炒鍋鍋底溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報告1、目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得我們的生活質(zhì)量有了明顯的提高，將研究所得到的 技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生活中，用來解決實(shí)際中遇到的常見問題，或者幫助美化生活，提高生 活水平，這種趨勢日益明顯。在居家生活中，做飯炒菜是必不可少的，火候掌握不好就會影響飯菜的味道。對于 這個問題，也想到了通過所研究的科學(xué)技術(shù)來幫助解決。在工業(yè)中可以通過簡單的系統(tǒng) 設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)溫度的顯示和控制，同樣在家用中也可以，而且不需要精度很高，這樣在選 擇器件上就無需有過多的要求來增加成本，就增加了它的可實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。2007年，日本松下電器產(chǎn)業(yè)推出了通

2、過光傳感器檢測鍋底溫度的IH烹調(diào)爐 “KZ-VSW33Do在業(yè)內(nèi)率先配備了通過來自鍋底的紅外線來檢測溫度的“光火力傳感器”。可迅速檢測出鍋底由于食物下鍋而引起的降溫，從而保持高溫。做中國菜時，即使掂芍炒菜 也能迅速地再加熱，因此不會使炒菜等水分過多?？蛇M(jìn)行自動調(diào)節(jié)防止鍋底過熱，因此不會 燒焦食物，可降低做菜的失敗率。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)擬定的題目就是從之前所敘述的起點(diǎn)出發(fā)，展開研究的。在充分收集國內(nèi) 外資料的基礎(chǔ)上，回避松下專利技術(shù)，提出新的鍋底溫度檢測技術(shù)方案。本文所提出的炒鍋鍋底溫度檢測技術(shù)方案在上述的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)。在鍋沿的兩個把手 上各放置一個傳感器，由于鍋沿上的兩個傳感器是放置在對稱的位置上

3、的，理論上應(yīng)是同一 溫度，所以即使當(dāng)由于某些原因，使得鍋放置的不夠水平時，通過兩個位置對稱的傳感器可 以進(jìn)行溫度補(bǔ)償或者減小隨機(jī)誤差等原因所帶來的影響。由于不是直接測量鍋底的溫度，所 以這次的課題最主要就是要構(gòu)造一個從鍋沿到鍋底的溫度場。根據(jù)物體在非穩(wěn)態(tài)的環(huán)境 下溫度梯度的變化，在熱傳遞過程中形成的溫度場來計(jì)算溫度值。構(gòu)造出溫度場后，將溫度傳感器 AD590測量到的模擬值經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC080盼時采集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化得到數(shù)字值，再通過并口將數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中，通過單片機(jī)軟件編程的方式來計(jì)算確定溫度場中的各點(diǎn)溫度，最后要將系統(tǒng)最終確定的鍋底的溫度顯示出來，這可以通過LED七段數(shù)碼管顯示出來。顯示可

4、以通過單片機(jī)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)來驅(qū)動七段數(shù)碼管顯示，而七段 數(shù)碼管對電流要求不大，直接與單片機(jī)相連就可以顯示，并不需要驅(qū)動，十分方便而且節(jié)省成本。由于炒鍋要求精度并不是十分高，只要在 1C左右就可以，同時炒鍋的溫度 變化范圍也不是很大，AD590-50C到120c的測量范圍就可以滿足，所以選擇它作為溫度傳感器。這樣整個系統(tǒng)成本算下來，如果批量生產(chǎn)的話可以控制在60元以內(nèi)。設(shè)計(jì)的意義是(理論或?qū)嶋H)：(1)炒鍋是居家生活中必不可少的生活用品，所以炒鍋鍋底溫度檢測技術(shù)是一個實(shí)用性很強(qiáng) 的方案，可以提高人們生活水平，幫助人們控制好炒菜的火候，做出可口的飯菜。(2)在國外，已經(jīng)有一種通過測量鍋底紅外線的方

5、法來測量鍋底的溫度，但是經(jīng)濟(jì)性并不是 很高，雖然是專利技術(shù)，但畢竟成本降不下來。而本論文可以達(dá)到更低的成本，同時也符合 要求。(3)炒鍋鍋底溫度檢測技術(shù)方案，本文將不僅在論文中給出理論方案，而且將結(jié)合理論，給 出一個實(shí)物模型來驗(yàn)證該方案的實(shí)際可操作性和經(jīng)濟(jì)性。2、基本內(nèi)容和技術(shù)方案設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是：(1)完成鍋沿和鍋底之間溫度場的計(jì)算關(guān)系；(2)完成硬件電路設(shè)計(jì)；(3)完成軟件設(shè)計(jì)；(4)完成系統(tǒng)制作，調(diào)試(5)提交軟硬件和全部資料；主要技術(shù)方案是：(1)軟件設(shè)計(jì)方案：利用匯編語言或C語言來編寫實(shí)現(xiàn)計(jì)算鍋底溫度的控制算法和顯示溫度 功能的程序模塊。(2)硬件設(shè)計(jì)方案：通過溫度傳感器來進(jìn)行檢測，

6、模擬值送入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信 號后，通過并口送入單片機(jī)。再由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算控制功能，并使七段數(shù)碼管顯示出鍋底的 溫度，共同實(shí)現(xiàn)炒鍋鍋底溫度檢測技術(shù)。3、進(jìn)度安排1 .準(zhǔn)備階段 (12周)本階段對大量相關(guān)資料或文獻(xiàn)進(jìn)行研究，在深入學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，逐步找出自己可以選用 的溫度傳感器，同時對熱傳遞方面進(jìn)行深入了解與學(xué)習(xí)。2 .完成研究階段(3-9周)本階段已經(jīng)在扎實(shí)知識積累的基礎(chǔ)上，正式進(jìn)入該課題的研究，在大概六周的時間內(nèi)，完成規(guī)劃方案的設(shè)計(jì)并對方案進(jìn)行綜合評價， 并且由指導(dǎo)老師進(jìn)行修正，不斷改進(jìn)自己研究, 最終訂出結(jié)果，設(shè)計(jì)出硬件電路模型，和相關(guān)軟件程序。3 .畢業(yè)報告形成階段 （10-14

