无桶纯水机供水量恒定控制系统设计
无桶纯水机供水量恒定控制系统设计[20200419155412]
摘 要
根据饮水机在生活中的实际应用，本文针对饮水机的出水量和温度之间的关系设计出控制系统。能实现供水量的恒定控制及水温可调恒温控制，满足用户在不同季节的饮水要求。核心部件采用PIC16F684单片机，与温度传感器形成输入部分，结合加热丝作为输出电路，和过零检测电路作为开关电路，PID算法控制PWM波加热。使用结果证明该饮水机能满足出水温度，具有一定的实用价值。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:PIC16F676单片机PID控制过零检测电路
目录
1绪论 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.2 国内外的研究进展 1
1.3 本文的主要工作和内容安排 2
2设计方案论证 3
2.1模拟电路控制 3
2.2单片机控制 3
2.3基于单片机PID控制 4
2.4方案总结 4
3系统硬件设计 6
3.1系统总体设计框图 6
3.2单片机简介 6
3.3单片机电源设计 8
3.4温度检测电路 9
3.5温度加热电路 12
3.6流量检测电路 13
3.7电机运行信号检测电路 14
3.8过零检测电路 15
4系统软件的设计 16
4.1系统软件的总体设计及流程图 16
4.2位置型PID控制算法与增量式PID控制算法 17
4.3流量检测模块系统设计 19
4.4温度工作模块系统设计 20
5总结 21
6参考文献 22
7附录 23
附录一 元器件清单 23
附录二 程序 24
附录三 原理图 31
附录四 实物图与PCB板 32
附录五 Rt表 33
致谢 34
1绪论
1.1 课题的背景及意义
经过20几年发展，在我国饮水机已成为家庭、办公等场所不可缺少的电器。目前，我国已拥有超过1．2亿台的饮水机，不论国内还是国际市场潜力巨大。但是传统饮水机存在着反复加热、留有水垢、热胆的不锈钢材质可能产生硝酸盐、高耗能、噪音和干烧等问题。有桶饮水机的这几项缺陷已经成了饮水机行业再向前发展的瓶颈。虽然现在传统饮水机上加人工智能节能技术已经成熟，但是这种技术成本高，并且也没有改变传统饮水机的其他缺点。
目前人们对水的质量要求越来越高，催生出的饮水机种类也越来越多的，它们的功能也齐全。最普及的饮水机都带有温度控制系统，能满足最基本的要求。高端点的饮水机带有自动控制的功能，显示功能。人工智能的饮水机已经成为当今市场的畅销产品。不仅如此，饮水机还应该带有杀菌消毒的功能。同时环保观念也应该在饮水机上体现，要节水，不浪费水资源，加热时最大化的利用电量，不让电作无用功。
1.2 国内外的研究进展
随着微电子技术的告诉发展，单片机在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，单片机以体积小、功能全、性价比高等诸多优点，在工业控制、家用电器、通信设备、信息处理、尖端武器等各种测控领域的应用中独占鳌角，单片机开发技术以成为电机信息、电气、自动化、通信、机电一体化的学生、相关专业技术人员必须掌握的技术。
最普及的饮水机的组成部分有三个分别是主机，水桶和出水龙头。有些饮水机采用反渗透膜，它过滤后的水虽然能直接饮用，但它的出水量很小，想要正常饮水就必须将过滤后的水储存在水桶内。长时间的置放，微生物可能在橡胶胆内繁殖，危害健康。还可能有少许的橡胶味。而无桶纯水机的出现正好解决了有桶机纯水机的弊端。
