CN104825052A - 一种温度可调智能加热器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度可调的智能加热器，包括人机接口模块、温度测量模块、控制模块和输出功率控制模块，所述人机接口模块用于设定恒定温度和显示水的温度；所述温度测量模块用于测量水的温度，并将温度数据传输至控制模块；所述控制模块用于接收温度测量模块的温度数据，并进行变参数PID运算，得到加热功率PWM数据，并将加热功率PWM数据输出至输出功率控制模块；所述输出功率控制模块用于加热水温，控制水温。本发明采用变参数的PID运算，根据不同的温差控制加热元件的加热时间，将水温准确控制在室温与沸点温度间的任意温度，温度偏差控制在1.5摄氏度内，而且加热升温快速，温度控制精准，有效防止加热过程中的热过冲。

Description

一种温度可调智能加热器及其控制方法

技术领域

本发明属于家用电器中加热器的技术领域，具体涉及一种温度可调智能加热器及其控制方法。

背景技术

电热水壶作为最常用的家用电器，应用及其广泛，可用于婴幼儿配方奶粉的冲泡、家用泡茶等功能。目前，广泛使用的电热水壶主要采用功率加热管加热水温，利用感温开关自动断电，从而实现控制水温，以适应我们的家用生活领域需要不同的水温，比如：40度用于果汁冲泡、50度、60度用于幼儿配方奶粉的冲泡、70度用于咖啡的冲泡、90度用于泡茶等。配方奶粉作为母乳的替代，在冲泡时对水温有着严格的要求，水温过高或过低都会造成奶粉营养成分的流失、影响婴幼儿的身体发育和营养健康水平。

目前人们对婴幼儿配方奶粉的冲调主要采用以下2种方法：1、直接用冷开水加沸水冲调，或将沸水冷却，然后利用人的感官(手背或嘴)对温度进行感知。2、采用冲奶器进行奶粉冲泡。

在配方奶粉与温水冲对时，温度不准确将导致奶粉的营养的流失，现有冲奶方法，存在以下不足：

1、人工试温，这一方法冲泡奶粉，水温高低靠个人感觉，偏差大，操作麻烦，等待时间长，既不科学也不准确，一不小心还会烫伤。

2、冲奶器冲奶，目前用于婴幼儿市场的冲奶器采用机械式控温的方法或模拟电路控温，恒温效果不好，温度偏差较大。

3、目前市场上还没有一款可以实现任意温度(沸点以下)可调，且能快速加热、精确恒温的多用途电热水壶或冲奶器。

4、为了得到适当冲调温度，所需等待时间长。

发明内容

本发明的目的是要解决上述电热水壶温控不准确、加热温度固定的技术问题，提供一种温控精度高、加热温度可任意设定的温度可调智能加热器。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

本发明所述温度可调的智能加热器，包括人机接口模块、温度测量模块、控制模块和输出功率控制模块，所述人机接口模块用于设定水的恒定温度；

所述控制模块用于接收温度测量模块的温度数据，并与设定的恒定温度数据进行变参数PID运算，得到加热功率脉冲宽度调制(PWM)数据，并将加热功率PWM数据输出至输出功率控制模块；所述变参数PID运算的参数包括加热升温PID参数和恒温PID参数；所述输出功率控制模块用于加热水。

进一步地，所述加热升温PID参数中比例系数为12～15，优选14，积分系数为0.2～0.5，优选0.3；微分系数为0；所述恒温PID参数中比例系数为3～5，优选4；积分系数为0.1～0.2，优选0.1；微分系数为1.5～3，优选2。

进一步地，所述人机接口模块包括用于录入数据的按键和用于显示温度数据的显示单元，方便随时修改恒定温度，并将定时刷新水的温度，方便用户观察温度数据。

进一步地，所述输出功率控制模块包括光耦合器、可控硅和加热元件；

所述控制模块输出的加热功率PWM数据控制光耦合器的导通时间，从而控制可控硅导通的时间，从而控制加热元件的加热时间；所述可控硅用于控制加热元件通电或断电；

所述加热元件用于释放热量，加热水。

进一步地，所述温度测量模块包括温度传感器、用于将传感器检测到的电信号转换成电压信号的变换电路和将电压模拟信号转换成数字信号的模/数转换器。

进一步地，所述控制模块包括微型控制器、PID算法单元和输出温度控制单元。

一种温度可调的智能加热器的控制方法，其步骤包括：

(1)、通过人机接口模块，设定恒定温度；

(2)、通过控制温度测量模块定时测量水的温度，并将水的温度数据传输至控制模块；

(3)、控制模块接收到水的当前温度数据，与步骤(1)中设定的恒定温度进行变参数PID运算，所述变参数PID运算的变参数包括加热升温PID参数和恒温PID参数，所述控制模块通过Q_X＝CmΔT计算水加热到设定温度所需要的能量，其中，C是水的比热容，m是水的质量，△T是温差；通过计算加热电能值，其中q_i为脉冲宽度调制的占空比，P₀为加热元件的额定功率，Δt为脉冲宽度调制输出时间片的时长；

