基于ATmgea8型單片機(jī)的加熱控制系統(tǒng)

　　l 引言

　　溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、食品等領(lǐng)域。文中介紹的溫度測量及加熱控制系統(tǒng)以ATmega8型AVR系列單片機(jī)為核心部件，通過對系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)的合理規(guī)劃，發(fā)揮單片機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)及控制算法

　　2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　溫度測量及加熱控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場溫度采集、實(shí)時(shí)溫度顯示、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱電路控制輸出、與上位機(jī)串行通信和系統(tǒng)核心ATmega8型單片機(jī)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(jī)。單片機(jī)通過自身集成的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)可用的數(shù)字量。單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度，按照已經(jīng)編程固化的增量式PID控制算法計(jì)算出實(shí)時(shí)控制量。以此控制量使能光電隔離驅(qū)動(dòng)電路，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使?fàn)t溫逐步穩(wěn)定于用戶設(shè)定的目標(biāo)值。系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)參量均由數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示，并通過RS232串口與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行全雙工通信。用戶直接在上位機(jī)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(diào)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

　　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(jī)每隔固定時(shí)間T將現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定目標(biāo)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(biāo)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(shí)測值與設(shè)定值的偏差迅速減小;反之，二者的偏差小則占空比減小，加熱電路加熱功率減小，直至目標(biāo)值與實(shí)測值相等，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 ATmega8單片機(jī)

　　ATmega8型單片機(jī)是ATMEL公司推出的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的高檔Flash型單片機(jī)。其核心將32個(gè)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(shù)邏輯單元)直接相連，實(shí)現(xiàn)了1個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行1條指令同時(shí)訪問(讀寫)二個(gè)獨(dú)立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時(shí)間僅為1個(gè)時(shí)鐘周期。因此，ATmega8具有接近l MI/s/MHz的性能，運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高10倍。

　　ATmega8型單片機(jī)內(nèi)集成了執(zhí)行速度為二個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器、8 KB的Flash程序存儲器、512字節(jié)的E2PROM、2個(gè)具有比較模式的8位定時(shí)器、1個(gè)具有比較和捕獲模式的16位定時(shí)器、3路最大精度為16位的PWM輸出、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，PI/TWI同步串口及USART異步串口。ATmega8片內(nèi)集成的眾多系統(tǒng)級功能單元為控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了很大便利。設(shè)計(jì)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Ptl00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(jīng)變送器放大及線性化處理，輸出4 mA~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)直流信號，對應(yīng)于現(xiàn)場溫度0℃~400℃，通過150 Ω高精度金屬膜電阻轉(zhuǎn)化為O.6 V～3 V直流電壓信號。此模擬電壓信號符合ATmega8自帶A/D轉(zhuǎn)換器輸入要求，連接至ATmega8的PC0即可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

　　ATmega8內(nèi)部集成有8通道10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)只選用單通道PCO作為A/D轉(zhuǎn)換的模擬電壓輸入。A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓使用系統(tǒng)自帶的Vcc?；谇笆?，輸入10位A/D轉(zhuǎn)換器的模擬電壓0.6V～3 V代表0℃～400℃，則現(xiàn)場溫度T可以表示為：

　　式中，A/D_Data是A/D轉(zhuǎn)換后得到的10位數(shù)字量，AD_Max是10位A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓對應(yīng)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(zhuǎn)換為數(shù)字量，可以直接用于單片機(jī)內(nèi)部加熱控制算法的運(yùn)算。實(shí)際編程時(shí)，為了降低采樣過程瞬態(tài)誤差的干擾，運(yùn)用了算術(shù)均值濾波的方法，即最終參與控制運(yùn)算的溫度值T通過10次采樣的溫度值求算術(shù)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(shí)際溫度、用戶設(shè)定的目標(biāo)爐溫等參量通過數(shù)碼管顯示電路實(shí)時(shí)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(jī)→串入并出芯片→數(shù)碼管”的動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)。單片機(jī)與74HCl64型串入并出電路使用同步串口SPI方式連接，單片機(jī)工作在主機(jī)模式，時(shí)鐘輸出端SCK接至74HCl64的CLK引腳，數(shù)據(jù)輸出端MOSI接至74HCl64的數(shù)據(jù)輸入引腳AB。

　　單片機(jī)將需要顯示的8位字段碼通過SPI傳至74HCl64，由74HCl64輸出8位并行邏輯電平驅(qū)動(dòng)示。通過使用同步串口SPI與74HCl64型串入并出芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的8位字段碼，比傳統(tǒng)并行驅(qū)動(dòng)方式節(jié)約6個(gè)單片機(jī)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(dòng)態(tài)顯示技術(shù)，編程時(shí)必須注意每次更新顯示數(shù)值應(yīng)先將待顯示字段送到74HCl64，再通過PC1——PC4使能數(shù)碼管中某一位點(diǎn)亮，否則就會(huì)發(fā)生錯(cuò)位顯示現(xiàn)象。

　　3.4 加熱驅(qū)動(dòng)電路

　　ATmega8的I/0口輸出負(fù)載能力最大為40mA，無法直接驅(qū)動(dòng)工業(yè)環(huán)境中使用的電爐、電機(jī)等大功率設(shè)備，必須通過中間驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對功率設(shè)備工作狀態(tài)的控制。實(shí)際應(yīng)用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅(qū)動(dòng)。由于繼電器或交流接觸器具有機(jī)械接觸特點(diǎn)，因而在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(jī)械接觸開關(guān)的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅(qū)動(dòng)電路?？煽毓枋谴蠊β书_關(guān)型半導(dǎo)體器件，能在高電壓、大電流條件下工作，具有無機(jī)械接觸、體積小、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備中。加熱驅(qū)動(dòng)電路示意圖如圖3所示。

　　ATmega8根據(jù)現(xiàn)場溫度和用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度及相關(guān)控制參數(shù)算出實(shí)時(shí)控制量。將此控制量寫入單片機(jī)定時(shí)器l的OClA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(hù)電阻器R4的雙向光電耦合器上電工作，雙向可控硅TRIACl柵極被經(jīng)由R1、R2和雙向光電耦合器的信號觸發(fā)導(dǎo)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TRIACl柵極無觸發(fā)信號被關(guān)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，可減小可控硅關(guān)斷時(shí)加熱電路中感性元件所產(chǎn)生的自感電動(dòng)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(shí)，雙向光電耦合器的使用徹底隔離了強(qiáng)弱電路，避免了大功率器件對單片機(jī)的干擾。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　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(shí)際測量中各個(gè)功能模塊的協(xié)調(diào)。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(shí)器溢出中斷子程序中完成上述工作。與上位機(jī)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?shí)時(shí)性要求。單片機(jī)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(jī)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(diào)用Win32API造成的編程繁瑣等弊端，以較少代碼量實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)要求的全雙工異步通信。用戶可通過上位機(jī)程序完成溫控參數(shù)設(shè)定、溫度數(shù)據(jù)保存和離線分析等操作。

　　5 結(jié)束語

　　筆者設(shè)計(jì)的溫度測量及加熱控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了ATmega8型單片機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，大大降低了硬件電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。該系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)制作完成，并在仿真深海高溫?zé)嵋涵h(huán)境的試驗(yàn)中取得了良好效果，具有控溫準(zhǔn)確、操控界面友好、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。