哈工大自動(dòng)控制原件課程設(shè)計(jì)

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）設(shè)計(jì)題目： 新型智能飲水機(jī)的設(shè)計(jì) 院 系： 航天學(xué)院 控制科學(xué)與工程系 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 馬廣程 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2016.042016.05 哈爾濱工業(yè)大學(xué)1.研制背景及意義飲水機(jī)是采用瓶裝水，桶裝水或自來(lái)水經(jīng)凈化器凈化作為水源，利用電能對(duì)其進(jìn)行加熱或制冷，一年四季提供常溫水或熱水的飲水電器，它作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的家用電器，基本滿足了人們?nèi)粘５娘嬎?、泡茶、沖食即食食品以及調(diào)制冷飲的各種需要，伴隨著人民生活水平的提高和桶裝水的消費(fèi)熱潮，在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展十多年，已廣泛應(yīng)用于家庭、辦公室、學(xué)生宿舍

2、等，我國(guó)飲水機(jī)保有量近億臺(tái)。隨著生活水平的提高，人們對(duì)于飲水機(jī)的要求也越來(lái)越高，各種新型飲水機(jī)不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)。目前市場(chǎng)上較新型的飲水機(jī)出來(lái)加熱功能外，還可以制冷，滿足了人們?cè)谘籽紫娜障胍缺男枰５怯幸恍┨厥鈭?chǎng)合，比如家里有嬰兒、老人或者病人時(shí)，人們需要某一特定溫度的水，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有這樣一種可以由用戶設(shè)定某一溫度的飲水機(jī)。我們的設(shè)計(jì)思想是混合熱水與冷水，通過(guò)控制熱水與冷水的流量來(lái)控制混合水溫，從而可以在短時(shí)間內(nèi)迅速得到特定溫度的水。2.總體設(shè)計(jì)思路該新型智能飲水機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶所得飲用水水溫的精確控制，在0到100范圍內(nèi)，用戶可以自行設(shè)定溫度 。其主要功能模塊包括液位控制模塊,液位控

3、制模塊，混水部分的流量控制模塊。2.1.系統(tǒng)示意圖： 2.2.控制器的選擇我們?cè)谝酝O(shè)計(jì)中曾經(jīng)用過(guò)STM32單片機(jī)和51單片機(jī)，因而我們的控制器在這兩者之中進(jìn)行選擇。相比之下，STM32單片機(jī)速度更快，端口也更多，但是51單片機(jī)價(jià)格更加便宜，最小系統(tǒng)電路也更加簡(jiǎn)單。同時(shí)，本設(shè)計(jì)是一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不要求太高的跟蹤速度，51單片機(jī)可以滿足本設(shè)計(jì)的要求，所以最終選擇51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制器。同時(shí)使用5V電源適配器對(duì)單片機(jī)供電。 2.3.工作流程圖 3.具體選型及論證3.1.液位控制 信號(hào)傳輸方向： 液位控制模塊應(yīng)用于所有的四個(gè)水箱中。當(dāng)所有水箱均處于工作狀態(tài)時(shí)，需要首先向溫水水箱，熱水水箱，冷水水

4、箱三個(gè)水箱內(nèi)進(jìn)水，各水箱內(nèi)控制原理相同。進(jìn)入工作狀態(tài)后，壓力變送器立即開(kāi)始工作，將測(cè)量得到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸送給51單片機(jī)進(jìn)行處理。 在51單片機(jī)中編寫程序，對(duì)輸入數(shù)字電壓值與水量為500ml時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓值進(jìn)行比較。若測(cè)量電壓值小于標(biāo)準(zhǔn)值，輸出0；反之，輸出1。再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器將輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量，驅(qū)動(dòng)繼電器。當(dāng)液位未達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，電磁閥始終處于開(kāi)態(tài)，持續(xù)加水；當(dāng)液位達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，繼電器通電使常閉電磁閥與220V電壓之間的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，進(jìn)水停止，液位將保持在預(yù)設(shè)值。與此同時(shí)，該12V模擬量驅(qū)動(dòng)繼電器控制溫度調(diào)節(jié)模塊的總開(kāi)關(guān)閉合，進(jìn)入溫度調(diào)節(jié)階段

