基于ATmega16的遠(yuǎn)程溫差循環(huán)控制器設(shè)計(jì)

O 引言
    太陽(yáng)能與建筑一體化是城市建筑發(fā)展的必然趨勢(shì)，分體承壓太陽(yáng)能熱水器是太陽(yáng)能發(fā)展的基本方向。由于分體式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱部分與儲(chǔ)熱水箱相互分離，二者由管道連接，需要配套溫差循環(huán)換熱控制裝置才能工作。目前，市場(chǎng)上使用的溫差循環(huán)換熱裝置基本都是單機(jī)工作，這就要求安裝在離太陽(yáng)能熱水器就近的位置，操作人員必須爬上樓頂才能完成基本的信息查看和基本功能操作。該設(shè)計(jì)很好地解決了這個(gè)缺點(diǎn)，使用AVR單片機(jī)，運(yùn)用RS 485技術(shù)以及NTC熱敏傳感器技術(shù)，研制開發(fā)了該遠(yuǎn)程溫差循環(huán)控制器。

l 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
    遠(yuǎn)程溫差循環(huán)控制器主要用于測(cè)量、顯示分體承壓太陽(yáng)能熱水器的水箱水溫、集熱器溫度、管道溫度及控制溫差循環(huán)、輔助電加熱、管道防凍和參數(shù)設(shè)置等?？刂破髦饕芍鳈C(jī)、從機(jī)、水溫傳感器、防凍傳感器等部分組成。主機(jī)核心為ATmegal6單片機(jī)，通過RS 485與從機(jī)通信，顯示從機(jī)采集的溫度數(shù)據(jù)，并完成基本功能設(shè)置，把設(shè)置數(shù)據(jù)傳送給從機(jī)；從機(jī)也是以ATmegal6單片機(jī)為主控器，完成數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    遠(yuǎn)程溫差循環(huán)控制器以ATmegal6為核心，該單片機(jī)帶有串行接口，可以接485轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)RS 485通信；內(nèi)置8位A／D模塊，可直接實(shí)現(xiàn)8通道模擬信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換輸入；帶有512 B的E2PROM，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電保護(hù)。
2．1 主機(jī)電路
    主機(jī)的主要功能是接收從機(jī)采集4路溫度數(shù)據(jù)，并顯示在128×64的液晶上；主機(jī)的另外一個(gè)功能是完成基本的設(shè)置，然后把設(shè)置參數(shù)發(fā)送給從機(jī)。主機(jī)主要由RS 485通信、鍵盤輸入、LCD顯示等幾個(gè)模塊組成。
2．1．1 RS 485通信
    由于RS 485總線通信模式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，因而已廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓宇控制、監(jiān)控報(bào)警等領(lǐng)域。
    在該設(shè)計(jì)中使用接口芯片MAX485，如圖2所示。該芯片是Maxim公司的一種RS 485芯片，采用單一+5 V電源工作，額定電流為300μA，采用半雙工通信方式。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可。RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)RE端口為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE端口為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的管腳PD2控制這兩個(gè)引腳即可。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為l；當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。

2．1．2 RS 485通信的抗干擾問題
    RS 485總線存在自適應(yīng)、自保護(hù)功能脆弱等缺點(diǎn)，如不注意一些細(xì)節(jié)的處理，常出現(xiàn)通信失敗，甚至系統(tǒng)癱瘓等故障，因此提高RS 485總線的運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。
    在該設(shè)計(jì)中，首先采用光電隔離。圖2中，四位一體的光電耦合器TLP521_1使單片機(jī)與MAX485之間實(shí)現(xiàn)了完全的電隔離，消除了相互干擾，提高了工作的可靠性。如圖2所示，單片機(jī)接收端RXD接TLP521_l的第13引腳；MAx485的RO接TLP521_1的第3引腳。這樣，當(dāng)RO有信號(hào)輸入時(shí)，TLP521_1的第3引腳，通過光電耦合管使第13引腳有相應(yīng)的電信號(hào)，從而降低了相互干擾。TXD，PD2的結(jié)構(gòu)和RXD相同。其次，在RS 485的輸出端即A，B兩端加入信號(hào)限幅二極管D1～D4，其穩(wěn)壓值應(yīng)保證符合RS 485標(biāo)準(zhǔn)，D1和D3取12 V，D2和D4取7 V，以保證將信號(hào)幅度限定在-7～+12 V之間，進(jìn)一步提高抗過壓的能力?？紤]到線路的特殊情況(如某一節(jié)點(diǎn)的RS 485芯片被擊穿短路)，為防止總線中其他分機(jī)的通信受到影響，在MAX485的信號(hào)輸出端串聯(lián)了兩個(gè)3．3 kΩ的電阻R8和R10，這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120 Ω左右，所以在線路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS 485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)各接l2O Ω的匹配電阻(如圖2所示中的R9)，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。通過上述幾點(diǎn)，可以有效地降低RS 485通信中的干擾。
2．1．3 輸出顯示和鍵盤輸入電路
    液晶顯示用的是OCM中128×64的液晶，該液晶顯示模塊為128×64點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，既可顯示各種字符及圖形，又可以顯示4行漢字剛好符合該設(shè)計(jì)要求，顯示4路溫度，并可與CPU直接接口，具有8位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線、6條控制線及電源線。該設(shè)計(jì)中，由于單片機(jī)接口預(yù)留有限，所以LCD與單片機(jī)的連接采用串行數(shù)據(jù)輸入方法，數(shù)據(jù)通過單片機(jī)PA7與LCD串行輸入端的第4引腳相連；PA4、PA5為片選信號(hào)，分別接LCD的第15、第16引腳；PA6作為讀／寫使能信號(hào)，與LCD的第6引腳相連，它不僅接口簡(jiǎn)單，而且節(jié)約了單片機(jī)的I／O口資源。鍵盤輸入接口使用到8個(gè)按鍵，采用行列式2×4鍵盤實(shí)現(xiàn)。
2．2 從機(jī)電路
    從機(jī)的主要功能是完成4路溫度數(shù)據(jù)采集，并將這些數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)；然后接收主機(jī)下達(dá)的基本設(shè)置數(shù)據(jù)，控制實(shí)現(xiàn)溫差循環(huán)、RS485通信、輔助電加熱、管道防凍等功能。RS 485通信與主機(jī)相同，下面主要介紹測(cè)溫和繼電器控制部分。
2．2．1 測(cè)溫電路
    測(cè)溫的關(guān)鍵是選擇合適的感溫元件和合理的測(cè)溫電路參數(shù)。這里選用一種負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器(NTC)，它采用玻殼封裝，體積小，響應(yīng)快，價(jià)格低，安裝方便。水溫測(cè)量使用NTC測(cè)溫電阻TG408503(25℃時(shí)，阻值50 kΩ，B值4O5O K，玻璃封裝)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后由程序查表，控制精確、選擇合理的電路參數(shù)，在O～99℃范圍內(nèi)誤差可小于1℃，具有良好的一致性。NTC熱敏電阻的溫度特性一般可用下面的公式表示：
   
