20070403093_李学仿_飞碟式美发智能加热器的设计

20070403093_李学仿_飞碟式美发智能加热器的设计 济南大学毕业设计 1前言 1.1 国内外研究现状 温度传感器方面，通常分为接触型和非接触型，但接触型传感器往往容易受到环境的影响，从而导致数据的失真。测量师根据关于物体在一定温度下反射出的能量物体定律。对于理想辐射或者黑体辐射来说，全波长辐射能是与绝对温度的四次方成正比的。测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800?以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700?以下直至常温都 [1]已采用，且分辨率很高。 远红外加热技术在 70 年代仅限于 0,450? 的中温加热领域;到了 80 年代已达到600—750?的中温加热领域;到90 年代中期研制成功的远红外定向强辐射器，在电能辐射转换效率方面有新的突破。 远红外线加热成为当今世界上比较流行的加热技术。远红外线的传热方式是以放射方式直接向被加热体投射，因此被称为“直热”，具有直进性、穿透性和选择性，同时还具有内外同步加热的特征可确保产品层次，各部位均匀受热。 远红外加热技术从我国 70 年代的碳化硅、金属管、电阻带、陶瓷、半导体、搪瓷等元件;到 80 年代的石英管、镀金石英管、微晶玻璃灯等元件;一直到目前的远红外定向强辐射器，经过三个阶段，迈出三大步。远红外元件的电能辐射转换效率由40,50% 提高到78% 以上。总之，我国的远红外加热技术经过 20 多 [2]年的发展取得了可喜的成绩。 在工作臂任意角度自锁控制这一论题中，生活中有许多的应用实例的变形，诸如笔记本电脑、文曲星等电子设备显示屏的任意角度定位、拉伸型台灯关节定位等，都是巧妙地通过转动关节处的巧妙地摩擦来实现自锁功能，使其能在任意空间角度定位。但这只能针对力矩很小的结构，而对于存在较大力矩的装置，则 [3]会产生由于摩擦力无法抵消重力矩而失衡的现象。 非接触温度传感器、远红外加热、自锁机构等技术得到了很好的应用和普及，与此同时，我们发现在远红外加热技术的现实应用中，存在这样一个问题，美容美发店在发艺造型、烫染过程中，通常需要在定型或者施加染发剂之后对头发进行加热处理，催化化学药品快速反应，以期达到理想的处理效果。虽然经过了产品的多次更新换代，但在使用加热器的过程中，加热温度无法达到精确地控制，工作过程无法具体量化，没有解决温度的智能可控性，而暴露出加热温度过高产生不适，或者局部温度冷热不均而影响美容效果的问题。 - 1 - 济南大学毕业设计 1.2 选题意义 人们对科学技术的追逐是永不止步的，对美的追求也是永不停歇。据说，埃及是世界上发明烫发最早的地方。那时，妇女把头发卷在木棒上，涂上含有大量硼砂的碱性泥，在日光下晒干，然后把泥洗掉，头发便出现美丽的涡卷。随着社会的进步，国家的发展，越来越多的人士更加注重自身外在形象，美容美发店也开拓出越来越多的美容产品。头发的烫、染、保养越来越多的受到大众的欢迎，成为普及性极强的一项美容产品。 美容美发店在发艺造型、烫染过程中通常需要在定型或者施加染发剂之后对头发进行加热处理，催化化学药品快速反应。在这个程序中，加热装置在过去的十几年中得到了一次次更新换代，从最初的“电帽子”到现在的远红外加热器、PTC加热装置，技术得到了极大地提高。 虽然经过了产品的多次更新换代，但在使用加热器的过程中，加热温度无法达到精确地控制，控制过程无法具体量化。于此基础上，该课题围绕智能温度监控进行探究，在加热器中添加温度传感器、角度传感器等装置，对发质 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的温度进行实时监控、反馈，经过单片机的数据再处理，做出输出温度修正，实现加热温度在设定范围内窄幅波动，从而有效避免温度控制的难题。 1.3 设计内容 发廊智能飞碟加热器采用远红外线加热方式，利用远红外线具有激发水的活性的特长，把它利用在加热器上，为进一步设计和改造加热器的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择上提供了理论依据。 飞碟式美发智能加热器是美容美发店在发艺造型、烫染过程中常用的加热装置。