5、（加熱/制冷）。3.1.1壓力變送器1、裝置： 壓力傳感器+模擬電壓輸出模塊2、傳感器的選型： 我們的目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)各水箱內(nèi)的液位高度的控制，現(xiàn)階段，將液位高度轉(zhuǎn)換為電器 元件可處理信號(hào)的傳感器有以下幾種: 直接接觸式：浮球式，浮筒式，投入靜壓式，電容式，磁致伸縮式等 非接觸式：光電式，聲波式，稱重式，壓力式等 考慮到飲用水的安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，不宜采用直接接觸式傳感器；由飲水機(jī)的工作場(chǎng)合與精度要求，排除光電式，聲波式等幾種易受干擾，對(duì)環(huán)境條件要求較高的非接觸式傳感器。最后我們選擇了壓力式傳感器。3、原理：將電阻應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片

6、也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。該壓力傳感器位于水箱底部，為一厚度很薄的鐵片，此時(shí)所測(cè)為容器底部所受平均壓力，而非總質(zhì)量與其壓敏部位面積比值，即壓敏部位與底部所受壓力相等。因此，應(yīng)將水位為零時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻設(shè)為零位。壓力傳感器將所測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電阻值，與模擬電壓輸出模塊相連，轉(zhuǎn)化為連續(xù)的電壓信號(hào)。4、 元件確定：壓力傳感器：電阻式薄膜壓力傳感器 信號(hào)轉(zhuǎn)換：壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻值。當(dāng)水箱內(nèi)無(wú)水時(shí)壓力最小，電阻最大；水箱內(nèi)水量為500ml時(shí)壓力對(duì)應(yīng)最大值，電阻最小。產(chǎn)品型號(hào)IMS-00010-C075產(chǎn)品名稱電阻式薄膜壓力傳感器面積單點(diǎn)圓形感應(yīng)區(qū)直徑7.5mm （厚

7、度16.67ml/s，滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.5.混水閥方案在選擇流量閥時(shí)，我們首先想到的是淋浴混水閥。在洗澡時(shí)，為了保持水溫恒定，我們通常使用這種混水閥來(lái)保證出水水溫恒定。 淋浴混水閥但是這種混水閥門使用時(shí)，需要用手調(diào)節(jié)，溫度控制精度不高。通過(guò)查閱資料，我們發(fā)現(xiàn)了一種與淋浴混水閥相似的閥門，稱為恒溫混水閥。這種閥門的工作原理是這樣的。 在恒溫混水閥的混合出水口處，裝有一個(gè)熱敏元件，利用感溫原件的特性推動(dòng)閥體內(nèi)閥芯移動(dòng)，封堵或者開(kāi)啟冷、熱水的進(jìn)水口。在封堵冷水的同時(shí)開(kāi)啟熱水，當(dāng)溫度調(diào)節(jié)旋鈕設(shè)定某一溫度后，不論冷、熱水進(jìn)水溫度、壓力如何變化，進(jìn)入出水口的冷、熱水比例也隨之變化，從而使出水溫度始終保

8、持恒定，調(diào)溫旋鈕可在產(chǎn)品規(guī)定溫度范圍內(nèi)任意設(shè)定，恒溫混水閥將自動(dòng)維持出水溫度。因此從恒溫混水閥中流出的水本身就是恒溫的，出水溫度通過(guò)旋鈕設(shè)定，混水閥本身就有一個(gè)反饋回路，其出水水溫精度為2。而我們可以通過(guò)測(cè)量水箱中的水溫，對(duì)混水閥的出水溫度進(jìn)行調(diào)整，即通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)其旋鈕設(shè)置出水溫度，從而保證水箱中的水的水溫和設(shè)定溫度進(jìn)行比較，使水箱中的水溫與設(shè)定溫度在1以內(nèi)。因而這是一個(gè)雙回路系統(tǒng)，首先在內(nèi)回路中，恒溫混水閥的混合出水口處，裝有一個(gè)熱敏元件，利用感溫原件的特性推動(dòng)閥體內(nèi)閥芯移動(dòng)，封堵或者開(kāi)啟冷、熱水的進(jìn)水口。在封堵冷水的同時(shí)開(kāi)啟熱水，當(dāng)溫度調(diào)節(jié)旋鈕設(shè)定某一溫度后，不論冷、熱水進(jìn)水溫度、壓力如何

