引言

　　電熱鍋爐是可將電能直接轉化成熱能，具有熱效率高、體積小、無污染、噪聲小、運行安全可靠、供熱穩定、自動化程度高等優點，是理想的節能環保型的供暖設備。

　　本控制器主要針對過程控制實驗室的控制裝置而設計的，對浙大中控的AE2000B過程控制實驗裝置中電熱鍋爐的溫度進行控制、顯示，具有手動、自動功能，帶有漏電、超溫、超壓及缺水保護和報警系統。

　　智能儀表的研制開發

　　智能儀表是以單片機為核心的儀表，其設計要點大致有兩點，即模塊化設計和模塊的連接。

　　● 模塊化設計

　　依據儀表的功能、精度要求等，自上而下按儀表功能層次把硬件和軟件分成若干個模塊，分別進行設計與調試，然后把它們連接起來，進行總調，這是設計儀表最基本的思想。

　　硬件部分包括主機電路、過程輸入/輸出通道(模擬量輸入/輸出通道和開關量輸入/輸出通道)、人機聯系部件和接口電路以及串行數據通信接口等。軟件部分包括監控程序(包括初始化、鍵盤和顯示管理、中斷管理、時鐘管理、自診斷等)，中斷處理程序以及各種測量(數字濾波、標度變換、非線性校正等)和控制算法等功能模塊。模塊化設計的優點是：無論是硬件還是軟件

，每個模塊都相對獨立，故能獨立地進行研制和修改，使復雜的研制工作得到簡化，從而提高工作教益和研制速度。

　　● 模塊的連接

　　上述各種軟、硬件研制、調試之后還需要將它們按一定的方式連接起來，才能構成完整的儀表,以實現數據采集、傳輸、處理和輸出等各項功能。為實現既定的各種功能，軟件模塊的連接一般是通過監控主程序調用各種功能模塊，或采用中斷的方法實時地執行相應的服務模塊來實現的。

　　硬件模塊連接方法有兩種：一種是以主機模塊為核心，通過設計者自行定義的內部總線(數據總線、地址總線和控制總線)連接其他模塊；另一種是用標準總線連接其他模塊，這種方式可選擇標準化、模塊化的典型電路，使配接靈活、方便。

圖1  智能控制器硬件系統原理圖

　　溫度控制器硬件的開發

　　● 單片機的選擇

　　選用高性能、低功耗的8位ATMEGA16單片機，它具有如下特點：16KB的系統內可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)；512B EEPROM；1KB SRAM；32個通用I/O口線；32個通用工作寄存器；3個具有比較模式的靈活的定時器/計數器(T/C)；可編程串行接口；低功耗空閑和掉電方式等。ATMEGA16的主電路如圖2所示。

圖2  ATMEGA16電路圖

　　● 外部設備的選擇

　　一臺智能儀表往往需要有多種外部設備。根據功能模塊劃分，外部設備通常指過程輸入／輸出通道、人機接口(鍵盤、顯示器、連接電路)等。

　　(1)模擬量輸入通道

　　A／D轉換器采用MEGA16芯片上的5～8路10位AD轉換。ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的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。單端電壓輸入以0V(GND)為基準。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADC1、ADC0與ADC3、ADC2)有可編程增益級，在A/D轉換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大級。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端(ADC1)，而其他任何ADC輸入可作為正輸入端。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。

　　(2)開關量輸出通道

　　在測控系統中，被控設備的驅動常常采用模擬量輸出驅動和數字量(開關量)輸出驅動兩種方式。前者由于其輸出受模擬器件的信號漂移等影響，很難達到較高的控制精度。隨著電子技術的迅速發展，特別是單片機進入測控領域后，數字量輸出控制的應用日益廣泛。精度控制上，開關量輸出控制比模擬輸出控制高。利用開關量輸出控制往往無須改動硬件，而只需改變程序就可用于不同的控制場合。

　　本設計采用開關量輸出，并提供2種輸出方式由用戶選擇： 繼電器控制輸出(AC 220V／3A，DC 24V／5A)阻性負載；SCR(可控硅)輸出400V／0.5A。PWM輸出電路如圖3所示。

圖3  PWM電路輸出電路

　　(3)數碼顯示電路

　　顯示屏驅動電路的主要作用是接受來自控制系統的數字信號，將發光二極管點亮，實現在LED顯示屏上的信息的顯示。在顯示電路中采用雙4位LED顯示，測量值和目標值同時顯示，LED顯示屏使用的驅動電路是基于通用型集成電路移位寄存器74HC595和6B595來設計的，如圖4所示。

圖4  數碼顯示電路

　　(4)鍵盤輸入電路

　　鍵盤輸入的功能主要包括設定溫度、在LED顯示中進行顯示實際溫度和顯示工作時間這兩者循環顯示的時候進行選擇。同時考慮避免誤操作而引起的設定溫度的改變，所以系統專門增加一個確定鍵。因此該系統具有4個按鍵：模式選擇、增加按鈕、減少按鈕及確定按鈕。電路如圖5所示。

圖5  鍵盤輸入電路

　　(5)通信接口電路

　　通信傳輸采用標準的RS485或RS232計算機數據串行通信方式，通過串口按一定的通信協議接收來自計算機串口RS232的信號，經過處理后按一定的規律傳送到顯示屏上顯示。通信接口電路如圖6所示。

圖6  通信接口電路

　　系統軟件研制

　　系統軟件主要采用了PID控制實現，全部軟件都是用C語言編寫的，軟件流程圖如圖7，由一些功能模塊組成。

圖7  主程序

　　初始化模塊完成I/O的設置、數據存儲器分配(包括A/D采樣的結果、輸入按鍵的鍵碼、程序標志等) 、定時器、A/ D的設置并開中斷；循環掃描模塊檢測是否有鍵盤輸入、A/D轉換完成否、是否定時中斷等判別任務。若有則轉跳至相應的子程序或中斷程序；中斷處理模塊依據狀態完成定時計數、A/D采樣、鍵盤掃描等任務；顯示驅動模塊依據狀態完成溫度或系數的顯示；鍵盤處理模塊檢測鍵碼并進入相應處理程序；定

時中斷模塊完成定時計數，定時間隔約為1s，為系數的設置提供數碼；溫度控制模塊依據測得的數據和預置數的差確定控制信號的輸出。

　　在實驗裝置中的應用

　　用ATMEGA16單片機實現的智能溫度控制器，主要有如下功能：

　　(1)能對電熱鍋爐進行升溫、恒溫的控制；

　　(2)系統能方便地設定指定溫度和恒溫時間。系統工作時能循環顯示工作時間、實際鍋爐溫度，給定溫度，可隨時進入或退出系統；

　　(3)系統應具有溫度超限、防干燒報警功能，當延遲1分鐘后，則自動斷電退出工作狀態；

　　(4)系統應具有二位式控制和PID控制功能，系統應具有與PC機的通信功能；

　　(5)系統應具有較強的抗干擾能力。

　　將研發的智能溫度控制器應用于浙大中控的AE2000B型過程控制實驗裝置中，具有穩定性好、精度高、抗干擾能力強等特點，滿足實驗所需的各項指標的要求，達到了預期的效果。

　　結束語

　　通過實踐運行表明，所設計的系統能夠可靠、穩定、無擾動地完成手動、自動切換的功能，并且在系統出現超溫、超壓、缺水以及漏電等緊急情況時能報警并自動切斷系統。以PID算法為核心的控制器能很好地滿足系統的穩定性和精度要求，并且具有開發周期短、成本低、性能高、功能易擴大的優點。