7、周）本階段集中精力完成畢業(yè)報告，由指導(dǎo)老師修改完善，且根據(jù)學(xué)校要求，完成封面裝訂工作。4 .畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯階段 （15周）根據(jù)自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)，以及學(xué)校的要求，完成與之對應(yīng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。精彩文檔目 錄摘要I.ABSTRACT II1緒論12系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.2.1 系統(tǒng)總體框圖 22.2 系統(tǒng)方案論證 23系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.3.1 控制器 43.2 傳感器 53.2.1 傳感器選擇方案論證 5.3.2.3 溫度傳感器AD5906.3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809 83.4 LED溫度顯示電路 103.4.1 LED 數(shù)碼管1.03.4.2 顯示方式方案論證 1.14溫度場1.34.1 熱傳遞 1

8、34.2 導(dǎo)熱規(guī)律 144.3 溫度場計(jì)算算法 155 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .195.1 軟件設(shè)計(jì)原則 195.2 LED顯示結(jié)果模塊 215.2.1 LED 顯示215.2.2 延時程序235.3 ADC0809 時鐘信號 235.4 主程序 255.4.1 段碼及管腳定義265.4.2 A/D 轉(zhuǎn)換266系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論296.1 系統(tǒng)調(diào)試 296.1.1 定時器中斷子程序的調(diào)試 296.1.2 溫度場算法部分的調(diào)試 .306.2 系統(tǒng)仿真 326.3 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析33結(jié)束語35致謝錯誤！未定義書簽。參考文獻(xiàn)36附錄1系統(tǒng)實(shí)物模型總的硬件電路圖： .37附錄2硬件測試 Keil C 語言

9、程序 38摘要炒鍋鍋底溫度檢測裝置的設(shè)計(jì)，對于我們居家生活提高生活質(zhì)量有著重要的意義。 它可以幫助我們吃上可口的飯菜。本文的主要設(shè)計(jì)目的是試圖通過理論與實(shí)踐相結(jié)合， 來討論炒鍋的弧形溫度場的一些基本問題，加深對單片機(jī)控制作用的實(shí)現(xiàn)的認(rèn)識。炒鍋鍋底溫度檢測系統(tǒng)是一個簡單但實(shí)用的小系統(tǒng)。本文首先對系統(tǒng)的大體框圖進(jìn) 行了構(gòu)想，通過方案的對比首先確定溫度測量傳感器的放置位置，以確定整個系統(tǒng)的準(zhǔn) 確性，在此基礎(chǔ)上再確定系統(tǒng)各個模塊的硬件設(shè)備，用到的控制器、傳感器的型號及具 體參數(shù)，還增加一個模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，最后在單片機(jī)上連接一個顯示模塊LEW。這樣一個簡單而實(shí)用的小系統(tǒng)就組成了。本文中最重要的就是對于溫度

10、場部分的探索與研究，通過對熱傳遞及導(dǎo)熱等知識的 理解加研究來最終確定溫度場算法，并通過鍋沿的溫度來計(jì)算鍋底溫度。既要考慮到準(zhǔn) 確性，也要考慮到實(shí)用性，在可以允許的范圍內(nèi)進(jìn)行近似，簡化成好計(jì)算又不失準(zhǔn)確性 的溫度場算法。在軟件編寫設(shè)計(jì)方面，本文選用的 C語言編程來實(shí)現(xiàn)計(jì)算控制和顯示的功能，而且 目前的單片機(jī)都可以兼容C語言，這樣也不會出現(xiàn)不兼容的現(xiàn)象。最后的仿真本文使用 了 protues軟件，它可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真。最后顯示出鍋底的溫度。精度為 1C, 對于炒鍋鍋底溫度測量的小系統(tǒng)來說這個精度能夠符合實(shí)際要求。關(guān)鍵詞：單片機(jī)炒鍋鍋底溫度溫度場ABSTRACTStir bottom of th

11、e pot temperature detection device designed to improve home life for our quality of life of is great significant. It can help us to eat delicious meals. The main purpose of this paper is to attempt to design theory and practice, to discuss the arc temperature wok some basic questions and learn more

12、about the role of SCM Realizing.Stir bottom of the pot temperature detection system is a simple but useful little system. Firstly, the general block diagram of the system was the concept of contrast through the program first to determine placement of temperature measurementsensorsto determine the ac

13、curacy of the entire system, on this basis and then determine the system hardware modules, use the controller , the sensor model and specific parameters, it has added an analog-digital conversion devices, and finally connected to a display module microcontroller LED lights. Such a simple and practic

14、al form of small system on.I think the most important thing in this article is the temperature part of the exploration and study of heat transfer and thermal conductivity by the knowledge of understanding to study, to determine the temperature field in the final algorithm to calculate the temperatur

15、e along the pot bottom temperature. We must take into account the accuracy, but also take into account the practical value to the extent permitted approximate, simplified calculation without losing accuracy good a temperature field algorithm.In software design aspect, I use the C language programmin

16、g to achieve the functions of computing control and display, and the current C-compatible microcontroller , this still does not there is any compatible . Then I used the protues simulation software, which can simulate the whole system. Shows the temperature of the final bottom of the pot. Accuracy o

