基于ATmega16的遠(yuǎn)程溫差循環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)使用AVR單片機(jī)，運(yùn)用RS 485技術(shù)以及NTC熱敏傳感器技術(shù)，研制開發(fā)了該遠(yuǎn)程溫差循環(huán)控制器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

遠(yuǎn)程溫差循環(huán)控制器主要用于測(cè)量、顯示分體承壓太陽能熱水器的水箱水溫、集熱器溫度、管道溫度及控制溫差循環(huán)、輔助電加熱、管道防凍和參數(shù)設(shè)置等。控制器主要由主機(jī)、從機(jī)、水溫傳感器、防凍傳感器等部分組成。主機(jī)核心為ATmega16單片機(jī)，通過RS 485與從機(jī)通信，顯示從機(jī)采集的溫度數(shù)據(jù)，并完成基本功能設(shè)置，把設(shè)置數(shù)據(jù)傳送給從機(jī)；從機(jī)也是以ATmega16單片機(jī)為主控器，完成數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程溫差循環(huán)控制器以ATmega16為核心，該單片機(jī)帶有串行接口，可以接485轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)RS 485通信；內(nèi)置8位A／D模塊，可直接實(shí)現(xiàn)8通道模擬信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換輸入；帶有512 B的E2PROM，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電保護(hù)。

2.1 主機(jī)電路

主機(jī)的主要功能是接收從機(jī)采集4路溫度數(shù)據(jù)，并顯示在128×64的液晶上；主機(jī)的另外一個(gè)功能是完成基本的設(shè)置，然后把設(shè)置參數(shù)發(fā)送給從機(jī)。主機(jī)主要由RS 485通信、鍵盤輸入、LCD顯示等幾個(gè)模塊組成。

2.1.1 RS 485通信

由于RS 485總線通信模式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，因而已廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報(bào)警等領(lǐng)域。

在該設(shè)計(jì)中使用接口芯片MAX485，如圖2所示。該芯片是Maxim公司的一種RS 485芯片，采用單一+5 V電源工作，額定電流為300μA，采用半雙工通信方式。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可。RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE端口為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE端口為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的管腳PD2控制這兩個(gè)引腳即可。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。

2.1.2 RS 485通信的抗干擾問題

RS 485總線存在自適應(yīng)、自保護(hù)功能脆弱等缺點(diǎn)，如不注意一些細(xì)節(jié)的處理，常出現(xiàn)通信失敗，甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高RS 485總線的運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。

在該設(shè)計(jì)中，首先采用光電隔離。圖2中，四位一體的光電耦合器TLP521_1使單片機(jī)與MAX485之間實(shí)現(xiàn)了完全的電隔離，消除了相互干擾，提高了工作的可靠性。如圖2所示，單片機(jī)接收端RXD接TLP521_1的第13引腳；MAX485的RO接TLP521_1的第3引腳。這樣，當(dāng)RO有信號(hào)輸入時(shí)，TLP521_1的第3引腳，通過光電耦合管使第13引腳有相應(yīng)的電信號(hào)，從而降低了相互干擾。TXD，PD2的結(jié)構(gòu)和RXD相同。其次，在RS 485的輸出端即A，B兩端加入信號(hào)限幅二極管D1～D4，其穩(wěn)壓值應(yīng)保證符合RS 485標(biāo)準(zhǔn)，D1和D3取12 V，D2和D4取7 V，以保證將信號(hào)幅度限定在-7～+12 V之間，進(jìn)一步提高抗過壓的能力?？紤]到線路的特殊情況(如某一節(jié)點(diǎn)的RS 485芯片被擊穿短路)，為防止總線中其他分機(jī)的通信受到影響，在MAX485的信號(hào)輸出端串聯(lián)了兩個(gè)3.3 kΩ的電阻R8和R10，這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120 Ω左右，所以在線路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS 485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)各接120 Ω的匹配電阻(如圖2所示中的R9)，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。通過上述幾點(diǎn)，可以有效地降低RS 485通信中的干擾。