基于ATmega16L單片機的溫度控制系統設計
摘要： 設計一種基于ATMEGA16L單片機的溫度控制系統，闡述該系統的軟硬件設計方案。采用模塊化設計方法，利用增量式PID算法使被控對象的溫度值趨于給定值。實驗結果表明該系統具有良好的檢測和控制功能。
Abstract：
Key words :
摘要：設計一種基于ATMEGA16L單片機的溫度控制系統，闡述該系統的軟硬件設計方案。采用模塊化設計方法，利用增量式PID算法使被控對象的溫度值趨于給定值。實驗結果表明該系統具有良好的檢測和控制功能。
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。多點溫度的采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。
本文主要介紹基于ATMEGA16L單片機的溫度控制系統的設計，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。硬件和軟件設計采用模塊化的思想，系統集成度較高。
2 系統的硬件設計
圖1為系統硬件的總體結構圖。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，對于數據采集系統而言，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，可采用自制的簡易JTAG仿真器進行程序調試。
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用于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硅組成，如圖3所示。單片機發出的控制信號(PWM)經驅動器后控制光電耦合器的工作狀態。當光電耦合器工作后，使雙向可控硅的觸發極處于高電平，可控硅處于導通狀態，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，接口采用高4位數據傳輸方式。
(2)鍵盤電路系統采用非矩陣式鍵盤，該鍵盤結構簡單，使用方便，不會占用較多I／O，適用于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電平的轉換。
3 系統軟件設計
系統采用分層控制方式保證溫度控制系統穩定。下位機采用ATMEGA16L單片機作為硬件開發核心，采用C語言編程。上位機采用工控機作為監控系統，采用Visual Basic6．0編程，兩層之間采用RS-488通訊實現數據交換。在單片機部分，軟件設計采用模塊化設計方法，整個軟件可分為主程序、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按鍵的識別，CPU只要一有空閑就調用鍵盤掃描程序，查詢鍵盤，識別鍵值，并予以處理。
(3)A／D轉換程序 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，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。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。然后被硬件清零。
(4)增量式PID處理程序 該溫度控制系統具有滯后性、時變性和非線性，不可能建立該系統的精確數學模型，因此如果使用常規的線性控制理論，要達到滿意的控制效果非常困難。采用 增量式數字PID控制器，可解決這個難題。
增量式PID是指數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?？刂圃隽康拇_定僅與最近的k、k-1、k-2次的采樣有關，所以能夠較容易地通過加權處理而獲得較好的控制效果。另外，對于數字控制系統，由于A／D轉換器位數的限制，其輸出控制量受最小和最大值的限制，系統加入抗積分飽和法對其優化。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 系統與上位計算機之間采用RS-488的串行數據傳輸方式。單片機采用中斷方式接收數據，而發送數據則采用查詢方式。
(6)顯示處理程序 LCD-TC1602A LCD接口設計采用4位控制方式，使用4位數據線D4～D7控制時序分兩次傳送，先傳送高4位數據，再傳送低4位數據。
(7)數據讀寫處理程序 ATMEGA16單片機內部集成有512 B的EEPROM，它是作為一個獨立的數據空間而存在的。ATmesa16單片機通過對相關寄存器的操作實現對EEPROM按字節讀寫。
(8)看門狗處理程序 ATMEGA16單片機內部集成有硬件看門狗，看門狗由片內獨立的振蕩器驅動，設置看門狗的步驟為：先初始化并打開看門狗，然后把喂狗指令放在循環程序中。
4 系統測試分析
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，構成完整的溫度測試系統。在上位機中運行Visual Basic編寫的監控程序，通過下位機的鍵盤設置加熱爐溫度為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送實時溫度值，并實時繪出溫度趨勢曲線。
當單擊“結束”時，整個系統停止工作。上位機顯示的溫度趨勢曲線如圖6所示，測試結果顯示，該系統對加熱爐溫度的采集和控制比較準確。
5 結束語
充分利用AVR ATMEGA16單片機的內部資源，系統集成 度高，系統利用增量式PID算法改變PWM的輸出值，然后控制可控硅的開關，最終使被控對象的溫度值趨向于給定的溫度值。該系統操作容易、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，適合于對數據采樣頻率要求不是特別高的應用場合。
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