基于ATmega16L單片機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計一種基于ATmega16L單片機的溫度控制系統(tǒng)，闡述該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案。采用模塊化設(shè)計方法，利用增量式PID算法使被控對象的溫度值趨于給定值。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的檢測和控制功能。
關(guān)鍵詞：ATmega16L；單片機；溫度控制；增量式PID

1 引言
    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，檢測行業(yè)發(fā)展快速，除了檢測項目和內(nèi)容不斷擴大，更重要的是檢測愈來愈科學(xué)化、職能化，主要表現(xiàn)在檢測過程及檢測結(jié)果由計算機監(jiān)控和顯示。多點溫度的采集控制近年來在檢測行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，其中以微機為核心的監(jiān)控技術(shù)價格低廉，使用方便，應(yīng)用也最普遍。
    本文主要介紹基于ATmega16L單片機的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，具體包括爐溫的采集和控制、LCD顯示以及PC機繪制溫度變化的曲線圖等。硬件和軟件設(shè)計采用模塊化的思想，系統(tǒng)集成度較高。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    圖1為系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)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(gòu)成。由結(jié)構(gòu)圖1可看出，系統(tǒng)模塊較多，所以應(yīng)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(tǒng)主控制器采用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(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有大容量的ROM、RAM、Flash和EEPROM，集成4通道PWM，SPI串行外設(shè)接口，同時具有8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，外部無需單獨的A／D轉(zhuǎn)換器，從而可節(jié)省成本。另外，該單片機提供JTAG調(diào)試接口，可采用自制的簡易JTAG仿真器進(jìn)行程序調(diào)試。
2．2 溫度采集電路
    圖2為溫度采集電路。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恒流器件。激勵電壓范圍是4～30 V，測溫范圍為-55～+150℃。當(dāng)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(zhuǎn)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用于把絕對溫度轉(zhuǎn)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硅組成，如圖3所示。單片機發(fā)出的控制信號(PWM)經(jīng)驅(qū)動器后控制光電耦合器的工作狀態(tài)。當(dāng)光電耦合器工作后，使雙向可控硅的觸發(fā)極處于高電平，可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而控制加熱棒的工作。

2．4 其他電路
    (1)顯示電路系統(tǒng)的模塊較多，I／0接口緊張，顯示器選用液晶顯示器TCl602A，接口采用高4位數(shù)據(jù)傳輸方式。
    (2)鍵盤電路系統(tǒng)采用非矩陣式鍵盤，該鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不會占用較多I／O，適用于按鍵個數(shù)較少的場合。
    (3)串口電平轉(zhuǎn)換 電路電平轉(zhuǎn)換由MAX488器件完成，MAX488為RS-488收發(fā)器，速度高于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(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)采用分層控制方式保證溫度控制系統(tǒng)穩(wěn)定。下位機采用ATmega16L單片機作為硬件開發(fā)核心，采用C語言編程。上位機采用工控機作為監(jiān)控系統(tǒng)，采用Visual Basic6．0編程，兩層之間采用RS-488通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。在單片機部分，軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，整個軟件可分為主程序、按鍵處理程序、A／D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)保存處理程序、看門狗處理程序。
    (1)主程序 系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)各部件初始化操作，此外，在系統(tǒng)開始運行后等待按鍵處理。圖4為其流程。

    (2)按鍵處理程序 鍵盤處理程序通常采用查詢方法實現(xiàn)按鍵的識別，CPU只要一有空閑就調(diào)用鍵盤掃描程序，查詢鍵盤，識別鍵值，并予以處理。
    (3)A／D轉(zhuǎn)換程序 ATmega16有一個10位包括采樣保持電路的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器與一個8通道模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。通過設(shè)置ADCSRA寄存器的ADEN即可啟動A／D轉(zhuǎn)換器，只有當(dāng)ADEN置位時，參考電壓及輸入通道選擇才生效。向A／D轉(zhuǎn)換器啟動轉(zhuǎn)換位ADSC位寫“1”可啟動單次轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中此位保持為高電平，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束觸發(fā)中斷。然后被硬件清零。
    (4)增量式PID處理程序 該溫度控制系統(tǒng)具有滯后性、時變性和非線性，不可能建立該系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，因此如果使用常規(guī)的線性控制理論，要達(dá)到滿意的控制效果非常困難。采用  增量式數(shù)字PID控制器，可解決這個難題。
    增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量，由于計算機輸出的是增量，所以誤動作時對輸出的影響較小。控制增量的確定僅與最近的k、k-1、k-2次的采樣有關(guān)，所以能夠較容易地通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。另外，對于數(shù)字控制系統(tǒng)，由于A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的限制，其輸出控制量受最小和最大值的限制，系統(tǒng)加入抗積分飽和法對其優(yōu)化。圖5為增量式PID控制算法程序流程。

以下是增量式PID控制的程序代碼：

    (5)串行通信程序 系統(tǒng)與上位計算機之間采用RS-488的串行數(shù)據(jù)傳輸方式。單片機采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，而發(fā)送數(shù)據(jù)則采用查詢方式。
    (6)顯示處理程序 LCD-TC1602A LCD接口設(shè)計采用4位控制方式，使用4位數(shù)據(jù)線D4～D7控制時序分兩次傳送，先傳送高4位數(shù)據(jù)，再傳送低4位數(shù)據(jù)。
    (7)數(shù)據(jù)讀寫處理程序 ATmega16單片機內(nèi)部集成有512 B的EEPROM，它是作為一個獨立的數(shù)據(jù)空間而存在的。ATmesa16單片機通過對相關(guān)寄存器的操作實現(xiàn)對EEPROM按字節(jié)讀寫。
    (8)看門狗處理程序 ATmega16單片機內(nèi)部集成有硬件看門狗，看門狗由片內(nèi)獨立的振蕩器驅(qū)動，設(shè)置看門狗的步驟為：先初始化并打開看門狗，然后把喂狗指令放在循環(huán)程序中。

4 系統(tǒng)測試分析
    各個模塊測試完成后，將下位機由測試端的硬件通過串口與PC機連接，構(gòu)成完整的溫度測試系統(tǒng)。在上位機中運行Visual Basic編寫的監(jiān)控程序，通過下位機的鍵盤設(shè)置加熱爐溫度為80℃．單擊“打開通信端口”，選擇所要通信的端口后，單擊“開始測溫”，這時下位機就會向上位機發(fā)送實時溫度值，并實時繪出溫度趨勢曲線。
    當(dāng)單擊“結(jié)束”時，整個系統(tǒng)停止工作。上位機顯示的溫度趨勢曲線如圖6所示，測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)對加熱爐溫度的采集和控制比較準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語
    充分利用AVR ATmega16單片機的內(nèi)部資源，系統(tǒng)集成 度高，系統(tǒng)利用增量式PID算法改變PWM的輸出值，然后控制可控硅的開關(guān)，最終使被控對象的溫度值趨向于給定的溫度值。該系統(tǒng)操作容易、可靠性好，具有較高的實用價值。就其采樣頻率和分辨率來說屬于中速類型，適合于對數(shù)據(jù)采樣頻率要求不是特別高的應(yīng)用場合。