiàn)在常用的水氣聯(lián)動裝置主要有兩種：一種是壓力式，另一種是壓差式。

1、壓差式：采用薄膜兩側(cè)水的壓力差的原理。它的輸水管設(shè)置了節(jié)流孔（文氏管），當水流過節(jié)流孔時，在薄膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，由壓力差來開啟和關(guān)閉燃氣閥瓣。由于節(jié)流孔的內(nèi)徑是固定的，所以在單位時間內(nèi)流過節(jié)流孔的水越多，則經(jīng)過節(jié)流孔時水的流速就越快，根據(jù)伯努利原理，節(jié)流孔兩側(cè)所生產(chǎn)的壓力差就越大，由閥桿控制閥瓣，使閥口開啟的程度隨之加大。這樣就保證了在熱水器的熱負荷范圍之內(nèi)，熱水溫度保持基本穩(wěn)定，不至于忽冷忽熱。當水閥關(guān)閉，水停止流動時，薄膜兩側(cè)的壓力差消失，閥瓣在彈簧的作用下復位，切斷了主燃燒器的供氣，主燃燒器熄火（此時如有小火燃燒器則保持原來的燃燒狀態(tài)）。壓差式水氣聯(lián)動閥既可用于前制式，又可用于后制式。（本文用壓差式）

2、干簧管（或霍爾）式：采用磁鋼感應(yīng)干簧管（霍爾開關(guān)）。熱水器進水管內(nèi)安裝磁鋼，打開水閥水流量達到設(shè)計值時，磁鋼轉(zhuǎn)過感應(yīng)點，干簧管就閉合，控制電路接通，燃氣閥門打開，熱水器燃燒。4.1.8變壓器的選擇變壓器主要是將220V變壓成燃氣熱水器中各個系統(tǒng)所需要的電壓，可以買伊戈爾電氣公司的產(chǎn)品，質(zhì)量和功能都能滿足多電源提供的要求。4.2硬件電路的設(shè)計4.2.1主控制電路的設(shè)計 主控制電路由看門狗復位電路、晶振電路、LED燈顯示電路、單片機芯片等構(gòu)成，單片機通過程序控制外圍電路互相配合，進行溫度的顯示、調(diào)節(jié)、控制等操作。如圖4.2.1.圖.2鍵盤輸入電路的設(shè)計由于本系統(tǒng)要求的輸入，僅為用戶預設(shè)的兩位溫度值，故所需要的鍵數(shù)比較少，用3個單鍵（十位按鍵，個位按鍵，確定）即可，還有一個結(jié)束按鍵。由于單片機引腳有限，在設(shè)計初期還不能確定是否有多出來的資源供使用，還有考慮到鍵盤響應(yīng)的及時性和單片機運行的效率，所以本系統(tǒng)采用中斷擴展控制方式，即四個單鍵先分別與四個I/O口相連。其電路圖如圖3.5所示。圖3.5鍵盤輸入電路4.2.3聲光報警電路的設(shè)計如下圖所示，蜂鳴器主要起報警作用，當出現(xiàn)干燒，溫度過大等情況時，蜂鳴器響起。圖4.2.3蜂鳴器報警電路4.2.4溫度檢測電路的設(shè)計 溫度檢測電路由DS18B20溫度傳感器，通過把測量到的溫度傳回給單片機，實現(xiàn)了溫度采集發(fā)送的任務(wù)。如圖4.2.4圖.5液晶顯示電路的設(shè)計圖4.2.5.LCD1602一方面通過溫度傳感器測得的溫度顯示出來，另一方面把設(shè)定的溫度顯示出來。如圖.2.6電流控制電路的設(shè)計單片機通過P0口輸出數(shù)據(jù)，DAC0832把數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換為模擬量，由于轉(zhuǎn)換出的電流很小，最大的只有330uf左右，所以需要用運放先把電流轉(zhuǎn)換成電壓，出來的電壓是負值，所以發(fā)光二極管倒過來接，根據(jù)發(fā)光二極管的大小來顯示輸出電流的大小，通過接一個220的電阻，達到把電壓轉(zhuǎn)換成電流的簡單電路，達到電流控制的作用。如圖4.2.6. 圖.7系統(tǒng)的安全性研究系統(tǒng)的安全性，是指在規(guī)定的條件下，規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。目前，安全性理論已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在工程的各個領(lǐng)域，并且日益起到重要的作用。單片機應(yīng)用燃氣熱水器溫度控制是其智能化的發(fā)展趨勢。因而，隨著單片機在燃氣熱水器系統(tǒng)中的深入應(yīng)用，使其應(yīng)用的安全性就成為一個非常突出、急待解決的重要問題。影響可靠性、安全運行的主要因素是系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種干擾和系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，干擾對測控系統(tǒng)造成的嚴重后果主要表現(xiàn)在測量數(shù)據(jù)誤差增大、控制狀態(tài)失效、程序運行異常等方面。