烘烤箱温度测控系统设计

1、华中科技大学武昌分校学生毕业设计开题报告学生姓名XXX学号XXXXX专业班级XXX系别机电与自动化指导教师XXX职称XXX课题名称烘烤箱温度测控系统设计1课题设计的目的和意义1.1课题的研究背景及意义温度是一个基本的物理量，是生产过程和科学实验中最普遍而又十分重要的物理参数，对它的测量与控制有十分重要的意义。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件，如冶金工业的加热炉、电力

2、工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备，可以说几乎80%勺工业部门都不得不考虑着温度的因素。即使日常生活中的微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器也同样需要温度监控。可见温度测控广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度的测控具有十分重要的意义。但由于温控设备自身的一些特点，如非线性、时变性、惯性大、滞后现象严重等，难以建立精确的数学模型。传统的PID控制由于其参数恒定，不能及时跟踪对象特性变化，很难达到良好的控制效果。单片机以其可靠性高、功能强、精度高、体积小、性价比高、控制方便简单和灵活性大等优点在诸多领域得到广泛应用。随着信息技术的飞速发展，计算机应用技术日益渗透到社会生产生活的各个领域，在

3、这一进程中，单片机起到了举足轻重的作用。如果说五十年代起，无线电世界造就了几代精英，那么当今的单片机世界将会造就出新一代电子精英。一方面，单片机引领进入智能化电子领域。若将经典电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。单片机应用系统的硬件结构给予电子系统“身躯”，单片机应用系统的应用程序赋予其“生命”。另一方面，单片机引领进入计算机工控领域。21世纪是全人类进入计算机时代的世纪，许多人不是在制造计算机便是在使用计算机。在使用计算机的人们中，只有从事嵌入式系统应用的人才真正地进入到计算机系统的内部软、硬件体系中，才能真正领会计算机的智能化本质并掌握智

4、能化设计的知识。从学习单片机应用技术入手是当今培养计算机应用软、硬件技术人才的最佳道路之一。1.2研究概况及发展趋势传统的加热炉，加热时间长，温度在上升的过程中容易出现超调。但是在实际加工中，一些工艺流程往往不容许出现温度超调。同时，传统加热炉没有采用温度控制算法，只是通过对温度上下限的检测，对电热丝的通断电进行控制，不能做到对温度的精确控制，对于较为精细的加工过程无能为力。另一方面，控制界面多采用DOS操作系统，缺乏良好的人机界面，给温度的检测和控制带来了不便。国内外关于加热炉自动控制的研究一直备受重视，发展比较快，取得了丰硕的成果。总的来说，加热炉温度测控技术的发展可以分为以下几个阶段：第

5、一阶段：经典控制技术阶段。时间为20世纪40-60年代，称之为“经典控制理论”时期。经典控制理论现在已经是一门比较成熟的控制理论，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频率分析方法解决单输入单输出问题。经典控制技术能够较好地解决生产过程中的单输入单输出问题，主要用于线性定常系统，是目前工业过程控制领域中占统治地位的一种控制理论。第二阶段：现代控制技术阶段。时间为20世纪60-70年代，称为“现代控制理论”时期。这个时期，计算机和空间技术的发展推动了控制理论的发展。现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，用状态空间法描述系统的动态过程，可以解决多输入多输出问题。基于该理论的主要控制

6、方法有：系统辩识、最优控制、自适应控制等。该理论不但可以用于线性定常系统，而且可以用于某些非线性时变以及具有随机扰动的系统。其缺点是除了自适应控制外，其它控制方法虽然控制品质良好，但必须知道控制对象的数学模型，不能解决系统模型的不确定问题。第三阶段：智能控制技术阶段。时间为20世纪70年代末至今，为“智能控制理论”阶段。70年代末，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展，前者是控制理论在广度上的开拓，用控制和信息的观点，研究各大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。后者是控制理论在深度上的挖掘，研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律研制具有某些仿

