基于AVR单片机设计的加热控制系统

1 引言
温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。文中介绍的文化测量及加热控制系统以 ATmega8型AVR系列单片机为核心部件，通过对系统软件和硬件设计的合理规划，发挥单片机自身集成众多系统级功能单元的优势，在不减少功能的前提下有效降低了硬件成本，系统操控简便。实验证明该温控系统具有很高的可靠性和稳定性。
2 系统结构及控制算法
2.1系统总体结构
温度测量及加热系统控制的总体结构如图1所示。系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、与上位机串行通信和系统核心ATmega8型单片机等。
温度采集电路以模拟电压形式将现场温度传至单片机。单片机通过自身集成的 A/D转换器将模拟电压转化为控制系统可用的数字量。单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的增量式PID控制算法计算出实时控制量。以此控制量使能光电隔离驱动电路，决定加热电路的工作状态，使炉温逐步稳定于用户设定的目标值。系统运行过程中的各种状态参量均由数码管实时显示，并通过RS232串口与上位计算机进行全双工通信。用户直接在上位机完成温度测量和加热控制的全部操作。

2.2系统控制算法
系统采用基于增量式 PID算法的脉宽调制（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算法的输出量为
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分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为采样周期。
单片机每隔固定时间 T将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM方波的占空比，后续加热电路根据此PWM方波的占空比决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比大，加热电路的加热功率大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。
3 硬件设计
3.1 ATmega8单片机[1]
ATmega8型单片机是ATMEL公司推出的基于AVR RISC结构的高档Flash型单片机。其核心将32个工作寄存器和指令集连接在一起，所有工作寄存器都与ALU（算术逻辑单元）直接相连，实现了1个时钟周期执行1条指令同时访问（读写）二个独立寄存器的操作。这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期。因此，ATmega8具有接近1 MI /s/MHz的性能，运行速度比普通CISC单片机高10倍。
ATmega8型单片机内集成了执行速度为二个时钟周期的硬件乘法器、8KB的Flash程序存储器、512字节的E2PROM、2个具有比较模式的8位定时器、1个具有比较和捕获模式的16位定时器、3路最大精度为16位的PWM输出、8通道10位A/D转换器，SPI/TWI同步串口及USART异步串口。ATmega8片内集成的众多系统级功能单元为控制系统的开发提供了很大的便利。设计的过程中，尽量通过软件编程简化硬件电路，有效缩短了开发周期。
3.2 现场温度采集
现场温度由温度传感器获得。在本系统中，温度传感器选用 Pt100铂电阻器，利用铂金属自身阻值随温度变化的特性测温。铂电阻经变送器放大及线性化处理，输出4mA—20mA的标准直流信号，对应用于现场温度0℃— 400℃ ，通过 150Ω高精度金属膜电阻转化为0.6V—3V直流电压信号。此模拟电压信号符合ATmega8自带A/D转换器输入要求，连接至ATmega8的PC0即可进行A/D转换。
ATmega8内部集成有8通道10位高速A/D转换器。本系统只选用通道PC0作为A/D转换的模拟电压输入。A/D转换的参考电压使用系统自带的Vcc。基于前述，输入10位A/D转换器的模拟电压0.6V—3V代表 0℃ — 400℃ ，则现场温度 T可以表示为：
T＝400[（3.0－Vcc）（AD_Data/AD_Max）]/（3.0－0.6）] （2）
式中,A/D_Data是A/D转换后得到的10位数字量，AD_Max是10位A/D转换器参考电压对应的数字量，此处为0x03ff。温度测量绝对误差为400/210℃，相对误差小于0.1％，符合系统精度要求。
至此，温度值由非电模拟量转换为数字量，可以直接用于单片机内部加热控制算法的运算。实际编程时，为了降低采样过程瞬态误差的干扰，运用了算术均值滤波的方法，即最终参与控制运算的温度值 T通过10次采样的温度值求算术平均取得。
3.3 数码管显示电路
加热过程中，被控对象的实际温度，用户设定的目标炉温等参量通过数码管显示电路实时显示。数码管显示电路的原理如图2所示。
 

