炒锅锅底温度检测系统设计.docx
- 文档编号:26226409
- 上传时间:2023-06-17
- 格式:DOCX
- 页数:50
- 大小:227.13KB
炒锅锅底温度检测系统设计.docx
《炒锅锅底温度检测系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《炒锅锅底温度检测系统设计.docx(50页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
炒锅锅底温度检测系统设计
工大学本科生毕业设计(论文)开题报告
1、目的及意义(含国内外的研究现状分析)
随着科学技术的迅速发展,使得我们的生活质量有了明显的提高,将研究所得到的技术应用于实际生活中,用来解决实际中遇到的常见问题,或者帮助美化生活,提高生活水平,这种趋势日益明显。
在居家生活中,做饭炒菜是必不可少的,火候掌握不好就会影响饭菜的味道。
对于这个问题,也想到了通过所研究的科学技术来帮助解决。
在工业中可以通过简单的系统设计来实现温度的显示和控制,同样在家用中也可以,而且不需要精度很高,这样在选择器件上就无需有过多的要求来增加成本,就增加了它的可实用性和经济性。
2007年,日本松下电器产业推出了通过光传感器检测锅底温度的IH烹调炉“KZ-VSW33D”。
在业内率先配备了通过来自锅底的红外线来检测温度的“光火力传感器”。
可迅速检测出锅底由于食物下锅而引起的降温,从而保持高温。
做中国菜时,即使掂芍炒菜也能迅速地再加热,因此不会使炒菜等水分过多。
可进行自动调节防止锅底过热,因此不会烧焦食物,可降低做菜的失败率。
本次毕业设计拟定的题目就是从之前所叙述的起点出发,展开研究的。
在充分收集国内外资料的基础上,回避松下专利技术,提出新的锅底温度检测技术方案。
本文所提出的炒锅锅底温度检测技术方案在上述的基础上做了改进。
在锅沿的两个把手上各放置一个传感器,由于锅沿上的两个传感器是放置在对称的位置上的,理论上应是同一温度,所以即使当由于某些原因,使得锅放置的不够水平时,通过两个位置对称的传感器可以进行温度补偿或者减小随机误差等原因所带来的影响。
由于不是直接测量锅底的温度,所以这次的课题最主要就是要构造一个从锅沿到锅底的温度场。
根据物体在非稳态的环境下温度梯度的变化,在热传递过程中形成的温度场来计算温度值。
构造出温度场后,将温度传感器AD590测量到的模拟值经由模数转换器ADC0809分时采集数据并转化得到数字值,再通过并口将数据输入到单片机中,通过单片机软件编程的方式来计算确定温度场中的各点温度,最后要将系统最终确定的锅底的温度显示出来,这可以通过LED七段数码管显示出来。
显示可以通过单片机输出相应的数据来驱动七段数码管显示,而七段数码管对电流要求不大,直接与单片机相连就可以显示,并不需要驱动,十分方便而且节省成本。
由于炒锅要求精度并不是十分高,只要在1℃左右就可以,同时炒锅的温度变化范围也不是很大,AD590-50℃到120℃的测量范围就可以满足,所以选择它作为温度传感器。
这样整个系统成本算下来,如果批量生产的话可以控制在60元以内。
设计的意义是(理论或实际):
(1)炒锅是居家生活中必不可少的生活用品,所以炒锅锅底温度检测技术是一个实用性很强的方案,可以提高人们生活水平,帮助人们控制好炒菜的火候,做出可口的饭菜。
(2)在国外,已经有一种通过测量锅底红外线的方法来测量锅底的温度,但是经济性并不是很高,虽然是专利技术,但毕竟成本降不下来。
而本论文可以达到更低的成本,同时也符合要求。
(3)炒锅锅底温度检测技术方案,本文将不仅在论文中给出理论方案,而且将结合理论,给出一个实物模型来验证该方案的实际可操作性和经济性。
2、基本内容和技术方案
设计的基本任务是:
(1)完成锅沿和锅底之间温度场的计算关系;
(2)完成硬件电路设计;
(3)完成软件设计;
(4)完成系统制作,调试
(5)提交软硬件和全部资料;
主要技术方案是:
(1)软件设计方案:
利用汇编语言或C语言来编写实现计算锅底温度的控制算法和显示温度功能的程序模块。
(2)硬件设计方案:
通过温度传感器来进行检测,模拟值送入到模数转换器,转化成数字信号后,通过并口送入单片机。
再由单片机实现计算控制功能,并使七段数码管显示出锅底的温度,共同实现炒锅锅底温度检测技术。
3、进度安排
1.准备阶段(1—2周)
本阶段对大量相关资料或文献进行研究,在深入学习的基础上,逐步找出自己可以选用的温度传感器,同时对热传递方面进行深入了解与学习。
2.完成研究阶段(3-9周)
