CN109709841A - 一种位置式pid控制电解强度的饮水系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位置式PID控制电解强度的饮水系统，通过微控制器、整流放大电路、电解方向控制电路、电解系统、电流/电压转换电路、水流流速检测电路和反馈电压采集模块的组合设计，采用全新的电解控制结构设计，微控制器应用PID算法控制，通过不同占空比PWM波的输出，经所设计整流放大电路后，对电解槽中的电解电流实现控制，同时以电解槽中所采集两端的电解电压信号、以及水流流速信号作为反馈，针对所输出的PWM波进行修正，最终使得电解槽的电解电流、以及两端的电解电压，根据电解档位的设定，稳定在响应的固定值上，达到稳定电解的效果，能够准确控制电解强度，能够满足多种身体状况人群所需的不同碱性强度。

Description

一种位置式PID控制电解强度的饮水系统

技术领域

本发明涉及一种位置式PID控制电解强度的饮水系统，属于医疗技术领域。

背景技术

目前市场上现有的健康饮水系统比较多，其工作原理各不相同，常见的主要有饮水机和净水机，上述两种饮水系统价格、功效、使用体验方面各有不同，从而能适合不同的购买人群，但是却未有把碱性等级放在主要位置来作为评判饮水标准的饮水系统。

现有的技术方案1：

普通的饮水机是将桶装纯净水（或矿泉水）升温或降温并方便人们饮用的装置。机器上方放桶装水，与桶装水配套使用。饮水机，归纳起来分为温热、冰热、冰温热三种类型，冰热机又分半导体制冷饮水机和压缩机式制冷饮水机两种。饮水机本身也存在很多不足,一是水沸腾温度不足,绝大多数的饮水机最高温度是95度,再沸腾温度是90度，泡茶杀菌的温度不够；二是对于饮水机的温水反复加热,形成所谓的“千滚水”,令水中的微量元素、矿物质积累形成不可溶微粒；三是饮水机内部难以清洗，容易积累水垢、细菌；其次就是饮水机根本没有考虑到碱性水对治疗一些疾病的重要性。

现有的技术方案2：

净水器也叫净水机、水质净化器，是按对水的使用要求对水质进行深度过滤、净化处理的水处理设备。平时所讲的净水器，一般是指用作家庭使用的小型净化器。净水设备采用两种方式杀菌，一是添加消毒剂，消毒剂能杀死一部分细菌，但消毒剂中含有微量危害人体健康的化学成份；二是紫外线杀菌，紫外线杀菌技术是国际公认最有效的杀菌技术之一，因为紫外线杀菌安全、高效，可以快速杀死几乎所有细菌；并且紫外线杀菌采用物理原理杀菌，不需任何化学剂，不会对人体有副作用。然而同样存在着不同提供各种碱性强度的引用水。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种位置式PID控制电解强度的饮水系统，能够准确控制电解强度，所获碱性水PH值准确，饮水质量高，安全可靠，能够满足多种身体状况人群所需的不同碱性强度。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种位置式PID控制电解强度的饮水系统，用于针对自来水进行电解控制，获得碱性水，包括微控制器、整流放大电路、电解方向控制电路、电解系统、电流/电压转换电路、水流流速检测电路和反馈电压采集模块；电解系统中包括电解槽；

其中，微控制器的输出端与整流放大电路的输入端相连接，微控制器应用位置式PID算法，向整流放大电路输送PWM波；整流放大电路的输出端与电解槽中的继电器相对接，由整流放大电路向电解槽中的继电器输出电流，驱动、并控制电解槽中自来水中的电解电流；

电解方向控制电路的输入端与微控制器的电解方向控制端相对接，电解方向控制电路的输出端对接电解槽中的继电器，用于控制电解槽中电解电流的方向；

电流/电压转换电路的输入端对接电解槽中的继电器，用于采集电解槽中的电解电流，并转换为电压信号；电流/电压转换电路的输出端与反馈电压采集模块的输入端相连接，反馈电压采集模块的输出端对接微控制器的输入端，用于将所采集的电压信号输送至微控制器；

水流流速检测电路的输出端与微控制器相连接，水流流速检测电路用于检测获得电解槽中的水流流速，并上传至微控制器中；

微控制器根据根据反馈电压采集模块的反馈电解电压信号、以及水流流速检测电路的水流流速，应用位置式PID算法，控制输出PWM波的占空比，针对电解槽两端电压、以及电解电流进行控制，实现对自来水的电解控制，获得碱性水。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括阀门控制电路，所述电解系统中还包括进水箱、进水阀门、滤芯设备、碱水阀门、出水箱和酸水阀门；其中，进水箱中存储自来水，进水箱的输出端经进水阀门对接滤芯设备的输入端，滤芯设备的输出端对接所述电解槽的输入端，电解槽中碱水侧的输出端经碱水阀门对接出水箱入口，出水箱用于存储经过电解获得的碱性水，电解槽中酸水侧的输出端对接酸水阀门；

