毕业设计论文基于TRIZ理论的反应釜温度控制系统的设计.docx

1、毕业设计论文基于TRIZ理论的反应釜温度控制系统的设计毕业设计报告（论文）(2013届)题 目：基于TRIZ理论的反应釜温度控制 所 属 系：自动化技术系 班 级：自动化1021 摘要在近几年，微机技术的已经得到了迅速的发展，已经达到了比较成熟的阶段。现在基于单片机的温度控制系统越来越多，因为单片机具有体积小，编程简单，成本低等优点。而目前，对于温度的采集技术也获得的很大的发展，现在温度变送器主要有两种，一种是热电偶温度变送器，另一种是热电阻温度变送器。而在本次项目中我们用的是PT100铂电阻温度变送器。因为此次的温度控制系统的温差比较小，所以用热电阻温度变送器测量精度会高一些。在本次的项目设

2、计主题是对反应釜中的反应物进行加热和制冷操作，我们用到了新型的加热和制冷系统：半导体加热制冷片。这种方法代替了传统的用蒸汽加热和冷却水制冷系统。具有控制工艺简单，成本低的优点。本文设计的温控系统包括单片机系统，温度测量系统，温度的输入和显示，以及半导体制冷器的功率驱动等部分。温度测量系统指的是通过PT100温度传感器读取系统当前的温度 并通过温度采集电路对PT100输出的信号进行放大整定后送入单片机。单片机是整个温控的中央处理器，温度控制算法是在单片机中进行运算的。将测量到的当前温度值输入到单片机，再通过PID控制算法的运算，并进行脉宽调制以PWM输出控制量。单片机的PWM输出要通过半导体加热

3、制冷片的功率驱动电路才能驱动半导体加热制冷片工作。关键词：单片机，加热制冷，温度变送器，放应釜，脉宽调制第一章：课题研究的背景和意义1.1背景 在精细化工行业中,反应釜是常用的一种反应容器,而温度是其主要被控制量,是保证产品质量的一个重要因素。反应釜利用导热介质通过反应釜的夹套来提高釜内物料的温度,通过搅拌机的搅拌使物料均匀、提高导热速度,并使其温度均匀。在反应釜里的混合物，刚开始反应时需要一定的温度，所以要加热，但是温度不能太高。而很多物质的反应是放热反应，所以温度会不断升高，这就要求要进行制冷操作。所以本次课题就是设计一个自动控制系统，来控制反应釜里的物质的反应温度。这是目前用的场合比较多

4、的控制系统，有很好的发展前景。1.2意义本次课题设计是基于单片机的反应釜的温度控制，这对电子应用技术要求相当的高，换句话说就是本系统是趋向于微型控制系统。如果此技术成熟，那么就可以代替传统的温度控制系统，这会大大简化工艺，缩小成本。有很多大的房展潜力。所以我们想通过这次的毕业设计，来对电子应用技术进行研究。第二章：用TRIZ分析系统2.1项目要求在此项目中，反应釜的容积定为100L反应物的容量为60L，基于单片机来控制温度。要求成本不能超过10000元人民币，工艺尽可能简单，对环境没有污染，加热时间不能超过30分钟。在本项目中要遵循以下的解决问题的标准：标准1、目的是否达到标准2、成本是否允许

5、2.2控制要求： 反应釜里温度控制在6070，低于60 要进行加热操作，温度大于70开始制冷操作。2.3项目描述：2.3.1SMART原则：S：在30分钟以内把反应釜里的反应物质的温度控制在60-70；M：温度在是可测量的；A:温度控制在一个范围内是可以现实的，这样有反应的余地。如果控制在某一个固定的值上是不太可能实现的。R：实现这个目标与什么有关？控制器的精度？加热和制冷的方式？温度的传热效率？T：设计时间在1-2个月以内。2.4问题描述：本系统是控制反应釜里反应物的温度的，如果温度不够会反应不完全或是无法反应，若是温度过高，则会产生其它物质，甚至会破坏反应物，因此反应釜里的温度不能过高也不

