UEAL第2届电子设计大赛第二轮—程控加热器

 2016-04-26

三、方案设计和选择

1、MCU选择

51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

2、LCD选择

LCD1602（带字库）液晶显示屏的市场价格约为14元，1602（不带字库）的市场价格约为10元，需自制转接板。它具有有微功耗、体积小、显示指令形式丰富、超薄轻巧的诸多优点，操作指令少等优点

3、自制直流电源

通过变压器将220V交流电转换为12V交流电，通过整流桥后得到直流电压，通过L7805和L7905得到12V和5V电压给风扇和单片机供电。并用电位器旋钮KIS-3R33S DC-DC电源模块可调电压模块给水泥电阻供电。

4、温度采集

采用18B20传感器来测量温度。它的特点是独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源 测量温度范围为-55° C至+125 ℃ 。-10 ° C至+85°C范围内精度为±0.5°C

温度传感器可编程的分辨率为9~12位 温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒 用户可定义的非易失性温度报警设置 应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统

5、风扇的选择

采用三线风扇，它自带转速反馈信号，简单方便并且准确。

6、加热功率和风扇转速的控制

通过PWM方式调节加热器功率和风扇的转速

7、实现蜂鸣器告警功能

四、理论分析和计算

1、电源设计分析

本设计需要5v电源供单片机、LM358和TL431工作，12v电源供风扇工作，以及数控DC-DC降压电压源供加热模块工作。所以需要设计一个220v交流输入，三路输出直流输出的电源。其中12v输出由7812对变压器（12v AC输出）经整流桥输出的16v直流电压稳压得到。5v输出由7805对7812输出的12电压稳压得到。而数控DC-DC降压电压源使用基于2596的数控直流稳压电源。该电源模块由单片机通过DA输出一个电压值，与2596的输出电压比较，在反馈到2596的反馈脚，从而控制输出电压。

风扇的闭环控制及转速自动调节算法分析：

2、加热功率可控方案分析：

在本设计中当所测得的当前温度相对于用户所设置温度相差较大时，系统会自动增大DA输出，从而控制基于2596的DC-DC数控降压电源，使其输出电压增大，以提高电路的功率，使加热速度增快。当实测温度接近设定温度时，系统将削减DA输出，控制数控电源输出电压来减小加热电路的功率，使加热速度减缓，从而使得系统在温度控制上更加稳定。

3、模拟温度变化控制分析：

本设计以水泥电阻的温度作为检测和控制对象。系统通过对水泥电阻通电使其发热来升高环境温度。当温度接近到预设温度时，减小加热模块的功率来降低升温速度。

    当问度达到预设温度后，系统将切断加热模块的工作电路。如若温度超过了预设温度，系统会发出声光报警，同时启动风扇对水泥电阻进行降温。通过加热电路和风扇的共同作用，系统将会使温度恒定在用户事先设定的温度。

五、测试结果

1、设定设定工作温度，温控误差要求小于±1℃；

2、温度低于30℃时，风扇停止工作，加热器开始加热；当温度高于70℃，应切断加热器，并接通风扇开始散热；

3、加热功率可调；

表1 功率档位加热速度

 4、具有程控加热功能，能按预定的加热曲线加热；

六、结果分析

        本设计基本实现了题目的全部要求，完成的效果还是不错的。总结主要有以下的优缺点：

优点：基本实现了题目的全部要求，并且温度控制精度达到了1℃以内，并且温度趋于稳定后控制误差甚至不大于0.5℃。

缺点：选用的加热片和电源的功率都比较小，使得加热速度比较慢，由于时间关系，PID参数的调节还没有达到最优，温度控制时温度曲线的震荡比较明显。

七、视频链接：http://v.youku.com/v_show/id_XMTU0ODE3MjQ4OA==.html?qq-pf-to=pcqq.c2c