但由于在使用时，设备缺少温度监控系统，导致常常在使用的过程中，顾客会由于加热温度过高产生不适，或者局部温度冷热不均而影响美容效果。 在此现状下，在智能飞碟加热器的工作过程中，使用温度监控系统对顾客头发表面温度实施实时检测与调控，实现加热温度在设定范围内窄幅波动，从而达到良好的加热效果。 该课题围绕智能温度监控进行探究，采用温度传感器对各点温度进行测量，并及时反馈给数据处理系统，实现温度的智能可控性、设备使用的人性化。 该系统的使用指标如下: 1) 用途:飞碟加热器的温度智能化控制; 2) 使用场所:美容美发店; 3) 性能:可靠、灵敏、调节方便; 4) 硬件配置:价格经济，能满足使用即可; 5) 检测范围:0-80? - 2 - 济南大学毕业设计 2总体方案设计 2.1 机械部分 2.1.1 机械总体设计 采用壁挂式，在墙壁上钻眼，用螺丝加固机身。机械工作臂1靠近壁挂端采用一个横向轴承使工作臂1能够在水平范围内180度转动，在工作臂1和工作臂2的末端安装纵向轴，使加热器头部能够在竖直平面上灵活调节。通过三节工作臂的设计，加热器头部实现了在水平和竖直范围内较好的移动，使其更容易针对不同的顾客身高条件予以调节。 图2.1 总体结构示意图 2.1.2 工作臂自锁总体方案设计 在工作臂2的设计中，技术上要求工作臂能够在任意位置保持平衡，设计方案中参考了多种自锁形式。 按原理来分大体上可以分为摩擦自锁式、弹簧—四杆机构变形自锁、弹簧—摩擦结合自锁等共三种方式，每种方式都具有一定程度的可行性，现逐一分析四种实现方式的优缺点。 摩擦自锁方式——如图(2-2)所示，在旋转轴处提供摩擦力，通过摩擦力产生的反向力矩来抵消重力产生的重力矩，从而实现力矩平衡，达到自锁的目的。 但是摩擦自锁机构在工作的过程中，需要被提供足够大的摩擦力，由此造成 - 3 - 济南大学毕业设计 工作臂操作中灵活性的缺失，同时，对设计要求的比较苛刻，此种只存在理论上 [4]的可能性，对力矩较大的机构并不具有现实使用价值。 图2.2 摩擦自锁 弹簧—四杆变形机构自锁方式——如图(2-3)所示，在中空管中安装可移动滑块，两段连接弹簧，工作过程中，凭借外力促使滑块在中空管中移动，在此过程中弹簧始终处于被拉伸状态，当工作臂需要在某一空间位置停止时，弹簧拉力、旋转轴处支持力、重力三力平衡，进而达到工作臂自锁的目的。 图2.3 弹簧—四杆变形机构自锁 此方案虽然能够解决在某一位置的受力平衡问题，但是在工作臂2的空间位置移动的过程中，不能够保持良好的平衡性，并且四杆机构的变形使用，需要可移动滑块在定位过程中，与管壁保持足够的摩擦力，这就造成了一个两难问题，如果保持足够的摩擦，虽然解决了定位问题，但却使工作臂的旋转变得笨重;相反，若减小这种摩擦力去解决工作臂的旋转问题，又会使固定平衡问题凸显出来。 摩擦—弹簧自锁机构——如图(2-4),结合以上方法，将摩擦自锁和弹簧结合起来，在水平位置，首先使弹簧处于被拉伸状态，在重力的作用下，实现力矩平衡;由于在设计过程中，弹簧与工作臂2所成的角度很小，这也就造成在旋转过 - 4 - 济南大学毕业设计 程中弹簧的形变量很小，添加旋转轴摩擦的目的就在于通过摩擦来抵消弹簧的额外形变所产生力矩变化。 图2.4 摩擦—弹簧自锁 通过三节工作臂的设计，并添加了工作臂自锁功能，加热器头部实现了在水平和竖直范围内较好的移动，使其更容易针对不同的顾客身高条件予以调节。在不使用加热器的时候，可以将其折叠到墙壁上，充分节省工作空间;工作时，将其伸展拉出，进行良好的工作。因为壁挂梁采用三节连臂设计，三段移动臂拥有最大的自由移动空间:高度、水平位置、工作角度都可以得到有效地调节，突破传统，拥有新潮的外形，并且充分的体现了设计人性化的特点。 图2.5 工作臂4 在细节上，加热器头部设计成一定角度的倾斜，这个角度根据顾客头部发髻的轮廓和水平的倾斜程度，定为45?(如图2-5)。这样工作转动过程中，能够实现更大范围的加热覆盖，改善了加热效果。 - 5 - 济南大学毕业设计 2.1.3 防缠绕设计 工作头部的远红外加热管在工作的过程中需要电力供应，但是由于工作头部是不断旋转的，这就造成若是采用普通的电源线将造成由于不断旋转而产生电源线缠绕的问题。解决此问题的思路是引入了直流电动机中采用的电磁—滑环装置。 