固态继电器SSR温度控制毕业论文.docx
《固态继电器SSR温度控制毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固态继电器SSR温度控制毕业论文.docx（85页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
固态继电器SSR温度控制毕业论文
１ 引言
温度是工业过程控制中主要的被控参数之一，在冶金、化工、建材、食品、石油等工业中，工艺过程所要求的温度的控制效果直接影响着产品的质量。
对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同，随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。
越来越显示出其优越性。
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
在工业生产中，如用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，都用到了电阻加热的原理。
鉴于单片机技术应用的广泛性和优越性，温度控制的重要性，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
本文就是根据这一思想来展开的。
1.1系统设计的目的和任务
1.1.1 系统设计的目的
通过本次毕业设计,主要想达到以下目的：
1.增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解。
2.掌握单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O口等。
3.了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后工作中设计和实现单片机应用系统打下基础。
4.熟悉闭环控制系统的组成原理及单片机ＰＩＤ算法的实现方法。
1.1.2 系统设计的任务
1．查阅资料，弄清楚所要解决的问题的思路，确定设计方案。
2．系统硬件电路设计。
3．系统相关软件设计。
4．仿真实现温度参数设定、转换、显示等功能。
5．依据对象模型设计控制器参数，
6．系统调试与分析；并依据调试结果予以完善。
1.2毕业设计论文安排
1.论证系统设计方案，设计系统原理图。
2.系统硬件设计与测试。
3.绘制软件设计流程图，设计软件功能模块并调试。
4.系统仿真与调试。
5.系统调试，并依据调试结果完善设计。
2 系统方案的论证与原理图设计
2.1系统方案论证
方案一：
采用8031芯片作为控制核心，以ADC0809做模数转换，采用LED显示当前的温度和设定的温度，经过一定的算法来控制输出，从而来控制炉温。
此方案的缺点是8031芯片内部没有程序存储器，在硬件设计中需要外扩展程序存储器，这样硬件电路比较复杂。
在软件设计时的读取数据比较麻烦。
方案二：
采用AT89C51芯片作为控制核心，以ADC0809做模数转换，并用LED显示当前的温度和设定的温度，设置复位键和设定温度键，通过PID算法来控制输出，从而达到控制炉温的目的。
此方案的优点是系统简明扼要，硬件电路比较简单；缺点是所测的温度精度不高。
方案三：
采用PLC西门子300来作为控制核心，并用LED显示当前的温度和设定的温度，经过一定的算法来控制输出，从而达到控制炉温的目的。
此方案的优点是硬件电路简单，系统稳定；缺点是所设计的系统成本比较高。
综上所述，并结合我们学校实验室的具体情况，选择第二种方案。
2.2系统设计原理框图
本系统采用典型的反馈式温度控制系统，系统组成见图2.1。
图中数字控制器的功能由AT89C51单片机实现；由热敏电阻、电桥、A/D转换器构成输入通道，用于采集炉内的温度信号，其中热敏电阻选用mf12-26型号，它将温度信号转变为阻值变化信号再经电桥变为0~5v标准电压信号，以供A/D转换用；转换后的数字量与炉温的给定值数字化后进行比较，即可得到实际炉温和给定炉温的偏差；炉温的设定值由键盘输入。
由单片机构成的数字控制器按最小拍进行计算，计算出所需要的控制量。
数字控制器的输出经标度变换后送给由p3.0通过t0调制的PWM波送至SSR，从而改变电阻炉单位时间内电压导通的百分比,从而控制电阻炉加热功率，起到调温的作用。
SCR
图2.1温度控制系统组成原理框图
3硬件电路的设计
3.1温度控制器的选择
控制器选择目前市场上最流行的也是笔者最熟悉的atmel公司的AT89C51单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.1.1AT89C51的主要特性
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
3.1.2AT89C51的管腿图
所选用的AT89C51芯片的管腿图如图3.1所示；单片机对外呈现3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引腿组成控制总线。
由于是16位地址线，因此，可使片外存储器的寻址范围达到64KB。
