基于ATmgea8型單片機的加熱控制系統(tǒng)

溫度是工業(yè)生產中主要的被控參數(shù)之一，與之相關的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于冶金、化工、機械、食品等領域。文中介紹的文化測量及加熱控制系統(tǒng)以 atmega8型avr系列單片機為核心部件，通過對系統(tǒng)軟件和硬件設計的合理規(guī)劃，發(fā)揮單片機自身集成眾多系統(tǒng)級功能單元的優(yōu)勢，在不減少功能的前提下有效降低了硬件成本，系統(tǒng)操控簡便。實驗證明該溫控系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)結構及控制算法

2.1系統(tǒng)總體結構

溫度測量及加熱系統(tǒng)控制的總體結構如圖1所示。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場溫度采集、實時溫度顯示、加熱控制參數(shù)設置、加熱電路控制輸出、與上位機串行通信和系統(tǒng)核心atmega8型單片機等。

溫度采集電路以模擬電壓形式將現(xiàn)場溫度傳至單片機。單片機通過自身集成的 a/d轉換器將模擬電壓轉化為控制系統(tǒng)可用的數(shù)字量。單片機結合現(xiàn)場溫度與用戶設定的目標溫度，按照已經編程固化的增量式pid控制算法計算出實時控制量。以此控制量使能光電隔離驅動電路，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使爐溫逐步穩(wěn)定于用戶設定的目標值。系統(tǒng)運行過程中的各種狀態(tài)參量均由數(shù)碼管實時顯示，并通過rs232串口與上位計算機進行全雙工通信。用戶直接在上位機完成溫度測量和加熱控制的全部操作。

2.2系統(tǒng)控制算法

系統(tǒng)采用基于增量式 pid算法的脈寬調制（pwm）控制方法，即pwm方波的占空比由增量式pid算法求得。增量式pid算法的輸出量為

δ un=kp[(en-en-1)+(t/ti)en+(td/t)(en-2 en-1+en-2)] (1)

式中， en、en-1、en-2分別為第n次、n-1次和n-2次的偏差值，kp、ti、td分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，t為采樣周期。

單片機每隔固定時間 t將現(xiàn)場溫度與用戶設定目標溫度的差值帶入增量式pid算法公式，由公式輸出量決定pwm方波的占空比，后續(xù)加熱電路根據(jù)此pwm方波的占空比決定加熱功率?，F(xiàn)場溫度與目標溫度的偏差大則占空比大，加熱電路的加熱功率大，使溫度的實測值與設定值的偏差迅速減少；反之，二者的偏差小則占空比減小，加熱電路加熱功率減少，直至目標值與實測值相等，達到自動控制的目的。

3 硬件設計

3.1 atmega8單片機[1]

atmega8型單片機是atmel公司推出的基于avr risc結構的高檔flash型單片機。其核心將32個工作寄存器和指令集連接在一起，所有工作寄存器都與alu（算術邏輯單元）直接相連，實現(xiàn)了1個時鐘周期執(zhí)行1條指令同時訪問（讀寫）二個獨立寄存器的操作。這種結構提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此，atmega8具有接近1 mi /s/mhz的性能，運行速度比普通cisc單片機高10倍。

atmega8型單片機內集成了執(zhí)行速度為二個時鐘周期的硬件乘法器、8kb的flash程序存儲器、512字節(jié)的e2prom、2個具有比較模式的8位定時器、1個具有比較和捕獲模式的16位定時器、3路最大精度為16位的pwm輸出、8通道10位a/d轉換器，spi/twi同步串口及usart異步串口。atmega8片內集成的眾多系統(tǒng)級功能單元為控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了很大的便利。設計的過程中，盡量通過軟件編程簡化硬件電路，有效縮短了開發(fā)周期。

3.2 現(xiàn)場溫度采集

現(xiàn)場溫度由溫度傳感器獲得。在本系統(tǒng)中，溫度傳感器選用 pt100鉑電阻器，利用鉑金屬自身阻值隨溫度變化的特性測溫。鉑電阻經變送器放大及線性化處理，輸出4ma—20ma的標準直流信號，對應用于現(xiàn)場溫度0℃— 400℃ ，通過 150ω高精度金屬膜電阻轉化為0.6v—3v直流電壓信號。此模擬電壓信號符合atmega8自帶a/d轉換器輸入要求，連接至atmega8的pc0即可進行a/d轉換。

atmega8內部集成有8通道10位高速a/d轉換器。本系統(tǒng)只選用通道pc0作為a/d轉換的模擬電壓輸入。a/d轉換的參考電壓使用系統(tǒng)自帶的vcc。基于前述，輸入10位a/d轉換器的模擬電壓0.6v—3v代表 0℃ — 400℃ ，則現(xiàn)場溫度 t可以表示為：

t＝400[（3.0－vcc）（ad_data/ad_max）]/（3.0－0.6）] （2）

式中,a/d_data是a/d轉換后得到的10位數(shù)字量，ad_max是10位a/d轉換器參考電壓對應的數(shù)字量，此處為0x03ff。溫度測量絕對誤差為400/210℃，相對誤差小于0.1％，符合系統(tǒng)精度要求。