7、人智能的工程控制与信息处理系统。随着微机控制技术的发展，用微机构成计算机控制系统具有较高的可行性和经济价值。但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，且大多硬件均是国外进口的，投资成本很高。因此，本课题以烘烤箱为研究对象，以单片机为主要硬件平台，编制基于智能化的温控软件，开发一种适合我国国情的、低成本、高性能的烘烤箱温度测控系统，以提高精度，达到温度测控要求。2课题设计的主要内容(1)以烘烤箱温度为控制对象，建立其数学模型，分析其输入输出特性；(2)基于单片机完成温度传感器、测量电路、信号调理电路、单片机及其外围设备电路设计；(3)完成键盘、显示器人机接口电路设计；(

8、4)系统软件设计；(5)实现单片机与PC机串口通讯。3设计万案3.1 系统总体硬件设计方案单片机温度控制系统的系统工作原理框图如图1所示图1系统工作原理框图温度传感器把测量的温度信号转换成弱电压信号，经过信号调理电路进行放大、滤波，调理后的信号输入到A/D转换器转换成数字信号输入单片机，并送往外接显示电路。单片机对烘烤箱温度和设定温度进行比较，如果越限(上限或下限)，则软件触发单片机输出控制脉冲，该控制脉冲与单稳态同步触发器输出的同步脉冲送入控制门(与非门)，门电路信号输入D/A转换器转换为电信号，再通过驱动电路输入可控硅的门极，可控硅导通由程序同步触发脉冲来实现，从而控制可控硅的通断时间，以

9、达到对烘烤箱温度的调节和功率的改变，实现对烘烤箱的恒温和升温控制。当当前温度低于设定温度时，单片机通过可控硅控制极上的触发脉冲控制加热电路连脉冲控烤箱保持在设通，温度慢慢升高；当当前温度高于设定温度时，单片机通过可控硅控制极上的触发制加热电路断开，温度慢慢下降。就这样，通过温度芯片的反馈信息，实现烘置温度上，从而达到自动控制温度的功能。3.2 温度检测电路设计准确检测采集被控对象的温度是实现高精度温度控制的前提，故准确的检测采集是做好温度控制的第一步，也是硬件设计中最关键的一步。为了将变化的温度值转化为变化的电压信号，需以温度传感器作为检测元件。常用热电式传感器的敏感元件有热电偶和热电阻。热电

10、阻是将温度转换为电阻阻值之变化，而热电偶则是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。两者相较，检测的温度范围有很大差别，热电阻一般检测0-150C温度范围，热电偶可检测的温度范围在0-1000C的甚至更高。热电偶具有结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送与集中检测等特点。其主要类型有：(1) 销钱10销热电偶(分度号为S)正板：销铭合金丝；负板：销丝；(2) 银铭-银硅热电偶(分度号为K)正板：银铭合金；负板：银硅合金；(3) 银铭-康铜热电偶(分度号为E)正板：银铭合金；负板：康铜；(4) 销钱30-销钱b热电偶(分度号为B)正板：销钱30合金(70%销、30%钱)

11、，负板：销铭b合金(94%销、6%钱)；(5)鸨铢热电偶(高温热电偶)正板：鸨铢合金(95%鸨、5%铢)，负板：鸨铢合金(80%鸨20%铢)。该传感器可测量温度3000Co热电偶类型有多种，在选择时应该遵循一定的原则：(1) 使用温度在1300-1800C,要求精度又比较高时，一般选用B型热电偶；(2) 要求精度不高，且气氛允许可用鸨铢热电偶，高于1800C一般选鸨铢热电偶；(3) 使用温度在10001300c要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶；(4) 在1000E以下一般用K型热电偶和N型热电偶，低于400C一般用E型热电偶；(5) 250C以下及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型

12、热电偶稳定而且精度高。本系统的测控温度在80r左右，同时，K型热电偶是目前用量最大的廉金属热电偶，具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点。综上选用K型热电偶作为本系统温度传感器。K型热电偶作为测温元件时，有以下几个方面的问题：(1) 测温时其产生的模拟信号很微弱(约为41V/C),需要对其进行放大处理；(2) 热电偶输出的热电势为冷端保持为0°C时与测量端的电势差值，在通常情况下冷端温度并非OC,因而需要进行温度补偿；(3) 热电偶输出热电势与温度之间是非线性关系，需进行线性化处理；(4) 输出的信号为模拟信号，与单片机等数字电路接口时

