基于msp430家用太陽(yáng)能加熱控溫沐浴系統(tǒng)

1、論文格式*注意：此為封面格式*2011-2012德州儀器C2000及MCU創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目報(bào)告題 目： 基于msp430的家用太陽(yáng)能加熱控溫沐浴系統(tǒng) 學(xué)校： 西安電子科技大學(xué) 組別： 本科組 應(yīng)用類別： 控制系統(tǒng)類 平臺(tái)： （MSP430或Cortex-M或C2000） 正文和附錄中均不得大段復(fù)制源代碼和原理圖，只允許能充分體現(xiàn)創(chuàng)新方法或關(guān)鍵設(shè)計(jì)的少量源代碼示例和原理圖，濫用源代碼和原理圖的，評(píng)委有權(quán)扣分。正文+附錄盡量控制在20頁(yè)內(nèi)，超過25頁(yè)的部分不會(huì)被閱讀*題 目：基于msp430的家用太陽(yáng)能加熱控溫沐浴系統(tǒng) 摘要（中英文）針對(duì)現(xiàn)在的太陽(yáng)能加熱，我們的系統(tǒng)分為三部分：信號(hào)輸入部分，加熱控

2、制控制部分以及電機(jī)控制出水溫度部分。信號(hào)輸入部分我們采用便于現(xiàn)場(chǎng)控制的鍵盤輸入和便于用戶控制的紅外輸入，加熱部分采用的是溫度和容量可調(diào)的加熱系統(tǒng)，而電機(jī)控制采用的是發(fā)展較為成熟的PID控制以及定位準(zhǔn)確的步進(jìn)電機(jī)控制。三個(gè)系統(tǒng)相互聯(lián)系，總體上達(dá)到淋浴控溫和加熱目的。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 preser

3、vation 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 i

4、n running stepping motor 。 1. 引言簡(jiǎn)述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景、目的、和所要解決的問題。隨著進(jìn)入節(jié)能時(shí)代，較好地利用各種的再生資源是我們?cè)O(shè)計(jì)產(chǎn)品的一個(gè)重要因素。太陽(yáng)能，作為最容易獲得的能量，漸漸開始成為各種綠色能源的首選。基于這個(gè)立場(chǎng)，我們基于太陽(yáng)能加熱的方案來(lái)設(shè)計(jì)出水溫度的系統(tǒng)，利用電機(jī)控制冷水和熱水的混合來(lái)達(dá)到控制出水溫度的目的。再則考慮到晚上太陽(yáng)能水箱熱能散失導(dǎo)致溫度下降熱水供給不足的問題，我們可以需要給予系統(tǒng)加熱的功能，解決晚上用戶舒適洗澡的問題。在用戶使用這個(gè)模塊，考慮到用戶在使用的時(shí)候因?yàn)樵∈业脑颍靡壕э@示可能模糊，所以我們選用的是數(shù)碼管顯示輸出。為了便于用

5、戶的操作使用，我們采用紅外控制，同時(shí)作為硬件調(diào)試和用戶必要時(shí)的使用，我們?cè)黾佑面I盤對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接的控制值設(shè)置模塊。考慮到現(xiàn)在的家庭一般都是3人家庭，在水位的設(shè)置上面，我們讓用戶可以對(duì)水位進(jìn)行設(shè)定，分別是超低水位，一人，二人和三人水位。這樣既可以節(jié)約到加熱的時(shí)間，同時(shí)也可以節(jié)約到在晚上的時(shí)候熱水洗澡而需要的加熱熱水的電費(fèi)。至于電機(jī)控制模塊，為了達(dá)到快，準(zhǔn)，穩(wěn)的要求，我們采用了現(xiàn)在比較成熟度 PID模塊來(lái)解決電機(jī)控制。我們利用msp43016x系列內(nèi)部的DAC模塊，用利用數(shù)字PID方法算出輸出電壓，對(duì)步進(jìn)電機(jī)來(lái)進(jìn)行速度和方向的控制。從而達(dá)到了用戶出水水溫的快，準(zhǔn)，穩(wěn)。2. 系統(tǒng)方案 系統(tǒng)總框圖：用

