車載淋浴方艙控制器的研究與設計*

趙建華　吳延賓

(西安工業(yè)大學　西安　710021)

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車載淋浴方艙控制器的研究與設計*

趙建華吳延賓

(西安工業(yè)大學西安710021)

摘要論文提出了一種適合在野外使用的車載淋浴方艙控制器的設計方案,該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對多臺熱水器的控制,克服天氣、時間、地點等環(huán)境因素的影響,滿足大量人群的洗浴要求。該控制器以Cygnal公司的C8051F040單片機為控制核心,采用了溫度、流量、液位等傳感器進行數(shù)據(jù)采集,運用PID算法進行水溫控制,同時還具有溫度信息顯示和報警功能([1])。該控制器在現(xiàn)實生活中具有重要的價值和意義。

關鍵詞淋浴方艙控制器; C8051F040; PID算法

Research and Design for Truck Shower Shelter Controller

ZHAO JianhuaWU Yanbin

(Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractA new way is put forward to design a truck shower shelter controller which is used outdoors. The controller can control many heaters, and it can solve the problems about wheater, time and the place, which satisfies the demand for a large number of people to take a bath outdoors. The controller uses C8051F040 microcontroller produced by Cygnal company as the control core. The control system uses temperature sensors, flow sensors, liquid level sensors for data acquisition, and use PID algorithm to the water temperature control. The controller also has the functions of showing the temperature informations and alarm function. The controller has an important value and significance in real life.

Key Wordsshower shelter controller, C8051F040, PID algorithm

Class NumberTP393

1引言

近些年來我國一些地區(qū)自然災害頻繁發(fā)生給人們的生活帶來了很大影響,洗浴對于處在災區(qū)里邊的人們來說更是一種奢望。隨著社會競爭越來越激烈,人們生活的節(jié)奏增強,許多公司都會定期組織員工到野外進行拓展訓練,在野外生活中,洗浴成了一大難題。

市場上現(xiàn)存的熱水器并不能滿足大量人群在野外的洗浴要求,在綜合分析熱水器的使用環(huán)境和條件的基礎上,提出了一種車載淋浴方艙溫度控制器的設計方案,它能夠?qū)崿F(xiàn)一臺控制器對多臺熱水器的控制,滿足了大量人群在野外生活中的洗浴要求。

2淋浴方艙整體結(jié)構(gòu)介紹

淋浴方艙主要由主控制器、熱水器終端、流水管道、自吸水泵、混合水罐、軟體水罐組成。

主控制器是該系統(tǒng)的控制核心,其主要功能是

1) 混合水罐的水溫、流量和液位信息檢測。

2) 計算出達到設定水溫所需要的熱量。

3) 向熱水器終端發(fā)送指令是否向加熱。

熱水器終端主要是接收主控制器的指令[2],對熱水進行加熱。流水管道是連接各個熱水器和混合水罐的通道?；旌纤迌Υ鏌崴鹘K端的熱水,供人們使用。自吸水泵是用來添加冷水的裝置。軟體水罐用來儲存冷水。

淋浴方艙系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　淋浴方艙整體結(jié)構(gòu)

混合水罐與熱水器之間通過循環(huán)泵連接進行水循環(huán),軟體水罐與混合水罐之間用自吸泵相連接進行冷水的補充。其工作過程為:在循環(huán)泵的作用下,混合水罐里的水在熱水器和混合水罐之間進行循環(huán)流動,溫度傳感器對混合水溫進行檢測。當采集到的混合水溫達到設定的溫度時,熱水器自動關閉,混合水罐處于保溫狀態(tài),熱水可以供人使用。在使用過程中,根據(jù)混合水罐的水位變化,自吸泵自動向混合水罐內(nèi)加水[3]。

其工作過程:

1) 設定所需的洗浴溫度t1;

2) 檢測進入熱水器的水溫為t2;

3) 根據(jù)進水流量計算出水的總質(zhì)量m;

4) 根據(jù)熱量公式計算出達到設定溫度時所需要的熱量Q=cm(t1-t2),c為水的比熱容;

5) 根據(jù)計算出的熱量主控制器向熱水器終端發(fā)送指令確定熱水器的數(shù)目[4]。

3硬件電路的設計

主控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　淋浴方艙主控制結(jié)構(gòu)

該水溫控制系統(tǒng)以單片機C8051F040為核心,由傳感器模塊、時鐘模塊、按鍵模塊、電源模塊、LED顯示模塊構(gòu)成。

1) 主控制器的控制核心采用的是C8051F040[5]。

C8051F040單片機美國德克薩斯州的Cygnal公司設計制造的混合信號片上系統(tǒng)級單片機,它不同于普通8050、51、59系列單片機[6],它具有更強的生命力,運行速度可以達到100MIPS。