13、要采用数字化输出和数字化接口，需进行A/D转换。因而传统的温度检测电路采用“传感器一滤波器一放大器一冷端补偿一线性化处理一A/D转换”。将热电偶输出的毫伏级电压信号最终转换为与温度相对应的数字信号与CPUS信，但其具有转换环节多、电路复杂、抗干扰能力差、精度低等缺点。MAX6675是K型热电偶串行模数转换器，它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出功能，大大简化了热电偶测量智能装置的软磨件设计。在本设计中，采用的是高精度的集成芯片MAX667来完成“热电偶电势一温度”的转换，不需外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低。3.3温度控制电路设计现在市面上的单片机种

14、类繁多，功能强大。如此琳琅满目、令人眼花缭乱的单片机品种，着实给单片机应用的工程师提供了巨大的选择空间。因此，选择合适的单片机十分关键。选择单片机应从以下几个基本方面入手：(1) 单片机的基本参数，例如速度、程序存储器容量、I/O引脚数量等；(2) 单片机的增强功能，例如看门狗、双指针、双串口、RT(实时时钟)、EEPRO、扩展RAMCAN接口、I2C接口、SPI接口、USB接口等；(3) Flash和OTP(一次性可编程)相比较，最好用Flash;(4) 封装：DIP(双列直插)，PLCC(PLCC有对应插座)还是贴片。DIP封装在做实验时较为方便；(5) 工作温度范围是工业级还是商业级。设

15、计户外产品必须选择工业级。(6) 功耗；(7) 工作电压范围。AT89S52是ATME公司生产的低功耗、高性能CMOS位单片机，它除正常工作外还可工作于低功耗的闲置和掉电模式，进一步减少了芯片的功耗。其内部除了配有8K勺Flash程序存储器，还具有256字节的RAM2个16位定时器/计数器、5个两级中断源结构、32位并行输入/输出口和一个全双工的串行口、看门狗定时电路等。AT89S5使用ATME公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，AT89S5拥有灵巧的8位CPU口在系统可编程Flash

16、,使AT89S5为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。综上所述，并根据本人熟悉程度，选择AT89S52单片机作为本系统的主控制器件。7.4 系统软件设计方案由于系统程序比较复杂，为了便于编写、调试、修改，系统程序的编写采用了模块化的结构，整个系统包括主模块、初始化模块、温度检测模块、键盘输入模块、液晶显示模块、计时模块、中断服务模块、控制算法模块、输出控制模块等几个部分，其软件总体结构图如图2所示温度检测模块1液晶显示模块.中断服务模块计时模块二 二一块 控制算法岂 模图2软件总体结构图7.5 烘烤箱模糊控制模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数

17、字控制。从线性控制和非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能控制的一种重要而又有效的形式。模糊控制系统结构框图如图3所示:A/DD/A被控对象传感器图3模糊控制系统结构框图模糊控制的主要步骤如下：(1) 确定烘烤箱模糊控制器输入、输出变量；(2) 精确量的模糊化；(3) 建立模糊控制规则库；(4) 模糊控制算法设计；(5) 反模糊化设计。4实施计划1周下达毕业设计/论文任务书2-3周翻译外文文献，撰写开题报告4周开题报告答辩5周开题阶段检查院（系）自查与学校检查相结合6-7周开始论文正文部分初步工作8-9周根据拟定的课题实施方案进行深入研究10-11周具体硬件电路详细设计，软件编程12-13周撰写并提交毕业设计论文初槁，指导教师批改论文，给出指导意见，学生修改论文，定稿14-15周答辩前专项检查各院（系）自查与学校检查相结合，未通过学校检查的专业不得进入答辩环节16周学生进行毕业设计/论文修改，完成答辩及成绩评定工作5主要参考文献1王魁汉等涸度测量实用技术包匕京：机械工业出版社，2006.2张迎新等.单片微型计算机原理、应用及接口技术.北京：国防工业出版社，2004.3孙育才，王荣兴,孙华芳.ATMEL新型AT89S52系列单片