[论文精品]家用烤箱温度控制器的设计论文综述.doc

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1、家用烤箱温度控制器的设计文献综述摘要：家用电烤箱是一种具有自动控温、加热、定时等功能的家庭厨房器具。制出的食品色、香、味俱全。本课题主要针对家用烤箱温度控制器进行研究。随着单片机，数控等高科技的发展，温度自动控制方向有了重大的进步。采用单片机微处理器件，具有温度自动检测及调节，LED温度显示，温度手动设定，报警等功能。关键词：电烤箱；单片机微处理器；温度检测电烤箱做为家用西式小电器之一，在我国随着人们居住环境的不断改善，厨房的位置越来越重要，而由此产生的厨房电器的创新与发展，也逐渐引起商家重视。家用电烤箱的发展经历了一条很长的道路。起初，烤箱主要是中西部地区产生的，通过电视购物渠道推广到全国。

2、这种广告效应是惊人的，几乎所有关键渠道上的大型零售商都开始做烤箱生意。尽管市场吸引了更多型号的产品进入，但家用电烤箱的烹调过程基本上没有变化。传统带盖的电烤箱顾客忠诚度很高，因为它易操作而且制作食物方便。而且，随着2009年国家颁布了家电下乡政策，这一政策进一步开拓了家电的市场。所以，家用电烤箱的研究意义重大。然而，在家用烤箱的研究过程中，温度控制器的研究又显得举足轻重。1引言温度的测量和控制在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，

3、随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。目前智能温度控制系统广泛应用于社会生活、工业生产的各个领域，适用于家电、汽车、材料、电力电子等行业，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求非常大，然而我国的能源利用率极低。所以实现温度控制的智能化有着极为重要的实际意义。1.1国内外温度控制器的发展现状温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比有着较大差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规

4、的PID控制器为主。它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面。国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；二是能够适应于受

5、控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。1.2温度控制器发展前景目前社会上温度控制

6、大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。通过对智能控制算法及相关温度控制器的深入研究，设计出了一整套的温度控制系统，包括其系统软硬件组成结构。将嵌入式引进温度控制系统中，加入键盘和LCD显示。清晰显示系统的运行状态，用户也可以根据实际情况通过核心板键盘和计算机随时更改初始数据，使温控系统更加智能化，更易于操作。这种设计方法弥补了国产调节器精度较低的缺点。实验证明。系统在增量式PID算法的控制下运用ARM控制器系统的稳态精度达到0.5以内，运行速度极快。从市场角度看，如果我国的大中型企业将温度控制，可以降低消耗，控

7、制成本，从而提高生产效率。嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求，符合国家经济发展政策，具有十分广阔的市场前景。现今，应用比较成熟的如电力脱硫设备中，主控制器在主蒸汽温度控制系统中的应用，已经达到了世界前沿。电力部门1980年产生废气是现今的八倍。节约了两倍的初级能源，相当于少开采了三个中型煤矿。如今，在微电子行业中。温度控制系统也越来越重要，如单晶炉、神经网络系统的控制。因此。温度控制系统经济前景非常广泛，我国的高新精尖行业研究其应用的意义更是更加重大。2家用烤箱温度控制器方案综述随着单片机的发展，单片机的应用越来越广泛。尤其是在温度控制方面，单片机的发展更是不可忽视。如今，出现

8、了许多种单片机在温度控制方面的应用实例。例如：基于DS18B20测温的单片机温度控制系统，基于8086的温度控制系统，基于MSP430单片机的温度控制系统，单片机模糊控制技术在温度控制中的应用，PCR温度控制技术等等，都用到了单片机技术。可以说，单片机技术实现了温度的自动控制及检测，实现了温度的智能化控制及数字温控，给人们的生活带来了重大的改变。以下是单片机在温度控制方面的应用实例。2.1基于Smith-模糊电加热烤箱温度控制器本设计介绍了用单片机实现的Smith-模糊复合控制电加热烤箱温度控制系统；给出了该系统的实现原理及软硬件组成，经实验室实际运行测试，该系统具有设计先进、控制精度高、动态

9、响应好、可靠性好、抗干扰能力和鲁棒性强等特点。电加热烤箱温控系统的硬件由图2-1所示各部分组成。它以AT89C51单片机为核心，外扩键盘输入和LED显示温度。电加热烤箱实际温度由热电偶测量并转换成毫伏级的电压信号，通过温度变送单元处理，经运算放大器放大到05V，由A/D转换成数字量。系统控制器结构如图2-2所示。图2-1电加热烤箱温控系统框图2-2系统控制器结构图模糊控制就是以人在动态过程中的思维方法为基础，将操作人员的操作经验概括抽象成一系列不精确的条件语句，并借助计算机手段完成过程控制的方法，它和一般的控制技术相比，具有不依赖对象的模型，控制动态响应好，超调小，鲁棒性强等优点。此处的模糊控

10、制器采用双输入单输出型，以误差及误差的变化作为输入量，经模糊化，按模糊控制规则计算出输出量，模糊控制原理如图2-3所示。图2-3模糊控制原理图2.2基于AT89S52的温度控制器AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS -51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和并行可编程功能的非易失性ISP Flash存储单元，是80C51的派生器件，功能强大的微型计算机的A

11、T89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。由于温度是一个模拟量，而单片机的输入是数字量，为了简化设计，不采用A/D转换，因此与之配套的温度传感器通常选择数式温度传感器，如采用单总线温度传感器DS18B20。与传统的热敏电阻温度传感器不同的是，DS18B20能够直接读出被测温度，无须进行复杂的计算，并且该芯片在检测点已把被测信号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号，因而无须进行A/D转换，可以直接给单片机进行处理。选择了该芯片也使得整个系统的温度采集模块的硬件极其简单，只占用单片机的一个数

