基于ATmgea8單片機設(shè)計的加熱控制系統(tǒng)

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。

單片機將需要顯示的 8位字段碼通過SPI傳至74HC164，由74HC164輸出8位并行邏輯電平驅(qū)動數(shù)碼管顯示。單片機依次使能4位共陽極數(shù)碼管的位選擇端，按順序點亮4位數(shù)碼管的各位。由于人眼觀察時特有的“視覺暫存”效應，當亮滅頻率達到一定程度時無法覺察數(shù)碼管明暗的變化，認為4位數(shù)碼管各位始終點亮，即實現(xiàn)了4位數(shù)碼管的動態(tài)顯示。通過使用同步串口SPI與74HC164型串入并出芯片驅(qū)動數(shù)碼管的8位字段碼，比傳統(tǒng)并行驅(qū)動方式節(jié)約6個單片機I/O口，并且利用ATmega8自帶的硬件SPI單元，無需軟件模擬SPI通信。

由于采用動態(tài)顯示技術(shù)，編程時必須注意每次更新顯示數(shù)值應先將待顯示字段送到 74HC164，再通過PC1—PC4使能數(shù)碼管中某一位點亮，否則就會發(fā)生錯位顯示現(xiàn)象。

3.4 加熱驅(qū)動電路

ATmega8的I/O口輸出負載能力最大為40mA，無法直接驅(qū)動工業(yè)環(huán)境中使用的電爐、電機等大功率設(shè)備，必須通過中間驅(qū)動電路實現(xiàn)單片機對功率設(shè)備工作狀態(tài)的控制。實際應用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅(qū)動。由于繼電器或交流接觸器具有機械接觸特點，因而很大程度上降低了控制系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。

為了避免機械接觸開關(guān)的缺點，本系統(tǒng)選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅(qū)動電路?？煽毓枋谴蠊β书_關(guān)型半導體器件。能在高電壓、大電流條件下工作，具有無器械接觸、體積小、便于安裝等優(yōu)點，廣泛應用于電力電子設(shè)備中。加熱驅(qū)動電路示意圖如圖3所示。

ATmega8根據(jù)現(xiàn)場溫度的和用戶設(shè)定的目標溫度計相關(guān)的控制參數(shù)算出實時控制量。將此控制量寫入單片機定時器1的OC 1A 寄存器，以決定輸出 PWM波的占空比。在PWM波的高電平期間，通過限流保護電阻器R4的雙向光電耦合器上電工作，雙向可控硅TRIAC1柵極被經(jīng)由R1、R2和雙向光電耦合器的信號觸發(fā)導通，加熱電路得電工作；PWM波低電平期間，雙向光電耦合器截止，雙向可控硅TRIAC1柵極無觸發(fā)信號被關(guān)斷，加熱電路斷電停止工作。

電路中的 R3、C2組成阻容吸收單元，可減少可控硅關(guān)斷時加熱電路中感性元件產(chǎn)生的自感電動勢對可控硅的過壓沖擊。R1、C1組成低通濾波單元，能降低雙向光電耦合器誤觸發(fā)對后續(xù)電路的影響。同時、雙向光電耦合器的使用徹底隔離了強弱電路，避免了大功率器件對單片機的干擾。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序由主程序、溫度采集子程序、加熱控制子程序、鍵盤掃描子程序、串行通信子程序和中斷子程序等部分組成。主程序主要完成加熱控制系統(tǒng)各部件的初始化和自檢，以及實際測量中各個功能模塊的協(xié)調(diào)。鍵盤掃描和控制算法等子程序利用 ATmega8豐富的中斷資源，在外部中斷和定時器溢出中斷子程序中完成上述工作。與上位機的串行通信采用ATmega8自帶的UART硬件傳輸中斷，以滿足數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)漠惒叫院蛯崟r性要求。單片機溫度采集子程序和加熱控制子程序流程如圖4所示。

上位機監(jiān)控程序基于 Visual C++6.0環(huán)境開發(fā)。使用微軟公司提供的MsComm控件有效避免了直接調(diào)用Win32API造成的編程煩瑣等弊端，以較少代碼量實現(xiàn)本系統(tǒng)要求的全雙工步通信。用戶可通過上位機程序完成溫控參數(shù)設(shè)定、溫度數(shù)據(jù)保存和離線分析等操作。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計的溫度測量及加熱控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了 ATmega8型單片機的特點，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，大大降低了硬件電路的設(shè)計復雜度。該系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計制作完成，并在仿真深海高溫熱液環(huán)境試驗中取得了良好的效果，具有溫控準確、操控界面友好、穩(wěn)定性高，抗干擾能力強等優(yōu)點。