《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ATMEGA16的電熱鍋爐溫度控制器的開發(fā)研制
摘要: 本控制器主要針對過程控制實(shí)驗(yàn)室的控制裝置而設(shè)計的,對浙大中控的AE2000B過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中電熱鍋爐的溫度進(jìn)行控制、顯示,具有手動、自動功能,帶有漏電、超溫、超壓及缺水保護(hù)和報警系統(tǒng)。
Abstract:
Key words :

  引言

  電熱鍋爐是可將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能,具有熱效率高、體積小、無污染、噪聲小、運(yùn)行安全可靠、供熱穩(wěn)定、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn),是理想的節(jié)能環(huán)保型的供暖設(shè)備。

  本控制器主要針對過程控制實(shí)驗(yàn)室的控制裝置而設(shè)計的,對浙大中控的AE2000B過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中電熱鍋爐的溫度進(jìn)行控制、顯示,具有手動、自動功能,帶有漏電、超溫、超壓及缺水保護(hù)和報警系統(tǒng)。

  智能儀表的研制開發(fā)

  智能儀表是以單片機(jī)為核心的儀表,其設(shè)計要點(diǎn)大致有兩點(diǎn),即模塊化設(shè)計和模塊的連接。

  ● 模塊化設(shè)計

  依據(jù)儀表的功能、精度要求等,自上而下按儀表功能層次把硬件和軟件分成若干個模塊,分別進(jìn)行設(shè)計與調(diào)試,然后把它們連接起來,進(jìn)行總調(diào),這是設(shè)計儀表最基本的思想。

  硬件部分包括主機(jī)電路、過程輸入/輸出通道(模擬量輸入/輸出通道和開關(guān)量輸入/輸出通道)、人機(jī)聯(lián)系部件和接口電路以及串行數(shù)據(jù)通信接口等。軟件部分包括監(jiān)控程序(包括初始化、鍵盤和顯示管理、中斷管理、時鐘管理、自診斷等),中斷處理程序以及各種測量(數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、非線性校正等)和控制算法等功能模塊。模塊化設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是:無論是硬件還是軟件

 

,每個模塊都相對獨(dú)立,故能獨(dú)立地進(jìn)行研制和修改,使復(fù)雜的研制工作得到簡化,從而提高工作教益和研制速度。

 

  ● 模塊的連接

  上述各種軟、硬件研制、調(diào)試之后還需要將它們按一定的方式連接起來,才能構(gòu)成完整的儀表,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和輸出等各項(xiàng)功能。為實(shí)現(xiàn)既定的各種功能,軟件模塊的連接一般是通過監(jiān)控主程序調(diào)用各種功能模塊,或采用中斷的方法實(shí)時地執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)模塊來實(shí)現(xiàn)的。

  硬件模塊連接方法有兩種:一種是以主機(jī)模塊為核心,通過設(shè)計者自行定義的內(nèi)部總線(數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線)連接其他模塊;另一種是用標(biāo)準(zhǔn)總線連接其他模塊,這種方式可選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路,使配接靈活、方便。

智能控制器硬件系統(tǒng)原理圖

圖1  智能控制器硬件系統(tǒng)原理圖

  溫度控制器硬件的開發(fā)

  ● 單片機(jī)的選擇

  選用高性能、低功耗的8位ATMEGA16單片機(jī),它具有如下特點(diǎn):16KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力,即RWW);512B EEPROM;1KB SRAM;32個通用I/O口線;32個通用工作寄存器;3個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C);可編程串行接口;低功耗空閑和掉電方式等。ATMEGA16的主電路如圖2所示。

ATMEGA16電路圖

圖2  ATMEGA16電路圖

  ● 外部設(shè)備的選擇

  一臺智能儀表往往需要有多種外部設(shè)備。根據(jù)功能模塊劃分,外部設(shè)備通常指過程輸入/輸出通道、人機(jī)接口(鍵盤、顯示器、連接電路)等。

  (1)模擬量輸入通道

  A/D轉(zhuǎn)換器采用MEGA16芯片上的5~8路10位AD轉(zhuǎn)換。ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復(fù)用器連接,能對來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準(zhǔn)。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADC1、ADC0與ADC3、ADC2)有可編程增益級,在A/D轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大級。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負(fù)端(ADC1),而其他任何ADC輸入可作為正輸入端。ADC包括一個采樣保持電路,以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。

  (2)開關(guān)量輸出通道

  在測控系統(tǒng)中,被控設(shè)備的驅(qū)動常常采用模擬量輸出驅(qū)動和數(shù)字量(開關(guān)量)輸出驅(qū)動兩種方式。前者由于其輸出受模擬器件的信號漂移等影響,很難達(dá)到較高的控制精度。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是單片機(jī)進(jìn)入測控領(lǐng)域后,數(shù)字量輸出控制的應(yīng)用日益廣泛。精度控制上,開關(guān)量輸出控制比模擬輸出控制高。利用開關(guān)量輸出控制往往無須改動硬件,而只需改變程序就可用于不同的控制場合。