12、据I/O口，再加上一个上拉电阻即可。采用AT89S52单片机与DS18B20数字温度传感器构成的温度控制器如下图2-4所示。图2-4基于AT89S52的温度控制器图中，U1为单片机AT89S52，它的P0和P2口数码管电路连接，以控制温度的数字显示。P3、7和DS18B20的引脚DQ连接，作为单一数据线。单片机的工作时钟频率为11.0592MHz，这决定了指令的运行时间，在软件设计中将根据此时间编写各种延时程序。U2即为温度传感芯片DS18B20，本例中只使用了一个单线器件，R2为单线DQ的上拉电阻。DS18B20有两种供电方式：寄生电源和外部电源。寄生电源简单说起来就是器件从单线数据线中“窃

13、取”电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量储存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间期内断开此电源，直到信号线变为高电平，重新接上寄生电源为止。寄生电源有2个优点。（1）可实现远程温度检测而无需本地电源；（2）没有正常电源的条件下也可以读ROM。为了使DS18B20能完成准确的温度变幻，当温度变换发生时，DQ线上必须提供足够的功率。因为DS18B20的工作电流高达1.5Ma,4.7k得上拉电阻将使得DQ线没有足够的驱动能力。如果有多个DS18B20挂接，而且同时变换时，这一问题将变得更为突出。解决的方法是在发生温度变换时，再DQ线上提供强得上拉，比如用MOSFET管把DQ线直接拉到电源

14、。当使用寄生电源方式时，VDD引脚必须连接到地。DS18B20得另一种供电方式是将VDD引脚接外部电源。这种方法的优点是在DQ线上不要求强的上拉。总线上的主机的温度变换期间不需要以知识DQ线保持高电平，这就允许在变换时间内其它数据在单线上传颂。而且，在单线上可以放置多个DS18B20。如果他们都使用外部电源，那么通过发起“跳过ROM”命令，接着执行“温度变换”命令就可以同时完成各自的温度变换。注意，采用外部电源这种方式时，GND引脚不可悬空。本例虽然只使用了一片DS18B20，但由于不存在远程温度测量的考虑，所以为了简单起见，仍然采用外部供电的方式，如上图所示。测温电缆建议采用屏蔽4芯双绞线，

15、其中一对接地线与信号线，另一对界VCC和地线。屏蔽层再源端点接地。2.3基于MSP430F149的温度控制器由于温度传感器为模拟传感器，故单片机选择带A/D转换的单片机。MSP430系列单片机3，是具有超低功耗特性的功能强大的单片机，在工程控制等领域有着极其广泛的应用范围。微控制器MSP430是美国德州仪器公司一种新型的混合信号处理器，是超低功耗flash型16位RISC指令集为控制器，具有强大的处理能力、丰富的片上外围模块和方便高效开发方式，是MSP430系列中功能最强大的一款。MSP430F149采用“冯-纽曼”结构，RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内，具有一个硬件乘法器、

16、6个I/O端口（每个有8个I/O口）、1个精确地模拟比较器、2个具有捕捉/比较寄存器的定时器、8路12位A/D转换器、片内看门狗定时器、2个串行通信接口和60kB的flash ROM，2KB RAM。MSP430F149还具有48个I/O引脚，每个I/O口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器，使得功能口和通用I/O口可以复用，大大增强了端口功能和灵活性，提高了系统的运行可靠性。具有非常高的集成度，单片集成了多通道12bit的A/D转换、片内精密比较器、多个具有PMW功能的定时器、斜边A/D转换、片内USART看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片内存储

17、器，单片可以满足绝大多数的应用需要。在运算速度方面，MSP430微控制器能在8MHz晶体的驱动下，实 现125ns的指令周期。16位数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的一些算法（如FFT等）。该系列将大量的外围模块整合到片内，结构灵活，发展了芯片的综合控制功能。采用MSP430F149单片机的温度控制器总体结构框图如下图2-5所示。由PT100测温电路送来的模拟电压信号输入微控制器的模拟比较器的CA0端，另一个模拟输入端CA1连接到内部参考源0.25Vcc，经比较器和定时器组成的双积分A/D转换电路按照程序的控制要求，通过HD7279A和驱动电路来完

18、成LED显示，接受键盘输入，与计算机的通讯等进行控制和操作。PT100测温单元MSP430F149单片机HD7279ALED显示电路驱动电路单元键盘输入电路图2-5 基于MSP430F149的温度控制器结构图由于温度是大惯量对象，而要对其控制就比较困难，采用通常的单反馈控制和开关控制是很难达到要求的控制精度，故本设计采用PID控制算法对温度进行控制12。考虑到所选单片机具有PWM和PCA功能，本方案采用PWM方式控制加热器功率，进而达到控制温度。PID控制系统原理框图如下图2-6所示，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。待添加的隐藏文字内容3图2-6 PID控制系统原理图3总结 进入21世纪

19、后，智能温度控制器正朝着高精度、总线标准化、高可靠性及安全性以及网络化、虚拟化方向迅速发展。导致厨房电器也在不断地向更智能化、自动化的方向发展。目前，烤箱温度控制器的设计以单片机为核心，实现对温度、湿度及其各项扩展功能的采样、处理及控制。系统运行稳定、工作精度高，且通过键盘可以方便地进行参数修改，真正达到对各项要求的智能控制。未来家用烤箱温度控制器将向精细化、安全化、全自动化方向发展。本次毕业设计将在这些方面进行初步探索。参考文献1 余永权.模糊控制技术与模糊家电应用M.北京:航空航天出版社,2000年.2 彭海霞,余永权.电烤箱模糊控制器J.电子世界,（10）（2001）.3 赵又新.基于S

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