阀门控制电路拥有三个输入端、三个输出端，且三个输入端分别与三个输出端一一对应，三组相互对应的输入端、输出端分别与进水阀门、碱水阀门、酸水阀门一一对应，阀门控制电路的三个输入端分别对接所述微控制器上对应阀门的控制信号，阀门控制电路的三个输出端分别对接其所对应的阀门。

作为本发明的一种优选技术方案：所述阀门控制电路包括接插件CN4、二极管D20、二极管D21、二极管D22、以及三个阀门控制电路；接插件CN4中设有6个触点，其中，接插件CN4中第1触点输入端、第3触点输入端、第5触点输入端三者相连、并对接供电电压，接插件CN4中第2触点输入端、第4触点输入端、第6触点输入端分别二极管D22的阳极、二极管D21的阳极、二极管D20的阳极；二极管D22的阴极、二极管D21的阴极、二极管D20的阴极三者相连、并对接供电电压；同时，接插件CN4中第2触点、第4触点、第6触点分别与三个阀门控制电路一一对应，接插件CN4中第2触点输入端、第4触点输入端、第6触点输入端分别与对应阀门控制电路的输出端相对接；

各个阀门控制电路的结构彼此相同，各个阀门控制电路分别均包括N沟道mos管Q31、电感R77、电感R78、电感R54、NPN型三极管Q17、电感R7、电感R42；各个阀门控制电路中，N沟道mos管Q31并联一个二极管，且该二极管的阳极对接N沟道mos管Q31的源极，N沟道mos管Q31的源极接地，该二极管的阴极对接N沟道mos管Q31的漏极，同时，N沟道mos管Q31的漏极作为该阀门控制电路的输出端；N沟道mos管Q31的栅极对接电感R77的其中一端，电感R77的另一端分别对接电感R78的其中一端、电感R54的其中一端、以及NPN型三极管Q17的集电极；NPN型三极管Q17的基极对接电感R7的其中一端，电感R78的另一端、NPN型三极管Q17的发射极、电感R7的另一端三者相连、并接地；电感R54的另一端对接供电电压；同时，NPN型三极管Q17的基极对接电感R42的其中一端，电感R42的另一端作为该阀门控制电路的输入端；

三个阀门控制电路分别与进水阀门、碱水阀门、酸水阀门一一对应，三个阀门控制电路的输入端分别对接所述微控制器上对应阀门的控制信号，三个阀门控制电路输出端分别所相连接插件CN4中触点的输出端、分别对接对应阀门。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括两个液位检测装置，两个液位检测装置的输出端分别对接所述微控制器，两个液位检测装置分别设置于所述进水箱中和所述出水箱中，分别用于进水箱、出水箱中液体的液位，并分别上传至微控制器当中。

作为本发明的一种优选技术方案：所述水流流速检测电路包括流量计器件、接插件CN22、电阻R81、电容C41、电阻R95、电阻R88、NPN型三极管Q11和电阻R82；其中，接插件CN22中设有3个触点，接插件CN22的输入端对接流量计器件的输出端，流量计器件设于电解槽中，用于检测获得电解槽中的水流流速；接插件CN22中第1触点的输出端与电阻R81的其中一端相连、并对接供电电压；接插件CN22中第3触点的输出端分别对接电阻R81的另一端、电容C41的其中一端、以及电阻R95的其中一端；接插件CN22中第2触点的输出端与电容C41的另一端相连、并接地；电阻R95的另一端分别与电阻R88的其中一端、NPN型三极管Q11的基极；电阻R88的另一端、NPN型三极管Q11的发射极分别接地；NPN型三极管Q11的集电极对接电阻R82的其中一端；电阻R82的另一端连接供电电压；同时，NPN型三极管Q11的集电极作为水流流速检测电路的输出端，水流流速检测电路的输出端对接所述微控制器的脉冲采集端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述流量计器件为霍尔元件。