其P3口还具有第二功能，如表3.1所示。
表3.1P3口第二功能表
引腿
第二功能
P3.0
RXD串行口输入端
P3.1
TXD串行口输出端
P3.2
INT0外部中断0请求输入端，低电平有效
P3.3
INT1外部中断1请求输入端，低电平有效
P3.4
T0定时器/计数器0记数脉冲输入端
P3.5
T1定时器/计数器0记数脉冲输入端
P3.6
WR外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效
P3.7
RD外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效
3.2温度检测电路设计
温度是表征物体冷热程度的物理量。
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，
测温常用的器件有热电偶和热电阻,由于电烤箱温度控制范围较低,故采用热电阻测温,热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加或降低这一特性来进行温度测量的。
热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器件。
它的主要特点是测量精度高，性能稳定。
其中铂热电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。
为此，设计如图3.2所示，热电阻温度检测电路采用三线出三线入连接方法。
图3.2热电阻温度检测电路
当测温范围不大，元件长度和截面积随温度改变引起的阻值变化可以忽略时，热电阻元件的阻值随温度变化可以认为是线性的，可以用式3－1表示:
（式3－1）
其中,t0表参考温度；
表示参考温度下的铂热电阻阻值;
表示电阻元件的平均电阻温度系数，即电阻元件的温度相对于参考温度每变化1℃时，引起考温度下每欧姆电阻值的增量。
电桥处于平衡时，则有：
（式3－2）
令Rl=R2，则R3=Rt,，使得R3的阻值等于铂热电阻的阻值。
这样，通过电桥的方法测量出t温度下热电阻的阻值，就可以算出此时的温度：
（式3－3）
根据上述热敏电阻测温原理,系统中,电桥各参数如下:
R1=47kR2=47kR3=1.5K
热敏电阻阻值与实际温度及采样电压的对应关系如下表3.2所示:
表3.2温度数字量对照表
温度（C）
100
120
140
160
180
200
220
240
电压（V）
2.0
2.4
2.8
3.2
3.6
4.0
4.4
4.8
3.3模数转换电路设计
现阶段生产的ADC具有模块化、与微机总线兼容等特点，在选择ADC芯片时，除需要满足用户的各种技术要求外，还须注意：
①数字输出的方式；②对启动信号的要求；③转换精度和转换时问；④稳定性及抗干扰性。
逐次逼近式ADC具有较高的转换速度、转换程序固定和精度高的特点，适用于快速自动检测系统与多回路的快速数据采集系统，一般是转换速度小于lms的场合。
电烤箱温度变化范围不会太大，本系统要求最小温度分辨率为1℃，假使温度变化范围为100℃，整个系统的温度采集点应为100×2=200个，8位转换器分辨率为1／256，完全满足转换精度要求，故本系统采用8位逐次逼近式A／D转换器ADC0809。
ADC0809性能如下:
●分辨率为8位。
●精度:
ADC0809小于1/2LSB。
●单一+5V供电,模拟输入电压范围为0~5V。
●具有锁存控制的8路输入模拟开关。
●功耗为15mw。
●不必进行零点和满度调整。
●转换速度取决于芯片外接的时钟频率,时钟频率范围为:
10~1280KHZ,典型值为640KHZ,约为100微妙。
D0~D7
图3.3Adc0809转换工作时序
ADC0809工作时的定时关系如图3.3。
从图中可以看出：
在进行A/D转换时，通道地址应先送到ADDA-ADDC输入端，然后在ALE输入端加一个正跳变脉冲,将通道地址锁存到ADC0809内部的地址锁存器中，这样对应的模拟电压输入就和内部变换电路接通。
为了启动,必须在START端加一个负跳变信号，此后变换工作就开始进行，标志ADC0809正在工作的状态信号EOC由高电平（空闲状态）变为低电平（工作状态）。
一旦变换结束，EOC信号就又由低电平变成高电平，此时只要在OE端加一个高电平，即可打开数据线的三态缓冲器从D0-D7数据线读得一次变换后的数据。
其内部逻辑图和管腿图如3.4所示。
图3.4（a）ADC0809的内部逻辑结构
图3.4（b）ADC0809的管腿
ADDA、AADB、ADDC为通道地址线，用于选择通道，其通道寻址如表3.3所示。
表3.3ADC0809通道地址选择表
ADDCADDBADDC
选通的通道
000
IN0
001
IN1
010
IN2
011
IN3
100
IN4
101
IN5
110
IN6
111
IN7
图3.5是单片机和ADC0809连接图，采用查询方式，图中,由于ADC0809片内无时钟,可利用89C51提供的地址锁存允许信号ALE经过分频后加到0809的时钟端；由于单片机采用6M晶振,故ALE的频率为1M,经2分频后得到500K的频率再加到ADC0809的时钟端，经过仿真和实验能可靠工作.
