基于单片机和PID算法的智能多段温控热水器设计
摘要：随着经济发展，人民生活水平日新月异，热水器也随着时代进步更新换代。面对生活水平的要求不断提高，热水器所具有的功能以及安全性也应该得到进一步地提升。本次毕业设计选题为基于单片机和PID算法的智能多端温控热水器设计。利用单片机成本低、功耗低、体积小、控制功能强等优点，与PID算法使用方便、适应性强且可以不断改良等优点相结合。可以实现以较低成本完成对热水器电路的控制，实现热水器水温的实时显示，对水温进行精准控制，完成生活用水中对于水温不同需求的实现。而且可以通过对单片机和PID算法的调整完成各种各样的要求，具有较高的性价比。本次设计从低成本、易操作、低功耗等需求出发，实现了可以满足人民日常生活所需的要求，对于热水器产品的更新换代有着一定的帮助。
关键词： 热水器 单片机 PID算法
Design of Intelligent Multi-stage Temperature Control Water Heater Based on MCU and PID Algorithm
Abstract： With the development of economy, people's living standards are changing with each passing day, and water heaters are also updated with the progress of the times. With the improvement of living standards, the functions and safety of water heaters should be improved.The topic of this graduation project is the design of intelligent multi-stage temperature-controlled water heater based on single chip microcomputer and PID algorithm. The advantages of low cost, low power consumption, small volume and strong control function of single chip microcomputer are combined with the advantages of PID algorithm such as convenient use, strong adaptability and continuous improvement. The control of the water heater circuit can be completed at lower cost, the real-time display of the water temperature of the water heater can be realized, the water temperature can be accurately controlled, and the realization of different requirements for the water temperature in domestic water can be completed. But also can complete various requirements through the adjustment of single chip microcomputer and PID algorithm, and has higher cost performance. This design is based on the cost-effective and daily life needs. It can meet the requirements of people's daily life and is helpful for the upgrading of water heater products.
Keywords：water heater single-chip PID algorithm
目录
第一章 绪论 1
1.1热水器的发展背景 1
1.2选用单片机控制的理由 1
1.3 PID算法的研究现状 1
1.4 研究内容及其意义 3
1.4.1研究意义 3
1.4.2研究内容 4
第二章 系统总体方案设计 5
2.1 系统功能及指标概述 5
2.2 系统总体结构 5
2.3 系统工作原理分析 6