17、f 1 , the wok bottom of the pot temperature measurement accuracy of small systems that can meet the practical requirements.Key words: SCM pan bottom temperature temperature1緒論隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得我們的生活質(zhì)量有了明顯的提高，將研究所得到的 技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生活中，用來解決實(shí)際中遇到的常見問題，或者幫助美化生活，提高生 活水平，這種趨勢日益明顯。2007年，日本松下電器產(chǎn)業(yè)推出了通過光傳感器檢測鍋底溫度的IH烹調(diào)爐“

18、KZ-VSW33Do在業(yè)內(nèi)率先配備了通過來自鍋底的紅外線來檢測溫度的“光火力傳感器”?？裳杆贆z測出鍋底由于食物下鍋而引起的降溫，從而保持高溫。做中國菜時，即 使掂芍炒菜也能迅速地再加熱，因此不會使炒菜等水分過多?？蛇M(jìn)行自動調(diào)節(jié)防止鍋底 過熱，因此不會燒焦食物，可降低做菜的失敗率。檢測紅外線的傳感器叫做紅外線傳感器，它是利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的 傳感器。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度都能輻射紅外線，而紅外線傳感器測量 時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。工作原 理主要是依靠熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)換電路變成 電信號輸出。

19、而鍋底溫度在加熱過程中不斷變化，也就是意味著紅外線輻射的能量不同， 因此最后輸出的電信號不同，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系就可以得到鍋底的溫度。本文就是在它的基礎(chǔ)上而展開研究的。在充分收集國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，回避松下 專利技術(shù)，同時提出新的鍋底溫度檢測技術(shù)方案，來設(shè)計(jì)一個家庭炒鍋的鍋底溫度測量 的實(shí)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)顯示鍋底溫度的功能。同時滿足原理簡單，設(shè)計(jì)簡單，維護(hù)方便，同 時壽命較長，環(huán)境適應(yīng)性好，而且也滿足經(jīng)濟(jì)性，成本不會很高。根據(jù)上述思想，本文將炒鍋鍋底溫度檢測技術(shù)方案做了改進(jìn)。在鍋沿的兩個把手上 各放置一個傳感器，由于鍋沿上的兩個傳感器是放置在對稱的位置上，理論上應(yīng)是同一 溫度，若鍋放置傾斜，通過兩個位置

20、對稱的傳感器可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償或者減小隨機(jī)誤差 等原因所帶來的影響?；蛘咴诔村伒牟煌恢酶鞣胖靡粋€傳感器這樣就可測量到不同等 溫面的溫度，通過建立溫度關(guān)系，最后也可得到鍋底的溫度。由于都不是直接測量鍋底 的溫度，所以這次的課題最主要就是要構(gòu)造一個炒鍋的從鍋沿到鍋底的溫度場。根 據(jù)物體在非穩(wěn)態(tài)的環(huán)境下溫度梯度的變化，在熱傳遞過程中形成的溫度場中來計(jì)算溫度值。構(gòu)造出溫度場后，其他的問題就都可以解決了。實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案精彩文檔2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)總體框圖溫度測量A/D轉(zhuǎn)換器圖1系統(tǒng)總體框圖本文所設(shè)計(jì)的炒鍋鍋底溫度檢測系統(tǒng)大體可以分為三個部分：溫度測量電路、控制 計(jì)算、溫度顯示電路。而對于溫度測量電路

21、，無論是電流型傳感器，還是熱電偶等其他 類型的傳感器，輸出的電壓或電流信號都是模擬信號，而單片機(jī)等控制器都只能接收并 處理數(shù)字信號，所以在兩者之間要接入一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)信號形式轉(zhuǎn)換。2.2 系統(tǒng)方案論證在此之前有公司已經(jīng)推出了通過光傳感器檢測鍋底溫度的烹調(diào)爐，主要是根據(jù)鍋底 的紅外線來檢測溫度。也就是直接通過鍋底溫度不同時紅外線的強(qiáng)度不同，從而直接來 檢測鍋底的溫度。而本文要求在充分收集國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，回避松下專利技術(shù)，提 出新的鍋底溫度檢測技術(shù)方案。對此本文通過檢測炒鍋其他部位的溫度，再通過不同位 置的溫度場關(guān)系來計(jì)算出鍋底的溫度。方案一：由于不想直接測量鍋底的溫度，而要檢測鍋其他部

22、位的溫度，這樣的話僅 使用一個傳感器就無法滿足要求，所以要用到至少兩個傳感器放置在鍋的不同部位來構(gòu) 造溫度場關(guān)系。于是想到在鍋沿放置一個傳感器，檢測的是溫度場中鍋頂部溫度最低的 那一個等溫面的溫度，同時在炒鍋的大約中間位置再放置一個傳感器，它所檢測到的是 溫度場中它所放位置的那一個圓形等溫面的溫度。然后再根據(jù)兩者關(guān)系，和鍋底溫度的 關(guān)系來構(gòu)造出溫度場，通過控制器的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算來最后得到鍋底的溫度，再通過控 制器輸出給顯示器，來實(shí)時顯示當(dāng)前鍋底溫度。但它的缺點(diǎn)是不容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐獙?感器放置在鍋的中間位置，這樣就有可能在加熱過程中使傳感器受熱，而導(dǎo)致檢測的溫 精彩文檔度不準(zhǔn)確，甚至還有可能損