若加热电能值W低于水升温所需能量Q_X的90％，采用加热升温PID参数进行PID运算；

若加热电能值W高于水升温所需能量Q_X的90％，采用恒温PID参数进行PID运算；

若水的目前温度与设定的恒定温度值之差ΔT小于4摄氏度，采用恒温PID参数进行PID运算；

(4)、通过PID运算得到加热功率脉冲宽度调制数据，并定时将加热功率脉冲宽度调制数据输出至输出功率控制模块；

(5)、输出功率控制模块接收到加热功率脉冲宽度调制数据，控制加热的时间，给水加热。

进一步地，所述加热升温PID参数中比例系数为12～15，优选14，积分系数为0.2～0.4，优选0.3，微分系数为0；所述恒温PID参数中比例系数为3～5，优选4，积分系数为0.1～0.2，优选0.1，微分系数为1.5～3，优选2。

进一步地，由于水的温度变化相对较慢，而温度测量模块测量温度很快，所述步骤(3)中，所述控制模块接收到温度测量模块传输的温度数据，通过计算一定时间内的温度平均值来进行PID运算，计算更精确。

进一步地，所述控制模块采用去最值算术平均值滤波法和限幅滤波法处理水的温度数据，所述去最值算术平均值滤波法是控制模块将一定时间内连续接收的温度数据的最大值和最小值去掉，再计算温度的平均值；

所述限幅滤波法是控制模块检测将接收到相邻两个温度值差距大于3.0摄氏度的温度值舍弃，再计算温度的平均值；避免了由于其它原因引起的测量误差而影响测量的水温的准确性，提高测量精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用加热升温PID参数和恒温PID参数的配合进行变参数PID运用，根据不同的温差控制加热元件的加热时间，可以将水的温度准确控制在室温到沸点温度之间的任意温度，温度偏差控制在1.5摄氏度内，而且本发明分段控制，温差较大时，快速加热升温，温差较小时，利用恒温PID参数，缓慢加热升温，温度控制精准，有效防止加热过程中出现热过冲的问题，满足现代人冲泡不同饮品，选用不同水温的要求，并且不需要从沸点温度降至所需要的水温，节省了等待的时间，现煮现用，冲泡效果更佳、更健康。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明所述温度可调的智能加热器的电路框图；

图2是本发明所述温度可调的智能加热器中温度测量模块及控制模块的原理示意图；

图3是本发明所述温度可调的智能加热器中输出功率控制模块的工作原理图；

图4a是本发明所述温度可调的智能加热器的主程序控制流程图；

图4b是本发明所述温度可调的智能加热器的定时器中断处理程序控制流程图；

图5是第一定参数PID控制、第二定参数PID控制和变参数PID控制效果曲线(设定温度为50摄氏度)。

图中：1-人机接口模块，2-温度测量模块，3-控制模块，4-输出功率控制模块，41-光耦合器，42-可控硅，43-加热元件，5-电源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～图5所示，本发明所述温度可调的智能加热器，包括人机接口模块、温度测量模块、控制模块、输出功率控制模块和电源。

所述人机接口模块包括按键和显示单元，用于设定水的恒定温度和显示水的温度数据。

如图2所示，所述温度测量模块所述温度测量模块包括温度传感器、变换电路和A/D转换器，所述温度传感器测出当前水的温度，温度传感器将测量到的温度转换成电信号，再由变换电路转换成相应的电压信号，A/D转换器将电压信号由模拟量转换成数字信号，并将该数字信号传送至控制模块。

所述控制模块包括微型控制器、PID运算单元和输出温度控制单元；所述微型控制器接收温度测量模块的温度数据，通过相应的换算关系将数据转换成为对应的实温度，通过变参数PID运算计算控制功率的PWM数据，并由PWM控制输出功率模块。

所述变参数PID运算的参数有两组，分别为加热升温PID参数和恒温PID参数。

所述微型控制器通过

Q_X＝CmΔT     (1)