第三章 系统硬件设计 7
3.1系统硬件整体设计 7
3.2单片机选型 7
3.3温度采集模块设计 8
3.4温度控制模块设计 9
3.5温度显示模块设计 10
3.5.1 LCD1602液晶显示器简介 10
3.5.2显示器的连接方式 11
3.6单片机的最小电路 11
3.6.1晶振电路 11
3.6.2复位电路 12
第四章 系统软件设计 13
4.1系统软件总体流程 13
4.2温度采集模块 14
4.3温度显示模块 16
4.4温度控制模块 17
4.4.1 PID控制的基本原理 17
4.4.2 PID算法类型 18
4.4.3 PID参数整定及仿真 18
4.5仿真验证 17
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
附录 26
第一章 绪论
1.1热水器的发展背景
在人们的日常生活中，热水一直占有者重要的地位，但在热水器出现之前，水的加热一直只能以人工加热的形式来控制水温，这样的加热方式即费时又费力。直到1868年，名为本杰明摩恩的画家发明了历史上第一台不使用固体燃料的瞬时热水器，将其命名为“间歇泉”。之后Mr.Edwin Ruud又于1889年发明了世界上第一台容积式热水器，随即创立了Ruud品牌。我国热水器的发展相比较于国外晚了许多，最早是由周总理一次出国访问，将别人赠送的两台直排式热水器带回国内，之后在1970年代南京一家叫“玉环”的公司首次制造出了燃气热水器，自此我国的热水器开始不断发展。就目前而言，对于热水器的功能及其安全性的要求在不断提高，热水器的智能化已成必然趋势，精准控温也是热水器目前所必须具备的功能之一，且考虑到日常生活要求，其成本也是其中的重要考虑因素之一。在这样的背景下，选用单片机与PID算法相结合所生产的热水器既能满足人们在日常生活中对于水温的各种要求，也同时可以降低热水器的生产成本。在这样的前提下，本设计对于日常生活所用的热水器的优化有着一定的推进作用。
1.2选用单片机控制的理由
单片机自上世纪产生至今，对于传统控制器造成了巨大的冲击，其本身具有处理速度快、运行内存小、资源占用小、体积小、能耗低等诸多优点。尤其是在处理热水器水温控制中引入单片机控制，主要优点在于，首先单片机具有低成本的优点，适合用于日常生活的产品中，且低功耗低电压的特点能很好地应用于日常生活中。而且单片机集成度高，体积小，可靠性高的优点可以确保在多种环境下也能够工作，在日常生活中遇到各种环境也可以保持工作，比如在日常生活中经常会遇到潮湿之类的环境可以采取密闭的措施，以此避免单片机工作受到影响，能很好的保证热水器的正常工作。
1.3 PID算法的研究现状
PID算法在温控技术方面的发展，相较于我国，国外的技术起步更早、发展更快，发展至今已成为了一项较为成熟的控制技术。PID算法在温控技术方面的发展历程一共经历了三个阶段：经典控制阶段、现代控制阶段、智能控制阶段[1]。
(1)经典控制阶段
自上世纪40年代起，PID算法在温控方面的应用技术开始发展，此时处于最早出现的经典控制阶段，这个阶段一直发展到上世纪60年代。在经过了20年的发展历程后，PID算法的温度控制技术在经典控制阶段出现了一系列的具有一定的经典意义的温度控制理论。但是，此时的PID算法的温度控制在实际生产应用的过程中，存在着理论与实际的生产过程脱离的问题，理论知识很难应用于实际问题的解决上。在此阶段，由于控制系统无法对温度进行实时监测，导致温度控制的效果差，无法在实际应用中起到有效的控制作用。
(2)现代控制阶段
在最初的经典控制阶段发展过了20多年后，上世纪六七十年代温度控制技术发展到了第二个阶段，现代控制阶段。在这个阶段中，PID算法在温度控制领域的应用技术迎来了崭新的发展机会。计算机出现在实际生产的应用中，利用计算机控制温度的控制方式逐渐应用在生产一线，面对复杂、多变的生产模型，依靠着计算机强大的数据处理功能，现代控制理论得以将理论与实际生产环节相结合，可以进行快速有效的温度控制，在计算机出现后，PID算法的温度控制取得的预期效果足以实现工业生产的需求，对工业生产领域带来了巨大的影响。随着PID算法的温度控制技术的逐步成熟，传统温度控制技术中非线性、感应滞后的缺点在现代控制技术的发展过程中被一步步改进，并且对于单回路PID的控制方式做出了改进，在实现了对温度的变化的实时监测后，温度控制惯性带来的干扰问题也得以解决，温度控制的效果有了明显的提高，在生产过程中取得了重大突破。
(3)智能控制阶段
但一直发展到上世纪的末期，许多温度控制的装置仍然需要依靠人工手动操作完成，而且设备体积特别庞大，故障率仍是非常的高，现代控制技术的控制效果面对随着技术发展同时不断提高的要求，越来越难以完成所需要达到的目标哟球。此时工业也开始了智能化的趋势，温度控制技术又进入了迅速发展的阶段，在这次发展中运用电子科学来控制温度的技术也慢慢开始成熟，温度控制领域迎来了巨大的改变，生产过程中出现了智能化温度控制器的身影。
