高精度长寿命大功率恒温器电气控制设计毕业论文.docx

高精度长寿命大功率恒温器电气控制设计毕业论文.docx

《高精度长寿命大功率恒温器电气控制设计毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高精度长寿命大功率恒温器电气控制设计毕业论文.docx（53页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高精度长寿命大功率恒温器电气控制设计毕业论文

高精度长寿命大功率恒温器电气控制设计毕业论文

第一章系统简介

1.1ATmega8单片机简介

1.1.1简单概述

ATmega8是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

具体的引脚图如图1-1所示。

图1-1ATmega8引脚图

1.1.2主要特性

●高性能、低功耗的8位AVR微处理器

●先进的RISC结构

130条指令–大多数指令执行时间为单个时钟周期

32个8位通用工作寄存器

全静态工作

工作于16MHz时性能高达16MIPS

只需两个时钟周期的硬件乘法器

●非易失性程序和数据存储器

8K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命:

10,000次

具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程真正的同时读写

512字节的EEPROM，擦写寿命:

100,000次

1K字节的片内SRAM

可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密

●外设特点

两个具有独立预分频器8位定时器/计数器,其中之一有比较功能

一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器

具有独立振荡器的实时计数器RTC

三通道PWM

TQFP与MLF封装的8路ADC，8路10位ADC

PDIP封装的6路ADC，8路10位ADC

面向字节的两线接口

两个可编程的串行USART

可工作于主机/从机模式的SPI串行接口

具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器

片内模拟比较器

●特殊的处理器特点

上电复位以及可编程的掉电检测

片内经过标定的RC振荡器

片内/片外中断源

5种睡眠模式:

空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式及Standby模式

●I/O和封装

23个可编程的I/O口

28引脚PDIP封装,32引脚TQFP封装,32引脚MLF封装

●工作电压

2.7-5.5V（ATmega8L）

4.5-5.5V（ATmega8）

●速度等级

0-8MHz（ATmega8L）

0-16MHz（ATmega8）

●4Mhz时功耗,3V,25°C

工作模式:

3.6mA

空闲模式:

1.0mA

掉电模式:

0.5μA

1.1.3管脚说明

VCC：

数字电路的电源。

GND：

地。

端口B（PB7..PB0）：

为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。

通过时钟选择熔丝位的设置，PB6可作为反向振荡放大器或时钟操作电路的输入端。

通过时钟选择熔丝位的设置PB7可作为反向振荡放大器的输出端。

若将片内标定RC振荡器作为芯片时钟源，且ASSR寄存器的AS2位设置，PB7..6作为异步T/C2的输入端。

端口C：

（PC5..PC0）端口C为7位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。

PC6/RESET：

若RSTDISBL熔丝位编程，PC6作为I/O引脚使用。

注意PC6的电气特性与端口C的其他引脚不同。

若RSTDISBL熔丝位未编程，PC6作为复位输入引脚。

持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。

端口D（PD7..PD0）：

为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。

RESET：

复位输入引脚。

持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。

AVCC：

是A/D转换器、端口C（3..0）及ADC（7..6）的电源。

不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。

使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。

AREF：

A/D的模拟基准输入引脚。

ADC7..6（TQFP与MLF封装）：

作为A/D转换器的模拟输入。

为模拟电源；作为10位ADC通道。

1.2检测元件的比较及选择

1.2.1热敏电阻

热敏体积小，价格便宜，易于通过接触测试固体温度。

但是对于测量液体温度表现吧佳。

再者，热敏电阻特性的非线性（或者说近似的分段线性）给单片机的多点恒温带来麻烦，要通过大量测试建立温度/电压（T/V）表格，才能实现。

1.2.2AD590

AD590具有精度高、价格低、不需辅助电源、线性好等特点。

在以往的试验中，用起来也颇为方便，但是AD590输出的是微安级的电流，接触水会显著地使输出非正常，测量便不准确。

用绝缘胶布包住导线，但是随着水温的升高，会不可避免的产生湿气且造成影响。

1.2.3DS18B20

DS18B20具有精度高，测量范围大，不需要辅助电源等特点，且通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。

