基于A(yíng)Tmgea8型單片機的加熱控制系統

　　l 引言

　　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。文中介紹的溫度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

　　溫度測量及加熱控制系統的總體結構如圖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

　　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

　　ATmega8型單片機是ATMEL公司推出的基于A(yíng)VR 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1個(gè)時(shí)鐘周期。因此，ATmega8具有接近l 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、8 KB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，PI/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)提供了很大便利。設計過(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(xiàn)性化處理，輸出4 mA~20 mA的標準直流信號，對應于現場(chǎng)溫度0℃~400℃，通過(guò)150 Ω高精度金屬膜電阻轉化為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。本系統只選用單通道PCO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～3 V代表0℃～400℃，則現場(chǎng)溫度T可以表示為：

　　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74HCl64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74HCl64的CLK引腳，數據輸出端MOSI接至74HCl64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74HCl64，由74HCl64輸出8位并行邏輯電平驅動(dòng)示。通過(guò)使用同步串口SPI與74HCl64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74HCl64，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/0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)，因而在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)機械接觸、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)溫度和用戶(hù)設定的目標溫度及相關(guān)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(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TRIACl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TRIACl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(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造成的編程繁瑣等弊端，以較少代碼量實(shí)現本系統要求的全雙工異步通信。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)境的試驗中取得了良好效果，具有控溫準確、操控界面友好、穩定性高、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。