智能家居太阳能热水器控制系统设计_深圳捷易
2019-10-24 17:25    捷易智能家居

快速发展的科学技术为生活水平的提高提供了强大支撑智能家居系统随之逐渐发展并完善起来智能家居领域中的智能平台呈现丰富多样的发展趋势新的智能家居开放平台框架不断完善在环保节能的大背景下家居市场对太阳能等可再生环保能源的重视程度不断提升太阳能作为清洁能源的一种太阳能热水器逐渐得以广泛应用太阳能热水器技术得以迅速发展为满足智能家居控制需求对热水器的智能控制是目前研究的重点之一

 

目前的太阳能热水器存在水箱容量与升温速度同步性较差问题且易受阴雨天气影响为满足多样化的生活需求其加热控制多采用光电双能的方式,捷易科技主要对太阳能热水器的智能控制过程进行了研究和设计

 

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1.
太阳能热水器控制系统设计

 

天气和季节变化会对太阳能强弱产生直接影响为使全天候热水使用得以有效实现需对太阳能热水器添加辅助加热装置目前开关式或PID控制为电辅助加热大多采用的方式太阳能作为时变的复杂非线性变量的一种使精确的使用数学模型描述太阳能热水器的工作过程难度加大以集热和辅助加热为主),传统控制方式易出现难以满足实际控制需求的情况而模糊控制作为非线性控制方法的一种其智能化程度较高在家用电器控制系统中应用较为广泛控制效果较佳。捷易科技主要对太阳能热水器控制系统进行设计以太阳能热水器的实际应用情况为依据完成了模糊智能太阳能热水器控制系统的设计该系统的控制器采用单片机STC89C52RC通过数字温度传感器DS18B20的使用完成温度测量系统高精度时钟由DS12C887提供控制量结合使用模糊控制算法获取对水温的控制则通过PWM波对过零继电器进行控制进而控制加热棒的功率的方法实现。

 

(1)单片机系统

 

捷易科技所设计的系统的智能控制器选用了单片机STC89C52RC8051内核),由于在对太阳能热水器进行控制时系统涉及的运算量较小需要处理及保存的中间数据较少因此无需外扩数据存储器所使用的单片机内部RAM及E2PROM即可满足需求

 

(2)温度控制执行器

 

捷易科技系统通过使用零固态继电器输入控制端为32V输出端为5A380V5060Hz和加热棒功率为500~1000W执行水温控制过程通过对PWM波的占空比(由单片机产生进行控制进而完成对交流过零继电器通断频率的控制最终控制加热棒的功率完成温度控制过程。

 

(3)温度测量

 

选用具有较强抗干扰能力的DS18B20数字温度传感器的一种),无需标定不必要温度数据通信过程通过传感器的单总线接口并结合使用单片机分时复用原理实现

 

(4)时钟电路设计

 

以实现热水器热水的全天供应本系统的控制器采用实时时钟完成准确的基准时间的提供具体通过采用CMOS技术的DS12C887时钟芯片完成在芯片内部集成时钟芯片所需的晶振电池及电路在降低系统功耗的基础上实现了时间的高精度控制此外该时钟芯片还具备外围接口可根据实际需要对时间进行设计显著提高了系统的稳定性和时效性。

 

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2.
模糊控制器设计

 

(1)模糊控制原理

 

采用模糊语言变量的模糊控制器以模糊逻辑推理为主,太阳能热水器控制系统的控制器需以精确的数值表示输入、输出量因此需完成精确量的模糊化即输入变量到模糊语言变量的转换过程),在此基础上进行模糊推理以形成控制策略后再进行去模糊化处理完成控制策略到精确的控制变量值的的转换过程同时控制输出控制变量系统具体模糊控制过程如图所示。

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(2)模糊控制器的实现

 

捷易科技在设计太阳能热水器控制系统时采用了二维模糊控制器模糊控制器的输入信号采用温度误差表示及误差变化率c表示),输出控制量由U表示单片机以获取的U值为依据完成输出PWM波的占空比的确定输入信号还包括时间设置值负责在时间上优化占空比系统中变量的基本论域为输入出变量的实际变化范围本系统中e的基本论域为-2+2]、c的基本论域为-0+0]、控制量u的基本论域为0%100%]。

 

误差语言变量由E表示的模糊集合的论域取值范围为-10+10],误差语言变量的变化率C表示的模糊集合的论域取值范围为-5+5],控制量语言变量的模糊集合的论域取值范围为]。控制系统的输出语言变量(U表示取6个的语言值单片机PWM脚在U=0时输出低电平交流过零固态继电器不导通此时PWM波的占空比为零),因此不产生加热功率PWM波的占空比在U=1时为20%依次类推到U=5。捷易科技通过使用FuzzyLogicToolbox位于Matlab模糊逻辑工具箱及预设模糊规则完成了模糊控制表的制定即可适用于单片机C程序),程序只需完成E和EC的计算在此基础上通过查表获取对应的控制量以有效满足实际程序设计需求模糊控制程序具体流程如图所示。

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3. 
系统的软件设计与实现

 

太阳能热水器控制系统软件由单片机和触摸屏两个程序构成系统自动控制功能由触摸屏中的程序实现通信过程及DS18B20温度采集则由单片机程序实现

 

(1)自动控制系统设计与实现

 

作为太阳能热水器系统的控制单元,捷易科技选用TPC7062TXMCGS作为触摸屏由单片机完成检测到的各部位的温度值会传给触摸屏触摸屏以系统时间为依据完成控制策略的确定后向单片机传送控制数据从而完成对继电器的控制单片机的寄存器能够暂时存储相关数据(包括传感器采集到的温度液位等),将单片机的寄存器对应上触摸屏的读写设备通道设置为相同的数据格式即可实现二者间的信息交互

 

为简化系统设计过程,捷易科技以第4区双字节读写型作为触摸屏的数据格式系统在运行初始时会对日期进行自动检测根据系统检测到的月份进入对应的季节模式包括自动运行模式和特有模式),用户可以现场情况为依据在触摸屏的参数设置界面自主设置日期和时间,从而使不同用户的多样性需求得以有效满足不同的季节模针对夏季的防炸管及冬季防冻以电辅热介入程度水泵和阀门的开关时间等作为主要区别如在冬季晚上某用户用热水高峰时间为从晚五点到1111点后则不再使用热水此时可对相应的时间进行设定系统检测到冬季日期及时间后自动切换到冬季运行模式11点后则自动进入防冻模式

 

 

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