6、能太低，要在要求的范围内。问题是如何把温度控制在需要的范围内呢？2.5矛盾分析物理矛盾 PC(Physical contradictions)规定之子系统 (组件/操作) 必须拥有A-特性以完成必要的功能，以及 non-A 或 Anti-A 特性要满足问题的条件。2.5.1物理矛盾在本项目中，温度不能太低又不能太高，因此这就要求既要加热又要制冷，加热和制冷是一组物理矛盾，下面就讨论一下该怎么解决该矛盾。Setp1:定义物理矛盾反应釜要加热，但又要制冷。（参数：17温度）Setp2：参数在时间/空间上是否交叉否，尝试用时间或空间分离方法是，尝试系统级别分离方法Step 3 ：参数分别向三个方向（

7、系统层级）转化的可能性？（A） 加热和制冷向超系统转化；（B） 加热和制冷向子系统转化；（C） 加热和制冷向反系统转化；下面就进一步分析系统的转化所产生的加热方式：（A） 加热和制冷向超系统转化用加热蒸汽加热、冷却水制冷先从加热说起：如果用蒸汽加热，那首先我们到解决的问题就是加热蒸汽的来源。也就是说还得用一个锅炉来产生蒸汽。如果这样那就需要锅炉的成本和燃料。 首先锅炉锅炉的问题：目前市场上的价格是3000元左右。而且，在锅炉加热运行中，还要对许多参数进行监控，如气泡的液位压力，炉膛温度，出口蒸汽流量、压力；给水流量等等。这就意味着要要用到很多测量和控制仪表，这无疑使增加了工艺成本和工艺流程的复

8、杂程度。 燃料问题：现在工业中锅炉加热最常用的燃料是煤和燃料油。这两种燃料都是不可再生资源，而且还要考虑价格问题。再者，燃烧这些燃料还会产生有害气体，如：二氧化硫和一氧化碳气体等，这些都对环境会造成一定的污染。接下来就是系统的制冷问题：经过调查，目前最常用的制冷方式是用“冷却水”制冷。在这里，我们可以选用普通的水作为冷却液，这样可以节省工艺和成本。最后还要考虑一个问题：如何输送加热蒸汽和冷却水和如何进行加热和制冷之间的切换？如何输送蒸汽和冷却水的问题：就用管道输送，不过要有自动控制装置，以便保证蒸汽和冷却水的流量稳定。如何进行加热和制冷之间的切换：其实只要在控制器设置好参数就可以了，比如：如果

9、温度小于60 ，此时控制器发出打开蒸汽阀关闭冷却水阀的命令；如果温度大于60 70 ，此时控制器则发出关闭两个阀门的命令；如果温度大于70 ，此时控制器只发出打开冷却水阀门的命令。这样就可以达到加热和制冷之间的切换的目的了。评价：根据标准1，此方法可行；但根据标准2，此方法不可行，因为此方法成本过高，工艺太复杂。（B）加热和制冷向子系统转化用电加热、冷却水制冷一般用到电加热的都会想到用电阻丝来加热，需要解决电能问题。经过调查发现，目前用在电阻丝系统的电压一般都为220V。所以还是比较好获取的。而制冷操作和(A)方向的一样，所以在这里就不作解释了。在这个方案中，由于是使用电加热的，所以比方案一来

10、的要简单一点，成本也会有所降低。但是加热速度没有蒸汽加热快。评价：根据标准1，此方法可行；根据标准2、此方法不可行。因为由于制冷的工艺在里面，成本还是会超出规定的范围。（C）加热和制冷向反系统转化用电加热和电制冷用电加热这在方案二中已经分析过了，是可以实现的。但是如何用电来制冷呢？提到电制冷我们应该立刻想到冰箱和空调的原理。冰箱就是用电能来制冷的。其工作原理是：从低于环境温度的物体中吸取热量，并将其转移给环境介质的过程，称为制冷。我们可以利用冰箱的制冷方式来这冷反应釜。可是，这样加热和制冷虽然都是使用电能，但是还是属于两个独立的电路。那能不能一路电路就可以实现加热和制冷呢？要想解决这个问题先得