图2.7 直流电动机原理图 直流电机作为发电机运行时，电枢有原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边中便感应出电动势，显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下时，是另一个方向。但是由于电刷A总是同与N极下的有效边相连的转向片接触，而电刷B总是同与S极下的有效边相连的转向片接触，因此在电刷间就出现一个极性不变的电动势或者电压，所以，换向器的作用在于将发电机电枢绕阻内的交流电动势变换成电刷间的极性不变的电动势。当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。 在电源输入到头部的线路设计中，在直流电动机的电刷技术的基础上，旋转滑环体这一发明专利，能够很好的解决在工作过程中所产生的线路缠绕问题，在 [5]根本思路上取得了突破和创新。 2.2 控制系统的设计 控制系统是发廊智能飞碟加热器的神经中枢，它负责加热器温度的控制及现场角度传感器信号的处理。控制系统的功能就是对飞碟加热器的各分系统进行协调和控制，因而应该具有灵敏的数据检测和反馈处理能力。 选择80C51单片机作为控制系统的神经中枢，辅以74LS374、ICL7135、74LS273、MOC3041等芯片，TS118-2红外线温度传感器、FL86BYG92步进电 - 6 - 济南大学毕业设计 动机、光电耦合器、功率驱动器、报警二极管、开关等外部设备。 通过红外线温度传感器，在工作表面温度过高时，及时反馈温度过高检测信号回控制系统，再由控制系统进行数据处理，发出降低加热温度的信号到远红外线加热管，完成温度的反馈校正。在工作表面温度过低时，及时反馈温度过低检测信号回控制系统，再由控制系统进行数据处理，发出提高加热温度的信号到远红外加热管，完成温度的再次校正。设计成具有温度设定、温度监测与反馈、温 [6]度控制、报警提示等多功能的工作控制系统。 图2.8 控制系统示意图 - 7 - 济南大学毕业设计 3机械系统设计 3.1 工作臂的设计 3.1.1 工作臂自锁原理 工作臂受重力产生一个以旋转轴为中心的力矩，现设计一个结构来抵消产生的这种力矩。但由于工作臂所受重力比较大，传统的采用摩擦来抵消力矩的设计方案无法达到良好的效果，经过反复推敲，决定首先以一根弹簧的拉力来抵消重力所产生的力矩;由于弹簧与工作臂所成的角度比较小，所以在工作臂上升、下降的过程中所引起的力矩变化不大，而这部分产生的力矩变化，由旋转轴处的预 [7]紧摩擦力矩来抵消，从而达到工作臂任意自锁的目的。 3.1.2 工作臂2结构设计计算 (1)工作臂受力分析 根据Solidworks质量计算器算得，此部分所受重力约为G=60N。 图3.1 水平状态 在工作臂2水平平衡时，根据相似三角形原理: 2250，320320 (3-1) ,50h1 在这种情况下，弹簧拉力产生的力臂为: h,49.04mm1 假设重力G与拉力F1产生的力矩平衡: Fh,680G (3-2) 11 - 8 - 济南大学毕业设计 这种情况下，需要的拉力为:。 F,832N1 图3.2 上扬45?状态 当工作臂2与水平成30?时，F2所产生的力臂h2为: h,46.47mm2假设此时拉力F2与重力G力矩平衡: (3-3) Fh,588.9G22 这种情况下，需要的拉力为。 F,760N2 图3.3 下伸45?状态 h,39.85mm当工作臂2与水平成-45?时，F3所产生的力臂h3为: 3假设此时重力G与拉力F3所产生的力矩平衡，则: Fh,588.9G (3-4) 33 F,886N所以此时所需的拉力为 3 (2) 圆柱螺旋拉伸弹簧设计 - 9 - 济南大学毕业设计 根据机械设计，由表格16-2取切变模量G=82000MPa，预先取弹簧的圈数 为n=20;弹簧钢丝直径:d=6mm;旋绕比:C=7; D 中径 D,Cd,7，6,42(mm) (3-5) 内径 D1 (3-6) D,D,d,42,6,36(mm)1 外径D 2 (3-7) D,D，d,42，6,48(mm)2 圆截面弹簧丝的曲度系数K: 4C,10.615K,，,1.213 (3-8) 4C,4C δ根据GB/T 4357-1989标准，弹簧钢丝的拉伸强度极限暂时选用B级1470N，B ,,τ则许用切应力: ,, (3-9) ,,0.4,,0.4，1470,588(N)B 8CF8，7，886τ,K,1.213,532N,,,τ (3-10) 2πd3.14，36 符合设计要求。 