电热恒温水壶设计报告
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2009年格州电子杯电子设计竞赛作品设计报告
广西职业技术学院
题 目 电热恒温水壶
学生姓名 农承际、黄明隆、麦锦钊
专 业 应用电子技术
指导老师 李显圣、韦忠善
二00九年七月二十号
电热恒温水壶设计报告
前言 2 电热恒温水壶是一种自动控制温度电热器。随着社会的进步，人们对生活中用电器的性能有了更高的要求。而以往的电热恒温水壶保温的效果不是很理想，温度偏差太大。为了使电热器的加热后，保温效果更好。因此我们采用本电路的设计。本电路采用STC89C58微控芯片，通过软件实时检测采用PID调节法控制加热和保温，并通过数码管来显示保温的温度值。本电路由STC89C58最小系统、18B20温度采集、键盘系统、数码管显示、电热器组成。温度采集器通过实时监控温度的变化。
一、 系统组成原理
本电路硬件采用STC89C58微控制芯片为核心。结合外围电路单片机的最小系统、温度采集电路、数码显示电路、键盘电路等组成一个完整的控制系统。
电热恒温水壶控制总框图
二、 方案的设计与论证
本电路要求加热到80度后进入保温。因此，需要解决的问题是对温度进行实时采集和控制加热时间。
温度采集方案
方案一：采用热敏电阻。热敏电阻是一种随温度变化阻值随之变化的器件。当温度变化时热敏电阻的阻值，电阻两端产生的电压也随之变化。通过比较器设置的电压进行比较 ，对电压的变化来判断温度的变化。从而可以控制加热的时间。采用热敏电阻时，比较电路需要很精确的设计，且对电路要求跟高。
1、 方案二：采用温度芯片18B20进行温度采集。该温度芯片不
需要接外围电路，可以直接接至单片机，通过单片机直接读取 单
片
机 温度采集
键 盘 显 示
电热器控制 3 温度值。这样可以省掉部分电路的设计，同时电路也变得更简
洁，控制更好。
综合上述的方案，我们采用方案二。 方案二电路比较简单合理。
显示方案：
1、 方案一：采用LED显示。LED点阵可以显示多种字符以及图形，可用软件进行调制，有很强的兼容性以及可操作性。但是对于本系统来说其成本比较高。
2、 方案二：采用数码管显示。数码管体积小，又便于单片机控制。本系统需要显示1到9，硬件只需通过控制单片机来直接控制数码管的显示。采用数码管节约I/O口，同时减少成本。
综合上述的方案，我们采用方案二。
键盘设置方案：
1、 采用矩阵式键盘。此类键盘采用行列扫描方式取得按键的键号，在系统软件中，可以先把按键的键号取出，再给按键分配相应的功能，然后再根据设定好的功能进行相应的控制，其优点在于当按键较多时可减少占用单片机的I/O口数目，如果键盘的行数等于列数，则有：按键数 = 行数（或列数）的平方。
2、 采用独立式按键。一个按键单独占用一根I/O口线,此类键盘采用端口直接扫描方式，当有按键被按下时，I/O口的电平就相应被拉底。独立式按键的缺点是当按键较多时占用单片机的I/O口数目很多，如果系统庞大，还需要考虑扩展I/O口，增加成本。优点为电路设计简单，且编程相对简单。本系统只有四个按键功能，所以可以采用独立式按键，这样可以减少电路的复杂性，同时编程也比较简单。
综合上述的方案，我们采用方案二。
输出控制方案:
1、 方案一：采用普通继电器控制电热器加热。通过单片机输出的PWM脉冲来控制继电器的接通和断开。普通继电器性能不是很优越，反映慢。
2、 方案二：采用固态继电器控制电热器加热。通过单片机输出的
PWM脉冲来控制继电器的接通和断开。固态继电器交流端采用无触点接通和断开，性能优越反映快。
综合上述的方案，我们采用方案二。（固态继电器外接方式）
三、 硬件设计 4 通过上述方案的论证，我们最终得出本电路的组成方案。以下是本电路的各个部分的电路组成。
1、按键部分
采用独立式键盘，如下图。
按键名 功能
S2 设定保温温度值，加1度
S3 设定保温温度值，加10度
S4 设定保温温度值，减1度
S5 设定保温温度值，减10度
2、按键功能模块
3、 温度采集电路
温度采集电路的核心采用18B20，18B20采集的温度直接送至单片机进行处理。
5 4、 显示电路
显示部分采用数码管显示方式。数码管用四位一体的共阳数码管。段选直接有单片机控制，位选通过单片机P2口接上9015进行驱动数码管。
四、 软件设计部分
由于温度滞后性，我们主要采用PID控制算法来减，实测温度跟目标温度的误差。
PID控制，即取偏差的比例、积分、微分的组合控制。PID控制是连续系统应用最广、技术最成熟的控制方式之一，特别是在过程控制中，由于控制对象的模型未知或难以建立， 6 用基于现代控制理论的控制方法既不实用又不能达到预期效果，人们常常采用PID调节器。而且随着控制论的发展，在提出的层出不穷的各种算法中，有许多都以PID控制为基础算法。由于PID控制器的结构简单、性能稳定、参数易于调整，对温度控制效果很好。因此我们采用了PID控制算法。