我們知道，燃氣熱水器不同于其它系統(tǒng)，它具有特殊的工作條件，而單片機作為燃氣熱水器系統(tǒng)的控制核心，其應(yīng)用環(huán)境非常惡劣，這就要求它必須具有很強的抗干擾能力，能夠在各種惡劣的環(huán)境下可靠地進行控制、監(jiān)測、實時顯示數(shù)據(jù)和進行通信等功能。因此，提高單片機控制系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)成為提高整個燃氣熱水器水溫控制系統(tǒng)安全性的一個重要的環(huán)節(jié)。控制系統(tǒng)中可靠性非常重要，在系統(tǒng)的設(shè)計初期就要充分考慮。燃氣熱水器水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計，相對于同類系統(tǒng)的設(shè)計來說更為復雜和特殊，它需要考慮的可靠性問題更多，所以更要引起設(shè)計者的重視，在實際設(shè)計中，應(yīng)該盡可能考慮各種不確定因素，充分利用實際經(jīng)驗來分析其產(chǎn)生來源，制定相應(yīng)的安全策略，提高溫度測控系統(tǒng)的可靠性。1系統(tǒng)硬件設(shè)計中安全性問題的解決在單片機測控系統(tǒng)的設(shè)計中，其硬件可靠性設(shè)計應(yīng)該考慮以下幾個方面：1.元器件的選擇系統(tǒng)的可靠性是建立在系統(tǒng)中各個組成元器件的可靠性基礎(chǔ)上的，所以，在選擇元器件時，應(yīng)該參照以下幾個原則進行：（1）充分分析系統(tǒng)的功能需求，根據(jù)系統(tǒng)所要達到的性能要求來合理選擇半導體器件；（2）由于燃氣熱水器內(nèi)部的腐蝕和振動等不利條件，應(yīng)該選擇溫漂小、獨立封裝、穩(wěn)定性好的元器件；（3）減少焊點數(shù)量可降低接觸不良、短路等故障，因此，應(yīng)該盡量選用集成度高的電路，減少使用分立元器件。2.采用AT89S51內(nèi)部“看門狗”電路設(shè)計（1）看門狗定時器（WDT）WDT是為了解決CPU程序運行時可能進入換亂或死循環(huán)而設(shè)置，它由一個14位計數(shù)器和看門狗復位SFR（WDTRST）構(gòu)成。外部復位時，WDT默認關(guān)閉狀態(tài)，要打開WDT，用戶必須按順序?qū)?1EH和0E1H寫到WDTRST寄存器（SFR地址為0A6H），當啟動WDT，它會隨晶體振蕩器在每個機器周期計數(shù)，除硬件復位或WDT溢出復位外沒有其他方法關(guān)閉WDT，當WDT溢出，將使RST引腳輸出高電平的復位脈沖。（2）使用看門狗（WDT）打開WDT需按次序?qū)?1EH和0E1H到WDTRST寄存器（SFR地址為0A6H），當WDT打開后，需在一定的時候向WDTRST寫入01EH和0E1H喂狗來避免WDT

溢出。14位WDT計數(shù)器計數(shù)達到16383機器周期內(nèi)復位WDT,也即寫01EH和0E1H到WDTRST寄存器，WDTRST為只寫寄存器。WDT計數(shù)器既不可讀也不可寫，當WDT溢出時，通常將使RST引腳輸出高電平的復位脈沖。復位脈沖持續(xù)時間為98*Tosc，而Tosc=1/Fosc（晶體振蕩頻率）。為使WDT工作最優(yōu)化，必須在合適的程序代碼時間段周期地復位WDT防止WDT溢出。（3）掉電和空閑狀態(tài)時的WDT掉電時期，晶體振蕩停止，WDT也停。掉電模式下，用戶不能復位WDT。有兩種方法可退出掉電模式：硬件復位或通過激活外部中斷。當硬件復位退出掉電模式時，處理WDT可像通常的上電復位一樣。當由中斷退出掉電模式則有所不同，中斷低電平狀態(tài)持續(xù)到晶體振蕩穩(wěn)定，當中斷電平變?yōu)楦呒错憫?yīng)中斷服務(wù)。為防止中斷誤復位，當器件復位，中斷引腳持續(xù)為低時，WDT并未開始計數(shù)，直到中斷引腳被拉高為止。這為在掉電模式下的中斷執(zhí)行中斷服務(wù)程序而設(shè)置。為保證WDT在退出掉電模式時極端情況下不溢出，最好在進入掉電模式前復位WDT。在進入空閑模式前，WDT打開時，WDT是否繼續(xù)計數(shù)由SFR中的AUXR的WDIDLE位決定，在IDLE期間（位WDIDLE=0）默認狀態(tài)是繼續(xù)計數(shù)。為防止AT89S51從空閑模式中復位，用戶需周期性地設(shè)置定時器，重新進入空閑模式。當位WDIDLE被置位，在空閑模式中WDT將停止計數(shù)，直到從空閑（IDLE）模式中退出重新開始計數(shù)。復位電路如下圖4.2.7。圖4.2.75系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1主程序流程圖本系統(tǒng)實現(xiàn)對燃氣熱水器的溫度實時顯示、控制功能，首先對DS18B20進行初始化，然后判斷設(shè)定水溫和從DS18B20溫度傳感器測來的溫度進行比較，當設(shè)定水溫大于實測水溫時比例閥開度增大，當設(shè)定溫度小于實測水溫是比例閥開度減小，否則，保持當前數(shù)據(jù)，比例閥保持當前開度，直到停止運行熱水器。