本阶段已经在扎实知识积累的基础上,正式进入该课题的研究,在大概六周的时间内,完成规划方案的设计并对方案进行综合评价,并且由指导老师进行修正,不断改进自己研究,最终订出结果,设计出硬件电路模型,和相关软件程序。
3.毕业报告形成阶段(10-14周)
本阶段集中精力完成毕业报告,由指导老师修改完善,且根据学校要求,完成封面装订工作。
4.毕业设计答辩阶段(15周)
根据自己的毕业设计,以及学校的要求,完成与之对应的毕业设计答辩。
摘要
炒锅锅底温度检测装置的设计,对于我们居家生活提高生活质量有着重要的意义。
它可以帮助我们吃上可口的饭菜。
本文的主要设计目的是试图通过理论与实践相结合,来讨论炒锅的弧形温度场的一些基本问题,加深对单片机控制作用的实现的认识。
炒锅锅底温度检测系统是一个简单但实用的小系统。
本文首先对系统的大体框图进行了构想,通过方案的对比首先确定温度测量传感器的放置位置,以确定整个系统的准确性,在此基础上再确定系统各个模块的硬件设备,用到的控制器、传感器的型号及具体参数,还增加一个模数转换装置,最后在单片机上连接一个显示模块LED灯。
这样一个简单而实用的小系统就组成了。
本文中最重要的就是对于温度场部分的探索与研究,通过对热传递及导热等知识的理解加研究来最终确定温度场算法,并通过锅沿的温度来计算锅底温度。
既要考虑到准确性,也要考虑到实用性,在可以允许的范围内进行近似,简化成好计算又不失准确性的温度场算法。
在软件编写设计方面,本文选用的C语言编程来实现计算控制和显示的功能,而且目前的单片机都可以兼容C语言,这样也不会出现不兼容的现象。
最后的仿真本文使用了protues软件,它可以对整个系统进行仿真。
最后显示出锅底的温度。
精度为1℃,对于炒锅锅底温度测量的小系统来说这个精度能够符合实际要求。
关键词:
单片机炒锅锅底温度温度场
Abstract
Stirbottomofthepottemperaturedetectiondevicedesignedtoimprovehomelifeforourqualityoflifeofisgreatsignificant.Itcanhelpustoeatdeliciousmeals.Themainpurposeofthispaperistoattempttodesigntheoryandpractice,todiscussthearctemperaturewoksomebasicquestionsandlearnmoreabouttheroleofSCMRealizing.
Stirbottomofthepottemperaturedetectionsystemisasimplebutusefullittlesystem.Firstly,thegeneralblockdiagramofthesystemwastheconceptofcontrastthroughtheprogramfirsttodetermineplacementoftemperaturemeasurementsensorstodeterminetheaccuracyoftheentiresystem,onthisbasisandthendeterminethesystemhardwaremodules,usethecontroller,thesensormodelandspecificparameters,ithasaddedananalog-digitalconversiondevices,andfinallyconnectedtoadisplaymodulemicrocontrollerLEDlights.Suchasimpleandpracticalformofsmallsystemon.Ithinkthemostimportantthinginthisarticleisthetemperaturepartoftheexplorationandstudyofheattransferandthermalconductivitybytheknowledgeofunderstandingtostudy,todeterminethetemperaturefieldinthefinalalgorithmtocalculatethetemperaturealongthepotbottomtemperature.Wemusttakeintoaccounttheaccuracy,butalsotakeintoaccountthepracticalvaluetotheextentpermittedapproximate,simplifiedcalculationwithoutlosingaccuracygoodatemperaturefieldalgorithm.