23、壞傳感器。壽命就不會很長，不一定滿足要求。方案二：根據(jù)第一個方案的放置至少兩個傳感器的思想，同時又改進(jìn)其壽命不長、 實(shí)現(xiàn)起來有困難的缺點(diǎn)，可以在鍋沿上對稱的兩個位置放置兩個傳感器。即將鍋放置好 后，在鍋沿的左邊和右邊各放置一個傳感器。其實(shí)也可以在鍋沿的不同位置放置不同的 傳感器，提高測量的精度，但是這樣就會大大提高系統(tǒng)的成本，而且對于鍋這種溫度變 化屬于滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，同時又不要求很高的溫度顯示精度，兩個對稱位置的傳感器就 可以滿足要求。若不注意將鍋擺放的位置有些偏，比如左邊比右邊稍微高了一點(diǎn)，那么 兩個傳感器所檢測到的溫度就會有差異，再通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也同樣可以達(dá)到要 求的精度和準(zhǔn)確性

24、。雖然方案二對于方案一來說只檢測了一個等溫面的溫度，但是通過構(gòu)造出相對準(zhǔn)確 的溫度場，就可以由溫度場中一點(diǎn)的溫度來推出溫度場中另一點(diǎn)的溫度，不會有很大的 誤差，而且方案二實(shí)現(xiàn)起來比較容易、可靠，壽命也會比方案一長很多。相對來說更滿 足要求，所以在傳感器的放置位置上本文選擇方案二。圖2鍋傳感器放置位置其中陰影部分就是放置傳感器的位置，即鍋沿對稱的左右兩邊3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 控制器可以使用的控制器有單片機(jī) C51系列，微處理器8086芯片，PLC可編程控制器等等， 鑒于對單片機(jī)更熟悉一些，不久之前還使用過，相對來說用起來比較輕松，對其功能也 比較了解。因此總的控制芯片本文選擇用AT89C51單片

25、機(jī)來實(shí)現(xiàn)，之所以選擇 AT89C51而沒有選擇8051,是因?yàn)?051是最簡單的單片機(jī)，僅高于8031,內(nèi)核結(jié)構(gòu)簡單,使用方便， 是以前使用比較廣泛的一款單片機(jī).。AT89C51是ATME公司的產(chǎn)品屬于89系列單片機(jī)， 是中檔產(chǎn)品，已經(jīng)夠一些基本的應(yīng)用場合。AT89C效一系列單片機(jī)的總稱，該系列單片機(jī)是采用高性能的靜態(tài) 80C51設(shè)計(jì)由先 進(jìn)CMOS藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲器全部支持12時鐘和6時鐘操作存儲 器尋址范圍為64K字節(jié)ROMffi 64K字節(jié)RAM電源控制模式為時鐘可停止和恢復(fù)、空閑 模式、掉電模式三種模式。4個中斷優(yōu)先級、6個中斷源、4個8位I/O通用端口、3個 1

26、6位定時/計(jì)數(shù)器T0/T1 （標(biāo)準(zhǔn)80C5。和增加的T2（捕獲和比較）可編程時鐘輸出和異 步端口復(fù)位等功能組成。表1單片機(jī)的管腳描述名稱名稱和功能VssI地P0.0-0.7I/OP0 口通用 I/O 口P1.0-1.7I/OP1 口通用I/O 口和T2P2.1-2.7I/OP2 口通用 I/O 口P3.1-3.7I/OP3 口通用I/O、第二功能RSTI復(fù)位ALEO地址鎖存使能PSENO程序存儲使能EA /VppI外部尋址使能/編程電壓XTAL1I晶體1XTAL2I晶體2實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案了解了管腳分布情況和各個管腳的作用對于以后硬件連接很有幫助，不會出現(xiàn)一些連接錯誤。其中18腳19腳可以構(gòu)成片外振

27、蕩器，單片機(jī)所有工作時序都是靠時鐘振蕩 器的振蕩信號來控制，沒有它，單片機(jī)就無法正常工作，所以在單片機(jī)外一定要接一定的電路來產(chǎn)生晶振。22pFC222pFXT-I_I ,12MJR110kC3WuFUIXTAL1圖3產(chǎn)生晶振信號電路圖單片機(jī)為該系統(tǒng)的主要控制部件，通過軟件編程可以完成所要求的任務(wù)，由于單片 機(jī)的各個端口可以作為輸入也可作為輸出端口，而且它輸出的電壓值電流值可以達(dá)到使 元器件開通的范圍，所以本文選用單片機(jī)，并盡量將它的四個并行接口全部利用起來了, 這樣可以減少芯片的數(shù)目同時又可以完成所要求的任務(wù)。3.2 傳感器3.2.1 傳感器選擇方案論證溫度傳感器相對來說類型比較多，既有傳統(tǒng)方

28、式測溫的傳感器，如雙金屬片溫度傳 感器、熱電偶等，又有電子元器件類傳感器，如熱敏電阻傳感器、珀電阻及集成溫度傳 感器等。其中熱電偶和集成溫度傳感器比較符合要求，將兩者作為考慮范圍。方案一：選擇K型熱電偶來作為溫度傳感器。熱電偶的溫度測量原理是利用金屬的 熱電效應(yīng)將溫度變化直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑴囟茸兓蜁D(zhuǎn)變?yōu)槲⑿〉碾妱觿葑兓?。?熱電偶冷熱端電勢關(guān)系中，有如下公式存在EAB（t,0） =EAB（t,tn） + EAB（tn，O）,其中，t為實(shí)測溫度；tn為冷端溫度；EAB（t,0）冷端溫度為0c時，熱電偶電勢輸出；EAB（t,tn）冷端 溫度為tn 時，熱電偶電勢輸出；EAB（tn，O）為冷端