我国在温度智能控制方面的发展与国外的发展现状相比，由于起步晚、科研资金薄弱等问题仍处于比较滞后的位置。在后来的智能温度控制领域的研究过程中，不断涌现出了许多专家，控制技术的理论知识逐渐深厚，在温度控制的生产实践中所取得的实际效果也有了巨大的进步。其中以学者刘兴池作为主要负责人所带领的团队，根据国外的温度控制技术方面的成果和经验，在温度控制的过程中使用了由日本所生产的温度控制器SR70来进行温度控制，这次尝试最终取得的成果是系统将温度控制在了与目标值误差仅为零点二摄氏度的范围以内，此次研究取得的成果显示了其团队所设计的控制系统的良好的控制性能，具有较高的研究价值。以学者于洋为代表的学者则在原有系统的基础上，通过接入PS0粒子群优化计算法的办法，对PID控制系统进行了改造升级。另外还有包括徐玉忠、赵国强等学者各自带领的团队都在PID算法控制方面做出了不错的成果。
随着我国在智能控制技术的不断深入研究，我国的智能温控技术取得了不小的进步：
首先，就温度控制方面，我国相关的设备技术方面都取得了较为满意的成果。具体就有传统的温度传感器随之科技发展也在逐步改进，在控制器中使用微型控制芯片，引入单片机。单片机本身具有较大的开发空间，体积小，可以应用于许多计算机难以进行控制的情况中，而且结构简单稳定，可以适应更多的环境情况，而且单片机的成本低，性价比高，可以给温度控制带来可观的效益。尤其是单片机可以实现对硬件和软件同时进行实时监测，使得温度控制的效果有了巨大的进步。
其次，我国在控制领域的理论研究逐步深化，不同的学者专家各自提出自己的观点，不断地改进完善了理论知识。智能温度控制方法起源于传统温度控制理论，以其为基础开始发展，所以研究的重点就在于如何克服传统温度控制技术的缺点。由此而出现的新兴的温度控制方法，比如高级控制算法遗传算法、模糊算法、机器学习等，都实现了较好的控制效果。
但与国外的多种温度控制技术相比，我国的高级控制算法方面的研究仍然滞后。相关方面的科研投入少，在高新技术的研究上缺乏前瞻性，这都阻碍了研究的发展。所以在面对复杂的被控对象或者要求精度较高的情况下，国内的技术仍有难以满足的情况，还需要引进国外的技术和产品[2]。
1.4 研究内容及其意义
1.4.1研究意义
本课题提出的利用单片机和PID算法相结合以此达到对热水器的多段控制，实现对热水器的水温做到实时显示和精准控制。利用单片机和PID算法能完美适应于日常生活中，单片机和PID算法都具有低成本高性价比的特点，应用于热水器能够有助于降低热水器的成本。且都能很好地适应各种恶劣环境，完全足够日常生活中各种环境下的使用，这也契合于热水器进入不同条件的家庭中。如果设计能够完成，这将有助于热水器进一步融入人民家庭生活中，且降低其成本可以让更多原来可能由于各种原因没有热水器的家庭也能使用热水器，方便人民的生活，推进热水器的更新换代。
1.4.2研究内容
本文主要研究内容包括：
1.研究了热水器的发展概况，了解日常生活中对于热水器的各种要求，针对人民对于日常生活中热水器的各种需求进行分析，选择了低成本，适应性好的单片机和PID算法相结合，设计一种能契合人民日常生活所需求的智能多段式温控热水器。
2.在实物设计中，考虑到要进行温度采集、温度控制。电路图设计中需要加入显示屏、加热棒、温度传感器等元器件，完成电路图的设计。
3.查找单片机相关信息，在明确要求的情况下选用合理的单片机，编写单片机程序完成对电路的控制，实现对于热水器的各种要求。
4.如何编写PID算法，如何调整以尽可能地缩小温度差。
本次设计从设计出一款能够完成正常生活对水温的要求的热水器出发，在确定了系统所需要的大概功能后，经过挑选选用了单片机与PID算法相结合作为控制系统，以此实现日常生活对于热水器低功耗、低成本、易操作的诸多要求。本篇论文从设计出发，介绍了单片机的相关信息以及PID的原理，结合在校所学的电路知识，说明了如何以单片机和PID算法相结合为控制系统来控制电路实现对于水温的控制的目标。
在文章结构设计方面，本文正文部分包括四章，第一章介绍了本次设计所涉及到的相关技术的背景和发展现状，介绍了所需要完成的工作任务。第二章系统的总体方案设计解释了本设计的思路，系统所能实现的功能等。第三章硬件部分介绍了硬件部分各个模块的元器件的功能介绍以及接线方式等。第四部分软件部分包括了单片机的内各个模块的功能实现原理以及PID算法的参数整定和仿真。
参考文献
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