9、變化，進(jìn)入出水口的冷、熱水比例也隨之變化，內(nèi)回路的作用是使出水溫度始終保持恒定。其次在外回路中，混水水箱中的水溫傳感器測(cè)出混合水溫，與用戶設(shè)定值比較，如果高于設(shè)定值，則通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)混水閥旋鈕，降低混水閥出水溫度，從而降低水箱中混合水的水溫；如果低于設(shè)定值，則通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)混水閥旋鈕，提高混水閥出水溫度，從而提高水箱中混合水的水溫。由于混水閥的精度已經(jīng)達(dá)到2，因而加上外回路的設(shè)計(jì)可以使混水精度達(dá)到1的要求。性能指標(biāo)產(chǎn)品名稱自動(dòng)恒溫混水器A型調(diào)溫范圍35-65溫控精度2 冷水溫度5-29 熱水溫度50-80 結(jié)構(gòu)圖然而，由自動(dòng)恒溫混水器A型的參數(shù)可以得知，這種混水閥的調(diào)溫范圍僅為35-65，因而不滿

10、足設(shè)計(jì)指標(biāo)中0-99的要求，但是這種混水閥的設(shè)計(jì)方法是可取的，如果我們?cè)O(shè)計(jì)的飲水器可以真正投產(chǎn)，那么完全可以定制調(diào)溫范圍更大的該型混水閥。3.3.6.雙球閥方案 由于方案一中的恒溫混水閥的調(diào)溫范圍滿足不了要求，因而需要一種新的混水方案，在方案2中，我們使用兩個(gè)流量閥分別控制熱水與冷水流量，在這里，我們使用球閥控制熱水與冷水的流量。由于水管的直徑為6.5mm，因而我們選擇較小的2分球閥（內(nèi)徑8mm）。因?yàn)轱嬘盟畯那蜷y中通過(guò)，因而考慮到安全性和耐腐蝕性。我們選擇這種飲水機(jī)專用的2分快接球閥，這種球閥不僅安全、耐腐蝕，而且安裝容易，與水管的連接通過(guò)快接頭即可輕易實(shí)現(xiàn)。 球閥具有旋轉(zhuǎn)90度的動(dòng)作，旋塞

11、體為球體，有圓形通孔通過(guò)其軸線，所以我們通過(guò)控制球體的旋轉(zhuǎn)角度就可以改變水的流量，它只需要用旋轉(zhuǎn)90的操作和很小的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩就能關(guān)閉嚴(yán)密，因而這里我們使用舵機(jī)來(lái)控制球閥的旋轉(zhuǎn)。舵機(jī)型號(hào)為MG996R產(chǎn)品型號(hào)MG996R工作電壓DC 4.8-7.2V齒輪形式金屬齒輪產(chǎn)品拉力9.4kg/cm(4.8V)反應(yīng)速度0.14sec/60degree 1、選擇該型舵機(jī)控制球閥的原因?yàn)椋?舵機(jī)是專門控制轉(zhuǎn)角的電機(jī)，可以提供精確轉(zhuǎn)角； 供電電壓為DC 4.8-7.2V，可以直接用單片機(jī)電源（5V）對(duì)其供電； 舵機(jī)的控制信號(hào)是一個(gè)周期為20ms，寬度為0.5ms到2.5ms的脈沖信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)調(diào)整脈沖信號(hào)的占空