作为本发明的一种优选技术方案：所述整流放大电路包括接插件CN3、电感R40、电感R4、NPN型三极管Q16、电感R53、电感R57和P沟道整流器Q20；其中，接插件CN3中设有4个接触点，接插件CN3的输入端对接所述电解槽供电电源；接插件CN3中第2触点的输出端、第4触点的输出端分别接地；接插件CN3中第3触点的输出端对接供电电源；P沟道mos管Q20并联一个二极管，且该二极管的阳极对接P沟道mos管Q20的源极，该二极管的阴极对接P沟道mos管Q20的漏极，同时，P沟道mos管Q20的漏极作为整流放大电路的输出端，对接所述电解槽中的继电器，用于向电解槽输出驱动控制电流；接插件CN3中第1个触点的输出端分别对接电感R53的其中一端、P沟道mos管Q20的源极；P沟道mos管Q20的栅极对接电感R57的其中一端；电感R53的另一端、电感R57的另一端、以及NPN型三极管Q16的集电极三者相对接；NPN型三极管Q16的基极分别对接电感R4的其中一端、电感R40的其中一端；NPN型三极管Q16的发射极与电感R4的另一端相连，并接地；电感R40的另一端对接所述微控制器的PWM波输出端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电解方向控制电路包括接插件CN10、二极管D14、电感R58、电感R29和NPN型三极管Q15；其中，微控制器的电解方向控制端与电感R58的其中一端相对接；电感R58的另一端分别对接电感R29的其中一端、NPN型三极管Q15的基极；电感R29的另一端与NPN型三极管Q15的发射极相连、并接地；NPN型三极管Q15的集电极分别对接二极管D14的阳极、所述电解槽中继电器的7号触点；二极管D14的阴极与电解槽中继电器的8号触点相连、并对接供电电源；所述整流放大电路的输出端与电解槽中继电器的1号触点、6号触点相对接；接插件CN10中设有2个触点，电解槽中继电器的4号触点、3号触点分别对接接插件CN10中2个触点的输入端，接插件CN10中2个触点的输出端分别对接导线、置于电解槽中的两端；电解槽中继电器的2号触点、5号触点彼此相连，该相连端用于提供电解槽中电解电流的采集，并对接所述电流/电压转换电路的输入端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电流/电压转换电路包括电感R209、电感R208、电感R60、运放器IC1A、电容C2和二极管D1；其中，运放器IC1A的正向输入端与电感R60的其中一端相连，且该相连端作为电流/电压转换电路的输入端；电感R60的另一端、运放器IC1A的负极取电端、二极管D1的阳极三者相连、并接地；运放器IC1A的负向输入端分别对接电感R209的其中一端、电感R208的其中一端；电感R209的另一端接地；运放器IC1A的正极取电端分别对接电容C2的其中一端、以及供电电源，电容C2的另一端接地；电感R208的另一端、运放器IC1A的输出端、二极管D1的阴极三者相连，且该相连端作为电流/电压转换电路的输出端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述反馈电压采集模块为所述微控制器自带的12位ADC片上模块，并通过DMA方式由电流/电压转换电路输出端获取电压信号。

本发明所述一种位置式PID控制电解强度的饮水系统采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计一种位置式PID控制电解强度的饮水系统，采用全新的电解控制结构设计，微控制器应用PID算法控制，通过不同占空比PWM波的输出，经所设计整流放大电路后，对电解槽中的电解电流实现控制，同时以电解槽中所采集两端的电解电压信号、以及水流流速信号作为反馈，针对所输出的PWM波进行修正，最终使得电解槽的电解电流、以及两端的电解电压，根据电解档位的设定，稳定在响应的固定值上，达到稳定电解的效果，能够准确控制电解强度，所获碱性水PH值准确，饮水质量高，安全可靠，能够满足多种身体状况人群所需的不同碱性强度。

附图说明

图1是本发明所设计位置式PID控制电解强度的饮水系统的功能框图；

图2是本发明所设计位置式PID控制电解强度的饮水系统中微控制器的主控示意图；

图3是本发明所设计位置式PID控制电解强度的饮水系统中水流流速检测电路示意图；

图4是本发明所设计位置式PID控制电解强度的饮水系统中阀门控制电路示意图；

图5是本发明所设计位置式PID控制电解强度的饮水系统中整流放大电路、电解方向控制电路、电流/电压转换电路组合示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

众所周知，正常人的体液PH值都在7.35—7.45之间，呈现弱碱性，不在这个范围的都会出现亚健康情况。现代生活中，由于熬夜、饮食不均衡等不良生活习惯，加上恶劣外界环境的影响，大多数原本是碱性体质的人逐渐转变成酸性体质，出现新陈代谢缓慢、易疲劳、情绪不稳定、容易患病等问题，碱性水的作用主要是帮助调理这些酸性体质，让身体恢复健康的弱碱性。对体质改善方面有诸多好处：