C8051F040有100個管腳,主要由三部分組成:高速微控制器內(nèi)核、模擬外設、數(shù)字外設。模擬外設具有一個12位的SARADC,兩個12位的DAC等特性。數(shù)字外設八個8位寬I/O端口,可編程的16位定時器/計數(shù)器陣列。芯片內(nèi)置CAN控制器,利用CAN協(xié)議可以執(zhí)行一系列的信息交換。CAN控制器很容易在CAN網(wǎng)絡實現(xiàn)信息交流并和basic CAN 2.0A和2.0B兼容。CAN控制器包含有一個CAN內(nèi)核、RAM信息塊、一個信息處理狀態(tài)機和控制寄存器[7]。

2) 傳感器模塊

傳感器模塊主要用到液位傳感器,流量傳感器,溫度傳感器。

溫度傳感器采用NTC熱敏電阻,利用NTC熱敏電阻在一定電壓下,電阻值隨著溫度上升而迅速下降。利用這一特性,可測量經(jīng)過NTC熱敏電阻的電壓信號,根據(jù)熱敏電阻溫度特性曲線,將電壓信號轉(zhuǎn)換成溫度信息。

流量傳感器主要用來測量進入混合水罐的水的質(zhì)量,通過水的質(zhì)量計算出加熱到設定溫度所需要的熱量。

液位傳感器主要主是對于混合水罐中水位的檢測。當混合水罐中水位上升或者下降到臨界值時,控制器會根據(jù)檢測到的液位信息,自動控制水泵的打開或者關閉,從而實現(xiàn)對水位的控制。

3) 按鍵模塊的主要功能是設定所需要的溫度。

4) 顯示模塊使用LED顯示屏,顯示當前的檢測到的水溫信息以及液位信息等。

5) 報警模塊的主要功能是對淋浴方艙主控制器操作的提示和報警功能。當傳感器的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時,比如熱水器溫度偏高,水罐液位偏低等信息,語音模塊會進行報警。工作人員可以根據(jù)語音報警,對熱水器進行故障查詢。

6) 電源模塊為電源控制器芯片提供電壓。C8051F040單片機工作電壓為3.3V,電源電路的設計采用了TPS79333低壓穩(wěn)壓器,將5V的直流電壓經(jīng)過濾波電路和穩(wěn)壓器產(chǎn)生3.3V的電壓供芯片使用。

7) 時鐘模塊采用DS1302對主控制的工作時間進行計時人們可以通過時間,對熱水器進行維護。

4水溫控制算法

由于水溫控制采用閉環(huán)方式,系統(tǒng)中存在振蕩、穩(wěn)定性等問題,因此系統(tǒng)中要加入合適的算法作為調(diào)節(jié)。設計中采用了PID調(diào)節(jié)器。它的原理簡單,容易實現(xiàn),適用范圍廣[8]。數(shù)字增量式PID算式

最終可以簡化為

Δk=u(k)-u(k-1)

=a0e(k)-a1e(k-1)+a2e(k-2)

比例控制器KP有降低上升時間的作用,但是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差;積分控制器作Ki有消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用,但是它可能使瞬態(tài)響應變得更壞;微分控制Kd有增加系統(tǒng)穩(wěn)定性,降低超調(diào)量,并且改善瞬態(tài)響應的作用[9]。

5軟件設計

圖3　軟件設計流程圖

軟件設計思路:主控制器根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息判斷溫度、液位數(shù)據(jù)是否異常,并計算出達到設定溫度所需要的熱量。然后由主控制器通過CAN總線向熱水器終端發(fā)送指令,控制熱水器的工作狀況。若檢測的混合溫度達到設定標準時,熱水器關閉,若采集到的溫度信息未達到設定值時,熱水器繼續(xù)工作[10]。其軟件設計流程圖如圖3所示。

6實驗結(jié)果分析

在完成主控制器的設計后,對該淋浴方艙系統(tǒng)進行了實驗。設定洗浴水溫度為40℃,并對數(shù)據(jù)進行測試分析。在實驗過程中,隨著混合水罐中水位的變化,混合水溫一直保持在39.5℃~40.5℃之間,在誤差范圍內(nèi)滿足人們的洗浴要求。溫度數(shù)據(jù)信息如圖4所示。

圖4　溫度檢測信息

7結(jié)語

本文提出了以C8051F040為控制核心結(jié)合PID水溫控制算法的車載淋浴方艙控制器的設計方案。主控制器可以隨著混合水罐水位和溫度的變化,實現(xiàn)對熱水器終端的自動控制。通過多次理論研究和實驗分析,在使用過程中,水溫能夠控制在38℃~42℃之間,滿足人們的洗浴要求。該淋浴方艙控制器的設計方案具有良好的控制效果,在現(xiàn)實生活中具有很好的應用價值。

參 考 文 獻

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CHANG Fei. C8051F040 series single chip and C language programing development[M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and astronautics Press,2009:191-252.

中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.039

作者簡介:趙建華,男,副教授,研究方向:嵌入式控制系統(tǒng)。吳延賓,男,碩士研究生,研究方向:嵌入式控制系統(tǒng)。

收稿日期:2015年9月13日,修回日期:2015年10月27日