當水溫大于臨界溫度值時，蜂鳴器報警并且停止運行。圖4.4顯示了本系統(tǒng)的主程序流程圖。開始開始LCD初始化18B20初始化鍵盤掃描溫度設(shè)定T1和讀取測量溫度T2顯示T1和T2DA數(shù)模轉(zhuǎn)換Val++保持ValVal--PID溫度調(diào)節(jié)輸出值Val=30電流輸出控制ENDT1<T2時的輸出值T1>T2時的輸出值T1=T2返回繼續(xù)檢測圖5.1主程序流程圖5.2測溫程序流程圖讀取12位讀取12位2進制數(shù)據(jù)12位數(shù)據(jù)雙8位分離10進制溫度顯示初始化DS18B20啟動測溫開始圖4.1測溫子程序流程圖在測溫時首先對DS18B20進行初始化，初始化DS18B20成功后，啟動DS1820開始測溫，所輸出的是12位2進制數(shù)，然后將12位數(shù)進行雙8位分離，經(jīng)單片機及其溫度數(shù)據(jù)對應(yīng)表進行2進制到10進制的轉(zhuǎn)換，最后實時輸出并顯示10進制溫度值。測溫子程序流程圖見上圖4.1。5.3數(shù)字PID控制器的實現(xiàn)由上一小節(jié)可確定本系統(tǒng)采用的PID算法應(yīng)使用位置式PID算法，通過DAC0832和V/I轉(zhuǎn)換電路，控制輸出電流，由于電壓大小有限，輸出必須限幅，以免程序誤操作，產(chǎn)生不可避免的錯誤。具體流程圖如圖4.3所示，其體程序見附錄。設(shè)定溫度取得測量溫度設(shè)定溫度取得測量溫度計算偏差計算控制增量輸出限幅保存當誤差返回主程序6系統(tǒng)的設(shè)計6.1軟件的調(diào)試軟件的調(diào)試主要通過Keil軟件進行操作，對程序編寫過程中的錯誤進行查找，找出錯誤，進行修改，然后再進行編譯直至編譯成功，生成HEX文件，才能下載到單片機里，繼而實現(xiàn)相應(yīng)功能。首先，寫按鍵、發(fā)光二極管和蜂鳴器的控制程序，把簡單的部分先解決掉，然后是調(diào)液晶顯示器1602，達到要顯示的效果，再者就是把測溫和顯示和在一起，達到正確顯示溫度的效果，然后，調(diào)試DAC0832，根據(jù)發(fā)光二極管的明亮程度和測量電壓值來判別DAC0832輸出值的效果，最后，把所有的子程序合成總的程序，實現(xiàn)連調(diào)，達到，輸入溫度，測溫，顯示，比較，改變DAC輸出達到恒溫控制等效果。6.2硬件的調(diào)試在印制電路板工作完成之后，根據(jù)設(shè)計的步驟要求我對自己的硬件電路板進行了調(diào)試工作，這里將調(diào)試的過程及在調(diào)試的過程中所遇到的問題提出來進行討論，以便能夠進一步的掌握設(shè)計工作的要領(lǐng)。6.2.1檢測元器件檢測所有元器件的好壞，是否正常工作，導線是否導通等。具體的實現(xiàn)方法是先檢測電容、電阻及導線是否短接，采用的工具是萬用表。6.2.2檢測各個引腳信號給電路接通電源，大概用手摸一下元器件是否發(fā)熱，有的話，關(guān)掉電源，進行再次檢測；沒有的話，則測試所有芯片的VCC端電壓是否達到要求，接地端是否都接地，無誤后，則開始對電路中所用到的引腳進行信號波形測試，所使用的工具最好是示波器。檢測都沒有什么問題的時候，就可以燒寫單片機程序，進行整體調(diào)試了，調(diào)試的結(jié)果能達到設(shè)計的要求數(shù)據(jù)，就算硬件設(shè)計工作完成。在調(diào)試本系統(tǒng)時，有些問題在仿真軟件上是無法表現(xiàn)出來的。比如本系統(tǒng)LCD顯示的問題，在Proteus上能很清昕地顯示，不過燒到單片機上時，可能會因為某些小細節(jié)的問題導致無法正常顯示，比如說某些管腳可能不適合這樣用，這都要通過實際硬件去慢慢調(diào)試出來。還有蜂鳴器電路，也可能由于電阻參數(shù)設(shè)定的不好，導致蜂鳴器響聲或者導通度不夠，達不到滿意要求，通過調(diào)整使蜂鳴器響聲達到滿意的程度。本來是想用運放實現(xiàn)個V/I轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電流的穩(wěn)定精確控制，但是參考網(wǎng)上的和課本的幾個經(jīng)典電路和別人嘗試過的電路都無法實現(xiàn)，后面干脆不用那么麻煩，直接從DAC接運放變成的電壓U1處接個電阻和發(fā)光二極管，可以實現(xiàn)輸出電流從幾mA到幾十mA的變化，而且輸出也相當穩(wěn)定，可見實踐出真理，有些東西理論說得好聽，但是到實際中就派不是用場，要不斷的實踐調(diào)試才能做出符合實際應(yīng)用的電路，符合畢設(shè)設(shè)計要求。