计算水加热到设定温度所需要的能量，其中(1)式中，C是水的比热容，m是水的质量，△T是温差；

所述微型控制器通过

$W=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i{P}_0\mathrm{\Δt}---\left(2\right)$

计算加热电能值，其中(2)式中，q_i为脉冲宽度调制的占空比，P₀为加热元件的额定功率，Δt为脉冲宽度调制输出时间片的时长；若加热电能值W低于水升温所需能量Q_X的90％，采用加热升温PID参数进行PID运算；若加热电能值W高于水升温所需能量Q_X的90％，或水的目前温度与设定恒定温度值之差ΔT小于4摄氏度，采用恒温PID参数进行PID运算。

如图3所示，所述输出功率控制模块包括光耦合器41、可控硅42和加热元件43；所述光耦合器41用于控制可控硅42导通的时间；所述可控硅42用于控制加热元件43通电或断电；所述加热元件43用于释放热量，加热水。所述光耦合器41实现光电隔离，微型控制器根据PID算法的计算，改变输出的PWM信号，即有一定占空比的高电平的脉冲信号，在PWM信号为高电平时，光耦合器41导通，光耦合器41导通后，使可控硅42导通，加热元件43通电加热。反之，PWM低电平时，光耦合器41和可控硅42关闭，加热元件43无电压。这样，同样时间片内，通过控制通电时间的长短，就能控制加热的功率。

举例说明PWM控制原理：

比如1000W加热器通电加热，如果以1S(1秒)为时间单位(时间片)，PWM满级为128(将一个时间片分成128份)。

当前PWM值为64，那么占空比为(64/128)*100％＝50％，也就是说每1秒钟通电0.5秒，从理论上来说，1000W加热的实际功率就变成了500W。

当前PWM值为0时，占空比为(0/128)*100％＝0％，每秒钟没有通电时间，1000W的加热实际功率为0W。

以此类推，PWM值为8时，实际功率为1000W*(8/128)*100％＝62.5W。

由于水温每秒的变化相对较慢，而温度传感器采样的速度很快，每秒可以采样上万次温度，所述微控制器接收到温度传感器传递的温度数据，采用去最值算术平均值滤波法处理采样的温度数据，将连接若干次的采样温度的最大值和最小值去掉，再计算其平均值，减少了由于其它因素引起的测量误差而影响测量水的温度的准确性。

所述微控制器还对接收到的温度数据采用限幅滤波算法处理，将相邻采样的温度数据进行比较，若差值大于3.0摄氏度，将该温度数据丢弃，减少了由于其它因素引起的测量误差而影响测量水的温度的准确性，从而使采样的水温更准确。

对于典型的PID控制器，其输出表达式为：

$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+K_d[e\left(k\right)-e(k-1)]---\left(3\right)$

其中，K_p是比例系数，K_i是积分系数，K_d是微分系数，控制量是u(k)为，偏差是e(k)。式中u(k)为PWM值，偏差e(k)为实际值与设定值的差值，e(k-1)为前一次温度采样时的设定温度值与实际温度值的差值。

PID参数整定

(1)比例系数K_p对***性能的影响：

比例系数加大，使***的动作灵敏，速度加快，比例系数K_p太大时，***会趋于不稳定。K_p太小，又会使***的动作缓慢。

(2)积分控制参数K_i对***性能的影响：

积分的作用消除稳态误差，提高***的控制精度。积分系数K_i大，积分作用强，加速稳态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较短，但积分作用过强，会使***过渡时间中有可能产生振荡。

(3)微分控制参数K_d对***性能的影响：

微分参数可以改善动态特性，微分系数K_d偏大时，抑制偏差变化的作用越强。K_d偏小时，反抗偏差变化的作用越弱。只有K_d合适，才能使超调量较小，减短调节时间。

对于一个传统的PID控制器，只有当K_p、K_i、K_d这三个参数选择适当的前提下，才能使***的过渡过程达到快速、平稳和准确的要求。但前提是被控制量变化小，受扰动小，一旦这三个参数整定下来，就不再改变。但我们的被控制量一旦发生变化量大或受强干扰时，传统的定参数PID控制器就难以保证控制精度和稳定度，会出现超调，对于水温控制会出现热过冲现象(如图5中第一定参数PID控制效果曲线)，或者加热很慢(如图5中第二定参数PID控制效果曲线)，影响加热效率。

