储能式电暖气控制系统的控制.docx

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°C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会通过软件程序设定一个 温度值800C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 8051 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22：00——5：00七个小时的定 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 液晶显示屏上温度传感器-►放大电路4 A/D转换+单片机89C51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°C，而我们需要测量的是中高温 区0-800C, 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 -200~1200°C,但通常使用的温度范围为0-750C既可用于氧化性气氛（使用温度 上限750°C）,也可用于还原性气氛（使用温度上限950°C）,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 C，短期1200C，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〜+750C，而且多用于 炼油及化工方面K型镍络-镍硅热电偶可用于- 200C〜+ 1000C，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25p s，输出模拟电压可以 是单极性的0 — 10V或0 — 20V，也可以是双极性的土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， 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一数转换的 器件，转换时间为100p s，输入模拟电压为单极性的0 —5V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I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液晶显示单元等温度传感器放大电路* A/D转换单片机89C51LCD显示温度、时间继电器加热管图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0-1000r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- 镍硅热电偶分度表孟曲T?U1030■10SOfiO70B090迪111 Jj奧 III1.'U氐QUO0s 3Wo. ?ysI. JU 1L.Cil L2_QC!2£伽2- S&03 2653.681IOD4- 095■I. 508\. !H..'5.327乐儡R. 1376,539Fl瞰7. ；iJ87. 7J720DE. 137B. 537B. 93S弘嗣I9.74510.15]IQ.50010. 9B91L. 3B1LL. 703；碗! 2, 2-0712,6231 1.(?：.!!1乱4丽]：｛s«7-i14,29314,. 712】竈13215, 55215S 974■JQO]&s 39SI&.8IH17. 2-111 乙 66413. DBS1&的:〕18. S：JH1 慎 363IV. THS20. 3H50D20, 64Q2l.0hfi21,4-933L 919L!J.22s 77223, 19823.6342-L DFitl昭476(=002^. V0226.32726. 75126.17G2(k 59927.. 022f -14537. B572S.2S. 70929, 12829. W729.965：JI. ：＜s：.罚.7WJJls 21432, 04232,455S2, 866S0O3X 277UN 6BG：^.O9：5IJ?M则935.151435. TIB36. 12136,肥4g 936豌37,蹒H7, 72439. 12938® 538.915:理 3103* 7QH■10. 09640.488-10. 8791UUQ-41.36H4L 6574?.O1：512L 43242. SIT43.20243. 5B643. 96B44. 34944. 7S9IIOQ45., 10845.4B6皈86346.2SB-16.9S547, 3E647. 726然.09548. 462IZUQ143u 82H■t* 1924^.55549.91660.276J0a五閒SO. 99061.3445ia oyv址 u-ty匹747服093隐4J953.7B2利125&4：.46654,6072．LM324 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±1.5〜±15V之间，本系统选用双电源 供电方式共模输入范围包括负电源，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+”、”为正、负电源端，“V)”为输出端。