29、補(bǔ)償電勢。Eab?！浚┦菬犭娕驾敵鲋?檢測到的量，要獲取冷端溫度 ,再由分度表換算出EAB（tn,0）,進(jìn)而求出EaB。,。）。這 樣就可以換算出實(shí)測溫度to 精彩文檔由上可知，K型熱電偶需要獲取冷端溫度，它的影響是不可忽略的，且熱電偶暴露 于環(huán)境中，大體上跟室溫一致，而室溫是會隨季節(jié)氣候變化而變化的，因此冷端溫度就 會變化，因此需要有冷端溫度補(bǔ)償電路是 K型熱電偶的一個缺點(diǎn)。而且由于 K型熱電偶 的測量溫度范圍為-200C+1600C,線性差也是一個缺點(diǎn)。方案二：選擇集成溫度傳感器 AD590來作為溫度傳感器。集成溫度傳感器是利用半 導(dǎo)體PN結(jié)的溫度特性制成的，因此線性相對來說比較好，非線性

30、誤差為0.3 C,而測溫范圍是-55C+150C, AD590為模擬電流型集成溫度傳感器，輸出的電流與絕對溫度 有一個十分簡單的對應(yīng)關(guān)系，不需要查表也不需要溫度補(bǔ)償電路。在炒菜的過程中，鍋底的溫度不會很高，這樣鍋沿的溫度不會超過150C,這樣看來測量范圍AD590更適合，范圍小精度就會高一些。K型熱電偶需要有冷端溫度補(bǔ)償才 可以準(zhǔn)確，達(dá)到精度，這樣就要通過硬件補(bǔ)償電橋來實(shí)現(xiàn)，必然會增加產(chǎn)品成本。而且 通過檢測得到溫度值時，需要查分度表，在炒菜的過程中，單片是在不停的接收數(shù)據(jù)， 所以單片機(jī)就要一直進(jìn)行查詢分度表，這樣必然會浪費(fèi)單片機(jī)的資源，也會影響顯示速 度。但AD590檢測時產(chǎn)生的電流與絕對溫

31、度成正比，得到的電信號值可以直接變成溫度 信號進(jìn)行處理利用，不僅減少了硬件和軟件的成本，也提高了速度。所以本文選用AD590 作為溫度傳感器。3.2.3 溫度傳感器 AD590集成溫度傳感器AD590是由美國哈里斯公司、模擬器件公司等生產(chǎn)的恒流源式模擬 集成溫度傳感器。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，具有測溫誤差小、動態(tài) 阻抗高、響應(yīng)時間短、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等特點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫， 而且不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。AD590H于采用激光修正的精密集成溫度傳感器。 其中系列產(chǎn)品中以AD590M勺性能 最好。封裝后有三個管腳，1腳為正極，2腳為負(fù)極，3腳接管殼。使用時將3腳接地，

32、可起到屏蔽作用。它的封裝外形及符號如圖 4所示。AD5go圖4 AD590的封裝外形及符號精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案AD59Q#有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，其具體的技術(shù)指標(biāo)如下表所示表2 AD590中M檔的主要技術(shù)指標(biāo)型號單位AD590M最大非線性誤差C士0.3最大標(biāo)定溫度誤差（C）C0.5額定電流溫度系數(shù)NA/K1.0額定輸出電流（+25 C）NA298.15長期溫度漂移C/月0.1響應(yīng)時間Ns20殼與管腳的絕緣電阻Q“1010等效并聯(lián)電容PF100工作電壓范圍V+4 +30AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。這一 點(diǎn)很重要。而它的工彳電壓為

33、4V30V ,測溫范圍是-55+150C,對應(yīng)于熱力學(xué)溫度T 每變化1K,輸出電流就變化1NA。在298.15K （對應(yīng)于25.15 C）時輸出電流恰好等 于298.15 NA.這就表明輸出的電流值與絕對溫度是一一對應(yīng)的，而且數(shù)值上是相等的。由于AD590線性非常好，輸出的電流值在數(shù)值上等于絕對溫度值， 所以可以直接將AD590 所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)榻^對溫度與攝氏溫度相差 273C,所以要將計(jì)算彳#到的結(jié)果減去 273,再通過單片機(jī)控制顯示出來。3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809由于檢測溫度的傳感器是選擇 AD590輸出的是模擬數(shù)值，而單片機(jī)只能處理數(shù)字 信號，所

34、以要在AD590W單片機(jī)之間加入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，本文選擇 ADC0809ADC080J一種帶有8通道模擬開關(guān)的8位逐次逼近式CMOSA/酸換器，轉(zhuǎn)換時間 為100Hs左右。芯片內(nèi)有一個8路模擬開關(guān)、一個比較器、一個帶有樹狀模擬開關(guān)的 256R分壓器和一個逐次逼近的寄存器所組成。表3 ADC0809的管腳描述名稱功能IN0 IN7I8條模擬量輸入通道ALEI地址鎖存允許輸入線A, B, CI地址選通線STI轉(zhuǎn)換啟動控制信號EOCO轉(zhuǎn)換結(jié)束控制信號OEI輸出允許信號D7 D0O數(shù)字量輸出線CLKI時鐘輸入信號線VREF( +) , VREF(-)I經(jīng)電壓軸入GNDI數(shù)字端其中ALE高電平有效。當(dāng)ALE

35、線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將 A, B, C三條地 址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址選 通輸入線A、B C為高電平有效，用于選通8路模擬通道上的一路模擬量輸入。表4通道選擇與所選通道關(guān)系選擇模 擬通道輸入地址選擇模 擬通道輸入地址ADD CADD BADD AADD CADD BADD AIN0000IN4100IN1001IN5101IN2010IN6110IN3011IN7111而STk跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，STS保持低電平。若想啟動A/D轉(zhuǎn)換，就要給S個正脈沖信號，即先給一個低電平，再 給一個高

