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1、*大学电子信息工程学院毕业设计（论文）第1章 方案论证1.1 储能式电暖气的基本工作原理储能式电暖气的工作原理框图如图1.1所示。本系统利用单片机及外围电路构成一个控制系统，其中单片机作为系统的主控制器，通过传感器电路和定时电路来满足题目要求，即在取暖月份里每天定时加热7小时，时间是当日晚22点次日凌晨5点；电热管加热最高温度为800。同时将时间和温度通过LCD显示出来。键盘实现时钟时间的调时功能。储能式电暖气的基本工作原理是通过温度检测元件对加热管的温度进行测量，并将这个温度经过一系列处理，如信号放大、A/D转换、温度补偿等，再将该信息传递给单片机，以实现单片机对温度的控制作用。在单片机内部
2、会通过软件程序设定一个温度值800作为温度上限，输入进来的当前温度会与设定值的温度值进行比较，从而控制加热系统的操作，使温度最终达到题目的要求。定时电路的原理是设定在22：00-5：00夜间低谷电力价位时间段内进行加热，也就是通过时间来控制加热系统的工作情况。其中单片机根据传感器的温度情况控制继电器和单片机根据定时电路的时间情况控制继电器，但定时电路对继电器控制的优先级别高于温度对继电器的控制。即只有在规定时间内才能对加热管进行加热，否则即使在温度低于规定值时也不加热。图1.1 储能式电暖气工作原理框图1.2系统总体设计方案方案1 方案1系统框图如图1.2所示。本系统主要部分为控制电路部分、加
3、热电路部分和测量电路三部分。控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制可控硅，是系统的核心。8051对温度的控制是通过可控硅调节功能电路实现的。在给定的周期T内，8051只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8051用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50Hz交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中，另一方面还作为计数脉冲加到80
4、51的T0和T1端。加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。根据检测温度是否达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理，主要由温度检测和变送器组成。单片机内部完成时钟和定时功能，时钟为24小时制，定时是实现从22：005：00七个小时的定时功能，最终将温度值和时间值通过显示器显示出来。除上述电路部分，89C51还要连接ADC0809等接口芯片，ADC0809为温度测量电路的输入接口，用于把连续变化的信号进行离散化。图1.2 方案1系统框图方案2方案2系统框图如图1.3所示。本系统的功能通过单
5、片机内部软件控制来实现。温度传感器采集温度是通过单片机内部软件来控制继电器的开断，从而控制加热管的加热情况。热电偶对加热管进行测温，将热电偶输出的热电势经放大电路放大后再经过A/D转换，输入到单片机，单片机内部软件程序将其与设定值进行比较，再对继电器的状态进行控制，最终达到题目规定的要求温度。定时电路方面也通过单片机来设定通电时间，控制继电器的开断状态。两个电路部分均可控制继电器的状态，时钟的时间显示和实时温度都显示在LCD液晶显示屏上。图1.3 方案2系统框图方案比较方案1 主要由外部电路将温度信号通过变换器和A/D进行处理，再将信号输入给单片机，需要用到可控硅、脉冲产生和PID算法，比较复
6、杂；方案2将功能的实现都由单片机内部的软件程序来完成，节省了外部器件资源，操作简单提高了工作效率。结论通过上述方案的比较最终确定选择方案2。1.3器件选择1.3.1 温度传感器的选择对于温度传感器，最常见和常用的是美国DALLAS公司最新推出的DS18B20温度传感器，它内部包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器和接口电路等，内部集成度高，功能强大。但其测温范围为-55-125，而我们需要测量的是中高温区0-800，DS18B20无法满足系统要求，因此我们考虑用热电偶作为温度传感器。J型和K型热电偶在中高温的测量中都应用广泛，其中J型热电偶又称铁-康铜热电偶，是一种价格低廉的廉金属的
7、热电偶。J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-2001200，但通常使用的温度范围为0-750 。既可用于氧化性气氛(使用温度上限750)，也可用于还原性气氛(使用温度上限950)，并且耐CO等气体腐蚀，多用于炼油及化工。K 型热电偶也具有线性度好，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。本方案采用K 型镍络-镍硅热电偶，因为它宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000，短期1200，而且在所有热电偶中它的使用最为广泛。这两种型号的热电偶都具有线性度好，热电动势大，灵敏度
8、高等特点，但是基于不同热电偶在应用中的普遍性，J型热电偶通常温度范围在0+750，而且多用于炼油及化工方面。K型镍络-镍硅热电偶可用于2001000，且一般应用于采暖装置中，完全可以满足题目和实际需求，因此本系统采用K型镍络-镍硅热电偶。1.3.2 A/D转换元件的选择AD574和ADC0809是常用的AD转换元件，其中AD574 芯片，其采样分辨率可设成8位也可以设为12位，且无需外接CLOCK时钟，转换时间达到25s，输出模拟电压可以是单极性的010V或020V，也可以是双极性的5V或10V。它具有功耗小、精度高等特点，可广泛应用在数据采集系统中。由于AD574 芯片内有三态输出缓冲电路,