由于纯水机用反渗透离子膜（RO）过滤纯水，由于该膜滤过效率受温度影响很大，造成冬天RO出水变小，但是又不能采用贮水方式，以免长期不用的存水变质，造成二次污染，所以必须对进水及RO膜部分恒温控制，使出水量恒定，维持不管什么季节全天候都有正常标称的出水量。
本课题要求以单片机为核心设计一个无桶纯水机供水量恒定控制系统，来达到：
1对RO壳进行恒温控制(采用滤过效率最高能耗又最小的温度点）
2对进水进行即热式加热，使进水也保持在最佳温度点上。
采用监视RO外壳温度，与控制最佳温度点比较来加热包绕RO壳上的电热组件，达到恒温的目的。同样测进水温度，进水量以及出水温度。通过PID计算，来恒温控制出水。加热采用调功方式进行，干扰小，效率高。
1.3 本文的主要工作和内容安排
基于整个无桶纯水机的发展情况，本设计主要进行如下方面的设计。用单片机作为主控芯片，通过接受水泵开启信号触发加热系统的开启。加热功率的大小由流量、设定水温、和出水口水温组成的闭环系统决定。RO外膜上的温度始终处于检测、加热状态使其温度达到预定值来保证固定的出水量。
本论文对无桶纯水机的进行设计，从无桶纯水机的选题、硬件介绍及设计到软件设计都作了详细的分析，确定系统控制的总体设计。
本篇论文可分为5章。第一章节讲述了课题的背景、发展等。第二章节是实现方案的论证，对提出的方案进行对比，择优。第三章节是论文核心，介绍了单片机和具体的硬件电路。第四章节有关于软件的设计、编写及调试。第五章节是具体的实现，对整个系统的调试。
2设计方案论证
2.1模拟电路控制
此方案采用模拟电路控制。温度采集器将温度信号转换为电信号后通过放大器放大信号。比较器在之前设定好电压值，与输入的电信号比较。当输入信号大于设定值时，输出低电平。当信号小于设定值时输出高电平，经信号放大后控制固态继电器使其动作，使加热装置工作。水泵信号经放大后直接控制固态继电器来控制出水。这套方案对硬件的性能有着很高的要求，只要有一部分不工作，结果就不能实现。各器件之间也有可能互相干扰，要采取一定的抗扰措施。但是它容易实现，少了软件上的编程，同时又有功能上的单一，不易作改动。其方案如图2-1所示。
图2-1一位式模拟控制图
2.2单片机控制
这套方案加入了单片机控制。与上面提到的方案相比，这套方案可以拓展按键、显示等模块更加的人性化，更加的智能。经过放大的温度信号经过AD转换后直接输入单片机，单片机。单片机内部进行数据的处理的同时在接收着开关量的数据。分别控制加热部分的驱动电路和水泵的驱动电路，来出水。其方案如图2-2所示。
图2-2单片机控制图
2.3基于单片机PID控制
这套方案采集经过处理的温度与开关信号，输入单片机后经过PID软件的计算决定加热功率，驱动电路控制加热装置使温度达到要求，同时出水部分的电路也由单片机控制。此方案采用PID控制PWM波形，能使驱动电路更加的有效率的工作，同时也保障了驱动电路的安全性，更加的有序。PID是用偏差来控制偏差，能使结果更加的准确，性能可靠。其方案如图2-3所示。
图2-3基于单片机PID控制图
2.4方案总结
根据设计的具体要求以及上述方案的比较作出了控制图，如图2-4所示。
图2-4改进后的设计图
1.本系统先测进、出水口的温度以及进水的流量从而通过PID计算出水箱所需的温度，控制电路控制加热丝1加热，是即热式加热，基本结构是加热丝在流动水管中高功率加热，水从进水口流入，流经加热部分从出水口出来就达到所需温度的热水了。先设定RO外膜的温度，看是否达到设定值来控制加热丝2是否加热。PIC单片机通过采集各个信号如水泵是否开始工作、各个传感器的数据等信号来达到持续加热，持续出水的目的[8]。
2.加热丝1加热采用过零触发的方式，实际上就相当于一个用于交流电路中的“电子开关”，这个电子开关的“接通”动作是在交流电流过“0”点完成的。这样的电路，对用电负荷不会造成“电流冲击”。