1、碱性水是现代人远离疾病，改善亚健康状况的选择之一。研究发现，酸性体质的人如果长期处于酸性体质不加以改善成弱碱性体质，那么女性皮肤会容易变衰老，儿童容易出现发育不良、注意力不集中情况，而老年人则容易引发糖尿病、心血管疾病等等。 通过饮用碱性水调节人体酸碱平衡，让体液恢复到正常的弱碱性，以上问题将得到很好的缓解。

2、碱性水可以解决便秘问题。韩国有一位医学教授对便秘一年以上的15位患者进行临床实验，发现便秘患者喝碱性水的前后有明显的差别，所有人的症状都得到缓解。之后发现原因是便秘者的大肠过于酸性使得血液循环不顺畅，润滑剂的分泌不足而造成便秘，适量喝些碱性水能中和肠道酸性。

3、碱性水能美容，酸性体质容易让人们未老先衰，出现皮肤松弛、皱纹增加、记忆力减退问题，适量地常喝碱性水可以保持人体酸碱平衡，延缓衰老。

本发明设计了一种位置式PID控制电解强度的饮水系统，用于针对自来水进行电解控制，获得碱性水，实际应用中，如图1所示，具体包括微控制器、整流放大电路、电解方向控制电路、电解系统、电流/电压转换电路、水流流速检测电路、反馈电压采集模块、阀门控制电路和两个液位检测装置；电解系统中包括电解槽、进水箱、进水阀门、滤芯设备、碱水阀门、出水箱和酸水阀门。

其中，微控制器的输出端与整流放大电路的输入端相连接，微控制器应用位置式PID算法，向整流放大电路输送PWM波；整流放大电路的输出端与电解槽中的继电器相对接，由整流放大电路向电解槽中的继电器输出电流，驱动、并控制电解槽中自来水中的电解电流。

电解方向控制电路的输入端与微控制器的电解方向控制端相对接，电解方向控制电路的输出端对接电解槽中的继电器，用于控制电解槽中电解电流的方向。

电流/电压转换电路的输入端对接电解槽中的继电器，用于采集电解槽中的电解电流，并转换为电压信号；电流/电压转换电路的输出端与反馈电压采集模块的输入端相连接，反馈电压采集模块的输出端对接微控制器的输入端，用于将所采集的电压信号输送至微控制器。

水流流速检测电路的输出端与微控制器相连接，水流流速检测电路用于检测获得电解槽中的水流流速，并上传至微控制器中。

微控制器根据根据反馈电压采集模块的反馈电解电压信号、以及水流流速检测电路的水流流速，应用位置式PID算法，控制输出PWM波的占空比，针对电解槽两端电压、以及电解电流进行控制，实现对自来水的电解控制，获得碱性水。

电解系统中，进水箱中存储自来水，进水箱的输出端经进水阀门对接滤芯设备的输入端，滤芯设备的输出端对接所述电解槽的输入端，电解槽中碱水侧的输出端经碱水阀门对接出水箱入口，出水箱用于存储经过电解获得的碱性水，电解槽中酸水侧的输出端对接酸水阀门。

阀门控制电路拥有三个输入端、三个输出端，且三个输入端分别与三个输出端一一对应，三组相互对应的输入端、输出端分别与进水阀门、碱水阀门、酸水阀门一一对应，阀门控制电路的三个输入端分别对接所述微控制器上对应阀门的控制信号，阀门控制电路的三个输出端分别对接其所对应的阀门。

阀门控制电路包括接插件CN4、二极管D20、二极管D21、二极管D22、以及三个阀门控制电路；接插件CN4中设有6个触点，其中，接插件CN4中第1触点输入端、第3触点输入端、第5触点输入端三者相连、并对接供电电压，接插件CN4中第2触点输入端、第4触点输入端、第6触点输入端分别二极管D22的阳极、二极管D21的阳极、二极管D20的阳极；二极管D22的阴极、二极管D21的阴极、二极管D20的阴极三者相连、并对接供电电压；同时，接插件CN4中第2触点、第4触点、第6触点分别与三个阀门控制电路一一对应，接插件CN4中第2触点输入端、第4触点输入端、第6触点输入端分别与对应阀门控制电路的输出端相对接。