  本設(shè)計采用開關(guān)量輸出,并提供2種輸出方式由用戶選擇: 繼電器控制輸出(AC 220V/3A,DC 24V/5A)阻性負(fù)載;SCR(可控硅)輸出400V/0.5A。PWM輸出電路如圖3所示。

PWM電路輸出電路

圖3  PWM電路輸出電路

  (3)數(shù)碼顯示電路

  顯示屏驅(qū)動電路的主要作用是接受來自控制系統(tǒng)的數(shù)字信號,將發(fā)光二極管點(diǎn)亮,實(shí)現(xiàn)在LED顯示屏上的信息的顯示。在顯示電路中采用雙4位LED顯示,測量值和目標(biāo)值同時顯示,LED顯示屏使用的驅(qū)動電路是基于通用型集成電路移位寄存器74HC595和6B595來設(shè)計的,如圖4所示。

數(shù)碼顯示電路

圖4  數(shù)碼顯示電路

  (4)鍵盤輸入電路

  鍵盤輸入的功能主要包括設(shè)定溫度、在LED顯示中進(jìn)行顯示實(shí)際溫度和顯示工作時間這兩者循環(huán)顯示的時候進(jìn)行選擇。同時考慮避免誤操作而引起的設(shè)定溫度的改變,所以系統(tǒng)專門增加一個確定鍵。因此該系統(tǒng)具有4個按鍵:模式選擇、增加按鈕、減少按鈕及確定按鈕。電路如圖5所示。

 

鍵盤輸入電路

圖5  鍵盤輸入電路

  (5)通信接口電路

  通信傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485或RS232計算機(jī)數(shù)據(jù)串行通信方式,通過串口按一定的通信協(xié)議接收來自計算機(jī)串口RS232的信號,經(jīng)過處理后按一定的規(guī)律傳送到顯示屏上顯示。通信接口電路如圖6所示。

 通信接口電路

圖6  通信接口電路

  系統(tǒng)軟件研制

  系統(tǒng)軟件主要采用了PID控制實(shí)現(xiàn),全部軟件都是用C語言編寫的,軟件流程圖如圖7,由一些功能模塊組成。

主程序

圖7  主程序

  初始化模塊完成I/O的設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲器分配(包括A/D采樣的結(jié)果、輸入按鍵的鍵碼、程序標(biāo)志等) 、定時器、A/ D的設(shè)置并開中斷;循環(huán)掃描模塊檢測是否有鍵盤輸入、A/D轉(zhuǎn)換完成否、是否定時中斷等判別任務(wù)。若有則轉(zhuǎn)跳至相應(yīng)的子程序或中斷程序;中斷處理模塊依據(jù)狀態(tài)完成定時計數(shù)、A/D采樣、鍵盤掃描等任務(wù);顯示驅(qū)動模塊依據(jù)狀態(tài)完成溫度或系數(shù)的顯示;鍵盤處理模塊檢測鍵碼并進(jìn)入相應(yīng)處理程序;定

 

時中斷模塊完成定時計數(shù),定時間隔約為1s,為系數(shù)的設(shè)置提供數(shù)碼;溫度控制模塊依據(jù)測得的數(shù)據(jù)和預(yù)置數(shù)的差確定控制信號的輸出。

 

  在實(shí)驗(yàn)裝置中的應(yīng)用

  用ATMEGA16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的智能溫度控制器,主要有如下功能:

  (1)能對電熱鍋爐進(jìn)行升溫、恒溫的控制;

  (2)系統(tǒng)能方便地設(shè)定指定溫度和恒溫時間。系統(tǒng)工作時能循環(huán)顯示工作時間、實(shí)際鍋爐溫度,給定溫度,可隨時進(jìn)入或退出系統(tǒng);

  (3)系統(tǒng)應(yīng)具有溫度超限、防干燒報警功能,當(dāng)延遲1分鐘后,則自動斷電退出工作狀態(tài);

  (4)系統(tǒng)應(yīng)具有二位式控制和PID控制功能,系統(tǒng)應(yīng)具有與PC機(jī)的通信功能;

  (5)系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

  將研發(fā)的智能溫度控制器應(yīng)用于浙大中控的AE2000B型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中,具有穩(wěn)定性好、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),滿足實(shí)驗(yàn)所需的各項(xiàng)指標(biāo)的要求,達(dá)到了預(yù)期的效果。

  結(jié)束語

  通過實(shí)踐運(yùn)行表明,所設(shè)計的系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定、無擾動地完成手動、自動切換的功能,并且在系統(tǒng)出現(xiàn)超溫、超壓、缺水以及漏電等緊急情況時能報警并自動切斷系統(tǒng)。以PID算法為核心的控制器能很好地滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度要求,并且具有開發(fā)周期短、成本低、性能高、功能易擴(kuò)大的優(yōu)點(diǎn)。

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