12、比可以方便地控制舵機(jī)。 由于球閥只需要很小的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩就能轉(zhuǎn)動(dòng)，因而9.4kg/cm的力矩滿足轉(zhuǎn)動(dòng)球閥所需要的力矩。 該型舵機(jī)的轉(zhuǎn)角范圍是-90-+90，完全可以滿足球閥90的轉(zhuǎn)角要求。 我們?cè)?jīng)使用過(guò)該型舵機(jī)，因而對(duì)該型舵機(jī)較為熟悉。2、單片機(jī)對(duì)于舵機(jī)與球閥的控制： 因?yàn)樗疁乜刂凭?，因而當(dāng)水箱水溫比設(shè)定溫度高1時(shí)，要求熱水水管的球閥全關(guān)，即球閥轉(zhuǎn)角為90，而冷水水管的球閥全開(kāi)，即球閥轉(zhuǎn)角為0。這樣就可以保證混合水水溫精度為1。 該舵機(jī)的控制信號(hào)為一個(gè)周期為20ms，寬度為0.5ms到2.5ms的脈沖信號(hào),而球閥的轉(zhuǎn)角范圍為90，因而，舵機(jī)控制信號(hào)的寬度為1.5ms到2.5ms，即對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角為

13、0-90。單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，是通過(guò)改變脈沖信號(hào)的占空比來(lái)控制舵機(jī)的。單片機(jī)測(cè)得混合水溫，再通過(guò)控制算法算出控制量，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)。單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的20ms周期信號(hào)，其次是占空比的調(diào)整。我們是通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生占空比不同的PWM波，使用兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生固定的20ms周期信號(hào)，另一個(gè)定時(shí)器通過(guò)改變計(jì)數(shù)初值來(lái)決定高電平時(shí)間。從而產(chǎn)生了占空比可調(diào)的脈沖信號(hào)。4.總結(jié)1、上電之后，三個(gè)儲(chǔ)水水箱（熱水箱、溫水箱、冷水箱）開(kāi)始進(jìn)水，此階段主要進(jìn)行液位控制。2、液位滿足要求后，停止進(jìn)水，溫度控制模塊開(kāi)始進(jìn)行加

14、熱/制冷，進(jìn)行溫度控制。3、用戶需要用水時(shí)，混水模塊在液位控制模塊與溫度控制模塊的工作基礎(chǔ)上進(jìn)行混水操作，得到用戶所需溫度的水。4、用戶取水后，混水箱里的水回流至溫水箱，三個(gè)儲(chǔ)水水箱繼續(xù)進(jìn)水至設(shè)定液位，熱水箱重新進(jìn)行加熱，冷水箱重新制冷。5.不足與展望盡管在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)，我們付出了自己的努力，但是由于我們?nèi)狈Ρ匾墓こ探?jīng)驗(yàn)，因而碰到了很多困難。由于這是一個(gè)水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因而涉及到很多流體力學(xué)和熱力學(xué)知識(shí)，由于我們的專業(yè)課知識(shí)不包括這些內(nèi)容，因而我們需要查閱很多資料，學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)。其次，本設(shè)計(jì)的執(zhí)行器包括閥門，而我們對(duì)于閥門沒(méi)有任何使用經(jīng)驗(yàn)，面對(duì)各種閥門如我們一頭霧水，通過(guò)不斷上網(wǎng)查閱資料，最終確定了混水閥和球閥兩種方案。盡管我們完成了本設(shè)計(jì)的總體技術(shù)方案，但是由于我們的經(jīng)驗(yàn)不足，時(shí)間倉(cāng)促，因而仍然有許多細(xì)節(jié)沒(méi)有考慮到。如果可以的話，我們?nèi)匀幌Ｍ凑瘴覀兊脑O(shè)計(jì)制作出產(chǎn)品，這樣可以真正在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)更多問(wèn)題，提升自己的能力。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我們鍛煉了自己的能力。設(shè)計(jì)的過(guò)程是痛苦的，需要不斷考慮新的問(wèn)題，還要不斷查閱新的資料，但是這是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)、不斷進(jìn)步的過(guò)程。6. 組員分工本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們小組分工明確、