各个阀门控制电路的结构彼此相同，各个阀门控制电路分别均包括N沟道mos管Q31、电感R77、电感R78、电感R54、NPN型三极管Q17、电感R7、电感R42；各个阀门控制电路中，N沟道mos管Q31并联一个二极管，且该二极管的阳极对接N沟道mos管Q31的源极，N沟道mos管Q31的源极接地，该二极管的阴极对接N沟道mos管Q31的漏极，同时，N沟道mos管Q31的漏极作为该阀门控制电路的输出端；N沟道mos管Q31的栅极对接电感R77的其中一端，电感R77的另一端分别对接电感R78的其中一端、电感R54的其中一端、以及NPN型三极管Q17的集电极；NPN型三极管Q17的基极对接电感R7的其中一端，电感R78的另一端、NPN型三极管Q17的发射极、电感R7的另一端三者相连、并接地；电感R54的另一端对接供电电压；同时，NPN型三极管Q17的基极对接电感R42的其中一端，电感R42的另一端作为该阀门控制电路的输入端。

三个阀门控制电路分别与进水阀门、碱水阀门、酸水阀门一一对应，三个阀门控制电路的输入端分别对接所述微控制器上对应阀门的控制信号，三个阀门控制电路输出端分别所相连接插件CN4中触点的输出端、分别对接对应阀门。

通过上述所设计的阀门控制电路，从而实现微控制器的弱信号控制阀门的强信号。

两个液位检测装置的输出端分别对接所述微控制器，两个液位检测装置分别设置于所述进水箱中和所述出水箱中，分别用于进水箱、出水箱中液体的液位，并分别上传至微控制器当中；液位检测装置采用浮球传感器，当进水箱缺水或者出水箱已满的状态，检测浮球与微控制器所连接的引脚呈现相应的电平状态。

水流流速检测电路包括流量计器件、接插件CN22、电阻R81、电容C41、电阻R95、电阻R88、NPN型三极管Q11和电阻R82；其中，接插件CN22中设有3个触点，接插件CN22的输入端对接流量计器件的输出端，流量计器件设于电解槽中，用于检测获得电解槽中的水流流速；接插件CN22中第1触点的输出端与电阻R81的其中一端相连、并对接供电电压；接插件CN22中第3触点的输出端分别对接电阻R81的另一端、电容C41的其中一端、以及电阻R95的其中一端；接插件CN22中第2触点的输出端与电容C41的另一端相连、并接地；电阻R95的另一端分别与电阻R88的其中一端、NPN型三极管Q11的基极；电阻R88的另一端、NPN型三极管Q11的发射极分别接地；NPN型三极管Q11的集电极对接电阻R82的其中一端；电阻R82的另一端连接供电电压；同时，NPN型三极管Q11的集电极作为水流流速检测电路的输出端，水流流速检测电路的输出端对接所述微控制器的脉冲采集端；实际应用中，所述流量计器件为霍尔元件，并具体应用干簧管，通过霍尔效应来测量磁性物理量，再通过上述水流流速检测电路将水流流速所对应的磁性物理量，转换为脉冲输出信号，再由微控制器的脉冲采集模块测得脉冲数，进而转化为实际的水流速。该流量计测量的范围为0 - 2L/min，工作压力是0.8Mp，工作温度是-20℃ - 85℃。

整流放大电路包括接插件CN3、电感R40、电感R4、NPN型三极管Q16、电感R53、电感R57和P沟道整流器Q20；其中，NPN型三极管Q16具体应用MMBT5551LT1G，P沟道整流器具体应用Q20IRF5210PBF；接插件CN3中设有4个接触点，接插件CN3的输入端对接所述电解槽供电电源；接插件CN3中第2触点的输出端、第4触点的输出端分别接地；接插件CN3中第3触点的输出端对接供电电源；P沟道mos管Q20并联一个二极管，且该二极管的阳极对接P沟道mos管Q20的源极，该二极管的阴极对接P沟道mos管Q20的漏极，同时，P沟道mos管Q20的漏极作为整流放大电路的输出端，对接所述电解槽中的继电器，用于向电解槽输出驱动控制电流；接插件CN3中第1个触点的输出端分别对接电感R53的其中一端、P沟道mos管Q20的源极；P沟道mos管Q20的栅极对接电感R57的其中一端；电感R53的另一端、电感R57的另一端、以及NPN型三极管Q16的集电极三者相对接；NPN型三极管Q16的基极分别对接电感R4的其中一端、电感R40的其中一端；NPN型三极管Q16的发射极与电感R4的另一端相连，并接地；电感R40的另一端对接所述微控制器的PWM波输出端。