式中：RT，RT0分別為熱敏電阻器在溫度T(單位：K)和T0(單位：K)時(shí)的阻值(單位：Ω)。B為熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)(單位：K)。熱敏電阻測(cè)溫電路如圖3所示：RT1～RT4為本設(shè)計(jì)所使用的熱敏電阻；PAO～PA3為從機(jī)ATmegal6單片機(jī)的A／D接口。

2．2．2 繼電器控制電路
    系統(tǒng)輸出功率控制有4路，分別有從機(jī)ATmegal6單片機(jī)PB0～PB3端口控制溫差循環(huán)、電加熱循環(huán)、防凍循環(huán)等功能。當(dāng)主機(jī)按“溫差循環(huán)”鍵時(shí)，主機(jī)將把信號(hào)發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)再將RB0置高，啟動(dòng)手動(dòng)循環(huán)，再次按“循環(huán)”鍵，程序使RB0輸出低電平口，關(guān)閉手動(dòng)循環(huán)。其他功能與“溫差循環(huán)”基本相同。為了防止繼電器可能干擾單片機(jī)的控制電路部分，在單片機(jī)PB輸出口與繼電器驅(qū)動(dòng)接口電路之間加入了光電耦合器TLP521_2，如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該設(shè)計(jì)的軟件編程并不復(fù)雜，主要有以下幾個(gè)模塊：LCD顯示、RS 485通信、A／D軟件濾波、行列鍵盤、繼電器控制等。這里主要介紹對(duì)RS 485通信、A／D數(shù)據(jù)的處理。
3．1 RS 485通信格式
    在該設(shè)計(jì)中，雖然只是雙機(jī)通信，但是為了以后擴(kuò)展的需要，通信采用輪詢方式。通信的發(fā)起端是主機(jī)，每次通信都是由主機(jī)發(fā)送指令開始，然后從機(jī)接收指令，根據(jù)接收到的指令，判斷執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。指令共有3種，所以用2位二值代碼，代碼有：OO為查詢，01為設(shè)置參數(shù)，02為手動(dòng)指令傳輸。
    通信流程如下：
    (1)主機(jī)隔100 ms發(fā)查詢幀，從機(jī)返回傳感器數(shù)值數(shù)據(jù)幀；
    (2)設(shè)置參數(shù)、狀態(tài)等：主機(jī)發(fā)設(shè)置參數(shù)幀，從機(jī)返回設(shè)置確認(rèn)幀；
    (3)若在定時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有收到從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)，則重新發(fā)送，一直到從機(jī)正確返回。
3．2 A／D數(shù)據(jù)的處理
    測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，若不對(duì)A／D轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直接用于溫差循環(huán)控制，會(huì)使繼電器不時(shí)出現(xiàn)誤動(dòng)作。即使在ATmegal6芯片外的測(cè)溫電路中加入了各種濾波電路，仍不見改善。因此推斷該干擾可能來(lái)自于A／D轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部?？紤]到該系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)溫度的變化較緩慢，適合采用滑動(dòng)窗口平均法進(jìn)行數(shù)字濾波。在采用數(shù)字濾波方法對(duì)A／D轉(zhuǎn)換后得到的連續(xù)64個(gè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后。有效消除了A／D轉(zhuǎn)換后的噪聲。

4 結(jié)語(yǔ)
    以ATmegal6為核心的遠(yuǎn)程溫差循環(huán)控制器，使用RS 485方案，可以很好地解決遠(yuǎn)程通信問題。該設(shè)計(jì)方案具有使用元件少，成本低，抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)。該控制器的功能實(shí)用，控制準(zhǔn)確可靠，人機(jī)對(duì)話界面直觀，操作簡(jiǎn)便，能滿足各種分體承壓式太陽(yáng)能熱水器對(duì)溫差循環(huán)和電加熱控制的要求。已經(jīng)成功用于分體承壓太陽(yáng)能熱水器的控制中，亦可用于太陽(yáng)能熱水工程中用于溫差循環(huán)控制，具有良好的應(yīng)用前景。