基于ATmega16L單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要： 設(shè)計(jì)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(cè)和控制功能。
Abstract：
Key words :
摘要：設(shè)計(jì)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(cè)和控制功能。
1 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，檢測(cè)行業(yè)發(fā)展快速，除了檢測(cè)項(xiàng)目和內(nèi)容不斷擴(kuò)大，更重要的是檢測(cè)愈來(lái)愈科學(xué)化、職能化，主要表現(xiàn)在檢測(cè)過(guò)程及檢測(cè)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(lái)在檢測(cè)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(xiàn)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(pán)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(wú)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(jiǎn)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(cè)溫范圍為-55～+150℃。當(dāng)AD590的電流流過(guò)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(pán)電路系統(tǒng)采用非矩陣式鍵盤(pán)，該鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)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(jiǎn)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(kāi)發(fā)核心，采用C語(yǔ)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(mén)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(kāi)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(pán)處理程序通常采用查詢(xún)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(pán)掃描程序，查詢(xún)鍵盤(pán)，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(lái)自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。通過(guò)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(xiě)“1”可啟動(dòng)單次轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過(guò)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。
(4)增量式PID處理程序 該溫度控制系統(tǒng)具有滯后性、時(shí)變性和非線(xiàn)性，不可能建立該系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，因此如果使用常規(guī)的線(xiàn)性控制理論，要達(dá)到滿(mǎn)意的控制效果非常困難。采用 增量式數(shù)字PID控制器，可解決這個(gè)難題。
增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量，由于計(jì)算機(jī)輸出的是增量，所以誤動(dòng)作時(shí)對(duì)輸出的影響較小?？刂圃隽康拇_定僅與最近的k、k-1、k-2次的采樣有關(guān)，所以能夠較容易地通過(guò)加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。另外，對(duì)于數(shù)字控制系統(tǒng)，由于A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的限制，其輸出控制量受最小和最大值的限制，系統(tǒng)加入抗積分飽和法對(duì)其優(yōu)化。圖5為增量式PID控制算法程序流程。
以下是增量式PID控制的程序代碼：
(5)串行通信程序 系統(tǒng)與上位計(jì)算機(jī)之間采用RS-488的串行數(shù)據(jù)傳輸方式。單片機(jī)采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，而發(fā)送數(shù)據(jù)則采用查詢(xún)方式。
(6)顯示處理程序 LCD-TC1602A LCD接口設(shè)計(jì)采用4位控制方式，使用4位數(shù)據(jù)線(xiàn)D4～D7控制時(shí)序分兩次傳送，先傳送高4位數(shù)據(jù)，再傳送低4位數(shù)據(jù)。
(7)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)處理程序 ATMEGA16單片機(jī)內(nèi)部集成有512 B的EEPROM，它是作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)空間而存在的。ATmesa16單片機(jī)通過(guò)對(duì)相關(guān)寄存器的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)EEPROM按字節(jié)讀寫(xiě)。
(8)看門(mén)狗處理程序 ATMEGA16單片機(jī)內(nèi)部集成有硬件看門(mén)狗，看門(mén)狗由片內(nèi)獨(dú)立的振蕩器驅(qū)動(dòng)，設(shè)置看門(mén)狗的步驟為：先初始化并打開(kāi)看門(mén)狗，然后把喂狗指令放在循環(huán)程序中。
4 系統(tǒng)測(cè)試分析
各個(gè)模塊測(cè)試完成后，將下位機(jī)由測(cè)試端的硬件通過(guò)串口與PC機(jī)連接，構(gòu)成完整的溫度測(cè)試系統(tǒng)。在上位機(jī)中運(yùn)行Visual Basic編寫(xiě)的監(jiān)控程序，通過(guò)下位機(jī)的鍵盤(pán)設(shè)置加熱爐溫度為80℃．單擊“打開(kāi)通信端口”，選擇所要通信的端口后，單擊“開(kāi)始測(cè)溫”，這時(shí)下位機(jī)就會(huì)向上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)溫度值，并實(shí)時(shí)繪出溫度趨勢(shì)曲線(xiàn)。
當(dāng)單擊“結(jié)束”時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)停止工作。上位機(jī)顯示的溫度趨勢(shì)曲線(xiàn)如圖6所示，測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)對(duì)加熱爐溫度的采集和控制比較準(zhǔn)確。
5 結(jié)束語(yǔ)
充分利用AVR ATMEGA16單片機(jī)的內(nèi)部資源，系統(tǒng)集成 度高，系統(tǒng)利用增量式PID算法改變PWM的輸出值，然后控制可控硅的開(kāi)關(guān)，最終使被控對(duì)象的溫度值趨向于給定的溫度值。該系統(tǒng)操作容易、可靠性好，具有較高的實(shí)用價(jià)值。就其采樣頻率和分辨率來(lái)說(shuō)屬于中速類(lèi)型，適合于對(duì)數(shù)據(jù)采樣頻率要求不是特別高的應(yīng)用場(chǎng)合。
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