11、解决一个疑惑：一路电路怎么会产生两种工作状态呢？我们都知道，电源是有正负极之分的，电源输出的电压也是有方向的，所以只要我们改变电源电压的方向就有可能会有不同的状态。接下来就是要找到什么物质在加上不同方向电压时会有不同工作状态的物质。当然最好是加上不同方向的电压会有加热和制冷的效果。到底有没有这种物质呢？或是某个特定的电路呢？利用所学的知识，发现半导体对电压的反响有很高的要求，而且半导体有赛贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。而这些效应正是半导体的加热和制冷原理。也就是在给定不同的方向的电压时半导体会有加热和制冷的效果，所以起初提出的问题是可以实现的。但是半导体加热制冷技术还处于成长期，技术还不是

12、太纯熟，而且功率比较低。那如何解决加热功率低这个问题呢？经过查询，现在有一种半导体加热制冷片，就是根据半导体加热和制冷原理制成的，加上不同方向的电压，它的加热制冷面会换过来。每个个体的尺寸并不是很大，而功率一定，所以我们可以用聚少成多的原理来提高加热功率。也就说用竟可能多的加热片。但是具体要用多少，还是要根据工艺要求来定。但是根据能量守恒的原理，又出现了新的问题：半导体加热制冷片在制冷的时候，它的另一面的热量该如何散去？如果不及时散热的话会烧坏半导体加热片的，所以这个问题必须解决。在这里我们选择一种散热器来为为之散热，散热片的价格也不是很贵，所以总的成本还在工艺要求的范围内。现在还需解决一个问

13、题：本项目需要多少片半导体加热制冷片？问题解决：现在我们假设反应釜里的物质为水，根据工艺要求，进行以下的计算：经过查找：水的密度=1.0Kg/m3，比热容C=4.2KJ（kg*k）。加热水的初始温度为室温（20）,水的体积V=60L=0.06M3在这里忽略热孙水升高1需要吸收的热量：Q=CMT=CVT=4.21.01030.06=252KJ=252000 J 一片加热片使水升高1需要的时间：t=2191S=37min水升高40所需的时间：t=3740=1460 min由于工艺要求是在30 min以内完成加热，所以一共需要：146030=49片我们用的115W的加热制冷片单价是108元，散热片是

14、20元。所以总成本为：49（108+20）=6272元评价方案三：根据标准1，此方法可行。根据标准2，此方法可行，因为此方法的总成本比较低。2.6三种方案的优缺点比较方案一方案二方案三优点加热和制冷效果最好加热和制冷效果也很好成本低，工艺简单，能源易获得缺点成本高，工艺复杂成本高加热和制冷功率比较低。所以最佳解决方案：用半导体加热制冷片进行加热和制冷2.7物场分析在技术系统的“参数属性”不明显的情况下，矛盾矩阵表便无法有效地发挥作用。这时，矛盾虽不可见，但问题依然存在，并且可以解决。此时，技术系统问题的“结构属性”比较明显，适于使用物质场分析法。物场分析法通过建立系统内结构化的问题模型来正确地

15、描述系统内的问题，用符号语言清楚表达技术系统（子系统）的功能，正确地描述系统的构成要素及构成要素之间的相互联系。在本项目中，有两个物质：反应釜（S1）和半导体加热制冷片(S2)；一个物质场：热学场(F)。根据这三者的关系建立如下的物场模型：现在我们还得解决两个问题，第一个是如何很好的利用这个热场，也就是说如何提高温度的传递效率。第二个问题就是，当半导体制冷时，它的另外一面是发热的，如果背面温度过高会严重影响制冷效率甚至会影响整个系统的工作，这样就要求我们要及时的散掉这些热量，可该如何散热呢？下面就让分别对以上提出的两个问题进行分析与解决：问题1：如何提高温度传递效率？解决问题的最终目的：可以充

