单片机家用太阳能加热控温沐浴系统.doc

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：基于msp430的家用太阳能加热控温沐浴系统
摘要〔中英文〕
针对现在的太阳能加热，我们的系统分为三局部：信号输入局部，加热控制控制局部以及电机控制出水温度局部。信号输入局部我们采用便于现场控制的键盘输入和便于用户控制的红外输入，加热局部采用的是温度和容量可调的加热系统，而电机控制采用的是开展较为成熟的PID控制以及定位准确的步进电机控制。三个系统相互联系，总体上到达淋浴控温和加热目的。

The water heating bath system is designed based on the solar energy water heating The system can be divided 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 stably temperature controlling in water outlet ， we use PID method in running stepping motor 。
1. 引言
简述系统设计的背景、目的、和所要解决的问题。

随着进入节能时代，较好地利用各种的再生资源是我们设计产品的一个重要因素。太阳能，作为最容易获得的能量，渐渐开场成为各种绿色能源的首选。基于这个立场，我们基于太阳能加热的方案来设计出水温度的系统，利用电机控制冷水和热水的混合来到达控制出水温度的目的。再那么考虑到晚上太阳能水箱热能散失导致温度下降热水供应缺乏的问题，我们可以需要给予系统加热的功能，解决晚上用户舒适洗澡的问题。
在用户使用这个模块，考虑到用户在使用的时候因为浴室的原因，用液晶显示可能模糊，所以我们选用的是数码管显示输出。为了便于用户的操作使用，我们采用红外控制，同时作

系统的总体构造思想是：用户可以在任意时候设定需要的目标值，例如水位，热水箱的温度，以及出水时候的温度。而对于系统，我们的做法是：水位超过的时候不给予进水，低于最低水位的时候为了保护系统必须关闭出水强行进水同时关闭加热控制。加热控制和水位控制并行操作，可以为用户节约时间。在超低水位时进展过热保护等措施。

为了让洗澡时候的供水温度稳定，只有水位和热水温度到了设定的参数才准许用户开水洗澡。

在出水控制这一模块，为了更好地获得稳定快速的输出，我们会采用现在较为成熟的PID算法对在出水控制这一块电机输出进展控制。

最后，为了方便用户控制，我们同时采用红外和按钮键盘的方式给系统设定参数。用红外的方式可以更好的让用户进展控制。而按钮键盘那么为了更容易对系统进展调试以及在应急情况下对系统进展控制。

2. 系统硬件设计
以下是对系统的各个子系统的硬件设计进展简要说明：

水位控制模块：

水位控制框图：

用户设定参数

水位检测

水位超出?

Y

关闭热水阀

N
超低水位?

N
进水

水位控制模块思想比拟简单，只关心水位是否到达设定要求。没有的时候就进水，有的时候就停顿进水，节省用水。

设计这一块的时候为了防止因为水位过低而引起的热水箱损坏，设计时候我们设计了超低水位，用来对水箱进展保护。当水位过低的时候，强行关闭热水阀，没有热水供出。同时加水，烧水，到了平安情况的时候才可以继续正常使用。

热水加热模块：

加热模块框图：

用户参数设定

热水水温检测

N

水温比拟低？
(要快速加热吗)

Y N

水温小于设
定水温？

快速加热模式

Y

慢速加热模式

加热模块设计思想是：为了可以快速地到达设定的水温同时可以稳定的控制水温，我们设定两种加热模式：快速加热模式和慢速加热模式。假设那个温度点我们设在设定温度的70%那里，那么在设定温度的70%以下的时候，我们把加热模式设置为快速加热模式；在超过的时候，我们设置在慢速加热模式。当温度小于设定温度，那么用慢速加热。

淋浴供水输出模块框图：

需要淋浴出而且情况正常？

冷水水阀关闭

N

Y
冷水水阀翻开

计算温度偏差(实际出水温度-目标出水温度)

PID计算输出电压

电压驱动输出

电机控制的主要思想是：首先判断是否用户是否需要淋浴且机器情况正常。机器不正常或者用户不需要都会关闭冷水阀，制止冷水流出。符合条件之后，电机控制冷水的进出来控制输出的水温。

用这种方法的好处是当用户不需要进水的时候或者出现突发情况时候，系统可以很及时地做出相应，而且电机的寿命可以得到延长。同时，鉴于市面上的水阀控制，采用PID算法来控制可以得到更加平稳的调温效果和比拟快捷的目标时间。

PID控制模块：

采用位置式的PID算法，控制系统如下：

设定出水温度
+
淋浴水温输出 -

PID控制算法

D/A

电机调节

温水输出

用户输入模块：

用户输入模块框图：

用户参数设定
〔第一次是标准值〕

红外扫描中断输入

键盘扫描中断输入

用户输入模块分为红外和键盘两局部。都采用中断的方式，可以及时对单片机部的参数赋值，然后让系统按照新的参数进展调节。
漏电保护模块：

如下列图所示：作为一个沐浴系统所必需的平安保护系统中最重要的漏电保护系统。
一旦出现漏电现象，立即关闭所有工作〔软件控制〕并切断电源〔硬件电路控制〕。

3. 系统软件设计
详细介绍算法设计与算法流程图〔不得大量复制源代码〕

系统软件的设计上，在主程序开场之前，是参数的设定，有目标热水温度(aim_hot_temp)，目标出水温度(aim_temp)，目标水位设置(aim_water_level), 用户是否使用(use)。