7總結(jié)和體會本文設(shè)計的燃氣熱水器控制器由單片機AT89S51、溫度傳感器DS18B20、及鍵盤及顯示電路系統(tǒng)軟件的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用定時中斷的結(jié)構(gòu)，主要由主系統(tǒng)程序、LCD顯示子程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序、PID調(diào)節(jié)子程序等程序組成。該控制系統(tǒng)具有較強的智能，可根據(jù)用戶設(shè)定的溫度，自動控制溫度，給出恒定溫度的出水以及漏電保護、防干燒、漏氣保護等功能。且具有不需預熱、無需等待、節(jié)能省電、安全環(huán)保、體積小巧、節(jié)約空間和水溫恒定等突出優(yōu)點。本次課程設(shè)計是對所學知識的一次綜合性運用。其中包括對模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、單片機等知識的運用。從而完成了本次設(shè)計。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自身知識的不足，也發(fā)現(xiàn)我們必須具備專業(yè)基礎(chǔ)知識以外，才能成功的設(shè)計出一件合格的東西。這次課程設(shè)計收獲很多，體會也很深刻，并且對我們所學的東西也產(chǎn)生了濃厚的興趣。在設(shè)計過程中，也學會了很多新的東西，PROTEL軟件繪制電路原理圖和PCB圖，以及一些仿真軟件的應(yīng)用，最典型的就是PROTEUS軟件的應(yīng)用，以及與KEIL軟件的聯(lián)合使用功能。當然最重要的是學到了關(guān)于基本電子設(shè)計的一些基本方法，同時也加深了對一些常用的電子元件的理解及其基本用法的掌握。但由于僅僅對產(chǎn)品樣板進行了調(diào)試，由于時間緊迫和各種條件的限制，沒有在實際的燃氣熱水器上面進行調(diào)試，因而該設(shè)計還有許多需要修改完善的地方除此之外，我覺得在這次設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)團隊精神的重要性，很多時候一個人的力量是有限的，一個人不可能什么都會，什么都能自己解決，還是有需要他人幫助的時候，我覺得人與人之間的相互幫助很有必要，這樣不僅能幫助大家很快的解決問題，還能提高我們每個人的實際水平，也培養(yǎng)了我們的團隊合作精神，這些能力對于我們今后的學習和工作都很有幫助。謝辭我在專業(yè)里，成績屬于中上一點的學生，理論基礎(chǔ)底子不是很扎實，實踐動手次數(shù)不是太多，很多問題對我來說考慮得還不是很周全。但是通過這次學習，使我的理論知識得到了一定的加強。剛開始接觸這個課題時，對一些理論知識不是很懂，特別是對題目有諸多方面的不確定性，向?qū)熇詈私淌诘恼埗貑栴}也比較多，有些看起來很簡單的問題也需要請教。但是每當我向李老師請教的時候，李老師總是耐心地解答，幫助我解決在論文過程中所遇到的各種困難，李老師不僅誨人不倦，而且具有淵博的知識，扎實的理論基礎(chǔ)和實踐功底，嚴謹踏實的治學態(tài)度，這些都使我受益無窮。尤其是導師平易近人、豁達開朗的生活態(tài)度，讓我感到無比親切。在此我謹向李老師表示我深深的謝意。其次，我也要衷心感謝桂林電子科技大學對我的培養(yǎng)和教育，感謝給我們上課的各位老師、感謝教輔人員和其他各位領(lǐng)導對本人幫助。在論文的整個過程中，我還得到了其他人的大力幫助，在此我一并向他們表示感謝。參考文獻：[1]朱榮明.燃氣熱水器水溫智能控制系統(tǒng)[J].西北工業(yè)大學學報，2001.（1）：69-71[2]王幸之.單片機應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.9[3]余永權(quán).單片機應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，1991[4]李秉操.單片機接口技術(shù)及其在工業(yè)控制中的應(yīng)用[M].陜西：陜西電子編輯部，1993[5]求是科技編著.單片機典型模塊設(shè)計實例導航[M].北京：人民郵電出版社，2004[6]繳瑞山，韓全立主編.單片機控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2003[7]馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安：西安交通大學出版社，1998.9[8]郭天翔.新概念51單片機C語言教程.電子工業(yè)出版社.2009.12[9]解驍武.AVR單片機在家用雙功能燃氣熱水器中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機，2004.