6、戶設(shè)定加熱控制水位控制出水控制 系統(tǒng)的總體構(gòu)造思想是：用戶可以在任意時(shí)候設(shè)定需要的目標(biāo)值，例如水位，熱水箱的溫度，以及出水時(shí)候的溫度。而對(duì)于系統(tǒng)，我們的做法是：水位超過的時(shí)候不給予進(jìn)水，低于最低水位的時(shí)候?yàn)榱吮Ｗo(hù)系統(tǒng)必須關(guān)閉出水強(qiáng)行進(jìn)水同時(shí)關(guān)閉加熱控制。加熱控制和水位控制并行操作，可以為用戶節(jié)約時(shí)間。在超低水位時(shí)進(jìn)行過熱保護(hù)等措施。為了讓洗澡時(shí)候的供水溫度穩(wěn)定，只有水位和熱水溫度到了設(shè)定的參數(shù)才準(zhǔn)許用戶開水洗澡。在出水控制這一模塊，為了更好地獲得穩(wěn)定快速的輸出，我們會(huì)采用現(xiàn)在較為成熟的PID算法對(duì)在出水控制這一塊電機(jī)輸出進(jìn)行控制。最后，為了方便用戶控制，我們同時(shí)采用紅外和按鈕鍵盤的方式給系統(tǒng)設(shè)

7、定參數(shù)。用紅外的方式可以更好的讓用戶進(jìn)行控制。而按鈕鍵盤則為了更容易對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試以及在應(yīng)急情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以下是對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明：水位控制模塊：水位控制框圖：用戶設(shè)定參數(shù)水位檢測(cè)水位超出? Y 關(guān)閉熱水閥 N超低水位? N進(jìn)水水位控制模塊思想比較簡(jiǎn)單，只關(guān)心水位是否達(dá)到設(shè)定要求。沒有的時(shí)候就進(jìn)水，有的時(shí)候就停止進(jìn)水，節(jié)省用水。設(shè)計(jì)這一塊的時(shí)候?yàn)榱朔乐挂驗(yàn)樗贿^低而引起的熱水箱損壞，設(shè)計(jì)時(shí)候我們?cè)O(shè)計(jì)了超低水位，用來(lái)對(duì)水箱進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)水位過低的時(shí)候，強(qiáng)行關(guān)閉熱水閥，沒有熱水供出。同時(shí)加水，燒水，到了安全情況的時(shí)候才可以繼續(xù)正常使用。熱水加熱模塊：加

8、熱模塊框圖：用戶參數(shù)設(shè)定熱水水溫檢測(cè) N水溫比較低？(要快速加熱嗎) Y N水溫小于設(shè) 定水溫？快速加熱模式 Y 慢速加熱模式加熱模塊設(shè)計(jì)思想是：為了可以快速地達(dá)到設(shè)定的水溫同時(shí)可以穩(wěn)定的控制水溫，我們?cè)O(shè)定兩種加熱模式：快速加熱模式和慢速加熱模式。假設(shè)那個(gè)溫度點(diǎn)我們?cè)O(shè)在設(shè)定溫度的70%那里，那么在設(shè)定溫度的70%以下的時(shí)候，我們把加熱模式設(shè)置為快速加熱模式；在超過的時(shí)候，我們?cè)O(shè)置在慢速加熱模式。當(dāng)溫度小于設(shè)定溫度，則用慢速加熱。淋浴供水輸出模塊框圖：需要淋浴出而且情況正常？ 冷水水閥關(guān)閉 N Y冷水水閥打開計(jì)算溫度偏差(實(shí)際出水溫度-目標(biāo)出水溫度)PID計(jì)算輸出電壓 電壓驅(qū)動(dòng)輸出 電機(jī)控制的主

9、要思想是：首先判斷是否用戶是否需要淋浴且機(jī)器情況正常。機(jī)器不正?；蛘哂脩舨恍枰紩?huì)關(guān)閉冷水閥，禁止冷水流出。符合條件之后，電機(jī)控制冷水的進(jìn)出來(lái)控制輸出的水溫。用這種方法的好處是當(dāng)用戶不需要進(jìn)水的時(shí)候或者出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)候，系統(tǒng)可以很及時(shí)地做出相應(yīng)，而且電機(jī)的壽命可以得到延長(zhǎng)。同時(shí)，鑒于市面上的水閥控制，采用PID算法來(lái)控制可以得到更加平穩(wěn)的調(diào)溫效果和比較快捷的目標(biāo)時(shí)間。PID控制模塊：采用位置式的PID算法，控制系統(tǒng)如下： 設(shè)定出水溫度 + 淋浴水溫輸出 - PID控制算法D/A 電機(jī)調(diào)節(jié)溫水輸出用戶輸入模塊：用戶輸入模塊框圖： 用戶參數(shù)設(shè)定（第一次是標(biāo)準(zhǔn)值） 紅外掃描中斷輸入鍵盤掃描中斷輸入用