采用查询方式的程序如下,对IN0端采样,转换结果送到30H为首的地址单元中:
ADC：
MOVR1，#30H
MOVDPTR，#0DFF8H；送入口地址并指向in0
MOVR7，#03H
LOOP：
MOVX@DPTR,A；启动ad转换,a的值无意义
HER：
JBP3.3，HER
MOVXA,@DPTR；读取转换后的数字量
MOV@R1,A；存入数据到数据单元
INCR1
DJNZR7,LOOP
图3.5ADC0809与89c51接口电路图
3.4LED显示电路设计
LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器件。
在单片机应用系统中通常使用的是七段LED。
这种显示器有共阴极和共阳极两种,如图3.6所示。
共阴极LED显示器的发光二极管阴极接地,如图3.6（a）所示。
当发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮;共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接地,如图3.6（b）所示。
通常的七段LED显示器中有8个发光二极管,其中7个发光二极管构成7笔字形。
一个发光二极管构成小数点。
从a到g管脚输入不同的8位二进制数,可以显示不同的数字或字符。
通常把控制发光二极管的8位二进制数称为段码。
共阳极与共阴极的段码互为反码,如表3.4所示。
图3.6（a）共阴极图3.6（b）共阳极
表3.4:
七段LED的段选码
显示字符
共阳极段选码
共阴极段选码
显示字符
共阳极段选码
共阴极段选码
0
3FH
C0H
C
39H
C6H
1
06H
F9H
D
5EH
A1H
2
5BH
A4H
E
79H
86H
3
4FH
B0H
F
71H
8EH
4
66H
99H
P
73H
8CH
5
6DH
92H
U
3EH
C1H
6
7DH
82H
y
6EH
91H
7
07H
F8H
8
FFH
00H
8
7FH
80H
灭
00H
FFH
9
6FH
90H
A
77H
88H
B
7CH
83H
在系统中采用8位动态共阴LED数码管显示，用于显示设定温度值与采样温度值，前4位为采样温度值后4位为设定温度值。
位选信号用P2.6，相应地址为0BFFH，段选信号用P2.7，相应地址为7FFFH。
电路图如图3.7。
图中，74LS02为4或非门，八D触发器74LS273（带清除端）用作端口扩展、数据锁存和数码管的驱动。
可选用的锁存和驱动的芯片种类很多，如：
74LS06、74LS07、74LS373、74LS244等。
之所以选用74LS273是因为其价格和74LS06、74LS07相比相差不多甚至更便宜，而且使用图中所示电路还可以节省四个I/O端口。
如图3.7，段码和位码均由P0口送出，P2.6和P2.7口分别与写信号经或非门后分别接段码和位码锁存74LS273的选通端。
系统工作时，首先送出位码片选信号输出端P2.6为“0”对应的地址“0BFFFH”，然后将第一位对应的位码数据“0FEH”通过MOVX指令送到该地址，此时写信号端口
为低电平。
则位码数据锁存芯片U3被选通，位码数据“0FEH”被锁存，然后用显示缓冲区的数据与段码表首地址相加，以得到的数据作为地址用查表指令MOVC查出与显示存储区数据相对应的段码。
然后将段码片选信号输出端P2.7为“0”时对应的地址“7FFFH”送出，再用MOVX指令将该段码数据送出。
则段码信号被锁存芯片U2锁存，此时第一位数码管被点亮，调用一段延时程序后送下一位显示。
依次显示完八位数后返回调用程序。
然后将显示程序在主程序中调用，这样显示存储区中的数据就被显示了出来。
图3.7动态显示电路图
3.5矩阵键盘电路设计
在本次设计中采用独立式按键电路，独立式按键是指直接用一根I/O口线构成的单个按键电路。
每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键的工作作态不会影响其它I/O口线的工作作态。
独立式按键接口电路配置灵活，软件结构简单，但是每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费比较大。
故在按键数量不多的情况下采用这种按键结构。
图3.8（a）为中断方式的独立式按键接口电路，图3.8（b）为查询方式接口电路。
通常按键输入都采用低电平有效。
上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。
在本次设计中采用查询方式接口电路，具体的电路如图3.9所示：
图3.9按键电路
在本次设计中采用的独立式按键，与p1.0口相连的是k0键，此键的作用是清除所设定的温度值；与p1.1口相连的是k1键，此键的作用是设定温度值，每按下一次温度值加1摄氏度；与p1.2口相连的是k2键，此键的作用也是设定温度值，每按下一次温度值减1摄氏度。
3.6执行元件电路设计
系统执行元件选用固态继电器（SSR），型号为1240，控制输入直流3－32V，控制输出交流240V，10A。
接口电路如图3.10:
图3.10固态继电器驱动电路
3.6.1固态继电器概述
固态继电器（SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。
SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。
3.6.2固态继电器组成
固态继电器有三部分组成:
输入电路，隔离（耦合）和输出电路。
按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。
有些输入控制电路还
具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。
固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。
固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。