36、電平，再給一個低電平。平時 EO3高電平，當(dāng)STW號上升后才變?yōu)榈碗娖?，?示模數(shù)轉(zhuǎn)換開始，當(dāng)再次變成高電平時表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。& 1,輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE=0,輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。也就是說只有當(dāng)O時高電平時，芯片輸出鎖存器才被開啟， 將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送至單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線，打開了三態(tài)輸出緩沖器，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于 ADC080的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，可以利用單片機(jī)的定時計(jì)數(shù)功能，通過軟件編程產(chǎn)生時鐘信號，輸出給 CLK這樣就給ADC0809供了工作的時鐘信 號。1Z4miestj5moIM6ADSF7BSTCEOCD307OELX5CLKD5vccmVREF+DOCi

37、 NT) VREF-UID2工8227364255246237228219201()191 118121713161415圖6 ADC0809的管腳圖由上所述可知，IN0-IN7這8通路模擬輸入要接兩個溫度傳感器，一個溫度傳感器 接一個通道，順序不限，因?yàn)?ADC0809T以通過編程實(shí)現(xiàn)分時采集數(shù)據(jù)，而炒鍋溫度升 高的過程是個滯后環(huán)節(jié)，短時間溫度變化小，分時采集數(shù)據(jù)可以滿足要求。采集了一路 數(shù)據(jù)就進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入單片機(jī)后存儲起來再采集另一路數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，結(jié)束后 送入單片機(jī)儲存，再對兩個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因?yàn)?ADC0809專換時間比較快，為100肉， 也是滿足要求的。所以就可以用兩個溫度傳感

38、器 AD590完成溫度采集，接ADC0809勺兩 個通道，通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)兩路數(shù)據(jù)的處理，最后在單片機(jī)中共同處理。而且 ADC0809B了 8通路模擬輸入外，其他的管腳都有不同的作用，都要和單片機(jī)的管腳相 連，來實(shí)現(xiàn)功能。TiTZhmTSIETTTB uu uuu-u UU dd .d boIMO。曲iniwrwIMZIN3acINlPEFD.IftCI 即* pgaxni PD.tKM 即維虜 POJSi-A.K p 口.tm 國V2IY.AB N廿用 r，T F2JA1I PZ.tfRE FZSA13 FZja1.1F3-inP3Wf0F1.*P3,TWTr pi.tfinP15F3

39、SITIFl.TF3.7/O114斑 F Fs圖9 LED七段數(shù)碼管顯示電路由圖可知，用P2.1、P2.2、P2.3這三個輸入輸出口來控制七段數(shù)碼管哪一位導(dǎo)通， 再利用P0 口來控制導(dǎo)通的那一位顯示什么數(shù)字， 這些都是通過單片機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)， 而 RP1排阻是為了產(chǎn)生上拉電流，起到增加電流的作用。由于七段數(shù)碼管工作電壓不是很 高，單片機(jī)輸出的高電平就可以使七段數(shù)碼管工作，雖然也可以用三極管導(dǎo)通與否關(guān)系 來控制哪一位數(shù)碼管導(dǎo)通，還可以提供顯示所需要的電流，這樣會保險一些，但是這樣 就會增加硬件，從成本上考慮，還是選擇用單片機(jī)的輸出來控制數(shù)碼管顯示。4溫度場4.1 熱傳遞我們在炒菜時只對鍋底進(jìn)行了

40、加熱，但鍋的其他位置溫度也升高了，這涉及到了研 究熱量傳遞規(guī)律，即稱之為傳熱學(xué)。凡是有溫度差的地方，就有熱量自發(fā)地從高溫物體 傳向低溫物體。這是一種必然現(xiàn)象，而自然界或人類生活中幾乎到處都存在著溫度差， 所以熱量傳遞就成為自然界或我們?nèi)粘Ｉ钪幸环N非常普遍的現(xiàn)象。就物體溫度與時間的依變關(guān)系而言，熱量傳遞過程可區(qū)分為穩(wěn)態(tài)過程（又稱定常系 統(tǒng)）和非穩(wěn)態(tài)過程（又稱非定常系統(tǒng)）兩大類。凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時間而改變的 熱傳遞過程均稱為穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程，反之則成為非穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程。像炒鍋在加熱過程 中，各點(diǎn)的溫度隨時間變化而變化，至少是除了最后穩(wěn)定之前溫度都是變化的，所以說 它屬于非穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程。采用

41、高等數(shù)學(xué)方法分析熱傳遞過程，總要假定所研究的對象是一個連續(xù)體，即認(rèn)為 所研究的對象內(nèi)各點(diǎn)上的溫度、速度等都是空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)。實(shí)際上，只要被研究 物體的幾何尺寸度遠(yuǎn)大于分子的平均自由行程，連續(xù)體的假定即可成立。像本文分析的 炒鍋?zhàn)鳛槲矬w，對于固體來說，分子的平均自由行程肯定遠(yuǎn)小于炒鍋的幾何尺寸，所以 說可以把炒鍋的溫度場看做一個連續(xù)的漸變的溫度場。熱量傳遞有三種基本方式：導(dǎo)熱、對流和熱輻射。物體各部分之間不發(fā)生相對位移 時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量傳遞成為導(dǎo)熱。而流 體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱物體相互滲混所引起的熱量傳遞方式成為對流，對流 僅能發(fā)生在流體中，

