利用ATmega16L設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)

概述：一種基于ATmega16L單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，闡述該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。采用模塊化設(shè)計(jì)方法，利用增量式PID算法使被控對(duì)象的溫度值趨于給定值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的檢測和控制功能。

　　1 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，檢測行業(yè)發(fā)展快速，除了檢測項(xiàng)目和內(nèi)容不斷擴(kuò)大，更重要的是檢測愈來愈科學(xué)化、職能化，主要表現(xiàn)在檢測過程及檢測結(jié)果由計(jì)算機(jī)監(jiān)控和顯示。多點(diǎn)溫度的采集控制近年來在檢測行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，其中以微機(jī)為核心的監(jiān)控技術(shù)價(jià)格低廉，使用方便，應(yīng)用也最普遍。

　　本文主要介紹基于ATmega16L單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體包括爐溫的采集和控制、LCD顯示以及PC機(jī)繪制溫度變化的曲線圖等。硬件和軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的思想，系統(tǒng)集成度較高。

　　2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　圖1為系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)由主控制器、溫度傳感器、運(yùn)算放大電路、液晶顯示電路、鍵盤電路、串口通信電路等構(gòu)成。由結(jié)構(gòu)圖1可看出，系統(tǒng)模塊較多，所以應(yīng)合理分配I／O 口資源，各模塊以ATmega16L單片機(jī)為核心相連接。

　　2．1 主控制器

　　系統(tǒng)主控制器采用ATmega16L，該單片機(jī)是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有大容量的ROM、RAM、FLASH和EEPROM，集成4通道PWM，SPI串行外設(shè)接口，同時(shí)具有8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，外部無需單獨(dú)的A／D轉(zhuǎn)換器，從而可節(jié)省成本。另外，該單片機(jī)提供JTAG調(diào)試接口，可采用自制的簡易JTAG仿真器進(jìn)行程序調(diào)試。

　　2．2 溫度采集電路

　　圖2為溫度采集電路。該電路主要由溫度傳感器AD590和差分運(yùn)算放大器AD524組成，其中溫度傳感器AD590是一種新型的兩端式恒流器件。激勵(lì)電壓范圍是4～30 V，測溫范圍為-55～+150℃。當(dāng)AD590的電流流過一個(gè)5 kΩ的電阻時(shí)，溫度升高1 K，該電阻上的電壓增加5 mV，即轉(zhuǎn)換成5 mV／K。因此，溫度在0～100℃間變化時(shí)，電阻電壓在1．365～1．865 V間變化。運(yùn)算放大器AD524用于把絕對(duì)溫度轉(zhuǎn)換成攝氏溫度。

　　2．3 溫度控制電路

　　該電路主要由光電耦合器和可控硅組成，如圖3所示。單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)(PWM)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后控制光電耦合器的工作狀態(tài)。當(dāng)光電耦合器工作后，使雙向可控硅的觸發(fā)極處于高電平，可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而控制加熱棒的工作。

　　2．4 其他電路

　　(1)顯示電路系統(tǒng)的模塊較多，I／0接口緊張，顯示器選用液晶顯示器TCl602A，接口采用高4位數(shù)據(jù)傳輸方式。

　　(2)鍵盤電路系統(tǒng)采用非矩陣式鍵盤，該鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不會(huì)占用較多I／O，適用于按鍵個(gè)數(shù)較少的場合。

　　(3)串口電平轉(zhuǎn)換 電路電平轉(zhuǎn)換由MAX488器件完成，MAX488為RS-488收發(fā)器，速度高于MAX232，簡單易用，單+5 V供電，外接少量器件即可完成從TTL電平到RS-488電平的轉(zhuǎn)換。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用分層控制方式保證溫度控制系統(tǒng)穩(wěn)定。下位機(jī)采用ATmega16L單片機(jī)作為硬件開發(fā)核心，采用C語言編程。上位機(jī)采用工控機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)，采用Visual Basic6．0編程，兩層之間采用RS-488通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。在單片機(jī)部分，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，整個(gè)軟件可分為主程序、按鍵處理程序、A／D轉(zhuǎn)換程序、增量式PID處理程序、串行通信程序和顯示處理程序、數(shù)據(jù)保存處理程序、看門狗處理程序。

　　(1)主程序 系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)各部件初始化操作，此外，在系統(tǒng)開始運(yùn)行后等待按鍵處理。圖4為其流程。

　　(2)按鍵處理程序 鍵盤處理程序通常采用查詢方法實(shí)現(xiàn)按鍵的識(shí)別，CPU只要一有空閑就調(diào)用鍵盤掃描程序，查詢鍵盤，識(shí)別鍵值，并予以處理。

　　(3)A／D轉(zhuǎn)換程序 ATmega16有一個(gè)10位包括采樣保持電路的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器與一個(gè)8通道模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。通過設(shè)置ADCSRA寄存器的ADEN即可啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器，只有當(dāng)ADEN置位時(shí)，參考電壓及輸入通道選擇才生效。向A／D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換位ADSC位寫“1”可啟動(dòng)單次轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中此位保持為高電平，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束觸發(fā)中斷。然后被硬件清零。