[温差发电中的单片机温度自动控制系统]反应釜温度单片机自动控制系统设计

温差发电中的单片机温度自动控制系统反应釜温度单片机自动控制系统设计 【摘 要】当由温差热电模块组成的车载温差发电系统回收发动机排气废热的能量时，对于温差模块热端的温度控制是整个发电系统高效稳定工作的重点。以STC12系列单片机作为温度检测控制的智能核心，以高精度、高稳定性、高扩展性和低成本为设计原则进行设计。硬件电路选用LM358运算放大器做信号放大，PCD8544串行显示模块；软件设计方面采用模块化设计思路，提高安全性和稳定性，提供较强的可扩展性，易于管理。 【关键词】温差发电；温度控制；单片机 德国人托马斯.塞贝克在1823年发现，两种不同的金属构成的回路中，如果接口处的温度不同，周围会出现磁场。进一步的试验研究发现，回路中有温差电动势的存在。后来称这种现象为塞贝克效应或热电第一效应。 利用塞贝克效应，可以实现热能到电能的转换，进而存储和利用。这在航天设备、野外生产、废热回收以及军事等领域都具有广泛的应用前景，热电材料和热电器件的研制生产已成为当今热点。本文关注于热电器件在发动机排气废热回收发电领域的应用准确的监测和控制热电系统冷热端的温差条件是保证温差发电系统工作稳定性和提高发电功率的前提条件。 采用单片机系统对温度参数进行采样监测和调节控制在大大简化控制系统硬件结构的同时，有效的保证控制系统具有持续、稳定的工作特性14。在实际应用中，由于不同的温差发电器件发电时能够承载的最高温度不同，通过对控制程序的修改2能够更广泛的应用于不同温差发电器件的工作环境中。本文的控制过程如下：温差发电模块接入热源后，冷热端产生温差开始发电，热电偶温度传感器输出电压信号，经放大电路放大后送入单片机进行A/D模数转换。 得到数字量并进行采样，单片机根据控制程序的设定对温度采样数据进行运算和判断，在达到控制条件时输出控制信号驱动散热单元进行热端温度控制。 1、硬件组成 为获取一定的温差电动势便于存储和利用，需通过串联和并联的方式将多个温差发电模块连接在一起，所以对于模块工作温度的监测和控制也要求多路实现3。本系统采用STC12LE5A60S2为控制核心，这是由STC生产的单时钟/机器周期的单片机，具备高速、低功耗、超强抗干扰，较强的扩充性和大范围寻址能力，其指令集完全兼容传统的8051系列，但速度快8到12倍。因为该系统应用在废热回收的高温环境中，故采用分度号为PT100的铂金热电偶作为温度传感器。使用LM358和热电偶传感器搭配作放大电路，LM358具有低输入偏流、低输入失调电压和失调电流、对直流电压具有约100dB的高增益、较大的输出电压摆幅等特点。本文研究针对各个温差发电模块的热端温度进行测量和控制，所以多个被控制对象的温度参数需要显示和设定，采用PCD8544串行CMOS LED控制驱动器，能够驱动48行84列的图形或文字显示。 系统原理流程图5如图1所示： 1.1热电偶传感器和放大电路 热电偶温度传感器在工业生产中广泛应用，热电偶本身利用了热电效应，两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，其本质是能量转换器件。结合本文温差发电模块工作温度范围220-250，采用分度号为PT100的铂金热电偶。信号经由LM358放大器构成的放大电路放大后进入STA12单片机进行A/D模数转换和采样处理。 1.2采样精度 温差发电模块安装在发动机排气通道上对发动机的排气废热进行能量回收，发动机开始工作后，可近似的认为排气管温度的上升是线性平滑曲线6。STA12系列单片机集成共10路8位A/D数模转换器，特别适合作多路采集控制。考虑测量的准确性、及时性和控制的精确性，信号采样从系统上电完成初始化后即开始工作。设置采样频率为50Hz，测量误差低于1.4。 1.3温度控制条件的输入与显示 控制程序与温度参数的控制值的输入通过RS232串口烧录进单片机，并在PCD8544液晶模块上显示出设定的控制温度值和传感器采集的各个温差发电模块的当前温度值。使用串口通讯也便于设备投入使用后进行控制程序的优化或调整温度控制量等操作。 2、软件设计 2.1控制规律的选择 本文的温度控制过程是一种反馈调节：温度采样开始后对实际工作温度和设定的控制上限温度进行比较，达到上限后，散热部件进行降温操作；于此同时，通过对传感器实时采集温度参数继续比较，降温操作直到达到设定的温度下限时散热部件停止工作，以期温差发电模块冷热端在温差值较大的条件下工作并保证器件的安全稳定。从温差发电系统的全局考虑，每个温差发电模块都在安全的温度区间的温度上限附近工作，会使整个温差发电系统具有较高的发电效率。由此可见，该温度控制系统其本质是进行多路采集多路控制的单参数PID控制。 应注意到可以选用的降温方式有风冷、水冷、可控硅等方式。结合汽车发动机排气废热的温度控制工作环境、控制目标、控制精度、实施难度以及成本等因素综合考虑，可选择风冷的降温形式。虽然控制精度较低，但是在一定的控制冗余条件下有较高的反应速度和低廉的使用及维护成本。 2.2主程序的设计 现今的软件设计通常采用模块化7的方式进行，将这几个部分的功能划分成相对独立的功能块，彼此之间的数据通信通过软件接口连接，数据的处理将更为安全高效，且能够提高代码重复利用率，便于排错且易于扩展软件功能。隐藏了复杂的数据处理和计算过程，用户界面简单明了，避免误操作，易于使用和维护。 根据流程图如图2所示可知，整套程序包括了温度采样测量、数据计算比较、控制输出、液晶屏显管理等几个主要部分，且系统上电后完成持续无间断的测量和控制任务。 考虑到系统的数据分辨率和测量精度的需求，将系统的定时器设定为每秒50次中断，采样频率为50Hz。每次中断开始读取热电偶信号，放大滤波后进行模数转换并显示测量值，之后对温度数据进行控制计算，输出控制脉冲。中断终了后返回主程序并等待下次中断采样。 3、结 论 本温度控制系统应用于温差发电系统中，目的在于保证温差发电模块的热端处于稳定安全的温度区间，进行温度的精准控制，提高发电效率6。完成了温度数据的采集、温度上下限值的输入，LED屏显示测量值和测定值以及超限时的报警和控制功能，实现系统工作的温度自动控制。整个设计的原理简单、实现成本低、测量精度高、易于维护和使用等特点。对于温差发电系统的使用实施具有现实意义和深刻的应用价值。 _ 1徐爱华,单片机应用技术教程M.北京:机械工业出版社,xx. 2万光毅,严义,刑春香.单片机实验与实践教程M.北京:北京航空航天大学出版社,xx,4. 3李朝青,单片机原理及接口技术（简明修订版）M.北京:北京航空航天大学出版社,1998. 4何希才,刘红梅.新型通用集成电路实用技术M.北京:国防工业出版社,1997. 5黄根春,陈小桥,张望先,电子设计教程M.北京:电子工业出版社,xx. 6邓亚东,范韬,郭珣