弹簧钢丝直径应满足: FKC886，1.213，7max (3-11) ,1.6,1.6,5.66(mm)d,,,588 所以预选小径能够满足要求。 d,6mm 由以上数据可计算弹簧的刚度: Gd82000，6K,,,8.97(N/mm) (3-12) F338Cd8，7，20 拉簧的初切应力为: - 10 - 济南大学毕业设计 G82000,,,,82(N) (3-13) :10001000 初拉力为: 33,d3.14，6 (3-14) F,,,，82,165.5(N)::8D8，42 所以在工作臂处于水平位置时，弹簧的拉伸量为: FF,1: (3-15) X,,88.9(mm)KF 此时弹簧的总长度为: L,nd，X,20，6，88.9,248.9(mm) (3-16) 参考此数据来设定弹簧的两个连接点间的距离，使工作臂2处于水平位置时，弹簧的拉力矩与重力产生的重力矩达到平衡。 而当工作臂向上或向下旋转时，弹簧拉力与重力各自产生的力矩的差值发生变化: ,T,680G,588.9G,5466(N.mm) (3-17) 在旋转过程中，重力矩与弹簧拉力矩的差值不稳定变化，采取旋转轴摩擦静力矩来进行实时的抵消，从而达到自锁的目的。 对旋转轴处进行压花处理，增加摩擦系数到，并且安装碟簧这一装置，μ,0.5 L,35mm用以控制锁紧压力的大小。摩擦力所产生的力臂为，此时需要的最大1 摩擦力为: f,,T/L,5466,35,156.2(N) (3-18) 1 在这种状况下，所需的最小预紧力为: F,f/,,312.4(N) (3-19) min [4]F,380N依照安全性原则，给旋转轴施加预紧力:。 - 11 - 济南大学毕业设计 3.1.3 工作臂3结构设计计算 设计中若要保持工作臂3竖直向下，由于设计机构所受重力方向未在工作臂3垂直方向，所以同样需要一个自锁机构来提供反向的动力矩，借以实现工作臂3保持垂直状态。 假设采用同样的自锁机构，分析原理及步骤同上。顺序计算出水平状态、上扬45?、向下旋转45?的极限位置弹簧所产生的拉力。 由Solidworks三维设计软件中的质量计算器计算出头部重力约为:G,=40N ''Fh,49mm拉力所产生的力臂，根据力矩平衡: 11 50G50，40' (3-20) F,,,40.82(N)1'49h1 ''Fh,46.47mm拉力所产生的力臂，根据力矩平衡: 22 50G40，50' (3-21) F,,,43.04(N)2'46.47h2 ''Fh,39.85mm拉力所产生的力臂，根据力矩平衡: 33 50G50，40'F,,,50.2(N) 3 (3-22) '39.85h3 经过受力分析，此处由于重力所产生的力矩比较小，若同样采用前一种方案，不符合设计经济性的原则，单一采用轴部摩擦锁紧的方式同样可以达到设计要求，并且降低了了产品的生产成本。 直接采用摩擦自锁的方式，旋转轴处摩擦力所产生的力臂为L,30mm 2 工作臂3垂直方向保持平衡，则需要的最小摩擦力为: 'f,50G/L,50，40,30,66.7(N) (3-23) 2 对旋转轴处进行压花处理，增加摩擦系数到μ,0.5，则需要对旋转轴施加最小的压力为: ''F,f/,,66.7,0.5,133.4(N) (3-24) min - 12 - 济南大学毕业设计 [4]' 依照安全性原则，给旋转轴施加预紧力。 F,180N 3.1.4 工作臂行程设计 运行机构的设计中，本着设计的机构具有灵活、精巧特性的出发点，方案设定其为连杆拉伸--折叠的机构工作方式。具有两个横向转动轴与两个纵向转动轴，使美发加热器在工作的过程中能够实现最大范围的工作行程。 图3-4 为美发加热器俯视图，工作臂2可以围绕A点，在图示300?的范围内做水平旋转运动。工作臂3可以围绕B点(B点为机身固定在墙壁上的安装固 )，在180?的范围内做水平旋转运动。 定点 建立空间坐标，算得美发加速器在水平方向，能够在以2m为半径的半圆内的任意位置实现定位。 