摘 要
根据饮水机在生活中的实际应用，本文针对饮水机的出水量和温度之间的关系设计出控制系统。能实现供水量的恒定控制及水温可调恒温控制，满足用户在不同季节的饮水要求。核心部件采用PIC16F684单片机，与温度传感器形成输入部分，结合加热丝作为输出电路，和过零检测电路作为开关电路，PID算法控制PWM波加热。使用结果证明该饮水机能满足出水温度，具有一定的实用价值。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:PIC16F676单片机PID控制过零检测电路
目录
1绪论 1
1.1 课题的背景及意义 1
1.2 国内外的研究进展 1
1.3 本文的主要工作和内容安排 2
2设计方案论证 3
2.1模拟电路控制 3
2.2单片机控制 3
2.3基于单片机PID控制 4
2.4方案总结 4
3系统硬件设计 6
3.1系统总体设计框图 6
3.2单片机简介 6
3.3单片机电源设计 8
3.4温度检测电路 9
3.5温度加热电路 12
3.6流量检测电路 13
3.7电机运行信号检测电路 14
3.8过零检测电路 15
4系统软件的设计 16
4.1系统软件的总体设计及流程图 16
4.2位置型PID控制算法与增量式PID控制算法 17
4.3流量检测模块系统设计 19
4.4温度工作模块系统设计 20
5总结 21
6参考文献 22
7附录 23
附录一 元器件清单 23
附录二 程序 24
附录三 原理图 31
附录四 实物图与PCB板 32
附录五 Rt表 33
致谢 34
1绪论
1.1 课题的背景及意义
经过20几年发展，在我国饮水机已成为家庭、办公等场所不可缺少的电器。目前，我国已拥有超过1．2亿台的饮水机，不论国内还是国际市场潜力巨大。但是传统饮水机存在着反复加热、留有水垢、热胆的不锈钢材质可能产生硝酸盐、高耗能、噪音和干烧等问题。有桶饮水机的这几项缺陷已经成了饮水机行业再向前发展的瓶颈。虽然现在传统饮水机上加人工智能节能技术已经成熟，但是这种技术成本高，并且也没有改变传统饮水机的其他缺点。
目前人们对水的质量要求越来越高，催生出的饮水机种类也越来越多的，它们的功能也齐全。最普及的饮水机都带有温度控制系统，能满足最基本的要求。高端点的饮水机带有自动控制的功能，显示功能。人工智能的饮水机已经成为当今市场的畅销产品。不仅如此，饮水机还应该带有杀菌消毒的功能。同时环保观念也应该在饮水机上体现，要节水，不浪费水资源，加热时最大化的利用电量，不让电作无用功。
1.2 国内外的研究进展
随着微电子技术的告诉发展，单片机在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，单片机以体积小、功能全、性价比高等诸多优点，在工业控制、家用电器、通信设备、信息处理、尖端武器等各种测控领域的应用中独占鳌角，单片机开发技术以成为电机信息、电气、自动化、通信、机电一体化的学生、相关专业技术人员必须掌握的技术。
最普及的饮水机的组成部分有三个分别是主机，水桶和出水龙头。有些饮水机采用反渗透膜，它过滤后的水虽然能直接饮用，但它的出水量很小，想要正常饮水就必须将过滤后的水储存在水桶内。长时间的置放，微生物可能在橡胶胆内繁殖，危害健康。还可能有少许的橡胶味。而无桶纯水机的出现正好解决了有桶机纯水机的弊端。
由于纯水机用反渗透离子膜（RO）过滤纯水，由于该膜滤过效率受温度影响很大，造成冬天RO出水变小，但是又不能采用贮水方式，以免长期不用的存水变质，造成二次污染，所以必须对进水及RO膜部分恒温控制，使出水量恒定，维持不管什么季节全天候都有正常标称的出水量。