至此，溫度值由非電模擬量轉換為數(shù)字量，可以直接用于單片機內部加熱控制算法的運算。實際編程時，為了降低采樣過程瞬態(tài)誤差的干擾，運用了算術均值濾波的方法，即最終參與控制運算的溫度值 t通過10次采樣的溫度值求算術平均取得。

3.3 數(shù)碼管顯示電路

加熱過程中，被控對象的實際溫度，用戶設定的目標爐溫等參量通過數(shù)碼管顯示電路實時顯示。數(shù)碼管顯示電路的原理如圖2所示。

此顯示電路采用“單片機→串入并出芯片→數(shù)碼管”的動態(tài)顯示技術。單片機與 74hc164型串入并出電路使用同步串口spi方式連接，單片機工作在主機模式，時鐘輸出端sck接至74hc164的clk引腳，數(shù)據(jù)輸出端mosi接至74hc164的數(shù)據(jù)輸入引腳ab。

單片機將需要顯示的 8位字段碼通過spi傳至74hc164，由74hc164輸出8位并行邏輯電平驅動數(shù)碼管顯示。單片機依次使能4位共陽極數(shù)碼管的位選擇端，按順序點亮4位數(shù)碼管的各位。由于人眼觀察時特有的“視覺暫存”效應，當亮滅頻率達到一定程度時無法覺察數(shù)碼管明暗的變化，認為4位數(shù)碼管各位始終點亮，即實現(xiàn)了4位數(shù)碼管的動態(tài)顯示。通過使用同步串口spi與74hc164型串入并出芯片驅動數(shù)碼管的8位字段碼，比傳統(tǒng)并行驅動方式節(jié)約6個單片機i/o口，并且利用atmega8自帶的硬件spi單元，無需軟件模擬spi通信。

由于采用動態(tài)顯示技術，編程時必須注意每次更新顯示數(shù)值應先將待顯示字段送到 74hc164，再通過pc1—pc4使能數(shù)碼管中某一位點亮，否則就會發(fā)生錯位顯示現(xiàn)象。

3.4 加熱驅動電路

atmega8的i/o口輸出負載能力最大為40ma，無法直接驅動工業(yè)環(huán)境中使用的電爐、電機等大功率設備，必須通過中間驅動電路實現(xiàn)單片機對功率設備工作狀態(tài)的控制。實際應用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅動。由于繼電器或交流接觸器具有機械接觸特點，因而很大程度上降低了控制系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。

為了避免機械接觸開關的缺點，本系統(tǒng)選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅動電路?？煽毓枋谴蠊β书_關型半導體器件。能在高電壓、大電流條件下工作，具有無器械接觸、體積小、便于安裝等優(yōu)點，廣泛應用于電力電子設備中。加熱驅動電路示意圖如圖3所示。

atmega8根據(jù)現(xiàn)場溫度的和用戶設定的目標溫度計相關的控制參數(shù)算出實時控制量。將此控制量寫入單片機定時器1的oc 1a 寄存器，以決定輸出 pwm波的占空比。在pwm波的高電平期間，通過限流保護電阻器r4的雙向光電耦合器上電工作，雙向可控硅triac1柵極被經由r1、r2和雙向光電耦合器的信號觸發(fā)導通，加熱電路得電工作；pwm波低電平期間，雙向光電耦合器截止，雙向可控硅triac1柵極無觸發(fā)信號被關斷，加熱電路斷電停止工作。

電路中的 r3、c2組成阻容吸收單元，可減少可控硅關斷時加熱電路中感性元件產生的自感電動勢對可控硅的過壓沖擊。r1、c1組成低通濾波單元，能降低雙向光電耦合器誤觸發(fā)對后續(xù)電路的影響。同時、雙向光電耦合器的使用徹底隔離了強弱電路，避免了大功率器件對單片機的干擾。

4 軟件設計

系統(tǒng)程序由主程序、溫度采集子程序、加熱控制子程序、鍵盤掃描子程序、串行通信子程序和中斷子程序等部分組成。主程序主要完成加熱控制系統(tǒng)各部件的初始化和自檢，以及實際測量中各個功能模塊的協(xié)調。鍵盤掃描和控制算法等子程序利用 atmega8豐富的中斷資源，在外部中斷和定時器溢出中斷子程序中完成上述工作。與上位機的串行通信采用atmega8自帶的uart硬件傳輸中斷，以滿足數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)漠惒叫院蛯崟r性要求。單片機溫度采集子程序和加熱控制子程序流程如圖4所示。

上位機監(jiān)控程序基于 visual c++6.0環(huán)境開發(fā)。使用微軟公司提供的mscomm控件有效避免了直接調用win32api造成的編程煩瑣等弊端，以較少代碼量實現(xiàn)本系統(tǒng)要求的全雙工步通信。用戶可通過上位機程序完成溫控參數(shù)設定、溫度數(shù)據(jù)保存和離線分析等操作。

5 結束語

筆者設計的溫度測量及加熱控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了 atmega8型單片機的特點，結合現(xiàn)有技術，大大降低了硬件電路的設計復雜度。該系統(tǒng)已經設計制作完成，并在仿真深海高溫熱液環(huán)境試驗中取得了良好的效果，具有溫控準確、操控界面友好、穩(wěn)定性高，抗干擾能力強等優(yōu)點。