这就从最大程度上拓展了工作空间，特别适用于工作空间不是十分宽敞的发廊，去根据实际情况合理定位工作点，并且十分具有现代气息，从外形到实用性都达到了一个很高的标准。 图3.4 工作臂行程—俯视图 图3-5 为美发加热器的主视基准面视图，旋转轴C与旋转轴D能够在竖直平面内运动，实现工作平面的垂直方向定位。机构设计过程中，设定上扬45?到下伸30?工作极限范围。 这个设计能够根据不同顾客的身高特征，来调节垂直方向的高度，使工作头部的热源在工作的过程中能够很好的覆盖加热表面，均匀受热，进而实现更好的 - 13 - 济南大学毕业设计 加热工作效果。 并且，在美发加热器不工作的时候，将工作臂上扬45?，再进行A、B旋转轴的旋转调节，将美发加热器贴靠到到固定其机身的墙壁上。这种设计的好处就是能够在不需要此工作装置时，不需要继续占用工作位，最大限度的提高空间利用价值。 图3.5 工作臂行程—水平视图 3.2 电动机的选择 (1)等效转动惯量计算 预选混合式步进电机FL86BYG92为备选型号。 估算工作头部的旋转半径为R=250mm，小圆半径r=80mm，工作头部的质 [8]量为1kg。 可以近似看做圆环，转动惯量为: 33,,22222J,m(R，，r),1，0.25，0.08,0.0673(kg,m) (3-25) ,,144,, 2J,0.13kg,m 转子的转动惯量:。 m 传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量为: - 14 - 济南大学毕业设计 2J,J，J,0.0673，0.13,0.197(kg,m) (3-26) ,m1 考虑步进电动机与传动系统惯量相匹配的问题: J/J,0.13/0.197,0.674 (3-27) m, 基本满足惯量匹配的要求。 表3.1 86圆形步进电动机系列 步距静力引线机身重电流 电阻 电感 转动惯量 步进电机型号 角 矩 数 长 量 Ω g.cm ˆ2 ? A mH NO. mm Kg N.m FL86BYG62 1.8 1.8 1.9 2.6 9.7 6 62 640 1.6 FL86BYG92 1.8 3.9 3.3 1.1 10 4 92 1300 2.6 FL86BYG94 1.8 4.4 3 1.2 11 4 94 1000 3.5 *以上表中所列步进电机型号有库存，可根据客户要求定制。 (2)电机力矩计算 n,30r/mint,0.3s工作转速定为:，起动时间为:,起动转矩为: n30,2,M,J,J，10,0.197，,2.06(N,m) (3-28) ,,6060t，0.3,,22 λ,0.866 由表查出，当步进电动机为三相六拍时，。 最大静转矩: M2.06M,,,2.34(N,m) (3-29) jmax,0.866 计算过程中，因为工作过程摩擦力的作用很小，忽略了摩擦力矩和附加摩擦力矩，按此最大静转矩从表中查出，FL86BYG92的最大静力矩为3.9Nm，远大于所需的最大静力矩，选型成功。 - 15 - 济南大学毕业设计 图3-6 FL86BYG92外形图 - 16 - 济南大学毕业设计 4控制系统设计 4.1 远红外线技术介绍 远红外线是有益的电磁波。红外线是电磁波一种，任何物体於绝对零度以上，都可放出红外线，而红外线波长在0.75至1000微米之间，又依能量含量不同，可分成近红外线(波长在0.75 ~ 1.5微米)、中红外线(波长在1.5 ~ 5.6微米)及远红外线(波长在5.6 ~ 1000微米)。虽然在19世纪初就发现了红外辐射，但真正广泛的应用于工业生产、军事和各种科学研究领域却是到了第二次世界大战期间。30年代，美国福特汽车公司首先把红外辐射技术应用于汽车涂漆的烘干工艺上。当时使用红外灯泡作为辐射源，由于受玻璃灯罩的限制，只利用其中的近红外能量。直到日本研制成功氧化镁管和碳化硅板, 并宣传了远红外加热技术的优点，这一技术重新引起了大家的注意。对许多化合物，应用远红外比用近红外线，其加热效果要好得多。应用于生产，从此远红外加热技术迅速发展成为一个新兴领域，由于其明显的节能效果，越来越多的国家重视这一技术的发展和应用。经过许多科学工作者的研究, 先后制造出了比温度计灵敏度高的多的红外探测器、人造红外辐射源、精密的红外光谱分析仪器——红外光谱仪。