本课题要求以单片机为核心设计一个无桶纯水机供水量恒定控制系统，来达到：
1对RO壳进行恒温控制(采用滤过效率最高能耗又最小的温度点）
2对进水进行即热式加热，使进水也保持在最佳温度点上。
采用监视RO外壳温度，与控制最佳温度点比较来加热包绕RO壳上的电热组件，达到恒温的目的。同样测进水温度，进水量以及出水温度。通过PID计算，来恒温控制出水。加热采用调功方式进行，干扰小，效率高。
1.3 本文的主要工作和内容安排
基于整个无桶纯水机的发展情况，本设计主要进行如下方面的设计。用单片机作为主控芯片，通过接受水泵开启信号触发加热系统的开启。加热功率的大小由流量、设定水温、和出水口水温组成的闭环系统决定。RO外膜上的温度始终处于检测、加热状态使其温度达到预定值来保证固定的出水量。
本论文对无桶纯水机的进行设计，从无桶纯水机的选题、硬件介绍及设计到软件设计都作了详细的分析，确定系统控制的总体设计。
本篇论文可分为5章。第一章节讲述了课题的背景、发展等。第二章节是实现方案的论证，对提出的方案进行对比，择优。第三章节是论文核心，介绍了单片机和具体的硬件电路。第四章节有关于软件的设计、编写及调试。第五章节是具体的实现，对整个系统的调试。
2设计方案论证
2.1模拟电路控制
此方案采用模拟电路控制。温度采集器将温度信号转换为电信号后通过放大器放大信号。比较器在之前设定好电压值，与输入的电信号比较。当输入信号大于设定值时，输出低电平。当信号小于设定值时输出高电平，经信号放大后控制固态继电器使其动作，使加热装置工作。水泵信号经放大后直接控制固态继电器来控制出水。这套方案对硬件的性能有着很高的要求，只要有一部分不工作，结果就不能实现。各器件之间也有可能互相干扰，要采取一定的抗扰措施。但是它容易实现，少了软件上的编程，同时又有功能上的单一，不易作改动。其方案如图2-1所示。
图2-1一位式模拟控制图
2.2单片机控制
这套方案加入了单片机控制。与上面提到的方案相比，这套方案可以拓展按键、显示等模块更加的人性化，更加的智能。经过放大的温度信号经过AD转换后直接输入单片机，单片机。单片机内部进行数据的处理的同时在接收着开关量的数据。分别控制加热部分的驱动电路和水泵的驱动电路，来出水。其方案如图2-2所示。
图2-2单片机控制图
2.3基于单片机PID控制
这套方案采集经过处理的温度与开关信号，输入单片机后经过PID软件的计算决定加热功率，驱动电路控制加热装置使温度达到要求，同时出水部分的电路也由单片机控制。此方案采用PID控制PWM波形，能使驱动电路更加的有效率的工作，同时也保障了驱动电路的安全性，更加的有序。PID是用偏差来控制偏差，能使结果更加的准确，性能可靠。其方案如图2-3所示。
图2-3基于单片机PID控制图
2.4方案总结
根据设计的具体要求以及上述方案的比较作出了控制图，如图2-4所示。
图2-4改进后的设计图
1.本系统先测进、出水口的温度以及进水的流量从而通过PID计算出水箱所需的温度，控制电路控制加热丝1加热，是即热式加热，基本结构是加热丝在流动水管中高功率加热，水从进水口流入，流经加热部分从出水口出来就达到所需温度的热水了。先设定RO外膜的温度，看是否达到设定值来控制加热丝2是否加热。PIC单片机通过采集各个信号如水泵是否开始工作、各个传感器的数据等信号来达到持续加热，持续出水的目的[8]。
2.加热丝1加热采用过零触发的方式，实际上就相当于一个用于交流电路中的“电子开关”，这个电子开关的“接通”动作是在交流电流过“0”点完成的。这样的电路，对用电负荷不会造成“电流冲击”。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4141.html