Insoftwaredesignaspect,IusetheClanguageprogrammingtoachievethefunctionsofcomputingcontrolanddisplay,andthecurrentC-compatiblemicrocontroller,thisstilldoesnotthereisanycompatible.ThenIusedtheprotuessimulationsoftware,whichcansimulatethewholesystem.Showsthetemperatureofthefinalbottomofthepot.Accuracyof1℃,thewokbottomofthepottemperaturemeasurementaccuracyofsmallsystemsthatcanmeetthepracticalrequirements.Keywords:
SCMpanbottomtemperaturetemperature
1绪论
随着科学技术的迅速发展,使得我们的生活质量有了明显的提高,将研究所得到的技术应用于实际生活中,用来解决实际中遇到的常见问题,或者帮助美化生活,提高生活水平,这种趋势日益明显。
2007年,日本松下电器产业推出了通过光传感器检测锅底温度的IH烹调炉“KZ-VSW33D”。
在业内率先配备了通过来自锅底的红外线来检测温度的“光火力传感器”。
可迅速检测出锅底由于食物下锅而引起的降温,从而保持高温。
做中国菜时,即使掂芍炒菜也能迅速地再加热,因此不会使炒菜等水分过多。
可进行自动调节防止锅底过热,因此不会烧焦食物,可降低做菜的失败率。
检测红外线的传感器叫做红外线传感器,它是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。
任何物质,只要它本身具有一定的温度都能辐射红外线,而红外线传感器测量时不与被测物体直接接触,因而不存在摩擦,并且有灵敏度高,响应快等优点。
工作原理主要是依靠热敏电阻受到红外线辐射时温度升高,电阻发生变化,通过转换电路变成电信号输出。
而锅底温度在加热过程中不断变化,也就是意味着红外线辐射的能量不同,因此最后输出的电信号不同,根据对应关系就可以得到锅底的温度。
本文就是在它的基础上而展开研究的。
在充分收集国内外资料的基础上,回避松下专利技术,同时提出新的锅底温度检测技术方案,来设计一个家庭炒锅的锅底温度测量的实用系统,实现显示锅底温度的功能。
同时满足原理简单,设计简单,维护方便,同时寿命较长,环境适应性好,而且也满足经济性,成本不会很高。
根据上述思想,本文将炒锅锅底温度检测技术方案做了改进。
在锅沿的两个把手上各放置一个传感器,由于锅沿上的两个传感器是放置在对称的位置上,理论上应是同一温度,若锅放置倾斜,通过两个位置对称的传感器可以进行温度补偿或者减小随机误差等原因所带来的影响。
或者在炒锅的不同位置各放置一个传感器这样就可测量到不同等温面的温度,通过建立温度关系,最后也可得到锅底的温度。
由于都不是直接测量锅底的温度,所以这次的课题最主要就是要构造一个炒锅的从锅沿到锅底的温度场。
根据物体在非稳态的环境下温度梯度的变化,在热传递过程中形成的温度场中来计算温度值。
构造出温度场后,其他的问题就都可以解决了。
2系统总体设计
2.1系统总体框图
图1系统总体框图
本文所设计的炒锅锅底温度检测系统大体可以分为三个部分:
温度测量电路、控制计算、温度显示电路。
而对于温度测量电路,无论是电流型传感器,还是热电偶等其他类型的传感器,输出的电压或电流信号都是模拟信号,而单片机等控制器都只能接收并处理数字信号,所以在两者之间要接入一个模数转换器,实现信号形式转换。
2.2系统方案论证
在此之前有公司已经推出了通过光传感器检测锅底温度的烹调炉,主要是根据锅底的红外线来检测温度。
也就是直接通过锅底温度不同时红外线的强度不同,从而直接来检测锅底的温度。
而本文要求在充分收集国内外资料的基础上,回避松下专利技术,提出新的锅底温度检测技术方案。
对此本文通过检测炒锅其他部位的温度,再通过不同位置的温度场关系来计算出锅底的温度。
方案一:
由于不想直接测量锅底的温度,而要检测锅其他部位的温度,这样的话仅使用一个传感器就无法满足要求,所以要用到至少两个传感器放置在锅的不同部位来构造温度场关系。
于是想到在锅沿放置一个传感器,检测的是温度场中锅顶部温度最低的那一个等温面的温度,同时在炒锅的大约中间位置再放置一个传感器,它所检测到的是温度场中它所放位置的那一个圆形等温面的温度。
