基于ATMEGA16的電熱鍋爐溫度控制器的設計

引言

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

　　本控制器主要針對過程控制實驗室的控制裝置而設計的，對浙大中控的AE2000B過程控制實驗裝置中電熱鍋爐的溫度進行控制、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為核心的儀表，其設計要點大致有兩點，即模塊化設計和模塊的連接。

● 模塊化設計

　　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，分別進行設計與調試，然后把它們連接起來，進行總調，這是設計儀表最基本的思想。

　　硬件部分包括主機電路、過程輸入/輸出通道(模擬量輸入/輸出通道和開關量輸入/輸出通道)、人機聯(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、標度變換、非線性校正等)和控制算法等功能模塊。模塊化設計的優(yōu)點是：無論是硬件還是軟件，每個模塊都相對獨立，故能獨立地進行研制和修改，使復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、調試之后還需要將它們按一定的方式連接起來，才能構成完整的儀表,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和輸出等各項功能。為實現(xiàn)既定的各種功能，軟件模塊的連接一般是通過監(jiān)控主程序調用各種功能模塊，或采用中斷的方法實時地執(zhí)行相應的服務模塊來實現(xiàn)的。

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

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)

● 單片機的選擇

    選用高性能、低功耗的8位ATMEGA16單片機，它具有如下特點：16KB的系統(tǒng)內可編程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。{{分頁}}

圖2  ATMEGA16電路圖

● 外部設備的選擇

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

(1)模擬量輸入通道

　　A／D轉換器采用MEGA16芯片上的5～8路10位AD轉換。ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準。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，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。

(2)開關量輸出通道

　　在測控系統(tǒng)中，被控設備的驅動常常采用模擬量輸出驅動和數(shù)字量(開關量)輸出驅動兩種方式。前者由于其輸出受模擬器件的信號漂移等影響，很難達到較高的控制精度。隨著電子技術的迅速發(fā)展，特別是單片機進入測控領域后，數(shù)字量輸出控制的應用日益廣泛。精度控制上，開關量輸出控制比模擬輸出控制高。利用開關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。

　　本設計采用開關量輸出，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)阻性負載；SCR(可控硅)輸出400V／0.5A。PWM輸出電路如圖3所示。{{分頁}}

圖3  PWM電路輸出電路

(3)數(shù)碼顯示電路

　　顯示屏驅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)光二極管點亮，實現(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，測量值和目標值同時顯示，LED顯示屏使用的驅動電路是基于通用型集成電路移位寄存器74HC595和6B595來設計的，如圖4所示。

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定溫度、在LED顯示中進行顯示實際溫度和顯示工作時間這兩者循環(huán)顯示的時候進行選擇。同時考慮避免誤操作而引起的設定溫度的改變，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。{{分頁}}

圖5  鍵盤輸入電路

（5)通信接口電路

　　通信傳輸采用標準的RS485或RS232計算機數(shù)據(jù)串行通信方式，通過串口按一定的通信協(xié)議接收來自計算機串口RS232的信號，經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。

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。{{分頁}}

圖7  主程序

    初始化模塊完成I/O的設置、數(shù)據(jù)存儲器分配(包括A/D采樣的結果、輸入按鍵的鍵碼、程序標志等) 、定時器、A/ D的設置并開中斷；循環(huán)掃描模塊檢測是否有鍵盤輸入、A/D轉換完成否、是否定時中斷等判別任務。若有則轉跳至相應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；顯示驅動模塊依據(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入相應處理程序；定時中斷模塊完成定時計數(shù)，定時間隔約為1s，為系數(shù)的設置提供數(shù)碼；溫度控制模塊依據(jù)測得的數(shù)據(jù)和預置數(shù)的差確定控制信號的輸出。

在實驗裝置中的應用

    用ATMEGA16單片機實現(xiàn)的智能溫度控制器，主要有如下功能：

    (1)能對電熱鍋爐進行升溫、恒溫的控制；

    (2)系統(tǒng)能方便地設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、實際鍋爐溫度，給定溫度，可隨時進入或退出系統(tǒng)；

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

    (4)系統(tǒng)應具有二位式控制和PID控制功能，系統(tǒng)應具有與PC機的通信功能；

    (5)系統(tǒng)應具有較強的抗干擾能力。

　　將研發(fā)的智能溫度控制器應用于浙大中控的AE2000B型過程控制實驗裝置中，具有穩(wěn)定性好、精度高、抗干擾能力強等特點，滿足實驗所需的各項指標的要求，達到了預期的效果。

結束語

　　通過實踐運行表明，所設計的系統(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、功能易擴大的優(yōu)點。