如图5所示，第一定参数PID控制效果曲线、变速PID控制效果曲线和第二定参数PID控制效果曲线的比较图，三组PID参数，温度加热到设定值后都产生了热过冲，而温度下降部分加热器停止加热，水温都是靠自冷却来达到设定温度值。一般室温(26℃)时水温自冷却的时间为7-18分钟。若冬天室温(5℃)水温自冷却时间更快。本次测量时采用室温(26℃)，选择记录的时间为200(s)。

本次测量选择了两组定参数PID控制温度效果曲线，第一定参数PID控制，加热时间较短，热过冲过大，水温自冷却时间周期较长。第二定参数PID控制，热过冲较小，但加热速度平缓，加热周期较长。

本发明采用变参数PID控制方法。对水温加热到恒温过程分成两个阶段，加热时为了保证较快加热速度，增加比例调节参数K_p，使用加热升温PID参数，其中K_p＝14，K_i＝0.3，K_d＝0；当接近设定温度值时，采用恒温PID参数，其中控制K_p＝4，K_i＝0.1，K_d＝2；计算得到PWM数据，具有较快的加热速度，热过冲控制在1.5℃以内。

如图4a和图4b所示，为了控制精确，本发明所述温度可调智能加热器的控制程序包括主控制程序和定时器中断控制程序，所述定时器中断控制程序控制温度传感器定时测量水的温度和定时输出PWM，从而定时控制加热元件加热。

所述定时器中断处理程序的控制方法为：

(1)定时器中断处理程序设置有定时器，时间计数到设定值，温度传感器测量水的当前温度，并将水的温度数据输出到主控制程序中；

(2)温度传感器准备下一次的取样；

(3)时间计数清零，设置温度更新标志，并将温度更新标志传输至主控制程序；

(4)接收主控制程序输出的PWM值，定时输出PWM值至输出功率控制模块，从而控制加热元件的加热时间，刷新屏幕的显示，定时器中断返回步骤(1)。

所述主控制程序的控制方法为：

(1)、开机自检，***初始化，调取系数默认的恒定温度值；

(2)、通过按键的加减，设定恒定温度，并且通过显示屏显示；

(3)、检测主控制程序是否有接收到定时器中断处理程序中测量到的水的温度数据，若没有接收到新的温度数据，返回步骤(2)，等待定时器中断处理程序的温度数据；若收到了新的温度数据值，保存温度值，并将从定时器中断处理程序中接收的温度更新标志清除；

(4)计算温度平均值，微控制器接收到温度数据，判断其与上一次测量的温度是否不同，不同，即表示温度更新了，温度次数加1，测量的温度次数达到预先设备的数，计算温度的平均值；

(5)计算温度平均值时，微控制器采用去最值算术平均值滤波法和限幅滤波法，所述去最值算述平均值滤波法是将一次计算周期内测量的温度值的最大值和最小值去掉；再计算其平均值；所述限幅滤波法是将相邻两次测量的温度值作比较，若其相差较大，如大于3.0摄氏度，即该温度值舍弃，以避免由于其它因素引起的测量误差影响测量的平均温度值。

(6)、微控制器计算所得温度平均值，与步骤(1)中设定的恒定温度进行变参数PID运算，所述变参数PID运算的变参数包括加热升温PID参数和恒温PID参数，所述加热升温PID参数中比例系数为12～15，优选14；积分系数为0.2～0.5，优选0.3；微分系数为0；所述恒温PID参数中比例系数为3～5，优选4；积分系数为0.1～0.2，优选0.1；微分系数为1.5～3，优选2；所述控制模块通过Q_X＝CmΔT计算水加热到设定温度所需要的能量，其中，C是水的比热容，m是水的质量，△T是温差；通过计算加热电能值，其中q_i为脉冲宽度调制的占空比，P₀为加热器件额定功率，Δt为脉冲宽度调制输出时间片的时长；若加热电能值W低于水升温所需能量Q_X的90％，采用加热升温PID参数运算；若加热电能值W高于水升温所需能量Q_X的90％或温度差△T小于4摄氏度，采用恒温PID参数运算。

(7)、通过PID运算得到加热功率PWM数据，并将加热功率PWM(脉冲宽度调制)数据输出至定时中断程序。

所述主程序中，随时都可以人为修改恒定温度值，提供用户更人性化的选择。

为了确保主控制程序能及时处理定时中断处理程序每次取样的温度数据，主控制程序完成一次完整循环的最长时间都必须小于定时中断程序完成一次取样的间隔时间。

本发明通过变参数的PID运算，通过设定不同的PID参数，对水温加热分为加热升温和恒温两个阶段，在温差较大时，能快速加热水温，在温差较小时，恒定加热水温，温度控制精确，有效防止热过冲，并且有效提高加热效率，节省等待时间。

