赵建华　吴延宾

(西安工业大学　西安　710021)



车载淋浴方舱控制器的研究与设计*

赵建华吴延宾

(西安工业大学西安710021)

摘要论文提出了一种适合在野外使用的车载淋浴方舱控制器的设计方案,该控制器能够实现对多台热水器的控制,克服天气、时间、地点等环境因素的影响,满足大量人群的洗浴要求。该控制器以Cygnal公司的C8051F040单片机为控制核心,采用了温度、流量、液位等传感器进行数据采集,运用PID算法进行水温控制,同时还具有温度信息显示和报警功能([1])。该控制器在现实生活中具有重要的价值和意义。

关键词淋浴方舱控制器; 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

近些年来我国一些地区自然灾害频繁发生给人们的生活带来了很大影响,洗浴对于处在灾区里边的人们来说更是一种奢望。随着社会竞争越来越激烈,人们生活的节奏增强,许多公司都会定期组织员工到野外进行拓展训练,在野外生活中,洗浴成了一大难题。

市场上现存的热水器并不能满足大量人群在野外的洗浴要求,在综合分析热水器的使用环境和条件的基础上,提出了一种车载淋浴方舱温度控制器的设计方案,它能够实现一台控制器对多台热水器的控制,满足了大量人群在野外生活中的洗浴要求。

2淋浴方舱整体结构介绍

淋浴方舱主要由主控制器、热水器终端、流水管道、自吸水泵、混合水罐、软体水罐组成。

主控制器是该系统的控制核心,其主要功能是

1) 混合水罐的水温、流量和液位信息检测。

2) 计算出达到设定水温所需要的热量。

3) 向热水器终端发送指令是否向加热。

热水器终端主要是接收主控制器的指令[2],对热水进行加热。流水管道是连接各个热水器和混合水罐的通道。混合水罐储存热水器终端的热水,供人们使用。自吸水泵是用来添加冷水的装置。软体水罐用来储存冷水。

淋浴方舱系统整体结构如图1所示。

图1　淋浴方舱整体结构

混合水罐与热水器之间通过循环泵连接进行水循环,软体水罐与混合水罐之间用自吸泵相连接进行冷水的补充。其工作过程为:在循环泵的作用下,混合水罐里的水在热水器和混合水罐之间进行循环流动,温度传感器对混合水温进行检测。当采集到的混合水温达到设定的温度时,热水器自动关闭,混合水罐处于保温状态,热水可以供人使用。在使用过程中,根据混合水罐的水位变化,自吸泵自动向混合水罐内加水[3]。

其工作过程:

1) 设定所需的洗浴温度t1;

2) 检测进入热水器的水温为t2;

3) 根据进水流量计算出水的总质量m;

4) 根据热量公式计算出达到设定温度时所需要的热量Q=cm(t1-t2),c为水的比热容;

5) 根据计算出的热量主控制器向热水器终端发送指令确定热水器的数目[4]。

3硬件电路的设计

主控制器的结构如图2所示。

图2　淋浴方舱主控制结构

该水温控制系统以单片机C8051F040为核心,由传感器模块、时钟模块、按键模块、电源模块、LED显示模块构成。

1) 主控制器的控制核心采用的是C8051F040[5]。

C8051F040单片机美国德克萨斯州的Cygnal公司设计制造的混合信号片上系统级单片机,它不同于普通8050、51、59系列单片机[6],它具有更强的生命力,运行速度可以达到100MIPS。

C8051F040有100个管脚,主要由三部分组成:高速微控制器内核、模拟外设、数字外设。模拟外设具有一个12位的SARADC,两个12位的DAC等特性。数字外设八个8位宽I/O端口,可编程的16位定时器/计数器阵列。芯片内置CAN控制器,利用CAN协议可以执行一系列的信息交换。CAN控制器很容易在CAN网络实现信息交流并和basic CAN 2.0A和2.0B兼容。CAN控制器包含有一个CAN内核、RAM信息块、一个信息处理状态机和控制寄存器[7]。

2) 传感器模块

传感器模块主要用到液位传感器,流量传感器,温度传感器。

温度传感器采用NTC热敏电阻,利用NTC热敏电阻在一定电压下,电阻值随着温度上升而迅速下降。利用这一特性,可测量经过NTC热敏电阻的电压信号,根据热敏电阻温度特性曲线,将电压信号转换成温度信息。

流量传感器主要用来测量进入混合水罐的水的质量,通过水的质量计算出加热到设定温度所需要的热量。

液位传感器主要主是对于混合水罐中水位的检测。当混合水罐中水位上升或者下降到临界值时,控制器会根据检测到的液位信息,自动控制水泵的打开或者关闭,从而实现对水位的控制。

3) 按键模块的主要功能是设定所需要的温度。

4) 显示模块使用LED显示屏,显示当前的检测到的水温信息以及液位信息等。

5) 报警模块的主要功能是对淋浴方舱主控制器操作的提示和报警功能。当传感器的数据出现异常时,比如热水器温度偏高,水罐液位偏低等信息,语音模块会进行报警。工作人员可以根据语音报警,对热水器进行故障查询。

6) 电源模块为电源控制器芯片提供电压。C8051F040单片机工作电压为3.3V,电源电路的设计采用了TPS79333低压稳压器,将5V的直流电压经过滤波电路和稳压器产生3.3V的电压供芯片使用。

7) 时钟模块采用DS1302对主控制的工作时间进行计时人们可以通过时间,对热水器进行维护。

4水温控制算法

由于水温控制采用闭环方式,系统中存在振荡、稳定性等问题,因此系统中要加入合适的算法作为调节。设计中采用了PID调节器。它的原理简单,容易实现,适用范围广[8]。数字增量式PID算式

最终可以简化为

Δk=u(k)-u(k-1)

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

比例控制器KP有降低上升时间的作用,但是不能消除稳态误差;积分控制器作Ki有消除稳态误差的作用,但是它可能使瞬态响应变得更坏;微分控制Kd有增加系统稳定性,降低超调量,并且改善瞬态响应的作用[9]。

5软件设计

图3　软件设计流程图

软件设计思路:主控制器根据采集到的数据信息判断温度、液位数据是否异常,并计算出达到设定温度所需要的热量。然后由主控制器通过CAN总线向热水器终端发送指令,控制热水器的工作状况。若检测的混合温度达到设定标准时,热水器关闭,若采集到的温度信息未达到设定值时,热水器继续工作[10]。其软件设计流程图如图3所示。

6实验结果分析

在完成主控制器的设计后,对该淋浴方舱系统进行了实验。设定洗浴水温度为40℃,并对数据进行测试分析。在实验过程中,随着混合水罐中水位的变化,混合水温一直保持在39.5℃~40.5℃之间,在误差范围内满足人们的洗浴要求。温度数据信息如图4所示。

图4　温度检测信息

7结语

本文提出了以C8051F040为控制核心结合PID水温控制算法的车载淋浴方舱控制器的设计方案。主控制器可以随着混合水罐水位和温度的变化,实现对热水器终端的自动控制。通过多次理论研究和实验分析,在使用过程中,水温能够控制在38℃~42℃之间,满足人们的洗浴要求。该淋浴方舱控制器的设计方案具有良好的控制效果,在现实生活中具有很好的应用价值。

参 考 文 献

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中图分类号TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.039

作者简介:赵建华,男,副教授,研究方向:嵌入式控制系统。吴延宾,男,硕士研究生,研究方向:嵌入式控制系统。

收稿日期:2015年9月13日,修回日期:2015年10月27日