利用ATmega16L设计的温度控制系统

概述：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。

　　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。