（6）：42-44[10]王文郁，石玉.電力電子技術(shù)應(yīng)用電路[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001[11]郭富昭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//器件配置文件#include<intrins.h>#include<math.h>#include<stdio.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineulongunsignedcharucharcodeSet[]={"SET:00"};ucharcodeTemp[]={"TEMP:00.0"};ucharcodedigit[10]={"0123456789"};//定義字符數(shù)組顯示數(shù)字uchardis[3]={0,0,0};#defineLCD_DataP2 //定義LCD數(shù)據(jù)輸入引腳#defineDAP0 //定義DAC0832數(shù)據(jù)輸入引腳#defineLCD_RSP3_5#defineLCD_RwP3_4//定義LCD引腳#defineLCD_EP3_3sbitDQ=P1^0; //定義18B20引腳sbitbeep=P3^2; //定義蜂鳴器引腳sbitk1=P1^1; //定義按鍵引腳sbitk2=P1^2;sbitk3=P1^3;sbitk4=P1^4;sbitled1=P1^5; //定義發(fā)光二極管引腳sbitled2=P1^6;sbitled3=P1^7;uinttempp; //定義整型的溫度數(shù)據(jù)floatf_temp; //定義浮點型的溫度數(shù)據(jù)uintnum;/********************************************************************************************18B20溫度傳感器程序*********************************************************************************************/voiddelay_18B20(unsignedinti) //延時1微秒{while(i--);}voidds1820rst() /*ds1820復位*/{ unsignedcharx=0; DQ=1; //DQ復位 delay_18B20(4);//延時 DQ=0;//DQ拉低 delay_18B20(100);//精確延時大于480us DQ=1;//拉高 delay_18B20(40);}uchards1820rd()/*讀數(shù)據(jù)*/{ unsignedchari=0; unsignedchardat=0; for(i=8;i>0;i--) { DQ=0; //給脈沖信號 dat>>=1; DQ=1; //給脈沖信號 if(DQ) dat|=0x80; delay_18B20(10); }return(dat);}voidds1820wr(ucharwdata) /*寫數(shù)據(jù)*/{ unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){ DQ=0; DQ=wdata&0x01; delay_18B20(10); DQ=1; wdata>>=1;}}uintread_temp()/*讀取溫度值并轉(zhuǎn)換*/{ uchara,b; ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);//*跳過讀序列號*/ ds1820wr(0x44);//*啟動溫度轉(zhuǎn)換*/ ds1820rst(); ds1820wr(0xcc);//*跳過讀序列號*/ ds1820wr(0xbe);//*讀取溫度*/ a=ds1820rd(); b=ds1820rd(); tempp=b; tempp<<=8; tempp=tempp|a; f_temp=tempp*(0.0625); //溫度值在寄存器中為12位，分辨率為0.0625 tempp=f_temp*10+0.5; //乘以10表示小數(shù)點后面只取一位，加0.5是四舍五入 f_temp=f_temp+0.05; returntempp;}//************************************//延遲voiddelay(ucharms){ intz; while(ms--) for(z=0;z<125;z++);}/*************************************************************************************