9、因而可直接与单片机的数据总线相连,而无须附加逻辑接口电路。ADC0809芯片，它的采样分辨率是8位，它是以逐次逼近原理进行模数转换的器件，转换时间为100s，输入模拟电压为单极性的05V 。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它是A/D转换的基本的常用元件，被广泛应用于数据采集及转换中。AD574和ADC0809都可以采用，其共同点是采样分辨率均为8位。区别在于AD574可以扩展到12位，采样精度高，并行数据传送占用I/O口过多。最主要的是因为AD574的采样频率高，且价格比较贵，本系统为实现对温度信号的A/D转换，而温度
10、信号的变化十分缓慢，不必采用采样频率非常高的A/D转换元件。又因本系统采用一个单片机作为核心控制系统，还需考虑到I/O接口有限，所以综上所述本系统采用ADC0809作为A/D转换元件。第2章 硬件系统的设计与实现2.1系统硬件的基本组成系统总体框图如图2.1所示。系统原理图见附录。本系统以单片机AT89C51为控制核心，以加热管为加热元件，以热电偶为温度检测元件。本系统主要单元有温度检测单元、A/D转换单元、时钟单元、温度控制单元、LCD液晶显示单元等。图2.1 系统总体框图2.2温度检测单元的设计1温度检测单元设计思路温度检测单元的电路图如图2.2所示。镍络-镍硅热电偶分度表如表2.1所示。
11、本系统采用加热管作为加热元件。由于被检测的温度信号很高，用一般的温度传感器不能满足题目要求，故以热电偶作为温度传感器检测高温信号。镍络-镍硅型热电偶在0-1000之间的输出热电势在0-41.269mV之间，信号非常小因此需要经过放大电路将其进一步放大后才能驱动A/D转换。图2.2 温度检测单元电路图表2.1 镍络-镍硅热电偶分度表2LM324芯片介绍LM324系列器件为价格便宜的带有差动输入的四运算放大器，可单电源供电。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。双电源供电时可工作在1.515V之间，本系统选用双电源供电方式。共模输入范围
12、包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图2.2所示的符号来表示，该芯片有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的信号相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2.3。图 2.3 LM324管脚连接图LM324的特点： 1.短跑保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100nA 5.每封装含四个运算放大器。 6
13、.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能3热电偶的工作原理热电势产生原理图如图2.4所示。两种导体A、B组成一个闭合回路，并使结点1和结点2处于不同的温度T、，回路中就会存在热电势，因而就有电流产生，接在回路中的电流表指针将发生偏转，将这一现象称为热电效应。相应的热电势称为温差电势或者塞贝克电势，通称为热电势。回路中产生的电流为热电流，导体A、B称为热电极。测量时结点1置于被测的温度场中，称为测量端（工作端、热端）；结点2一般处在某一恒定温度，称为参考端（自由端、冷端）。 图2.4 热电效应示意图热电偶产生的热电势（温差电势）(T，)
14、是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成。接触电势由互相接触的两种金属导体内自由电子的密度不同造成的。两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭和回路(如图2.4所示)，当两接点温度T和不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。两种导体的接触电势(T)，(T)分别如式（2.1）、式（2.2）所示： (2.1) (2.2)所以回路的总接触电势为： (2.3)另一个方面，在一根均匀的金属导体中，如果两端的温度不同，则在导体的内部也会产生电势，这种电势称为温差电势。对于两种金属A、B组成的热电偶回路，温差电势可由式(2.4)表示： (2.4)式中为A导体的汤姆逊系数；为B导体的汤
15、姆逊系数。综上所述，对于均匀导体A、B组成的热电偶，其总电势E(T，T)为接触电势与温差电势之和，该总电势即为温度采集信号。 (2.5)热电偶性能和参数：1.热响应时间 在温度出现阶跃变化时，热电偶的输出变化至阶跃变化值的50%所需要的时间称为热响应时间，用表示。 2.公称压力 一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而不破裂，实际上，公称压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关，还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速和种类等有关。 3.热电偶最小置入深度 应不小于其保护管外径的810倍（特殊产品例外）。2.3 冷端温度补偿单元的设计热电偶冷端温度补偿电路如图2.5所示。热电偶的热电势大小与热电极材料及两端的温度有关，为保证输出热电势是被测温度的单一函数，必须保持一个结点的温度为恒定。热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表，都是以热电偶的冷端温度等于0为条件的，所以