目前探测器的灵敏度可以比普通的水银温度计高1 万倍;利用激光技术生产的红外束，可使照到样品上的功率密度比太阳能高1亿倍;红外光谱仪分解光谱的性能也比牛顿 [9]分光法高出1千倍。 远红外加热技术在70年代仅限于0,450?的中温加热领域。到了80年代已达到600—750?的中温加热领域。在以前的远红外加热烘道、烘箱中虽然强调以辐射为主加热,但是还有一部分热能以传导、对流的形式加热。因此烘道、烘箱都要求做到密闭、保温。到90年代中期研制成功的远红外定向强辐射器,在电能辐射转换效率方面有新的突破。其电能辐射转换效率高达78%以上,法向发射率大于92%，热响应时间小于2分钟。该产品以极强的红外辐射源在空间垂直沿内形成宽谱波定向辐射, 热稳定性好,长期使用,特性不退变, 使用温度在 60,900?之间任意可调。其发出的热光子束流，在辐射平面内均匀分布, 克服了国内各种红外加热元件温度分布不均匀的问题。为在我国工业结构中推广世界先进水平的开放式快速干燥机型提供了必备条件(该产品是开放式干燥机型的核心环节)。即烘道、烘箱再不要求密闭、保温。该产品由于在材料应用中采用国际、国内最先进的技术手段, 使用寿命大大提高,远远超出了目前国内同类产品的使用寿命, 并在维修上非常简单,可重复使用多年,克服了国内外同类产品一次性使用的弊端, 是目前最为理想的烘烤加热元件。 远红外加热技术从我国70年代的碳化硅、金属管、电阻带、陶瓷、半导体、 - 17 - 济南大学毕业设计 搪瓷等元件到80年代的石英管、镀金石英管、微晶玻璃灯等元件，一直到目前的远红外定向强辐射器, 经过三个阶段，迈出三大步。远红外元件的电能辐射转换效率由40, 50%提高78%以上。烘道、烘箱由密闭、保温型发展到开放型。总之，我国的远红外加热技术经过20多年的发展取得了可喜的成绩。在当前我国电力十分紧张的情况下，远红外加热水平的提高，在节能和提高加热干燥物质量方面具有十分 [10]重要的意义。应在加热干燥领域大力推广这一技术 4.2 温度传感器的选择 4.2.1 温度传感器的分类 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。 非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法(见光学高温计)、辐射法(见辐射高温计)和比色法(见比色温度计)。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体(吸收全部辐射 [11]并不反射光的物体)所测温度才是真实温度。 菲涅尔透镜 (Fresnel lens) 是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿 [12]纹。通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围光带通(反射或者折射)的作用。 4.2.2 测温方式的选择 非接触测温优点:测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800?以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700?以下直至常温都已采用，且分辨率很高。 其中一种距离我们现实生活最近的应用便是热释电红外线传感器人体测温装置。经过非典、H1N1型流感等以发热为症状表现的传染病的出现，人体测温 - 18 - 济南大学毕业设计 装置得到了长远的发展。热释电远红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2×1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。 非接触测温普遍采用菲涅尔透镜原理，利用透镜的特殊光学原理，在探测器 ”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当前方产生一个交替变化的“盲区 有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅[13]度。 