交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双
向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。
3.6.3固态继电器优缺点
1.固态继电器的优点
（1）高寿命，高可靠:
SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。
（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:
固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。
（3）快速转换:
固态继电器因为采用固体其间，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。
（4）电磁干扰小:
固态继电器没有输入"线圈"，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。
大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。
2固态继电器缺点
（1）导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达1~2V，大功率晶体管的饱和压浆液灾1~2V之间，一般功率场效应管的导通电祖也较机械触点的接触电阻大。
（2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。
（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。
（4）电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。
（5）固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过在保护。
固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。
4系统软件设计
在完成系统硬件设计及求出数学模型之后，即可进行控制系统的软件设计。
该系统软件设计采用模块式结构。
主要分4部分：
第一部分为主程序；第二部分为键盘参数设定服务程序；第三部分是定时采样及处理程序；第四部分是数字控制器程序；第5部分显示服务程序。
4.1控制系统主程序
主程序主要进行初始化，分配内存单元及设置定时器参数，以便为系统正常工作创造条件。
该系统的采样周期为5ｓ,t1定时100ｍｓ，计数5次。
5s时间到即产生中断。
完成主程序的流程框图如图4.1所示。
包括主要三个环节（详见具体程序）：
一是实现各种初始化，二是实现显示，（按照人机对话功能显示设定值及采样值或者PID参数）；三是不断的进行键扫描，判断有键按下否？
如无键按下，则返回显示；如有键按下，则根据所按键实现相应的人机对话功能。
清除定时标志
图4.1主程序流程图
根据以上流程图写出初始化程序如下：
START:
MOVSP,#10H
MOVTMOD,#11H;T0,T1分别为16位定时器
SETBEA;开总中断
SETBET0;开t0中断
SETBET1;开t1中断
MOVTH1,#3CH;T1定时50MS初值
MOVTL1,#0B0H
MOV6AH,#20;T1定时5s＝50ms×100
MOV39H,#03H;温度设定值3字节bcd浮点数
MOV3AH,#40H
MOV3BH,#50H
MOV3CH,#01H;KP
MOV3DH,#45H
MOV3EH,#00H
MOV3FH,#01H;KI
MOV40H,#15H
MOV41H,#00H
MOV42H,#01H;KD
MOV43H,#85H
MOV44H,#00H
MOV45H,#00H;Ei
MOV46H,#00H
MOV47H,#00H
MOV48H,#00H;Ei-1
MOV49H,#00H
MOV4AH,#00H
MOV4BH,#00H;Ei-2
MOV4CH,#00H
MOV4DH,#00H
MOV66H,#00H;T0初值
MOV67H,#00H
MOV68H,#0FFH;T0初值求反
MOV69H,#0FFH
MOVTH0,66H
MOVTL0,67H
SETBTR1
SETBTR0
CLRP3.0
CLR48H
MAIN:
LCALLSTOD;主程序
LCALLDISP;显示设定及采样
LCALLKEY0
JZMAIN
LCALLDL10MS
LCALLKEY0
JZMAIN
LCALLKEY
MOVA,6FH
XRLA,#0AH
JZMAIN1
MOVA,6FH
XRLA,#0BH
JNZMAIN
PP:
ACALLKEY0
JNZPP
LCALLSHES
LJMPMAIN
MAIN1:
LCALLPTOD;显示PID参数
LCALLDISP
LCALLKEY0
JZMAIN1
LCALLDL10MS
LCALLKEY0
JZMAIN1
LCALLKEY
MOVA,6FH
XRLA,#0AH
JZMAIN
MOVA,6FH
XRLA,#0BH
JNZMAIN1
QQ:
LCALLKEY0
JNZQQ
LCALLSHEP
LJMPMAIN1
4.2定时采样中断服务程序
定时采样处理中断服务程序的编写完全采用模块化结构。
主要包括采样，数据处理、温度标度变换、控制算法及控制值输出均以调用子程序实现，以使程序脉络清晰。
中断服务框图如图4.2所示，采样程序的流程图如图4.3所示。
每2s执行一次。
由于A累加器及DPTR寄存器在主程序和中断服务程序中均反复用到，故在进入中断服务程序后，首先要保护现场，即将A、DPTR寄存器的内容保护到堆栈中。
用SETBPSW.3指令，更换工作寄存器组，即在子程序中使用工作寄存器组1，避免数据丢失，在中断服务程序结束要恢复现场，即恢复A、DPTR寄存器的内容。
中断返回
图4.2定时采样中断服务程序流程图
返回
图4.3采样程序的流程图
根据以上流程图编写的程序如下：
SST1:
MOVTH1,#3CH
MOVTL1,#0B0H
DJNZ6AH,ST1
MOV6
升级会员 