16、分利用热源最终理想解：热源利用率达到最大实现最终理想解的障碍：反应釜的传热效率和系统的温度损失。解决途径：找出所有可用的材料和能源方案一：是否可以提高反应釜的材料热导率？方案二：是否可以增大传热面积？方案三：是否能增大冷热物质的温度差？方案四：是否可以在反应釜周围加隔热层，减少加热器的温度损失？方案五：是否可以加上搅拌？下面就来分析问题，并找出最好的解决方案：解决方案一：我们都知道，热导率是物质的一个属性，某一个特定的物质的热导率是一定的，是无法改变的。所以在这里，我们可以选择用热导率大的材料制成的反应釜。首先，我们先找到现在用热导率最大的材料制成的反应釜。我们都知道，金属的热导率在所有物质中

17、最大，所以我们可以直接可以从金属反应釜开始找起。首先我们找到了几种常用的金属的热导率，如下表：材料铝紫铜黄铜铜铅钢不锈钢铸铁银镍热导率w/(m*k)2046593383354517459041188显然，在这些金属中，银的热导率最大，可是考虑的成本，显然用银材料制成的反应釜是相当昂贵的，所以不适用。铜和铝的热导率都很大，而且相差不是很大，所以我们可以从这两种金属中选择。可是，现在没有用铜和铝材料制成的反应釜。这就意味着这两种材料不可用，只能另选。经过黄铜、紫铜、铅、铸铁镍这些都没有相对应的反应釜。现在只剩不锈钢材料了。 经过查询，目前不锈钢反应釜的价格在3600元人民币。相对来讲，还可以接受。

18、最终选择了不锈钢反应釜。评价方案一：根据“实现目的”评价标准，此解决方案可行：成本不是很高，传热效率也是目前比较好的。解决方案二：传热面积越大，传热效率越高，我们可以让热源尽可能覆盖整个反应釜，但是一旦传热面积增大了，这就意味着成本会增加，而且工艺也会变得复杂，所以这种方法不是最理想的方法。评价方案二：根据“实现目的”此方法可行；根据成本要求，此方案还有待改进。解决方案三：我们都知道，温度差是热传导的推动力，温差变大，推动力也会变大。但是这种方法适合在大型工业场合，因为每一中热流体的饱和热都是一定的，要想改变那就必须改变一些参数，比如压强。这样会大大增加工艺难度，所以这种方法也不适用。评价方案

19、三：根据“实现目的”此方案可行，但是根据成本及工艺因素，此方案不可行。解决方案四：在这里我们有两种保温方式可以选择，一种是用普通的保温材料，另一种是用玻璃真空套来保温。从成本和实现目的的角度考虑这两种方法都可以用，但是从外观和结构角度来考虑，那么用玻璃真空套相对来讲要好一些。所以最终确定用玻璃真空套来保温。评价方案四：根据“实现目的”此方案可行；但是根据成本要求，此方案也可行。解决方案五：通过对反应釜内部的反应物进行不断的搅拌，来保证温度均匀的传递，这样也能达到提高目的。但是，此方案需要额外加一个搅拌器，而搅拌器又需要额外提供电能，这样会增加成本。评价方案五：根据“实现目的”此方案可行；但是根

