利用ATmega16设计电热锅炉温度控制器的方法

本控制器主要针对过程控制实验室的控制装置而设计的,对浙大中控的AE2000B过程控制实验装置中电热锅炉的温度进行控制、显示,具有手动、自动功能,带有漏电、超温、超压及缺水保护和报警系统。

智能仪表的研制开发

智能仪表是以单片机为核心的仪表,其设计要点大致有两点,即模块化设计和模块的连接。

● 模块化设计

依据仪表的功能、精度要求等,自上而下按仪表功能层次把硬件和软件分成若干个模块,分别进行设计与调试,然后把它们连接起来,进行总调,这是设计仪表最基本的思想。

硬件部分包括主机电路、过程输入/输出通道(模拟量输入/输出通道和开关量输入/输出通道)、人机联系部件和接口电路以及串行数据通信接口等。软件部分包括监控程序(包括初始化、键盘和显示管理、中断管理、时钟管理、自诊断等),中断处理程序以及各种测量(数字滤波、标度变换、非线性校正等)和控制算法等功能模块。模块化设计的优点是：无论是硬件还是软件,每个模块都相对独立,故能独立地进行研制和修改,使复杂的研制工作得到简化,从而提高工作教益和研制速度。

● 模块的连接

上述各种软、硬件研制、调试之后还需要将它们按一定的方式连接起来,才能构成完整的仪表,以实现数据采集、传输、处理和输出等各项功能。为实现既定的各种功能,软件模块的连接一般是通过监控主程序调用各种功能模块,或采用中断的方法实时地执行相应的服务模块来实现的。

硬件模块连接方法有两种：一种是以主机模块为核心,通过设计者自行定义的内部总线(数据总线、地址总线和控制总线)连接其他模块;另一种是用标准总线连接其他模块,这种方式可选择标准化、模块化的典型电路,使配接灵活、方便。

图1 智能控制器硬件系统原理图

温度控制器硬件的开发

● 单片机的选择

选用高性能、低功耗的8位ATMEGA16单片机,它具有如下特点：16KB的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW);512B EEPROM;1KB SRAM;32个通用I/O口线;32个通用工作寄存器;3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C);可编程串行接口;低功耗空闲和掉电方式等。ATMEGA16的主电路如图2所示。

图2 ATMEGA16电路图

● 外部设备的选择

一台智能仪表往往需要有多种外部设备。根据功能模块划分,外部设备通常指过程输入/输出通道、人机接口(键盘、显示器、连接电路)等。

(1)模拟量输入通道

A/D转换器采用MEGA16芯片上的5～8路10位AD转换。ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的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。单端电压输入以0V(GND)为基准。器件还支持16路差分电压输入组合。两路差分输入(ADC1、ADC0与ADC3、ADC2)有可编程增益级,在A/D转换前给差分输入电压提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADC1),而其他任何ADC输入可作为正输入端。ADC包括一个采样保持电路,以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。

(2)开关量输出通道

在测控系统中,被控设备的驱动常常采用模拟量输出驱动和数字量(开关量)输出驱动两种方式。前者由于其输出受模拟器件的信号漂移等影响,很难达到较高的控制精度。随着电子技术的迅速发展,特别是单片机进入测控领域后,数字量输出控制的应用日益广泛。精度控制上,开关量输出控制比模拟输出控制高。利用开关量输出控制往往无须改动硬件,而只需改变程序就可用于不同的控制场合。

本设计采用开关量输出,并提供2种输出方式由用户选择： 继电器控制输出(AC 220V/3A,DC 24V/5A)阻性负载;SCR(可控硅)输出400V/0.5A。PWM输出电路如图3所示。

图3 PWM电路输出电路

(3)数码显示电路