10、戶輸入模塊分為紅外和鍵盤兩部分。都采用中斷的方式，可以及時(shí)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的參數(shù)賦值，然后讓系統(tǒng)按照新的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。漏電保護(hù)模塊：如下圖所示：作為一個(gè)沐浴系統(tǒng)所必需的安全保護(hù)系統(tǒng)中最重要的漏電保護(hù)系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，立即關(guān)閉所有工作（軟件控制）并切斷電源（硬件電路控制）。4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹算法設(shè)計(jì)與算法流程圖（不得大量復(fù)制源代碼）系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)上，在主程序開始之前，是參數(shù)的設(shè)定，有目標(biāo)熱水溫度(aim_hot_temp)，目標(biāo)出水溫度(aim_temp)，目標(biāo)水位設(shè)置(aim_water_level), 用戶是否使用(use)。主程序開始部分是對(duì)各個(gè)端口的設(shè)定，以及關(guān)閉watch d

11、og，開啟各個(gè)中斷模塊的標(biāo)識(shí)。對(duì)單片機(jī)的資源分配如下：P1.0P1.6 鍵盤輸入 P1.7 紅外輸入P2.0P2.3 水位檢測(cè)P3.0，P3.1 數(shù)碼管顯示P4.0 DAC步進(jìn)電機(jī)電機(jī)電壓控制輸出P4.1 步進(jìn)電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制輸出P4.2 冷水緊熱水箱閥門P4.3 淋浴熱水放出閥門P4.4 淋浴冷水放出閥門P5.3 P5.4 熱水加熱模塊(低速高速)P6.0 P6.1 接ds18b20溫度檢測(cè)模塊接收溫度以下是主程序的while（1）模塊：while(1) int Time = 40; /延時(shí)部分 int i; for(;Time!=0;Time-) for(i=0;i<123;i+);

12、 if( P2IN & 0xf0 = 0xf0) water_level = 0;/這里是水位監(jiān)測(cè)部分。高八位=1111時(shí)候是超低水位 else if( P2IN & 0xf0 = 0xe0 ) water_level = 1;/1是低水位 else if( P2IN & 0xf0 = 0xc0 ) water_level = 2;/2是一人水位 else if( P2IN & 0xf0 = 0x80 ) water_level = 3;/3是二人水位 else if( P2IN & 0xf0 = 0x00 ) water_level = 4; else

13、 water_level = 8;/(異常處理) now_temp = Do1Convert();/Do1Convert()是ds18b20 檢測(cè)出水水溫的傳遞函數(shù) hot_temp = Do2Convert();/Do2Convert()是ds18b20 檢測(cè)水箱熱水水溫的傳遞函數(shù) initdisplay(); /對(duì)顯示模塊初始 display( now_temp ); /顯示現(xiàn)在的出水溫度 if (use) aim_water_level -=1;use = 0; if(water_level >= aim_water_level ) /p42 = 1 是冷水閥門開 否則關(guān)閉 p43

14、 = 1是熱水閥開,否則關(guān)閉 P4OUT &= BIT2; P4OUT |= BIT3; else P4OUT |= BIT2; P4OUT &= BIT3; if(hot_temp <= 0.7 * aim_hot_temp)/加熱判斷,符合上述框圖的條件就開啟或者關(guān)閉熱水加熱. P5OUT |= 0x0c; else if(hot_temp < aim_hot_temp) P5OUT |= 0x04; /p53=1 P5OUT &= 0xf7; /p54=0 else P5OUT &= 0xf3; if(hot_temp > aim_hot