电解方向控制电路包括接插件CN10、二极管D14、电感R58、电感R29和NPN型三极管Q15；其中，微控制器的电解方向控制端与电感R58的其中一端相对接；电感R58的另一端分别对接电感R29的其中一端、NPN型三极管Q15的基极；电感R29的另一端与NPN型三极管Q15的发射极相连、并接地；实际应用中，电解槽中继电器具体应用HF115F-024-2ZS4继电器；NPN型三极管Q15的集电极分别对接二极管D14的阳极、所述电解槽中继电器的7号触点；二极管D14的阴极与电解槽中继电器的8号触点相连、并对接供电电源；所述整流放大电路的输出端与电解槽中继电器的1号触点、6号触点相对接；接插件CN10中设有2个触点，电解槽中继电器的4号触点、3号触点分别对接接插件CN10中2个触点的输入端，接插件CN10中2个触点的输出端分别对接导线、置于电解槽中的两端；电解槽中继电器的2号触点、5号触点彼此相连，该相连端用于提供电解槽中电解电流的采集，并对接所述电流/电压转换电路的输入端。

电流/电压转换电路包括电感R209、电感R208、电感R60、运放器IC1A、电容C2和二极管D1；其中，运放器IC1A的正向输入端与电感R60的其中一端相连，且该相连端作为电流/电压转换电路的输入端；电感R60的另一端、运放器IC1A的负极取电端、二极管D1的阳极三者相连、并接地；运放器IC1A的负向输入端分别对接电感R209的其中一端、电感R208的其中一端；电感R209的另一端接地；运放器IC1A的正极取电端分别对接电容C2的其中一端、以及供电电源，电容C2的另一端接地；电感R208的另一端、运放器IC1A的输出端、二极管D1的阴极三者相连，且该相连端作为电流/电压转换电路的输出端；反馈电压采集模块为所述微控制器自带的12位ADC片上模块，并通过DMA方式由电流/电压转换电路输出端获取电压信号。

通过上述所设计电流/电压转换电路，将电解槽的电解电流通过精密电阻0.01R1% 转换成电压，由于电解槽的电解电流相对较大，采用精度为1%的电阻，转换出的电压能够保证很小的误差，加之最后微控制器的ADC片上模块的采集精度为 2¹²，采集的PID控制对象的返回值误差很小，与控制量级别相比，几乎可以忽略；

上述技术方案所设计位置式PID控制电解强度的饮水系统，在实际应用中，微控制器应用位置式PID算法的PWM波输出中：位置式PID控制的输出与整个过去的状态有关，用到了误差的累加值;本发明采用的是P-比例部分和D-微分部分实现PD控制。

比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。 控制作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性故而， 比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。

微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分， 或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。

本设计所用的位置式PID公式为：u(k) = Kp*e(k) + kd*[e(k) – e(k-1)]；单片机采集的AD数字量乘以上一次PWM的占空比就是PID控制对象的实际映射值，PWM的期望值减去实际映射值即为e(k),e(k-1)是上一次的误差值，通过调试选取最合理的Kp值与Kd值，让电解槽的电解电压和电解电流在不同的档位稳定到相应的值。

微控制器应用位置式PID控制进行PWM波输出，是以电解槽的电解电流作为控制对象，微控制器输出的PWM波占空比与控制对象电解槽电解电流成正相关，将反馈电压采集模块所获得的数字量乘以上一次PWM波输出的占空比百分数，就是对应控制对象的实际电流平均值的数字意义，将其作为PID的实际值，然后与PWM波给的期望值，共同作为PID算法的原始数据，计算出新的PWM值然后输出。最终使得电解槽的电解电流、以及两端的电解电压，根据电解档位的设定，稳定在响应的固定值上，达到稳定电解的效果。

本发明还在算法上进行了过操作保护，即电解槽的电解电流不会超过其安全使用范围，主要就是控制PWM输出的占空比不会超过80%，这样对应的电解电流不会超过安全使用范围。

当水流速度太快，电解槽的电解效果就会有影响，所以本发明用流量计测试实际的电解槽的水流流速，这样在水流速度太快时，会提醒用户将水流关小，以免影响饮用水的电解水质。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种位置式PID控制电解强度的饮水系统，用于针对自来水进行电解控制，获得碱性水，其特征在于：包括微控制器、整流放大电路、电解方向控制电路、电解系统、电流/电压转换电路、水流流速检测电路和反馈电压采集模块；电解系统中包括电解槽；

其中，微控制器的输出端与整流放大电路的输入端相连接，微控制器应用位置式PID算法，向整流放大电路输送PWM波；整流放大电路的输出端与电解槽中的继电器相对接，由整流放大电路向电解槽中的继电器输出电流，驱动、并控制电解槽中自来水中的电解电流；