然后再根据两者关系,和锅底温度的关系来构造出温度场,通过控制器的数据处理和计算来最后得到锅底的温度,再通过控制器输出给显示器,来实时显示当前锅底温度。
但它的缺点是不容易实现,因为要将传感器放置在锅的中间位置,这样就有可能在加热过程中使传感器受热,而导致检测的温度不准确,甚至还有可能损坏传感器。
寿命就不会很长,不一定满足要求。
方案二:
根据第一个方案的放置至少两个传感器的思想,同时又改进其寿命不长、实现起来有困难的缺点,可以在锅沿上对称的两个位置放置两个传感器。
即将锅放置好后,在锅沿的左边和右边各放置一个传感器。
其实也可以在锅沿的不同位置放置不同的传感器,提高测量的精度,但是这样就会大大提高系统的成本,而且对于锅这种温度变化属于滞后环节的系统,同时又不要求很高的温度显示精度,两个对称位置的传感器就可以满足要求。
若不注意将锅摆放的位置有些偏,比如左边比右边稍微高了一点,那么两个传感器所检测到的温度就会有差异,再通过软件进行数据处理,也同样可以达到要求的精度和准确性。
虽然方案二对于方案一来说只检测了一个等温面的温度,但是通过构造出相对准确的温度场,就可以由温度场中一点的温度来推出温度场中另一点的温度,不会有很大的误差,而且方案二实现起来比较容易、可靠,寿命也会比方案一长很多。
相对来说更满足要求,所以在传感器的放置位置上本文选择方案二。
图2锅传感器放置位置
其中阴影部分就是放置传感器的位置,即锅沿对称的左右两边。
3系统硬件设计
3.1控制器
可以使用的控制器有单片机C51系列,微处理器8086芯片,PLC可编程控制器等等,鉴于对单片机更熟悉一些,不久之前还使用过,相对来说用起来比较轻松,对其功能也比较了解。
因此总的控制芯片本文选择用AT89C51单片机来实现,之所以选择AT89C51而没有选择8051,是因为8051是最简单的单片机,仅高于8031,内核结构简单,使用方便,是以前使用比较广泛的一款单片机.。
AT89C51是ATMEL公司的产品属于89系列单片机,是中档产品,已经够一些基本的应用场合。
AT89C5为一系列单片机的总称,该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器全部支持12时钟和6时钟操作存储器寻址范围为64K字节ROM和64K字节RAM,电源控制模式为时钟可停止和恢复、空闲模式、掉电模式三种模式。
4个中断优先级、6个中断源、4个8位I/O通用端口、3个16位定时/计数器T0/T1(标准80C51)和增加的T2(捕获和比较)可编程时钟输出和异步端口复位等功能组成。
表1单片机的管脚描述
名称
类型
名称和功能
Vss
I
地
P0.0-0.7
I/O
P0口通用I/O口
P1.0-1.7
I/O
P1口通用I/O口和T2
P2.1-2.7
I/O
P2口通用I/O口
P3.1-3.7
I/O
P3口通用I/O、第二功能
RST
I
复位
ALE
O
地址锁存使能
O
程序存储使能
/Vpp
I
外部寻址使能/编程电压
XTAL1
I
晶体1
XTAL2
I
晶体2
了解了管脚分布情况和各个管脚的作用对于以后硬件连接很有帮助,不会出现一些连接错误。
其中18脚19脚可以构成片外振荡器,单片机所有工作时序都是靠时钟振荡器的振荡信号来控制,没有它,单片机就无法正常工作,所以在单片机外一定要接一定的电路来产生晶振。
图3产生晶振信号电路图
单片机为该系统的主要控制部件,通过软件编程可以完成所要求的任务,由于单片机的各个端口可以作为输入也可作为输出端口,而且它输出的电压值电流值可以达到使元器件开通的范围,所以本文选用单片机,并尽量将它的四个并行接口全部利用起来了,这样可以减少芯片的数目同时又可以完成所要求的任务。
3.2传感器
3.2.1传感器选择方案论证
温度传感器相对来说类型比较多,既有传统方式测温的传感器,如双金属片温度传感器、热电偶等,又有电子元器件类传感器,如热敏电阻传感器、铂电阻及集成温度传感器等。
其中热电偶和集成温度传感器比较符合要求,将两者作为考虑范围。
方案一:
选择K型热电偶来作为温度传感器。
热电偶的温度测量原理是利用金属的热电效应将温度变化直接转变为电信号,温度变化就会转变为微小的电动势变化量。
在热电偶冷热端电势关系中,有如下公式存在
,其中,t为实测温度;
为冷端温度;
冷端温度为0℃时,热电偶电势输出;
冷端温度为
℃时,热电偶电势输出;
为冷端补偿电势。
是热电偶输出中检测到的量,要获取冷端温度
,再由分度表换算出
,进而求出
。
这样就可以换算出实测温度t。
由上可知,K型热电偶需要获取冷端温度,它的影响是不可忽略的,且热电偶暴露于环境中,大体上跟室温一致,而室温是会随季节气候变化而变化的,因此冷端温度就会变化,因此需要有冷端温度补偿电路是K型热电偶的一个缺点。