此显示电路采用“单片机→串入并出芯片→数码管”的动态显示技术。单片机与 74HC164型串入并出电路使用同步串口SPI方式连接，单片机工作在主机模式，时钟输出端SCK接至74HC164的CLK引脚，数据输出端MOSI接至74HC164的数据输入引脚AB。[page]
单片机将需要显示的 8位字段码通过SPI传至74HC164，由74HC164输出8位并行逻辑电平驱动数码管显示。单片机依次使能4位共阳极数码管的位选择端，按顺序点亮4位数码管的各位。由于人眼观察时特有的“视觉暂存”效应，当亮灭频率达到一定程度时无法觉察数码管明暗的变化，认为4位数码管各位始终点亮，即实现了4位数码管的动态显示。通过使用同步串口SPI与74HC164型串入并出芯片驱动数码管的8位字段码，比传统并行驱动方式节约6个单片机I/O口，并且利用ATmega8自带的硬件SPI单元，无需软件模拟SPI通信。
由于采用动态显示技术，编程时必须注意每次更新显示数值应先将待显示字段送到 74HC164，再通过PC1—PC4使能数码管中某一位点亮，否则就会发生错位显示现象。
3.4 加热驱动电路
ATmega8的I/O口输出负载能力最大为40mA，无法直接驱动工业环境中使用的电炉、电机等大功率设备，必须通过中间驱动电路实现单片机对功率设备工作状态的控制。实际应用中，通常采用继电器或交流接触器间接驱动。由于继电器或交流接触器具有机械接触特点，因而很大程度上降低了控制系统整体的稳定性和可靠性。
为了避免机械接触开关的缺点，本系统选用以可控硅为主体的完全光电隔离的中间驱动电路。可控硅是大功率开关型半导体器件。能在高电压、大电流条件下工作，具有无器械接触、体积小、便于安装等优点，广泛应用于电力电子设备中。加热驱动电路示意图如图3所示。

ATmega8根据现场温度的和用户设定的目标温度计相关的控制参数算出实时控制量。将此控制量写入单片机定时器1的OC 1A 寄存器，以决定输出 PWM波的占空比。在PWM波的高电平期间，通过限流保护电阻器R4的双向光电耦合器上电工作，双向可控硅TRIAC1栅极被经由R1、R2和双向光电耦合器的信号触发导通，加热电路得电工作；PWM波低电平期间，双向光电耦合器截止，双向可控硅TRIAC1栅极无触发信号被关断，加热电路断电停止工作。
电路中的 R3、C2组成阻容吸收单元，可减少可控硅关断时加热电路中感性元件产生的自感电动势对可控硅的过压冲击。R1、C1组成低通滤波单元，能降低双向光电耦合器误触发对后续电路的影响。同时、双向光电耦合器的使用彻底隔离了强弱电路，避免了大功率器件对单片机的干扰。
4 软件设计
系统程序由主程序、温度采集子程序、加热控制子程序、键盘扫描子程序、串行通信子程序和中断子程序等部分组成。主程序主要完成加热控制系统各部件的初始化和自检，以及实际测量中各个功能模块的协调。键盘扫描和控制算法等子程序利用 ATmega8丰富的中断资源，在外部中断和定时器溢出中断子程序中完成上述工作。与上位机的串行通信采用ATmega8自带的UART硬件传输中断，以满足数据双向传输的异步性和实时性要求。单片机温度采集子程序和加热控制子程序流程如图4所示。

上位机监控程序基于 Visual C++6.0环境开发。使用微软公司提供的MsComm控件有效避免了直接调用Win32API造成的编程烦琐等弊端，以较少代码量实现本系统要求的全双工步通信。用户可通过上位机程序完成温控参数设定、温度数据保存和离线分析等操作。
5 结束语
笔者设计的温度测量及加热控制系统充分发挥了 ATmega8型单片机的特点，结合现有技术，大大降低了硬件电路的设计复杂度。该系统已经设计制作完成，并在仿真深海高温热液环境试验中取得了良好的效果，具有温控准确、操控界面友好、稳定性高，抗干扰能力强等优点。