鉴于远红外传感器的种种优点，在此次智能飞碟加热器的设计中，决定采用红外线传感器对工作温度进行实时监测，选用传感器型号如下: 型号:TS118-2红外温度传感器; 类型:红外温度传感器; 量程:跟处理电路相关(普通-20—100?); 精确度:?1?; 输出:8.0?2.0mV; 工作温度:-20—100?; 特点:尺寸小，安装方便; 典型应用:无接触温度测量，移动物体测温，温度控制，火灾报警，医疗仪器。 4.3 电路设计 4.3.1 系统芯片介绍 (1)80C51 ? 中央处理器(CPU) 能处理8位二进制数和代码，即一个字节。 ? 内部存储器 单片机内部存储器包括程序存储器和数据存储器。 ?定时与中断系统 80C51内部集成了2个16位的定时器/计数器，用于实现定时或者技术功能;同时，一起定时或者计数的结果来实现控制功能。 - 19 - 济南大学毕业设计 80C51单片机具有中断功能，以满足控制应用的需要。80C51共有5个中断源，即外部中断2个，定时器/计数器中断2个，串行口中断1个。全部中断可分为高级和低级两个优先级别。 ? I/O口 P1、P2、P3)，以实现80C51单片机内部共有4个8位的并行I/O口(P0、 数据的并行输入和输出。 80C51单片机还有一个全双工的串行口，以实现单片机与单片机之间以及单片机与外部设备之间的穿行数据的传送。 ? 时钟电路 时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，用于协调和控制单片机的工作。80C51单片机的内部有时钟电路，在采用内部时钟时须外接石英晶体振荡器和微调电容。系统允许的最高时钟频率为12MHz。 在一般的使用情况下，P1和P2口可作为通用I/O口提供给用户，且无需上拉电阻;P0口作为数据总线使用;而P3口通常工作在第二功能状态。当然，在 [14]芯片外连接有RAM和I/O口时，P2口作为地址总线使用。 (2)MOC3041 图4.1 MOC3041 MOC3041芯片是一种集成的带有光耦合的双向可控硅驱动电路。它内部集成了发光二极管，双向可控硅和过零触发电路等器件。在本设计当中，单片集成可控硅驱动器件MOC3041 作为对输出的驱动和控制。 它由输入和输出两部分组成，输入部分是一个砷化镓发光二极管，在5—15mA正向电流的作用下，发出足够强度的红外光去触发输出部分。输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器。在红外线的作用下，双向可控硅可双向导通，与过零触发器一起输出同步触发器，去控制执行机构——外部的双向 [15]可控硅。 (3)74L374 - 20 - 济南大学毕业设计 八上升沿D触发器(3S，时钟输入有回环特性)。 374的输出端O1—O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为高电平时，O1—O7呈高阻态，即不去动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当时钟端CP脉冲上升沿的作用下，O随数据D而变。由于CP端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。 表4.1 引出端符号 引脚 作用 D0—D7 数据输入端 OE 三态允许控制端(低电平有效) CP 时钟输入端 O1—O7 输出端 外部管脚/逻辑图: 图4.2 74LS374 (4)ICL7135 ICL7135C 转换器用德州仪器公司高效率CMOS工艺制造。这种4 1/2 数位、双斜率积分(dual-slope-integrating)模拟-数字转换器是为提供与微处理器和可视显示二者的接口而设计的。数字驱动输出端D1至D4以及多路复用的二—十进制代码(binary-coded-decimal)输出端B1、B2、B4和B8提供适用于LED或LCD译码器/驱动器和微处理器的接口。 ICL7135C 和 TLC7135C 提供 50-ppm的分辨率，其最大线性度误差为 1 个计数值。零点误差小于10μV ，零点漂移小于0.5μV/?。低输入电流(小于 10pA)使源阻抗(source-impedance)误差为最小。翻转误差(rollover error)限制至?1计数 - 21 - 济南大学毕业设计 [16]值。 