而且由于K型热电偶的测量温度范围为-200℃~+1600℃,线性差也是一个缺点。
方案二:
选择集成温度传感器AD590来作为温度传感器。
集成温度传感器是利用半导体PN结的温度特性制成的,因此线性相对来说比较好,非线性误差为
0.3℃,而测温范围是-55℃~+150℃,AD590为模拟电流型集成温度传感器,输出的电流与绝对温度有一个十分简单的对应关系,不需要查表也不需要温度补偿电路。
在炒菜的过程中,锅底的温度不会很高,这样锅沿的温度不会超过150℃,这样看来测量范围AD590更适合,范围小精度就会高一些。
K型热电偶需要有冷端温度补偿才可以准确,达到精度,这样就要通过硬件补偿电桥来实现,必然会增加产品成本。
而且通过检测得到温度值时,需要查分度表,在炒菜的过程中,单片是在不停的接收数据,所以单片机就要一直进行查询分度表,这样必然会浪费单片机的资源,也会影响显示速度。
但AD590检测时产生的电流与绝对温度成正比,得到的电信号值可以直接变成温度信号进行处理利用,不仅减少了硬件和软件的成本,也提高了速度。
所以本文选用AD590作为温度传感器。
3.2.3温度传感器AD590
集成温度传感器AD590是由美国哈里斯公司、模拟器件公司等生产的恒流源式模拟集成温度传感器。
它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点,具有测温误差小、动态阻抗高、响应时间短、传输距离远、体积小、微功耗等特点,适合远距离测温、控温,而且不需要进行非线性校准。
AD590属于采用激光修正的精密集成温度传感器。
其中系列产品中以AD590M的性能最好。
封装后有三个管脚,1脚为正极,2脚为负极,3脚接管壳。
使用时将3脚接地,可起到屏蔽作用。
它的封装外形及符号如图4所示。
图4AD590的封装外形及符号
AD590共有I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,其具体的技术指标如下表所示。
表2AD590中M档的主要技术指标
型号
单位
AD590M
最大非线性误差
℃
最大标定温度误差(℃)
℃
额定电流温度系数
1.0
额定输出电流(+25℃)
298.15
长期温度漂移
℃/月
响应时间
20
壳与管脚的绝缘电阻
Ω
等效并联电容
pF
100
工作电压范围
V
+4~+30
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会被损坏。
这一点很重要。
而它的工作电压为4V~30V,测温范围是-55~+150℃,对应于热力学温度T每变化1K,输出电流就变化1
。
在298.15K(对应于25.15℃)时输出电流恰好等于298.15
.这就表明输出的电流值与绝对温度是一一对应的,而且数值上是相等的。
由于AD590线性非常好,输出的电流值在数值上等于绝对温度值,所以可以直接将AD590所测得的数据经模数转换处理后送入单片机进行计算,因为绝对温度与摄氏温度相差273℃,所以要将计算得到的结果减去273,再通过单片机控制显示出来。
图5AD590部分的外接电路
3.3模数转换器ADC0809
由于检测温度的传感器是选择AD590,输出的是模拟数值,而单片机只能处理数字信号,所以要在AD590和单片机之间加入模数转换器,本文选择ADC0809。
ADC0809是一种带有8通道模拟开关的8位逐次逼近式CMOSA/D转换器,转换时间为100
左右。
芯片内有一个8路模拟开关、一个比较器、一个带有树状模拟开关的256R分压器和一个逐次逼近的寄存器所组成。
表3ADC0809的管脚描述
名称
类型
功能
IN0-IN7
I
8条模拟量输入通道
ALE
I
地址锁存允许输入线
A,B,C
I
地址选通线
ST
I
转换启动控制信号
EOC
O
转换结束控制信号
OE
I
输出允许信号
D7-D0
O
数字量输出线
CLK
I
时钟输入信号线
VREF(+),VREF(-)
I
参考电压输入
GND
I
数字端
其中ALE高电平有效。
当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
地址选通输入线A、B、C为高电平有效,用于选通8路模拟通道上的一路模拟量输入。
表4通道选择与所选通道关系
选择模拟通道
输入地址
选择模拟通道
输入地址
ADD
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 炒锅 锅底 温度 检测 系统 设计