并且用户可以自定义非易失性温度报警设置，所以DS18B20在温度控制，工业系统，消费品等许多热感测系统中有广泛应用。

综上所述，选择DS18B20作为温度传感器，DS18B20精度高，测量范围大，不需要辅助电源，单线接口发送或接收信息等诸多特点，使其在工业应用中具有很大的优势。

1.3控制元件的比较及选择

1.3.1固态继电器

固态继电器有三部分组成:

输入电路，隔离（耦合）和输出电路。

安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。

●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。

●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。

1.3.2交流接触器

交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。

它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。

主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。

交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。

交流接触器主要有四部分组成:

（1）电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；

（2）触头系统,包括三副主触头和两个常开、两个常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；（3）灭弧装置,一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,以便迅速切断电弧,免于烧坏主触头；（4）绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。

交流接触器的工作原理：

当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。

当线圈断电时,吸力消失,动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。

1.3.2晶闸管触发电路

晶闸管有三个极，分别为阳极、阴极和控制极。

为了说明晶体闸管的工作原理，我们把晶闸管看成由PNP（T1）和NPN（T2）两个三极管组合而成，用图1-2表示电路模型来表示。

当阳-阴极之间加正向电压Vak（Ea）时，同时控制极-阴极间加正向电压Vgk（Eg）时，就产生控制极电流Ig（Ib2），经T2放大后，形成集电极电流Ic2=β2Ib2，这个电流又是T1的基极电流Ib1，即Ib1=Ic2，同样经T1放大，产生集电极电流Ic1=β1β2Ib2，此电流又作为T2的基极电流再行放大，如此循环往复，形成正反馈过程，从而使晶闸管完全导通。

这个导通过程是在极短的时间内完成的，一般不超过几微秒，称为触发导通过程。

导通后即使去掉Eg，晶闸管依靠自身的正反馈作用仍然可以维持导通，并成为不可控。

因此Eg只起触发导通的作用，一经触发后，不管Eg存在与否，晶闸管仍将导通。

图1-2晶闸管的电路模型

晶体闸管导通时，其正向压降（阳-阴极间）一般约为0.6～1.2V，但应注意的是，如果因外电路负载电阻增加而使晶闸管的阳极电流Ia降低到小于某一数值Ih时，就不能维持正反馈过程，晶闸管就不能导通，而呈阻断状态因此称Ih为晶闸管的最小维持电流，它表示维持晶闸管导通的最小阳极电。

如果阳极电流Ia小于Ih，则晶闸管呈现正向阻断状态。

如果已导通的晶闸管的外加电压降到零（或切断电源），则阳极电流Ia降到零，晶闸管自行阻断。

如果晶闸管加上反向电压，则此时PN结承受反向电压，无论控制极是否加上触发电压，晶闸管均不导通，呈反向阻断状态。

综上分析可知，晶闸管的导通条件为：

除了在阳-阴极间加上一定大小的电压外，还要在控制极-阴极间加正向触发电压，只要电路满足这两个条件，晶闸管才能导通，否则就处于阻断状态。

同时还要注意到，一旦管子触发导通后，控制极即失去控制作用，这时要使电路阻断，必须使阳极电压降到足够小，使阳极电流降到Ih以下。

双向可控硅的优点是控制电路简单，没有反向耐压问题。

综上所述，在系统初始的升温过程中，加热功率很大（24KW），故采用交流接触器来完成，而在后来的温度调节过程中需要来回通断微调，对接触触点的寿命影响很大，并且由于此时加热功率小，故采用更加精准的晶闸管触发电路来完成控制。

1.4系统的组成

系统由计算机、接口电路、外部设备等组成，如图1-3所示。

控制对象的被测参数经传感器、变换器，转换成统一的标准信号，再经多路开关送到送入计算机。

。

除此之外，有些被测参数为数字量、开关量或脉冲量，它们可过接口直接加至计算机。

计算机对数据进行处理和计算，然后经模拟量或开关量输出通道输出，对被测参数进行控制。

图1-3系统的基本组成框图

1.5温度控制的工艺要求

在