图4.3 ICL7135 BUSY，STROBE，RUN/HOLD，OVER RANGE以及UNDER RANGE控制信号支持基于微处理器的测量系统。控制信号也能支持通过通用异步接收器发送器(UART)进行数据传送的远程数据采集系统。 ICL7135C的工作温度范围为0?至70?。 4.3.2 电路原理 本装置的任务是对温度进行实时监测和控制。首先，由温度传感器对温度进行采样和转换，将测量结果送给单片机;单片机将输入的温度值与内部制定单元的给定温度值进行比较，根据比较结果，通过一个执行机构——可控硅，对加热源(远红外加热管)的开断状态进行控制。 该系统以高性能/价格比的80C51为核心，采用新型远红外温度传感器来测量温度，由双向可控硅驱动电路MOC3041和双向可控硅组成输出控制通道。此外，还有键盘/显示电路、报警输出电路等。整个系统结果紧凑，性能可靠。 (1) 输入通道的设计 该部分主要完成对温度信号的采集和转换工作，由远红外温度传感器TS118-2及其与单片机的接口部分组成。由于采用了该芯片，温度测量电路变得非常简单。TS118-2就像三极管一样，有一根地线，一根信号线，和一根电源线。 通过DQ线与单片机的一根I/O口线相连，就能实现单片机对TS118-2模式 控制，温度值读取等操作。 (2) 输出通道的设计 在设计当中采纳了单片机成可控硅驱动期间MOC3041来作为对输出的驱动和控制，由MOC3041组成的过零触发双向可控硅电路简单可靠，电路图如图4-4。 - 22 - 济南大学毕业设计 图4-4 加热回路 其中: R1:限流电阻，控制LED的触发电流 R2:门极电阻，提高控制级的抗干扰能力 R3:控制回路限流电阻，保护MOC3041中的双向可控硅 R4，C4:构成吸收回路，承受反向电压 该部分的工作过程是:当单片机输出为低电平时，MOC3041内部导通，出现同步触发脉冲，控制可控硅导通，打开加热器;当输出为高电平时，MOC3041 [17]内部截止，可控硅断开，关闭加热器。 4.3.3 系统功能 (1) 主要功能 实时显示温度，系统的精度为1?; 控制温度，默认的设定温度为上次设定温度。低于或者等于下限温度时加热，高于或者等于上限温度时保温。设定时上限比下限大2?; 用按键可随时修改上下限温度; 通过报警器件输出报警; 系统可以手动或上电复位。复位时先自检，接着显示上次的设定温度值(上限值)。正常工作时显示温度值。状态等显示当前系统状态。 (2) 键盘说明: 1号键:温度设定/确定设定; 2号键:上档/显示设定温度; 3号键:上升/下降; - 23 - 济南大学毕业设计 4号键:右移/左移; 5号键:电动机开关。 在没有按1号键的情况下按3、4号键无效。按1号键后为设定温度操作，当前设定位闪烁，按3号键为加减，4号键为移位。上档时3、4号键分别为上升、右移;反之为下降及左移。上档时标志灯亮，再次按1号键时为确定设定。 在没有设定温度时，按2号键位显示所设定的温度;在设定时为上档/下档按键，按奇次为上档，按偶次为下档。 温度设定范围为20-70?。 - 24 - 济南大学毕业设计 参考文献 5结 论 飞碟式美发智能加热器的设计，在观察和了解市面上的相关产品后，决定从机械设计部分和控制系统设计部分着手对此产品进行创新和设计。 在沿着前人的足迹、不断翻阅相关资料和梁老师与马老师的帮助下，渐渐对该课题有了更进一步的认识，设计思路也逐渐清晰。这给我提供一个发现问题、解决问题的机会。问题解决的过程是思维升华的过程、知识融汇贯通的过程。控制部分设计，以80C51单片机为控制中枢，实现了温度实时检测、反馈。 飞碟式美发智能加热器虽然是一个生活中很普通的仪器，但是却结合了红外线加热技术、非接触测量技术、机构自锁技术于一体。通过对此加热器的创新设计，我加深了对机械设计和控制设计的掌握，做到了学以致用。 毕业设计，是对四年所学专业知识的一次系统性归纳和总结，所思所想形成了对知识的一种总结和更为深刻的认识，是一个很好的历练的机会，并且本人也从中受益匪浅。 25 济南大学毕业设计 参考文献 参 考 文 献 [1] 袁希光.传感器技术[M].国防工业出版社,1986. 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