基于A(yíng)Tmgea8型單片機的加熱控制系統

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

2 系統結構及控制算法

2.1系統總體結構

溫度測量及加熱系統控制的總體結構如圖1所示。系統主要包括現場(chǎng)溫度采集、實(shí)時(shí)溫度顯示、加熱控制參數設置、加熱電路控制輸出、與上位機串行通信和系統核心atmega8型單片機等。

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

2.2系統控制算法

系統采用基于增量式 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、積分系數和微分系數，t為采樣周期。

單片機每隔固定時(shí)間 t將現場(chǎng)溫度與用戶(hù)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，后續加熱電路根據此pwm方波的占空比決定加熱功率?，F場(chǎng)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(shí)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(shí)測值相等，達到自動(dòng)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(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)現了1個(gè)時(shí)鐘周期執行1條指令同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)（讀寫(xiě)）二個(gè)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行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)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行速度為二個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器、8kb的flash程序存儲器、512字節的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轉換器，spi/twi同步串口及usart異步串口。atmega8片內集成的眾多系統級功能單元為控制系統的開(kāi)發(fā)提供了很大的便利。設計的過(guò)程中，盡量通過(guò)軟件編程簡(jiǎn)化硬件電路，有效縮短了開(kāi)發(fā)周期。

3.2 現場(chǎng)溫度采集

現場(chǎng)溫度由溫度傳感器獲得。在本系統中，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(jīng)變送器放大及線(xiàn)性化處理，輸出4ma—20ma的標準直流信號，對應用于現場(chǎng)溫度0℃— 400℃ ，通過(guò) 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(jìn)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自帶的vcc?；谇笆?，輸入10位a/d轉換器的模擬電壓0.6v—3v代表 0℃ — 400℃ ，則現場(chǎng)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位數字量，ad_max是10位a/d轉換器參考電壓對應的數字量，此處為0x03ff。溫度測量絕對誤差為400/210℃，相對誤差小于0.1％，符合系統精度要求。

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

3.3 數碼管顯示電路

加熱過(guò)程中，被控對象的實(shí)際溫度，用戶(hù)設定的目標爐溫等參量通過(guò)數碼管顯示電路實(shí)時(shí)顯示。數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→數碼管”的動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)。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(shí)鐘輸出端sck接至74hc164的clk引腳，數據輸出端mosi接至74hc164的數據輸入引腳ab。

單片機將需要顯示的 8位字段碼通過(guò)spi傳至74hc164，由74hc164輸出8位并行邏輯電平驅動(dòng)數碼管顯示。單片機依次使能4位共陽(yáng)極數碼管的位選擇端，按順序點(diǎn)亮4位數碼管的各位。由于人眼觀(guān)察時(shí)特有的“視覺(jué)暫存”效應，當亮滅頻率達到一定程度時(shí)無(wú)法覺(jué)察數碼管明暗的變化，認為4位數碼管各位始終點(diǎn)亮，即實(shí)現了4位數碼管的動(dòng)態(tài)顯示。通過(guò)使用同步串口spi與74hc164型串入并出芯片驅動(dòng)數碼管的8位字段碼，比傳統并行驅動(dòng)方式節約6個(gè)單片機i/o口，并且利用atmega8自帶的硬件spi單元，無(wú)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值應先將待顯示字段送到 74hc164，再通過(guò)pc1—pc4使能數碼管中某一位點(diǎn)亮，否則就會(huì )發(fā)生錯位顯示現象。

3.4 加熱驅動(dòng)電路

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

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

atmega8根據現場(chǎng)溫度的和用戶(hù)設定的目標溫度計相關(guān)的控制參數算出實(shí)時(shí)控制量。將此控制量寫(xiě)入單片機定時(shí)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(guò)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(jīng)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(wú)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，可減少可控硅關(guān)斷時(shí)加熱電路中感性元件產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢對可控硅的過(guò)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)對后續電路的影響。同時(shí)、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

系統程序由主程序、溫度采集子程序、加熱控制子程序、鍵盤(pán)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。鍵盤(pán)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。與上位機的串行通信采用atmega8自帶的uart硬件傳輸中斷，以滿(mǎn)足數據雙向傳輸的異步性和實(shí)時(shí)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。

上位機監控程序基于 visual c++6.0環(huán)境開(kāi)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(shí)現本系統要求的全雙工步通信。用戶(hù)可通過(guò)上位機程序完成溫控參數設定、溫度數據保存和離線(xiàn)分析等操作。

5 結束語(yǔ)

筆者設計的溫度測量及加熱控制系統充分發(fā)揮了 atmega8型單片機的特點(diǎn)，結合現有技術(shù)，大大降低了硬件電路的設計復雜度。該系統已經(jīng)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、穩定性高，抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。