20、据成本要求，此方案还有待改进。比如，是否可以用现有的电源来为搅拌机供电，在本方案中，用到的电压分别为+12V和+5V的。这就需要寻找一个小功率的搅拌机。最终理想解的确定：通过在上面的分析，不难看出，没一个方案都是相对独立的，方案之间没有太大的制约性。所以，我们完全可以把这些方案综合起来再考虑分析一下。在上面的分析中我们已经确定了选择用不锈钢材料制成的反应釜，这是根据热导率来选择的。但是，方案二、四、五的确也都可以达到提高传热效率，所以我们不防把方案一、方案二、方案四和方案五综合考虑一下，但是前提是，在允许的范围内。看看能不能得到更好的结果。经过把方案一、二、四、五结合后，最后得到的结果是：采用

21、带有玻璃真空保温套和搅拌机的不锈钢反应釜，并且要尽可能增大换热面积。这是目前最好的结果。问题2：该如何散热？经过上面的物场模型分析我们知道，此项目有两个物质（S1,S2）但是在S2对S1进行制冷操作时会S1产生有害作用，那就是热能。所以在这里需要外加一个物质来分担这个热能，这个物质就是散热器（S3）。经过改进后的物场模型如下：2.8总结：问题解决完毕，现在进行总结。根据以上的分析，选择了最佳的方案，总成本在10000元以内。所需要的设备：1单片机2反应釜3半导体加热制冷片4温度传感器5电源合计10000元。第三章：系统硬件设计3.1单片机的选型单片机的种类繁多，所以选择一款合适的单片机真的不太

22、容易，要考虑的方面。在选择单片机的时，并不是功能越强、速度越快的单片机就越好，还要考虑成本、开发手段、有无现货等因素，一般遵循以下原则：（1） 考虑单片机的速度；（2） 存储容量；（3） 考虑I/O引脚数量（4） CAN接口；（5） A/D转换器；（6） PWM定时器；（7） 价格；（8） 封装；（9） 工作温度范围；（10） 功耗；（11） 工作电压范围；（12） 供货渠道畅通；（13） 单片机编程环境；（14） 抗干扰性能好。 在本项目中，由于有模拟量的输入（1路）和PWM输出（1路），而且对工作温度要求比较高，综合以上的选型原则和工艺的要求，我们选用了STC12C5A60S2/AD/PW

23、M 系列单片机。3.1.1STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，当速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（25K/S），针对电机控制，强干扰场合。3.1.2主要性能(1)高速:1 个时钟 / 机器周期,增强型 8051 内核,速度比普通 8051 快 812 倍(2)宽电压:5.53.3V,2.23.6V(STC12LE5A60S2 系列)(3)增加第二复

24、位功能脚(高可靠复位,可调整复位门槛电压,频率12MHz 时,无需此功能)(4)增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEPROM(5)低功耗设计:空闲模式, (可由任意一个中断唤醒)(6)低 功耗设计:掉电模式(可由外部中断唤醒) ,可支持下降沿 / 上升沿和远程唤醒(7)工作频率:035MHz,相当于普通 8051:0420MHz(8)时钟:外部晶体或内部 RC 振荡器可选,在 ISP 下载编程用户程序时设置(9) 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K 字节片内 Flash 程序存储器,擦写次数 10 万次以上(10) 12

25、80 字节片内 RAM 数据存储器(11)芯片内 EEPROM 功能,擦写次数 10 万次以上(12) PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列，2路） -也可用来当2路D/A使用 -也可用来再实现2个定时器 -也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持(13) A/D转换，共8 路,10 位精度 ADC,速度可达 25 万次 / 秒；(14) 4 个 16 位定时器,兼容普通 8051 的定时器 T0/T1,2 路 PCA 实现 2 个定时器(15)可编程时钟输出功能,T0 在 P3.4 输出时钟,T1 在 P3.5 输出时钟,BRT 在 P1.0 输出时钟(16)