42、當(dāng)然一定會有導(dǎo)熱現(xiàn)象伴隨著。當(dāng)物體通過電磁波來傳遞能量的方 式就稱為輻射，而因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射，自然界中各個物體都不 停的向空間發(fā)出熱輻射，同時也在不停地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。所以一般情況下 在熱傳遞過程中這三種都是存在的。而對于本文分析的物體一一炒鍋的溫度變化來說， 主要是物體內(nèi)部熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，所以導(dǎo)熱是最主要的使 炒鍋各部分溫度發(fā)生變化的熱量傳遞方式。從微觀角度來看，氣體、液體、導(dǎo)電固體和非導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱機(jī)理是有所不同的。 而炒鍋屬于導(dǎo)電固體，一般炒鍋的材質(zhì)是以金屬鐵為主，會被稱為生鐵鍋和熟鐵鍋，主 要是根據(jù)炒鍋中除了鐵之外含碳量的高低不

43、同而區(qū)分的。 對于導(dǎo)電固體如炒鍋中鐵來說, 其中有相當(dāng)多的自由電子，它們在品格之間像氣體分子那樣不斷相互碰撞著運(yùn)動。自由 電子的運(yùn)動在導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱中起著主要作用。而非導(dǎo)電固體如炒鍋中的碳來說，導(dǎo)熱 是通過品格結(jié)構(gòu)的振動，即原子、分子在其平衡位置附近的振動來實(shí)現(xiàn)的。本文已經(jīng)確定炒鍋溫度變化過程屬于熱傳遞中非穩(wěn)態(tài)過程，而且主要以導(dǎo)熱方式來 實(shí)現(xiàn)熱傳遞。所以接下來本文需要構(gòu)造炒鍋的溫度場并得出導(dǎo)熱的基本規(guī)律，再通過溫 度傳感器測量數(shù)據(jù)來最后得出鍋底的溫度。4.2 導(dǎo)熱規(guī)律單位時間內(nèi)通過單位截面積所傳遞的熱量，正比例于當(dāng)?shù)卮怪庇诮孛娣较蛏系臏囟?變化率 即Q且。此處 溫度變化率是溫差 At與距離Ax

44、比值的極限，即溫度變化率 F ex可表示為lit=二。引入比例常數(shù)可得lxmo . X ;:XFtQ=-九 F(41)；x式4-1就是導(dǎo)熱基本規(guī)律，又稱為傅里葉定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。其中式子中的負(fù)號 表示熱量傳遞的方向指向溫度降低的方向，這是滿足熱力學(xué)第二定律所必須的。傅里葉 定律用文字來表達(dá)是：在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量，正比例于垂直 于該截面方向上的溫度變化率和截面面積。它是導(dǎo)熱現(xiàn)象規(guī)律性的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。單位時間內(nèi)通過某一給定面積的熱量稱為熱流量，記為 Q,單位為 W單位時間內(nèi) 通過單位面積的熱量稱為熱流密度(或稱為熱通量)，記為q,單位為W/m2。他們之間 的關(guān)系可以表示成Q _

45、 ：t，、q=九(42)F；:x傅里葉定律用熱流密度q又稱為(熱通量)表出時有下列形式：q=-(43) ex其中為導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，其單位為W/(m C) o不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)值不同，即使是同一種材料，導(dǎo)熱系數(shù)值還與溫度有關(guān)。而且金屬材料的 導(dǎo)熱系數(shù)最高，良導(dǎo)電體，如銀鐵銅，也是良導(dǎo)熱體。實(shí)際上，在傅里葉定律中，所傳遞的熱量、溫度的變化都是有方向的物理量，即數(shù) 學(xué)上稱為向量。而溫度變化率是個標(biāo)量，它必須要跟單位向量相乘后才是向量。已知數(shù) 學(xué)上定義梯度這個向量指向變化最劇烈的方向。在等溫面的法線方向上，單位長度的溫 度變化率最大。因此溫度梯度可以定義為：tl i m- n g

46、radt =n(44)n 0.：n：n其中，n表示單位法向向量；笈/須表示溫度在n方向上的導(dǎo)數(shù)。所以我們就可以得到導(dǎo)熱系數(shù)的定義式，為q = w5W/(m C)(45)Ftn :n導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值上等于在單位溫度梯度作用下物體內(nèi)所產(chǎn)生的熱流密度。工程計(jì)算采 用的各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值都是用專門實(shí)驗(yàn)測定出來的。一股導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值取決 于物質(zhì)的種類和溫度。金屬的導(dǎo)熱系數(shù)很高。表5金屬元素的熱物性73?導(dǎo)熱系數(shù)H7米，時C20 C100 c200 c銅340337327鋁177176185鐵67.558.252.5觀察多種物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)對溫度的依變關(guān)系，可以看到大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)兒都容許采用線性近似關(guān)

47、系。一般日常生活中使用的炒鍋都是以鐵材質(zhì)為主，這主要是為了補(bǔ)充鐵元素，所以在后面的計(jì)算鍋沿與鍋底溫度變化關(guān)系，最后得到鍋底溫度中，本文采用室溫下純鐵的導(dǎo) 熱系數(shù)，因?yàn)殍F的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度變化不大，而且鐵鍋又是最常見的炒鍋材質(zhì)，同時 鐵鍋主要是由鐵構(gòu)成，其他材質(zhì)含量很少，所以可以這樣近似，對溫度的最終確定影響 不大。在室溫下，純鐵的導(dǎo)熱系數(shù)為 62.8千卡/米時C。4.3 溫度場計(jì)算算法傅里葉定律表明，導(dǎo)熱熱量與溫度梯度有關(guān)，而且要通過鍋沿的溫度來確定鍋底的溫度，這樣就要得到物體一一炒鍋的溫度分布，一般來說，物體的溫度分布是坐標(biāo)和時 間的函數(shù)，即t=f（x,y,z,。，像重力場一樣，物體中也存在