电解方向控制电路的输入端与微控制器的电解方向控制端相对接，电解方向控制电路的输出端对接电解槽中的继电器，用于控制电解槽中电解电流的方向；

电流/电压转换电路的输入端对接电解槽中的继电器，用于采集电解槽中的电解电流，并转换为电压信号；电流/电压转换电路的输出端与反馈电压采集模块的输入端相连接，反馈电压采集模块的输出端对接微控制器的输入端，用于将所采集的电压信号输送至微控制器；

水流流速检测电路的输出端与微控制器相连接，水流流速检测电路用于检测获得电解槽中的水流流速，并上传至微控制器中；

微控制器根据根据反馈电压采集模块的反馈电解电压信号、以及水流流速检测电路的水流流速，应用位置式PID算法，控制输出PWM波的占空比，针对电解槽两端电压、以及电解电流进行控制，实现对自来水的电解控制，获得碱性水。

2.根据权利要求1所述位置式PID控制电解强度的饮水系统，其特征在于：还包括阀门控制电路，所述电解系统中还包括进水箱、进水阀门、滤芯设备、碱水阀门、出水箱和酸水阀门；其中，进水箱中存储自来水，进水箱的输出端经进水阀门对接滤芯设备的输入端，滤芯设备的输出端对接所述电解槽的输入端，电解槽中碱水侧的输出端经碱水阀门对接出水箱入口，出水箱用于存储经过电解获得的碱性水，电解槽中酸水侧的输出端对接酸水阀门；

阀门控制电路拥有三个输入端、三个输出端，且三个输入端分别与三个输出端一一对应，三组相互对应的输入端、输出端分别与进水阀门、碱水阀门、酸水阀门一一对应，阀门控制电路的三个输入端分别对接所述微控制器上对应阀门的控制信号，阀门控制电路的三个输出端分别对接其所对应的阀门。

3.根据权利要求2所述位置式PID控制电解强度的饮水系统，其特征在于：所述阀门控制电路包括接插件CN4、二极管D20、二极管D21、二极管D22、以及三个阀门控制电路；接插件CN4中设有6个触点，其中，接插件CN4中第1触点输入端、第3触点输入端、第5触点输入端三者相连、并对接供电电压，接插件CN4中第2触点输入端、第4触点输入端、第6触点输入端分别二极管D22的阳极、二极管D21的阳极、二极管D20的阳极；二极管D22的阴极、二极管D21的阴极、二极管D20的阴极三者相连、并对接供电电压；同时，接插件CN4中第2触点、第4触点、第6触点分别与三个阀门控制电路一一对应，接插件CN4中第2触点输入端、第4触点输入端、第6触点输入端分别与对应阀门控制电路的输出端相对接；

各个阀门控制电路的结构彼此相同，各个阀门控制电路分别均包括N沟道mos管Q31、电感R77、电感R78、电感R54、NPN型三极管Q17、电感R7、电感R42；各个阀门控制电路中，N沟道mos管Q31并联一个二极管，且该二极管的阳极对接N沟道mos管Q31的源极，N沟道mos管Q31的源极接地，该二极管的阴极对接N沟道mos管Q31的漏极，同时，N沟道mos管Q31的漏极作为该阀门控制电路的输出端；N沟道mos管Q31的栅极对接电感R77的其中一端，电感R77的另一端分别对接电感R78的其中一端、电感R54的其中一端、以及NPN型三极管Q17的集电极；NPN型三极管Q17的基极对接电感R7的其中一端，电感R78的另一端、NPN型三极管Q17的发射极、电感R7的另一端三者相连、并接地；电感R54的另一端对接供电电压；同时，NPN型三极管Q17的基极对接电感R42的其中一端，电感R42的另一端作为该阀门控制电路的输入端；

三个阀门控制电路分别与进水阀门、碱水阀门、酸水阀门一一对应，三个阀门控制电路的输入端分别对接所述微控制器上对应阀门的控制信号，三个阀门控制电路输出端分别所相连接插件CN4中触点的输出端、分别对接对应阀门。

4.根据权利要求2所述位置式PID控制电解强度的饮水系统，其特征在于：还包括两个液位检测装置，两个液位检测装置的输出端分别对接所述微控制器，两个液位检测装置分别设置于所述进水箱中和所述出水箱中，分别用于进水箱、出水箱中液体的液位，并分别上传至微控制器当中。

