AVR單片機(jī)的全功能工業(yè)控制器設(shè)計(jì)

引言

　　在自動(dòng)控制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)方案的選擇常常是很矛盾的。使用可編程邏輯控制器（PLC）和人機(jī)界面（HMI）來實(shí)現(xiàn)，開發(fā)速度較快，但成本太高，所開發(fā)的產(chǎn)品沒有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；使用單片機(jī)開發(fā)，成本低但開發(fā)周期長(zhǎng)、開發(fā)量大且通用性不好。用戶需要的是一種成本低、開發(fā)周期較短、通用性較好的控制器，因此全功能工業(yè)控制器有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。

　　全功能工業(yè)控制器的整個(gè)電路分為信號(hào)隔離輸入部分、控制器輸出部分、實(shí)時(shí)時(shí)鐘與歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分、彩色液晶顯示和觸摸屏控制部分、通信接口等。

1　信號(hào)隔離輸入電路

　　信號(hào)隔離輸入電路分為開關(guān)量隔離輸入、模擬量隔離輸入、高速電脈沖隔離輸入，電路如圖1所示，開關(guān)量的隔離輸入較為簡(jiǎn)單，輸入信號(hào)采用光耦進(jìn)行隔離后送入單片的普通I/O，單片機(jī)用查詢方式進(jìn)行采集。

圖1　信號(hào)隔離輸入電路

　　高速電脈沖的采集需要注意的是，所設(shè)計(jì)的電路必須適應(yīng)高速信號(hào)采集的要求，因此隔離光耦應(yīng)采用高速光耦（如6N137等）。采用查詢方式采集高速脈沖容易造成采集數(shù)據(jù)的丟失，高速脈沖應(yīng)采用中斷方式進(jìn)行采集。

　　模擬量隔離采集是本控制器的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，筆者之前采用了線性光耦等多種方式進(jìn)行模擬量的隔離采集實(shí)驗(yàn)，均未獲滿意的效果。這里采用一種先將模擬量數(shù)字化（使用AD7705），然后通過有光耦隔離的數(shù)據(jù)口送到CPU進(jìn)行模擬量隔離采集的方式，效果理想。

2　控制器輸出電路

　　控制器的輸出方式有繼電器輸出、晶體管輸出、模擬電壓輸出，如圖2所示。繼電器輸出和晶體管輸出電路較為簡(jiǎn)單，這里不作詳細(xì)的介紹。下面著重介紹模擬電壓的產(chǎn)生原理。

圖2　控制器輸出電路

　　模擬電壓的輸出主要利用ATmega128的PWM端口來實(shí)現(xiàn)，PWM輸出脈沖經(jīng)光耦隔離后再進(jìn)行濾波產(chǎn)生所需的直流信號(hào)。為了提高驅(qū)動(dòng)能力，加了一級(jí)射極跟隨器，如圖2上半部所示。

　　PWM電壓調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的程序如下：

#define PWM1_IN(){DDRB.5=1;PORTB.5=0;}//PWM端口控制

#define PWM1_OUT() DDRB.5=1;

/**********************

PWM初始化程序：

使用TIMER1，預(yù)分頻為8，設(shè)置10位快速PWM模式，關(guān)閉中斷

**********************/

void pwm_init(void){

　　 TIMSK=0xC3; //關(guān)閉TIMER1中斷

ETIMSK=0xFE;

　　 TCCR1A=0; //關(guān)閉定時(shí)器

TCCR1B=0;

OCR1A=0x0000; //關(guān)閉輸出

OCR1B=0x0000;

TCCR1A=0xA3; //設(shè)置10位快速PWM

//模式，預(yù)分頻為8

　　 TCCR1B=0x0A;

　　 PWM1_IN()

}

/***************************

PWM通道控制程序： 功能——可以進(jìn)行單通道的開關(guān)和調(diào)整輸出

入口參數(shù)—— b為通道控制（1—改值，2—開端口，3—關(guān)端口）；