48、著溫度的場，稱為溫度場，它是物體中各點(diǎn)溫度分布的總稱。本文所涉及到的溫度場為非穩(wěn)態(tài)溫度場。但通過構(gòu)造 坐標(biāo)和時間的函數(shù)，得到導(dǎo)熱的微分方程式，再連同初始條件及邊界條件一起，才可以 完整地描述一個特定的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。而構(gòu)造和求解導(dǎo)熱微分方程需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行幫 助計(jì)算，這樣就過于復(fù)雜，而且對于炒鍋的溫度無需這么精確，而且實(shí)用性也不強(qiáng)，如 按這個思路必定會增加硬件成本，效果也不一定明顯。所以本文通過簡化的方式來求得鍋沿與鍋底的溫度關(guān)系。首先想到的是導(dǎo)熱基本定律，用熱通量的形式表示出來的式子 q=j且。因?yàn)槭阶拥淖钣覀?cè)的 更代表的是溫度變ex二 x化率，在一維非穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)過程中，x代表的是沿?zé)崃鞣较虻拈L

49、度（米），通過（42）式, 就可以計(jì)算出來溫度變化率了，再求出鍋沿到鍋底的距離，兩者相乘就得到了鍋沿到鍋底的溫度變化，再加上所檢測到的鍋沿的溫度，就得到鍋底的溫度。要得到鍋沿到鍋底的距離，并不是簡單的。因?yàn)槌村伩梢钥醋鲆粋€內(nèi)空的半球形， 鍋沿到鍋底部分的形狀是一個弧形，直接求距離雖然可以求出來，但是距離是指沿著溫 度梯度變化的距離，顯然弧形的距離求出來不是溫度梯度變化的距離，但是還是要考慮 到弧形的關(guān)系，畢竟炒鍋的溫度場是一個弧形，屬于二維溫度場，本文所利用的公式是 建立在一維溫度場的基礎(chǔ)上，同樣也不能直接將鍋沿和鍋底兩點(diǎn)連接起來求距離，雖然 這樣構(gòu)造的是一維溫度場，但它相當(dāng)于把炒鍋的溫度場看

50、成了一個以鍋沿放置傳感器的 兩點(diǎn)和鍋底一點(diǎn)這三點(diǎn)為頂點(diǎn)的三角形溫度場，不切實(shí)際，計(jì)算出來會有很大的偏差， 所以必須考慮到炒鍋的弧形溫度場和要求距離是沿溫度梯度變化。于是本文采用近似的 方式，將炒鍋的弧形溫度場，用幾段沿著弧形上的直線段來代替，這樣就可以解決弧形 溫度場所帶來的難度，將弧形溫度場分割成為幾段，在每一段折線上，折線的距離就是 沿溫度梯度變化的即沿?zé)崃鞣较虻木嚯x，同時將每一小段弧近似為折線，就相當(dāng)于將二 維溫度場變?yōu)榱艘痪S溫度場，這樣使用導(dǎo)熱基本規(guī)律和近似都是符合條件的。通過查詢各種炒鍋的產(chǎn)品的簡介和說明書， 得到家用炒鍋形狀一般為圓形，只有目前 針對于煎魚或做其他比較長的食物生產(chǎn)了

51、一些橢圓形的鍋，這樣才可以把整條魚放進(jìn)去， 而不會因?yàn)閳A形炒鍋長度不夠而不得不得不把魚剁成幾段，而影響菜肴的色，從而影響食欲。但大部分家用的炒鍋還是圓形，對于圓形炒鍋規(guī)格一般有30cM 32CM 34cM 36CM這四種，其 30CM指的 直徑。中規(guī)格是炒鍋的圖10弧形溫度場近似本文選擇將炒鍋的規(guī)格選為 30CM用autoCAD畫出半徑為15cm的半圓，來代替炒 鍋。如上圖所示，半圓代替炒鍋，那么半圓上方左右兩側(cè)的陰影部分代表的就是兩個溫 度傳感器，而A、B、G D E、F、G這幾個點(diǎn)代表的就是那幾段折線與炒鍋弧形所相交 的點(diǎn)，將炒鍋的左半部平均分成了六等分，也就是用六段折線來代替整個圓弧，每

52、段折 線就代表一個小的一維溫度場，如長度 AB代表的就是沿?zé)崃鞣较虻木嚯x，即用折線 AB 的一維溫度場代替了弧長 AB的二維溫度場。其他段跟 AB是相同的道理。由于炒鍋?zhàn)笥?是對稱的，而在放置溫度傳感器時也是放在了對稱的位置，所以一般情況下可以看做左 右兩側(cè)的折線長度是一致的，本文以左半部份為例，只畫了左半部份的近似過程，最后 將折線AR BC CD DE EF、FG的長度加在一起，這樣就得到了鍋沿和鍋底的沿?zé)崃鞣?向的距離。用autoCAD可以直接得到多段折線長度的總和。幾何圖形1185. 5003200. 3456 0全局寬度0 0 62 376 23 5134圖11多段折線長度可以看到多段折線的長度為23.5184cm,也就是說沿?zé)崃鞣较虻木嚯xL長度為23.5184cm。要想利用公式q= 4由來求得溫度變化率巨,就要知道熱通量q和導(dǎo)熱系數(shù)九，其 jx；:x中導(dǎo)熱系數(shù)九為62.8千卡/米,時工。而熱通量q則需要計(jì)算。由于目前家里面都是用液化