常用的PID算法有位置式算法和增量式算法。位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，容易产生较大的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小。
因此，我们决定在本系统中采用增量式PID算法。
公式为：Yk0 =Yk1+Δyk
=Yk1+P+I+D
=Yk1+Kp * (En0 - En1)+ Ki * En0+ Kd * (En0 -2 *
En1+En2)
上式中：Final_Tem——设定值；Yk0——第k次实际采样值；Yk1——第（k-1）次实际采样值；En2：第（k-2）次温差值；En1：第（k-1）次温差值；En0：第k次温差值； En0 = Final_Tem
- Yk0 ； Kp——比例系数；Ki——积分系数；Kd——微分系数。
PID位置算法中，“饱和”主要由积分项引起，称为“积分饱要克服“积分饱和”，就要限制积分作用，使积分积累不能过大。为为克服“积分饱和”，则采用积分分离法，其控制算式为：
{ > ξ PD运算
|En0 | =|Final_Tem - Yk0|{
{ < 或 = ξ PID运算
PID各参数Kp、Ki和Kd 值将只能通过结合硬件实际在线整定，以得到适合该系统的各项参数值。
主程序流程图
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PID算法流程框图如图 初始化各参数值
检测温度（18B20）
PID运算
改变PWM波形
调用LED程序显示当前温度
检测键盘输入 8 置PID各参数值
En1= En2=0
En0= Final_Tem - Yk0
P= Kp * (En0 – En1)
D= Kd * (En0-2 * En1+En2)
ΔYk =P+I +D
Yk0= Yk1+ΔYk
Yk1= Yk0
En2= En1, En1= En0
返回 I= Ki * En0 I= 0 Y N
温度控制算法流程 |En0|>ε?
积分分离 9 主程序部分
#include
#include
#include "disp.h"
#include "DELAY.H"
#include "DS18B20.H"
#include "PID.H"
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit Pwm_Out=P1^5; //输出端口
sbit Add_Tem_1 = P3^0; //加高设定温度,每按一次加 1℃
sbit Add_Tem_10 = P3^1; //加高设定温度,每按一次加 10℃
sbit Sub_Tem_1 = P3^2; //加高设定温度,每按一次减 1℃
sbit Sub_Tem_10 = P3^3; //加高设定温度,每按一次减 10℃
uint HL=50;//占空比显示单元,初始化为中间值
uint DS=100;//定时中断计数器
void timer0() interrupt 1 //T0定时中断子函数
{
TH0=60; //重置定时初值 ,(65536-50000)/256
TL0=176; //定时4毫秒,(65536-50000)%256
if( HL==DS )//占空比计数器等于定时中断计数器否
Pwm_Out=1; //开通输出
DS--;
if (DS==0)//定时中断计数器为0否
{ Pwm_Out=0;//关断输出
DS=100; //重置初始值 ,跟默认初装值相同 10 }
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
void Break_Ini()//中断初始化程序
{
TMOD=0x01; //T0方式1计时
TH0=(65536-50000)/256;//定时4毫秒
TL0=(65536-50000)%256;
EA=1; //总中断开
ET0=1;//定时器0开
TR0=1;//启动定时器
}
void main()
{
uchar i;
uint T0_Data,T1_Data,te,Final_Tem=8000;
T1_Data=50;
Pwm_Out=1;
PID_Ini();
Break_Ini();
while(1)
{
if(i==0)
{
te=Read_Temperature();
T0_Data = PID_increment(te,Final_Tem);
T1_Data = PID_Action(T0_Data);
if(T1_Data<=0)
{
EA=0;
Pwm_Out=0;
