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[第二届] 第二届UEAL第二轮—程控加热器(中国地质大学)

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UEAL第2届电子设计大赛第二轮——程控加热器

中国地质大学(武汉)
cztqwan
2016-04-24
一、 简介
本作品采用STM32F103作为主控芯片,以DS18B20作为温度传感器实现了程控加热器。实现了实时显示控制温度和实际工作温度,可用红外遥控设定工作温度,温控误差要求小于±1℃,加热功率可调,能显示风扇转速,能按预定的加热曲线加热等。基本实现了题目的全部要求。

二、方案设计
2.1 主控芯片
    因为STM32F103的片上资源比较丰富,而且进行LCD显示也比较方便,正好手头有一个用得正顺手,所以就选择STM32F103作为主控芯片了。
2.2 温度传感器
    为了达到题目要求的1℃的精度以及30到70的温度测量范围要求,采用DS18B20作为温度传感器。DS18B20的测温范围为-55~+125℃可以满足题目的要求。
2.3 驱动电路
    为了方便起见没有采用继电器加高功率加热片的方案,而是采用L298N对风扇和加热片进行驱动,L298N多用在驱动电机上,可以根据单片机输出的pwm波输出平滑的平滑的电压,这一点对于使用pwm波控制风扇和加热片也同样是适用的。
2.4 测速传感器
    由于采用的散热风扇不带速度反馈功能,所以采用对射式计数传感器对风扇的转速进行测试。对射式计数传感器可以对遮挡物遮挡次数进行计数,散热风扇有7个扇页,也就是风扇转一圈对射式计数传感器的输出引脚会产生7次下降沿电平变化,使用单片机对其计数即可完成风扇的测速。
2.5 控制算法
    为了得到更高的控制精度和系统稳定性选择采用PID控制算法。

三、总体结构

图1 总体结构STM32F103通过LCD、红外遥控和用户进行信息的交互。LED用来产生告警,由于采用蜂鸣器的原理和LED是类似的,所以在本作品中没有实现蜂鸣器告警功能。STM32F103通过测速传感器和DS18B20分别检测散热风扇的转速和加热片的温度。STM32F103使用pwm波控制L298N,L298N输出直流电压驱动散热风扇和加热片。


四、程序流程图

图2 程序流程图

        程序一共分为四个模式,通过红外遥控的1~4按钮选择模式,进行模式之间的切换:

模式一为设定温度模式,通过红外遥控的+和-按钮设定温度,程序控制加热器(作品)在加热片和散热风扇的协作下,使温度达到设定值,误差在1℃以内。

模式二为30℃~70℃模式,加热器(作品)使温度在30℃~70℃之间来回变化。

模式三为设定功率模式,可以按照不同的功率档位进行加热,不同功率下加热的速度不同,功率档位分为0~9档,0档最慢,9档最快,通过红外遥控的+和-选择档位。

模式四为设定曲线模式,程序控制加热器(作品)按照固定的曲线进行加热,默认设置了4种曲线,通过红外遥控的+和-按钮选择曲线。


五、实体照片

图3 作品总体图



图4 控制检查模块图



图5 主控模块图



图6 红外遥控按钮功能定义


图7 LCD界面介绍

六、测试结果

6.1设定设定工作温度,温控误差要求小于±1℃;


图8 设定温度30℃



图9 设定温度45℃


图10设定温度60℃


6.2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;

图11 温度达到70以上后降温


图12 温度达到30以下后升温



6.3加热功率可调;

档位
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
占空比(%)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
温度增量(℃)
0.5
1.0
1.8
2.7
3.4
4.2
5.2
6.2
7.0
7.7
表1 功率档位加热速度



   6.4具有程控加热功能,能按预定的加热曲线加热;

图13 温度按照曲线1进行温度控制


图14 温度按照曲线2进行温度控制


图15 温度按照曲线3进行温度控制


图16 温度按照曲线4进行温度控制


七、结果分析

        本作品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。



  UEAL第2届电子设计大赛第二轮——程控加热器报告.pdf(2.12 MB, 下载次数:13, 售价:1个IC币, 已购买:4)

hnyzcj  版主

发表于 2016-5-3 21:31:27

不错
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dsweiliang  初级技神

发表于 2016-5-4 09:25:25

很好
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virtualwiz  中级技匠

发表于 2016-5-4 13:18:38

支持~~风扇测速的方法好魔性:lol
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