5.根据权利要求1所述位置式PID控制电解强度的饮水系统，其特征在于：所述水流流速检测电路包括流量计器件、接插件CN22、电阻R81、电容C41、电阻R95、电阻R88、NPN型三极管Q11和电阻R82；其中，接插件CN22中设有3个触点，接插件CN22的输入端对接流量计器件的输出端，流量计器件设于电解槽中，用于检测获得电解槽中的水流流速；接插件CN22中第1触点的输出端与电阻R81的其中一端相连、并对接供电电压；接插件CN22中第3触点的输出端分别对接电阻R81的另一端、电容C41的其中一端、以及电阻R95的其中一端；接插件CN22中第2触点的输出端与电容C41的另一端相连、并接地；电阻R95的另一端分别与电阻R88的其中一端、NPN型三极管Q11的基极；电阻R88的另一端、NPN型三极管Q11的发射极分别接地；NPN型三极管Q11的集电极对接电阻R82的其中一端；电阻R82的另一端连接供电电压；同时，NPN型三极管Q11的集电极作为水流流速检测电路的输出端，水流流速检测电路的输出端对接所述微控制器的脉冲采集端。

6.根据权利要求5所述位置式PID控制电解强度的饮水系统，其特征在于：所述流量计器件为霍尔元件。

7.根据权利要求1所述位置式PID控制电解强度的饮水系统，其特征在于：所述整流放大电路包括接插件CN3、电感R40、电感R4、NPN型三极管Q16、电感R53、电感R57和P沟道整流器Q20；其中，接插件CN3中设有4个接触点，接插件CN3的输入端对接所述电解槽供电电源；接插件CN3中第2触点的输出端、第4触点的输出端分别接地；接插件CN3中第3触点的输出端对接供电电源；P沟道mos管Q20并联一个二极管，且该二极管的阳极对接P沟道mos管Q20的源极，该二极管的阴极对接P沟道mos管Q20的漏极，同时，P沟道mos管Q20的漏极作为整流放大电路的输出端，对接所述电解槽中的继电器，用于向电解槽输出驱动控制电流；接插件CN3中第1个触点的输出端分别对接电感R53的其中一端、P沟道mos管Q20的源极；P沟道mos管Q20的栅极对接电感R57的其中一端；电感R53的另一端、电感R57的另一端、以及NPN型三极管Q16的集电极三者相对接；NPN型三极管Q16的基极分别对接电感R4的其中一端、电感R40的其中一端；NPN型三极管Q16的发射极与电感R4的另一端相连，并接地；电感R40的另一端对接所述微控制器的PWM波输出端。

8.根据权利要求1所述位置式PID控制电解强度的饮水系统，其特征在于：所述电解方向控制电路包括接插件CN10、二极管D14、电感R58、电感R29和NPN型三极管Q15；其中，微控制器的电解方向控制端与电感R58的其中一端相对接；电感R58的另一端分别对接电感R29的其中一端、NPN型三极管Q15的基极；电感R29的另一端与NPN型三极管Q15的发射极相连、并接地；NPN型三极管Q15的集电极分别对接二极管D14的阳极、所述电解槽中继电器的7号触点；二极管D14的阴极与电解槽中继电器的8号触点相连、并对接供电电源；所述整流放大电路的输出端与电解槽中继电器的1号触点、6号触点相对接；接插件CN10中设有2个触点，电解槽中继电器的4号触点、3号触点分别对接接插件CN10中2个触点的输入端，接插件CN10中2个触点的输出端分别对接导线、置于电解槽中的两端；电解槽中继电器的2号触点、5号触点彼此相连，该相连端用于提供电解槽中电解电流的采集，并对接所述电流/电压转换电路的输入端。

9.根据权利要求1所述位置式PID控制电解强度的饮水系统，其特征在于：所述电流/电压转换电路包括电感R209、电感R208、电感R60、运放器IC1A、电容C2和二极管D1；其中，运放器IC1A的正向输入端与电感R60的其中一端相连，且该相连端作为电流/电压转换电路的输入端；电感R60的另一端、运放器IC1A的负极取电端、二极管D1的阳极三者相连、并接地；运放器IC1A的负向输入端分别对接电感R209的其中一端、电感R208的其中一端；电感R209的另一端接地；运放器IC1A的正极取电端分别对接电容C2的其中一端、以及供电电源，电容C2的另一端接地；电感R208的另一端、运放器IC1A的输出端、二极管D1的阴极三者相连，且该相连端作为电流/电压转换电路的输出端。

10.根据权利要求1所述位置式PID控制电解强度的饮水系统，其特征在于：所述反馈电压采集模块为所述微控制器自带的12位ADC片上模块，并通过DMA方式由电流/电压转换电路输出端获取电压信号。