基于ATmega16L单片机的温度控制系统设计

摘要：设计一种基于ATmega16L单片机的温度控制系统，阐述该系统的软硬件设计方案。采用模块化设计方法，利用增量式PID算法使被控对象的温度值趋于给定值。实验结果表明该系统具有良好的检测和控制功能。
关键词：ATmega16L；单片机；温度控制；增量式PID

1 引言
    随着科学技术的进步，检测行业发展快速，除了检测项目和内容不断扩大，更重要的是检测愈来愈科学化、职能化，主要表现在检测过程及检测结果由计算机监控和显示。多点温度的采集控制近年来在检测行业应用较为广泛，其中以微机为核心的监控技术价格低廉，使用方便，应用也最普遍。
    本文主要介绍基于ATmega16L单片机的温度控制系统的设计，具体包括炉温的采集和控制、LCD显示以及PC机绘制温度变化的曲线图等。硬件和软件设计采用模块化的思想，系统集成度较高。

2 系统的硬件设计
    图1为系统硬件的总体结构图。系统由主控制器、温度传感器、运算放大电路、液晶显示电路、键盘电路、串口通信电路等构成。由结构图1可看出，系统模块较多，所以应合理分配I／O 口资源，各模块以ATmega16L单片机为核心相连接。

2．1 主控制器
    系统主控制器采用ATmega16L，该单片机是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有先进的RISC结构，内部有大容量的ROM、RAM、Flash和EEPROM，集成4通道PWM，SPI串行外设接口，同时具有8路10位A／D转换器，对于数据采集系统而言，外部无需单独的A／D转换器，从而可节省成本。另外，该单片机提供JTAG调试接口，可采用自制的简易JTAG仿真器进行程序调试。
2．2 温度采集电路
    图2为温度采集电路。该电路主要由温度传感器AD590和差分运算放大器AD524组成，其中温度传感器AD590是一种新型的两端式恒流器件。激励电压范围是4～30 V，测温范围为-55～+150℃。当AD590的电流流过一个5 kΩ的电阻时，温度升高1 K，该电阻上的电压增加5 mV，即转换成5 mV／K。因此，温度在0～100℃间变化时，电阻电压在1．365～1．865 V间变化。运算放大器AD524用于把绝对温度转换成摄氏温度。

2．3 温度控制电路
    该电路主要由光电耦合器和可控硅组成，如图3所示。单片机发出的控制信号(PWM)经驱动器后控制光电耦合器的工作状态。当光电耦合器工作后，使双向可控硅的触发极处于高电平，可控硅处于导通状态，进而控制加热棒的工作。

2．4 其他电路
    (1)显示电路系统的模块较多，I／0接口紧张，显示器选用液晶显示器TCl602A，接口采用高4位数据传输方式。
    (2)键盘电路系统采用非矩阵式键盘，该键盘结构简单，使用方便，不会占用较多I／O，适用于按键个数较少的场合。
    (3)串口电平转换 电路电平转换由MAX488器件完成，MAX488为RS-488收发器，速度高于MAX232，简单易用，单+5 V供电，外接少量器件即可完成从TTL电平到RS-488电平的转换。

3 系统软件设计
    系统采用分层控制方式保证温度控制系统稳定。下位机采用ATmega16L单片机作为硬件开发核心，采用C语言编程。上位机采用工控机作为监控系统，采用Visual Basic6．0编程，两层之间采用RS-488通讯实现数据交换。在单片机部分，软件设计采用模块化设计方法，整个软件可分为主程序、按键处理程序、A／D转换程序、增量式PID处理程序、串行通信程序和显示处理程序、数据保存处理程序、看门狗处理程序。
    (1)主程序 系统主程序主要完成系统各部件初始化操作，此外，在系统开始运行后等待按键处理。图4为其流程。

    (2)按键处理程序 键盘处理程序通常采用查询方法实现按键的识别，CPU只要一有空闲就调用键盘扫描程序，查询键盘，识别键值，并予以处理。
    (3)A／D转换程序 ATmega16有一个10位包括采样保持电路的逐次逼近型A／D转换器，该转换器与一个8通道模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。通过设置ADCSRA寄存器的ADEN即可启动A／D转换器，只有当ADEN置位时，参考电压及输入通道选择才生效。向A／D转换器启动转换位ADSC位写“1”可启动单次转换。在转换过程中此位保持为高电平，直到转换结束触发中断。然后被硬件清零。
    (4)增量式PID处理程序 该温度控制系统具有滞后性、时变性和非线性，不可能建立该系统的精确数学模型，因此如果使用常规的线性控制理论，要达到满意的控制效果非常困难。采用  增量式数字PID控制器，可解决这个难题。
    增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量，由于计算机输出的是增量，所以误动作时对输出的影响较小。控制增量的确定仅与最近的k、k-1、k-2次的采样有关，所以能够较容易地通过加权处理而获得较好的控制效果。另外，对于数字控制系统，由于A／D转换器位数的限制，其输出控制量受最小和最大值的限制，系统加入抗积分饱和法对其优化。图5为增量式PID控制算法程序流程。

以下是增量式PID控制的程序代码：

    (5)串行通信程序 系统与上位计算机之间采用RS-488的串行数据传输方式。单片机采用中断方式接收数据，而发送数据则采用查询方式。
    (6)显示处理程序 LCD-TC1602A LCD接口设计采用4位控制方式，使用4位数据线D4～D7控制时序分两次传送，先传送高4位数据，再传送低4位数据。
    (7)数据读写处理程序 ATmega16单片机内部集成有512 B的EEPROM，它是作为一个独立的数据空间而存在的。ATmesa16单片机通过对相关寄存器的操作实现对EEPROM按字节读写。
    (8)看门狗处理程序 ATmega16单片机内部集成有硬件看门狗，看门狗由片内独立的振荡器驱动，设置看门狗的步骤为：先初始化并打开看门狗，然后把喂狗指令放在循环程序中。

4 系统测试分析
    各个模块测试完成后，将下位机由测试端的硬件通过串口与PC机连接，构成完整的温度测试系统。在上位机中运行Visual Basic编写的监控程序，通过下位机的键盘设置加热炉温度为80℃．单击“打开通信端口”，选择所要通信的端口后，单击“开始测温”，这时下位机就会向上位机发送实时温度值，并实时绘出温度趋势曲线。
    当单击“结束”时，整个系统停止工作。上位机显示的温度趋势曲线如图6所示，测试结果显示，该系统对加热炉温度的采集和控制比较准确。

5 结束语
    充分利用AVR ATmega16单片机的内部资源，系统集成 度高，系统利用增量式PID算法改变PWM的输出值，然后控制可控硅的开关，最终使被控对象的温度值趋向于给定的温度值。该系统操作容易、可靠性好，具有较高的实用价值。就其采样频率和分辨率来说属于中速类型，适合于对数据采样频率要求不是特别高的应用场合。