26、硬件看门狗(W D T )(17)高速 SPI 串行通信端口(18)全双工异步串行口(UART),兼容普通 8051 的串口(19)先进的指令集结构,兼容普通 8051 指令集,有硬件乘法 / 除法指令(20)通用 I/O 口(36/40/44 个) ,复位后为: 准双向口 / 弱上拉(普通 8051 传统 I/O 口) 可设置成四种模式:准双向口 / 弱上拉,推挽 / 强上拉,仅为输入 / 高阻,开漏 每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA,但整个芯片最大不得超过 100Ma.3.2半导体加热制冷片3.2.1工作原理半导体制冷又称为温差电致冷或热电制冷。具有热电能量转换特性的材料，在通过

27、直流电时有制冷功能，因此而得名热电制冷。总的热电效应由同时发生的五种不同的效应组成，它们是：赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。3.2.2赛贝克效应在两种不同导体构成的回路中，如果两个接头出的温度不同，回路中有电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势（图一）。 图一 赛贝克效应示意图图中U是温差电动势，它的大小与两结点间的温差成正比，比例常数为赛贝克系数（也称为温差电动势率），其值为 ab = U/T式中T为两结点间的温差每种材料都有固定的赛贝克系数，若用a和b表示这两种材料的赛贝克系数，那么由这两种材料所制成的热电偶的赛贝克系数为： ab =|ab|3.2.

28、3珀尔帖效应当直流电流通过由不同导体连接形成的回路时，在结点会产生吸热或放热的现象，这种现象被称为珀尔帖效应。因为半导体的珀尔帖效应比金属更为强烈，所以用半导体制作的组件可以达到较好的致冷效果（图二）。图二 半导体致冷示意图N型元件的载流子是电子，P型元件的载流子是空穴。当温差电偶的N型元件接入直流电正极，P型元件接入负极时，N型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热， 同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热；同时，电子与空穴在上端分离，分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。3.2.4

29、汤姆逊效应当电流通过有温度梯度的导体时，则在导体和周围环境之间进行能量交换（图三）。这种效应只涉及一种材料。 图三 汤姆逊效应示意图在本系统中要求加热和制冷的功率尽可能大一些、工作温度范围（0-80）、性价比要高等。所以我们根据工艺的要求选用了TEC1-12712型号的半导体加热片。3.2.5TEC1-12712性能参数（1）外形尺寸：50*50*4mm 元件对数 127（2）导线规格：引线长1005mm RV标准导线 单头5mm镀锡（3）内部阻值：1.01.3（环境温度231,1kHZ Ac测试）（4）最大温差：Tmax(Qc=0) 65以上。（5）工作电流：Imax=12（额定电压启动时）

30、（6）额定电压：DC12V（Vmax：15.5V）（7）致冷功率：Qcmax 115W（8）装配压力：85N/cm2（9）工作环境：温度范围 -5583（过高的环境温度降直接影响制冷效率）（10）封装工艺：四周标准704硅橡胶密封（11）包装标准：泡沫盒包装,存放条件 环境温度-1040（12）存放条件：-4060 3.2.6DIY 散热器：散热系统主要是传导冷量和热量,散热风扇的功率0.16A电压是12V.散热系统一套包括(导冷模块、导热模块、散热风扇、风扇外罩和链接用的螺丝)。3.3温度变送器的选择：在工业中，比较常用的温度变送器一般有：热电阻温度变送器、热电偶温度变送器，双金属温度变送器

31、，玻璃管液体温度计。在本项目中，要求温度是从20-80，显然温度差很小，而且温度需要远传。而双金属温度计和玻璃管温度计都是适合用在现场显示的温度计，因此不适合在本项目中使用。热电阻温变送器和热电偶变送器都适合远传，但是热电偶的测温范围比在此项目中温度范围要大的多，由此会影响温度信号的测量精度。所以，在本项目中选用热电阻温度变送器是最合适不过了。从测量的精度、测温范围、性能和使用广泛程度等因素的考虑，我们选用的是PT100铂电阻温度计。3.3.1PT100热电阻温度传感器。1、热电阻工作原理热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。与热电