利用ATmega16L設計的溫度控制系統

概述：一種基於ATmega16L單片機的溫度控制系統，闡述該系統的軟硬體設計方案。採用模塊化設計方法，利用增量式PID算法使被控對象的溫度值趨於給定值。實驗結果表明該系統具有良好的檢測和控制功能。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/173365.htm

　　1 引言

　　隨著科學技術的進步，檢測行業發展快速，除了檢測項目和內容不斷擴大，更重要的是檢測愈來愈科學化、職能化，主要表現在檢測過程及檢測結果由計算機監控和顯示。多點溫度的採集控制近年來在檢測行業應用較為廣泛，其中以微機為核心的監控技術價格低廉，使用方便，應用也最普遍。

　　本文主要介紹基於ATmega16L單片機的溫度控制系統的設計，具體包括爐溫的採集和控制、LCD顯示以及PC機繪製溫度變化的曲線圖等。硬體和軟體設計採用模塊化的思想，系統集成度較高。

　　2 系統的硬體設計

　　圖1為系統硬體的總體結構圖。系統由主控制器、溫度傳感器、運算放大電路、液晶顯示電路、鍵盤電路、串口通信電路等構成。由結構圖1可看出，系統模塊較多，所以應合理分配I／O 口資源，各模塊以ATmega16L單片機為核心相連接。

　　2．1 主控制器

　　系統主控制器採用ATmega16L，該單片機是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有先進的RISC結構，內部有大容量的ROM、RAM、FLASH和EEPROM，集成4通道PWM，SPI串行外設接口，同時具有8路10位A／D轉換器，對於數據採集系統而言，外部無需單獨的A／D轉換器，從而可節省成本。另外，該單片機提供JTAG調試接口，可採用自製的簡易JTAG仿真器進行程序調試。

　　2．2 溫度採集電路

　　圖2為溫度採集電路。該電路主要由溫度傳感器AD590和差分運算放大器AD524組成，其中溫度傳感器AD590是一種新型的兩端式恆流器件。激勵電壓範圍是4～30 V，測溫範圍為-55～+150℃。當AD590的電流流過一個5 kΩ的電阻時，溫度升高1 K，該電阻上的電壓增加5 mV，即轉換成5 mV／K。因此，溫度在0～100℃間變化時，電阻電壓在1．365～1．865 V間變化。運算放大器AD524用於把絕對溫度轉換成攝氏溫度。

　　2．3 溫度控制電路

　　該電路主要由光電耦合器和可控矽組成，如圖3所示。單片機發出的控制信號(PWM)經驅動器後控制光電耦合器的工作狀態。當光電耦合器工作後，使雙向可控矽的觸發極處於高電平，可控矽處於導通狀態，進而控制加熱棒的工作。

　　2．4 其他電路

　　(1)顯示電路系統的模塊較多，I／0接口緊張，顯示器選用液晶顯示器TCl602A，接口採用高4位數據傳輸方式。

　　(2)鍵盤電路系統採用非矩陣式鍵盤，該鍵盤結構簡單，使用方便，不會佔用較多I／O，適用於按鍵個數較少的場合。

　　(3)串口電平轉換 電路電平轉換由MAX488器件完成，MAX488為RS-488收發器，速度高於MAX232，簡單易用，單+5 V供電，外接少量器件即可完成從TTL電平到RS-488電平的轉換。

　　3 系統軟體設計

　　系統採用分層控制方式保證溫度控制系統穩定。下位機採用ATmega16L單片機作為硬體開發核心，採用C語言編程。上位機採用工控機作為監控系統，採用Visual Basic6．0編程，兩層之間採用RS-488通訊實現數據交換。在單片機部分，軟體設計採用模塊化設計方法，整個軟體可分為主程序、按鍵處理程序、A／D轉換程序、增量式PID處理程序、串行通信程序和顯示處理程序、數據保存處理程序、看門狗處理程序。

　　(1)主程序 系統主程序主要完成系統各部件初始化操作，此外，在系統開始運行後等待按鍵處理。圖4為其流程。

　　(2)按鍵處理程序 鍵盤處理程序通常採用查詢方法實現按鍵的識別，CPU只要一有空閒就調用鍵盤掃描程序，查詢鍵盤，識別鍵值，並予以處理。

　　(3)A／D轉換程序 ATmega16有一個10位包括採樣保持電路的逐次逼近型A／D轉換器，該轉換器與一個8通道模擬多路復用器連接，能對來自埠A的8路單端輸入電壓進行採樣。通過設置ADCSRA寄存器的ADEN即可啟動A／D轉換器，只有當ADEN置位時，參考電壓及輸入通道選擇才生效。向A／D轉換器啟動轉換位ADSC位寫「1」可啟動單次轉換。在轉換過程中此位保持為高電平，直到轉換結束觸發中斷。然後被硬體清零。