15、_temp - 3) /當(dāng)熱水溫度低于目標(biāo)熱水溫度3攝氏度的時(shí)候可以淋浴 P4OUT |= BIT3; P4OUT |= BIT4; if(P4OUT & 0x04 = 0x04)/如果熱水閥開了 控制電機(jī) temp_distant = PID_Caculate(aim_temp - now_temp); if(temp_distant >= 0 )/電機(jī)部分 P4OUT |= 0x02;/正向 DAC12_Set0( (int)temp_distant ); /電壓控制轉(zhuǎn)動(dòng),下面亦然 else P4OUT &= 0xfd;/反方向 DAC12_Set0( (int)-t

16、emp_distant ); else P4OUT &= BIT3; P4OUT &= BIT4; 延時(shí)程序以下是while（1）的流程圖：檢測(cè)參數(shù)(當(dāng)前水箱水溫,出水水溫,水位)用戶正在使用use=1?目標(biāo)水位-=1use = 0 Y 水位到了嗎?打開相應(yīng)閥門進(jìn)水 N N Y水箱溫度符合要求嗎? N Y電機(jī)控制調(diào)節(jié)出水溫度 電機(jī)控制的部分我們采用PID算法。PID算法的控制如下：PID控制算法框圖如下： 溫度誤差誤差記錄隊(duì)列 比例放大 P 積分環(huán)節(jié) 微分環(huán)節(jié) 限幅環(huán)節(jié) 限幅環(huán)節(jié) 輸入 + + + 輸出結(jié)果 輸出輸出結(jié)果會(huì)直接反饋到DAC環(huán)節(jié)里里面，用電壓開控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)達(dá)

17、到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。為了防止在水溫變化環(huán)境異常，比如熱水箱收到破壞而造成溫度驟降，以及讓溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的時(shí)候超調(diào)量幅值較小，在這個(gè)環(huán)節(jié)里面，我們?cè)诜e分環(huán)節(jié)和輸出環(huán)節(jié)都采用限幅環(huán)節(jié)。有限幅環(huán)節(jié)的PID算法會(huì)更加平穩(wěn)，安全性更高，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用也相對(duì)廣泛。PID算法代碼如下：int PID_Caculate(int Error) int i; float OutPut; if(FirstFlag) /判斷第一次上電 FirstFlag=0;/以后再也不執(zhí)行 for(i=0;i<10;i+) Prev_Errori=Error; /上電第一次測(cè)量時(shí)填滿隊(duì)列，以免微分計(jì)算錯(cuò)誤 for(i=

18、0;i<9;i+) Prev_Errori+1=Prev_Errori; /FIFO隊(duì)列 Prev_Error0=Error; /記錄前10次 Ek=Error-Prev_ErrorDiff_Order; /相鄰N個(gè)數(shù)取差分Delta E=Ek; P=P_Coefficient*Error; /計(jì)算比例分量 I=I_Coefficient*Integral; /計(jì)算積分分量 /D=D_Coefficient*(Error-Prev_ErrorDiff_Order); /計(jì)算微分分量(傳統(tǒng)算法) D=D_Coefficient*E; /計(jì)算微分分量 (帶一階低通的微分) OutPut=P+

19、I+D; if(OutPut>2700)|(Error>300)|(Error<-300) /飽和或偏差大不積分(效果不太好) if (Integral>0)&&(Error<0) Integral+=Error; if (Integral<0)&&(Error>0) Integral+=Error; /兩種有助于控制的情況例外 else /較小偏差時(shí)才啟動(dòng)積分 Integral+=Error; if(Integral<-Set_Integral) Integral = -Set_Integral ; /積分限幅

20、if(Integral> Set_Integral) Integral = Set_Integral; if(OutPut>Set_Output) OutPut=Set_Output; else if (OutPut<-Set_Output) OutPut=-Set_Output; /輸出限幅，Set_Output表示的是輸出的幅值 return (OutPut);中斷部分模塊設(shè)計(jì)：中斷部分主要包括兩個(gè)部分：控制信號(hào)輸入中斷、水位過低信號(hào)中斷以及漏電保護(hù)系統(tǒng)。控制信號(hào)中斷每次修改參數(shù)的時(shí)候都會(huì)引發(fā)中斷，待用戶設(shè)定好參數(shù)之后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)主程序。而水位過低信號(hào)中斷則是當(dāng)水位過低的時(shí)