本实施例所述温度可调智能加热器的其它结构参见现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种温度可调的智能加热器，包括人机接口模块、温度测量模块、控制模块和输出功率控制模块，其特征在于：

所述人机接口模块用于设定水的恒定温度；

所述控制模块用于接收温度测量模块的温度数据，并与设定的恒定温度数据进行变参数PID运算，得到加热功率脉冲宽度调制数据，并将加热功率脉冲宽度调制数据输出至输出功率控制模块；所述变参数PID运算的参数包括加热升温PID参数和恒温PID参数；

所述输出功率控制模块用于加热水。

2.根据权利要求1所述温度可调的智能加热器，其特征在于：所述加热升温PID参数中比例系数为12～15，积分系数为0.2～0.5，微分系数为0；所述恒温PID参数中比例系数为3～5，积分系数为0.1～0.2，微分系数为1.5～3。

3.根据权利要求2所述温度可调的智能加热器，其特征在于：所述加热升温PID参数中比例系数为14，积分系数为0.3，微分系数为0；所述恒温PID参数中比例系数为4，积分系数为0.1，微分系数为2。

4.根据权利要求1所述温度可调的智能加热器，其特征在于：所述人机接口模块包括用于录入数据的按键和用于显示温度数据的显示单元。

5.根据权利要求3所述温度可调的智能加热器，其特征在于：所述输出功率控制模块包括光耦合器、可控硅和加热元件；

所述控制模块输出的加热功率脉冲宽度调制数据控制光耦合器的导通时间，从而控制可控硅导通的时间；

所述可控硅用于控制加热元件通电或断电；

所述加热元件用于释放热量，加热水。

6.根据权利要求3所述温度可调的智能加热器，其特征在于：所述温度测量模块包括温度传感器、用于将传感器检测到的电信号转换成电压信号的变换电路和将电压模拟信号转换成数字信号的模/数转换器。

7.根据权利要求1至6任一项所述温度可调的智能加热器，其特征在于：所述控制模块包括微型控制器、PID算法单元和输出温度控制单元。

8.一种如权利要求1至7任一项所述温度可调的智能加热器的控制方法，其步骤包括：

(1)、通过人机接口模块，设定恒定温度；

(2)、通过控制温度测量模块定时测量水的温度，并将水的温度数据传输至控制模块；

(3)、控制模块接收到水的当前温度数据，与步骤(1)中设定的恒定温度进行变参数PID运算，所述变参数PID运算的变参数包括加热升温PID参数和恒温PID参数，所述控制模块通过Q_X＝CmΔT计算水加热到设定温度所需要的能量，其中，C是水的比热容，m是水的质量，△T是温差；通过计算加热电能值，其中q_i为脉冲宽度调制的占空比，P₀为加热元件的额定功率，Δt为脉冲宽度调制输出时间片的时长；

若加热电能值W低于水升温所需能量Q_X的90％，采用加热升温PID参数进行PID运算；

若加热电能值W高于水升温所需能量Q_X的90％，采用恒温PID参数进行PID运算；

若水的目前温度与设定的恒定温度值之差ΔT小于4摄氏度，采用恒温PID参数进行PID运算；

(4)、通过PID运算得到加热功率脉冲宽度调制数据，并定时将加热功率脉冲宽度调制数据输出至输出功率控制模块；

(5)、输出功率控制模块接收到加热功率脉冲宽度调制数据，控制加热的时间，给水加热。

9.根据权利要求8所述温度可调的智能加热器的控制方法，其特征在于：所述加热升温PID参数中比例系数为12～15，积分系数为0.2～0.5，微分系数为0；所述恒温PID参数中比例系数为3～5，积分系数为0.1～0.2，微分系数为1.5～3。

10.根据权利要求8所述温度可调的智能加热器的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述控制模块接收到温度测量模块传输的温度数据，通过计算一定时间内的温度平均值来进行PID运算；

所述控制模块采用去最值算术平均值滤波法和限幅滤波法处理水的温度数据，所述去最值算术平均值滤波法是控制模块将一定时间内连续接收的温度数据的最大值和最小值去掉，再计算温度的平均值；

所述限幅滤波法是控制模块检测将接收到相邻两个温度值差距大于3.0摄氏度的温度值舍弃，再计算温度的平均值。