基于AVR單片機設(shè)計的加熱控制系統(tǒng)

1 引言
溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機械、食品等領(lǐng)域。文中介紹的文化測量及加熱控制系統(tǒng)以 ATmega8型AVR系列單片機為核心部件，通過對系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計的合理規(guī)劃，發(fā)揮單片機自身集成眾多系統(tǒng)級功能單元的優(yōu)勢，在不減少功能的前提下有效降低了硬件成本，系統(tǒng)操控簡便。實驗證明該溫控系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制算法
2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
溫度測量及加熱系統(tǒng)控制的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場溫度采集、實時溫度顯示、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱電路控制輸出、與上位機串行通信和系統(tǒng)核心ATmega8型單片機等。
溫度采集電路以模擬電壓形式將現(xiàn)場溫度傳至單片機。單片機通過自身集成的 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)可用的數(shù)字量。單片機結(jié)合現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定的目標溫度，按照已經(jīng)編程固化的增量式PID控制算法計算出實時控制量。以此控制量使能光電隔離驅(qū)動電路，決定加熱電路的工作狀態(tài)，使爐溫逐步穩(wěn)定于用戶設(shè)定的目標值。系統(tǒng)運行過程中的各種狀態(tài)參量均由數(shù)碼管實時顯示，并通過RS232串口與上位計算機進行全雙工通信。用戶直接在上位機完成溫度測量和加熱控制的全部操作。

2.2系統(tǒng)控制算法
系統(tǒng)采用基于增量式 PID算法的脈寬調(diào)制（PWM）控制方法，即PWM方波的占空比由增量式PID算法求得。增量式PID算法的輸出量為
Δ Un=Kp[(en-en-1)+(T/Ti)en+(Td/T)(en-2 en-1+en-2)] (1)
式中， en、en-1、en-2分別為第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，T為采樣周期。
單片機每隔固定時間 T將現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定目標溫度的差值帶入增量式PID算法公式，由公式輸出量決定PWM方波的占空比，后續(xù)加熱電路根據(jù)此PWM方波的占空比決定加熱功率?，F(xiàn)場溫度與目標溫度的偏差大則占空比大，加熱電路的加熱功率大，使溫度的實測值與設(shè)定值的偏差迅速減少；反之，二者的偏差小則占空比減小，加熱電路加熱功率減少，直至目標值與實測值相等，達到自動控制的目的。
3 硬件設(shè)計
3.1 ATmega8單片機[1]
ATmega8型單片機是ATMEL公司推出的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的高檔Flash型單片機。其核心將32個工作寄存器和指令集連接在一起，所有工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，實現(xiàn)了1個時鐘周期執(zhí)行1條指令同時訪問（讀寫）二個獨立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此，ATmega8具有接近1 MI /s/MHz的性能，運行速度比普通CISC單片機高10倍。
ATmega8型單片機內(nèi)集成了執(zhí)行速度為二個時鐘周期的硬件乘法器、8KB的Flash程序存儲器、512字節(jié)的E2PROM、2個具有比較模式的8位定時器、1個具有比較和捕獲模式的16位定時器、3路最大精度為16位的PWM輸出、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，SPI/TWI同步串口及USART異步串口。ATmega8片內(nèi)集成的眾多系統(tǒng)級功能單元為控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了很大的便利。設(shè)計的過程中，盡量通過軟件編程簡化硬件電路，有效縮短了開發(fā)周期。
3.2 現(xiàn)場溫度采集
現(xiàn)場溫度由溫度傳感器獲得。在本系統(tǒng)中，溫度傳感器選用 Pt100鉑電阻器，利用鉑金屬自身阻值隨溫度變化的特性測溫。鉑電阻經(jīng)變送器放大及線性化處理，輸出4mA—20mA的標準直流信號，對應(yīng)用于現(xiàn)場溫度0℃— 400℃ ，通過 150Ω高精度金屬膜電阻轉(zhuǎn)化為0.6V—3V直流電壓信號。此模擬電壓信號符合ATmega8自帶A/D轉(zhuǎn)換器輸入要求，連接至ATmega8的PC0即可進行A/D轉(zhuǎn)換。
ATmega8內(nèi)部集成有8通道10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)只選用通道PC0作為A/D轉(zhuǎn)換的模擬電壓輸入。A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓使用系統(tǒng)自帶的Vcc。基于前述，輸入10位A/D轉(zhuǎn)換器的模擬電壓0.6V—3V代表 0℃ — 400℃ ，則現(xiàn)場溫度 T可以表示為：
T＝400[（3.0－Vcc）（AD_Data/AD_Max）]/（3.0－0.6）] （2）
式中,A/D_Data是A/D轉(zhuǎn)換后得到的10位數(shù)字量，AD_Max是10位A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓對應(yīng)的數(shù)字量，此處為0x03ff。溫度測量絕對誤差為400/210℃，相對誤差小于0.1％，符合系統(tǒng)精度要求。
至此，溫度值由非電模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，可以直接用于單片機內(nèi)部加熱控制算法的運算。實際編程時，為了降低采樣過程瞬態(tài)誤差的干擾，運用了算術(shù)均值濾波的方法，即最終參與控制運算的溫度值 T通過10次采樣的溫度值求算術(shù)平均取得。
3.3 數(shù)碼管顯示電路
加熱過程中，被控對象的實際溫度，用戶設(shè)定的目標爐溫等參量通過數(shù)碼管顯示電路實時顯示。數(shù)碼管顯示電路的原理如圖2所示。

此顯示電路采用“單片機→串入并出芯片→數(shù)碼管”的動態(tài)顯示技術(shù)。單片機與 74HC164型串入并出電路使用同步串口SPI方式連接，單片機工作在主機模式，時鐘輸出端SCK接至74HC164的CLK引腳，數(shù)據(jù)輸出端MOSI接至74HC164的數(shù)據(jù)輸入引腳AB。