主程序开场局部是对各个端口的设定，以及关闭watch dog，开启各个中断模块的标识。
对单片机的资源分配如下：

P1.0~P1.6 键盘输入
P1.7 红外输入
P2.0~P2.3 水位检测
P3.0，P3.1 数码管显示
P4.0 DAC步进电机电机电压控制输出
P4.1 步进电机电机转向控制输出
P4.2 冷水紧热水箱阀门
P4.3 淋浴热水放出阀门
P4.4 淋浴冷水放出阀门
P5.3 P5.4 热水加热模块(低速高速)
P6.0 P6.1 接ds18b20温度检测模块接收温度

以下是主程序的while〔1〕模块：

while(1)
{
int Time = 40; //延时局部

{ 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
}
elseif( P2IN & 0xf0 == 0x80 )
{
water_level = 3;//3是二人水位
}
elseif( P2IN & 0xf0 == 0x00 )
{
water_level = 4;
}

else water_level = 8;//(异常处理)

now_temp = Do1Convert();//Do1Convert()是ds18b20 检测出水水温的传递函数

vel -=1;
use = 0;
}

if(water_level >= aim_water_level ) //p42 = 1 是冷水阀门开 否那么关闭 p43 = 1是热水阀开,否那么关闭
{
P4OUT &= ~BIT2;
P4OUT |= BIT3;
}
else
{
P4OUT |= BIT2;
P4OUT &= ~BIT3;
}

else
{
P5OUT &= 0xf3;
}

if(hot_temp > aim_hot_temp - 3) //当热水温度低于目标热水温度3摄氏度的时候可以淋浴
{ P4OUT |= BIT3;
P4OUT |= BIT4;
if(P4OUT & 0x04 == 0x04)//如果热水阀开了 控制电机
{
temp_distant = PID_Caculate(aim_temp - now_temp);
temp_distant );
}
}
else
{

延时程序

以下是while〔1〕的流程图：

检测参数(当前水箱水温,出水水温,水位)

用户正在使用
use=1?

目标水位-=1
use = 0

Y

水位到了吗?

翻开相应
阀门进水

N

N

Y
水箱温度符合要求吗?

N

Y
电机控制调节出水温度

电机控制的局部我们采用PID算法。PID算法的控制如下：

PID控制算法框图如下：

温度误差

误差记录队列

比例放大 P

积分环节

微分环节

限幅环节

限幅环节

输入

+
+ +

输出结果

输出

输出结果会直接反应到DAC环节里里面，用电压开控制步进电机驱动来到达控制步进电机的目的。为了防止在水温变化环境异常，比方热水箱收到破坏而造成温度骤降，以及让温度控制系统调节的时候超调量幅值较小，在这个环节里面，我们在积分环节和输出环节都采用限幅环节。有限幅环节的PID算法会更加平稳，平安性更高，在工业现场的应用也相对广泛。

PID算法代码如下：

int PID_Caculate(int Error)
{ int i;
float OutPut;
if(FirstFlag) //判断第一次上电
{
FirstFlag=0;//以后再也不执行
for(i=0;i<10;i++) Prev_Error[i]=Error;
al+=Error;
if ((Integral<0)&&(Error>0)) Integral+=Error; //两种有助于控制的情况例外
}
else//较小偏差时才启动积分
{
Integral+=Error;
}

if(Integral<-Set_Integral) Integral = -Set_Integral ;//积分限幅
if(Integral> Set_Integral) Integral = Set_Integral;

if(OutPut>Set_Output)
OutPut=Set_Output;
elseif (OutPut<-Set_Output)
OutPut=-Set_Output; //输出限幅，Set_Output表示的是输出的幅值
return (OutPut);
}
中断局部模块设计：

中断局部主要包括两个局部：控制信号输入中断、水位过低信号中断以及漏电保护系统。控制信号中断每次修改参数的时候都会引发中断，待用户设定好参数之后恢复现场继续主程序。而水位过低信号中断那么是当水位过低的时候引发中断，系统进展保护措施，控制确保现场平安，水位平安中断完毕，系统继续运行。

中断模块流程图如下：

P1中断源触发?

N

键盘有输入?
Y

Y

N
红外有输入?

N

Y

用户参数设定
恢复现场

P2中断模块流程图：

P2中断源触发?

N

Y
关闭热水阀
水箱注水

恢复现场

4. 系统创新
对于我们的系统，在整体上说考虑到的因素比拟多。例如水位的控制，平安的控制，以及一些节能的思想。我们采用电压控制步进电机，利用430有的资源DAC资源，可以得到精度为1/256甚至更高的精度。与此同时，我们采用PID算法，让水温的控制的速度更敏捷，而且更稳定。系统的创新性，更多会表达在系统总体的节能，平安和控制的快捷和准确方面。作为一个纯粹的智能家用淋浴系统，在节能上、功能上、平安保护上是一个不错的选择。
5. 评测与结论
采用proteus软件进展软件仿真，是可行的。但是在硬件上面，由于在热水阀模块上，水阀采用的是螺丝丝锥进展的传动，水管接口性要求比拟高，出现的问题比拟严重。垫圈的选择及其重要。第二个问题是，在电动机负载与实际力矩之间出现的误差比拟大，与matlab软件仿真以及pro/e仿真的结果误差比拟大，完全延误了产品的最后设计。

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