基于PID算法的速热式饮水机控制器设计

摘要：设计了一种新型的数字式智能速热饮水机控制系统。针对目前市场上的速热式饮水机存在的温度控制问题和干烧现象，设计基于STC1 5F204单片机的温控系统，以水箱水温、出水水温、电源电压和水流量为反馈量的PID控制，结合外围控制电路，实现对饮用水的快速加热和水温的控制。重点介绍了控制器硬件电路的设计和工作原理以及程序的结构和实现。

0 引言

速热式饮水机能在瞬间(3—8秒)把从饮水机里所出的饮用水烧开，即出即开即饮，较传统的饮水机而言，大大提高了简约性，由于所需加热时间短，因此更节能更省电。速热式饮水机控制器主要由水温检测电路、加热元件、水温控制电路组成，目前市场上销售的速热式饮水机一般采用分档控制电机转速调节加热，使用的是开环控制系统，通过恒定电机的功率控制水温，此种加热方式出水温度容易受水压以及室温的影响。某些速热式饮水机为了达到稳定的水温输出效果，采用了一种简单的闭环控制系统，通过温度传感器对水温进行监控，以简单的PID调节反馈控制出水温度，此控制系统较开环控制系统对水温的稳定控制效果有所改善，但对于温差比较大的环境下，出水温度仍存在较大误差。对此，本文对PID闭环控制系统进行改进，通过分析温度控制过程，设计了一种包括水箱水温、热水水温、电源电压和水流量作为反馈量的PID控制系统，并基于STC15F204单片机搭建了硬件电路。

1 控制系统设计原理及分析

针对控制系统对加热后的水温的控制受加热前水温、水压、水流量以及电源电压的影响，本文设计的闭环控制系统以出水温度为反馈量，以水箱水温、电源电压和水流量为前馈量，减小上述外界的干扰因素的影响。本文的控制系统原理如图1所示。

2 硬件电路设计

速热式饮水机控制器选用STC15F204单片机作为处理器，该单片机由宏晶公司设计生产，是一款以51为内核的8位高速低耗8051单片机，拥有8路高速10位A/D转换，大大简化了本控制器硬件电路的设计。硬件电路包括功率电路、显示电路、数据采集电路、键盘电路和加热控制电路。

2.1 功率电路

功率电路用于给控制电路提供电源，STC15F204芯片电源电压为5V直流电压，本文采用整流桥电路较220V交流电转换为直流电压，用AP8022开关电源控制器，将220V电压转换为5V电压，功率电路图如图2所示。

2.2 数据采集电路

数据采集电路包括对水温、电压和水流量的数据采集。温度采集通过热敏电阻与分压电阻串联，接入单片机接口，由于STC15F204单片机拥有高速A/D转换接口，单片机可直接进行A/D转换，因此无需再设A/D转换电路。热敏电阻的阻值与温度值的关系函数应用最下二乘法求得，因此水箱温度和加热后水温的数值直接根据热敏电阻采样值求出。电压采集电路为二极管半波整流电路，通过电阻分压和电容滤波直接采集得到。水流量采集电路通过采集涡轮式流量计的转速求得。如图3所示，左图为温度采集电路，右图为电压采集电路。

2.3 显示电路和键盘电路

为方便用户对速热式饮水器的使用，本文设计了控制器的显示电路，显示电路主要由LED数码管和LED灯组成，两对LED数码管用于显示用户的目标温度和实际的出水温度，LED灯用于指示电源、儿童锁、警报等信号。

为简化硬件电路，本设计的键盘电路的四个按键共用一个单片机接口，四个按键通过串联不同阻值的电阻共同接于单片机A/D接口，单片机A/D通过检测不同电压值判断按下的按键。

2.4 加热控制电路

加热控制电路由继电器、直流电机、三极管开关电路等组成，继电器控制加热板电热膜的开关，三极管开关电路与单片机接口相连，通过单片机输出不同频率的脉冲信号控制直流电机的转速，从而控制水箱中的饮用水进入加热板电热膜的水流量，进而控制出水温度。加热控制电路原理图如图4所示。

3 温度控制算法实现

温度控制算法程序主要包括主程序和中断控制程序，其中主程序包括数据采集子程序、LED显示子程序、按键程序、PID控制子程序等。数据采集子程序主要对水温、电压和水流量进行采集;LED显示子程序负责在LED数码管和LED等上显示当前的水温、目标水温、加热状态、出水量和报警信号;按键程序的四个按键包括电源开关、温度选择、儿童锁和出水按键;PID控制子程序负责调节电机的转速，保持温度稳定在用户的设定值。温度控制流程图如图5所示。

温度控制依据所采集的实际水温和目标温度之差来调节电机的转速，从而控制饮用水流经加热板的速度、调节出水温度。温度控制系统的核心是PID控制，如图所示，控制系统通过采集出水温度与目标温度值进行比较，然后依据入水温度、水流量和电源电压值进行比例积分微分运算。这里被控对象传递函数为

，去目标温度为50℃，T=50，τ=0.3，经计算，增益系数K=8，比例参数kp=5，积分参数ki=0.1，微分参数kd=2;为了验证系统的可行性，在MATLAB/Simulink软件中进行仿真实验，其中，闭环控制环节可以用一阶滞后环节来近似代替，如图6所示为仿真框图，得到如图7所示的仿真结果，图7中图a)为目前市场上所用的控制器的仿真结果，图b)为基于本文所设计的PID算法的控制器。