【導(dǎo)讀】質(zhì)量，因而設(shè)計一個控制精度高、運行穩(wěn)定的電阻爐溫度控制系統(tǒng)具有很高的應(yīng)用價值。本系統(tǒng)以電阻爐為被控對象，K型熱電偶為溫度傳感器，ATmega128單片機為核心，采用PID控制方法，設(shè)計了一種控制精度較高的溫度控制系統(tǒng)。在論文中詳細闡述了控。制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及PID控制方法。設(shè)定、顯示、PID控制及越限報警等電路。

　　

【正文】 Atmega128未連接引腳的處理 ： 如果有引腳未被使用，建議給這些引腳賦予一個確定電平。雖然在 深層休眠模式下大多數(shù)數(shù)字輸入被禁用，但還是需要避免因引腳沒有確定的電平而造成懸空引腳在其它數(shù)字輸入使能模式 ( 復(fù)位、工作模式、空閑模式 ) 消耗電流。最簡單的保證未用引腳具有確定電平的方法是使能內(nèi)部上拉電阻。但要注意的是復(fù)位時上拉電阻將被禁用。如果復(fù)位時的功耗也有嚴(yán)格要求則建議使用外部上拉或下拉電阻。不推薦直接將未用引腳與 VCC或 GND連接，因為這樣可能會在引腳偶然作為輸出時出現(xiàn)沖擊電流。 Atmega128引腳配置： 每個端口引腳都具有三個寄存器位： DDxn、 PORTxn和 PINxn。DDxn位于 DDRx寄 存器， PORTxn位于 PORTx寄存器， PINxn位于 PINx寄存器。 DDxn用 來選擇引腳的方向。當(dāng) DDxn為 “ 1” 時， Pxn配置為輸出 ， 否則為輸入。 當(dāng)引腳配置為輸入時，若 PORTxn為 “ 1” ，上拉電阻將使能。如果需要關(guān)閉這個上拉電阻，可以將 PORTxn清零，或者將這個引腳配置為輸出。復(fù)位時各引腳為三態(tài)，即使此時沒有時鐘在運行。當(dāng)引腳配置為輸出時，若 PORTxn為 “ 1” ，引腳輸出高電平 (“ 1” )，否則輸出低電平 (“ 0” )。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 17 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ATmega128 有一個 10 位的逐次逼近型 ADC。 ADC 與一個 8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口 A 的 8 路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以 0V(GND)為基準(zhǔn)。ADC 包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到 ADC 的電壓保持恒定。 ADC 由 AVCC 引腳單獨提供電源。 AVCC 與 VCC 之間的偏差不能超過177。 。標(biāo)稱值為 的基準(zhǔn)電壓，以及 AVCC，都位于器件之內(nèi)?；鶞?zhǔn)電壓可以通過在 AREF 引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。 ADC 通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個 10（ 0— 1024） 位的數(shù)字量 ，轉(zhuǎn)換時間為 13260 181。s。 通過寫 ADMUX 寄存器的 REFSn 位可以把 AVCC 或內(nèi)部 的參考電壓連接到 AREF 引腳。在 AREF 上外加電容可以對片內(nèi)參考電壓進行解耦以提高噪聲抑制性能。 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果為 10位，存放于 ADC數(shù)據(jù)寄存器 ADCH 及 ADCL 中。默認(rèn)情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對齊，但可通過設(shè)置 ADMUX 寄存器的 ADLAR 變?yōu)樽髮R。 晶體振蕩器 XTAL1 和 XTAL2 分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出， 這個振蕩器可以使用石英晶體，也可以使用陶瓷諧振器。熔絲位 CKOPT 用來選擇這兩種放大器模式的其中 之一。當(dāng) CKOPT 被編程時振蕩器在輸出引腳產(chǎn)生滿幅度的振蕩。這種模式適合于噪聲環(huán)境，以及需要通過 XTAL2 驅(qū)動第二個時鐘緩沖器的情況。而且這種模式的頻率范圍比較寬。當(dāng)保持 CKOPT 為未編程狀態(tài)時，振蕩器的輸出信號幅度比較小。其優(yōu)點是大大降低了功耗，但是頻率范圍比較窄，而且不能驅(qū)動其他時鐘緩沖器。對于諧振器， CKOPT未編程時的最大頻率為 8MHz， CKOPT 編程時為 16 MHz。 不管使用的是晶體還是諧振器 ，C1 和 C2 的數(shù)值要一樣 。 最佳的數(shù)值與使用的晶體或諧振器有關(guān)，還與雜散電容和環(huán)境的電磁噪聲有關(guān)。 一般選用石 英振蕩器時， C C2 典型值為 2233pF，選用陶瓷 振蕩 器時， C C2 典型值為 4047pF。 晶體振蕩器連線圖如圖 所示： 4MX T A L 2X T A L 1C125PC225P 圖 晶體振蕩器連線圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 18 復(fù)位電路 外部復(fù)位由外加于 RESET引腳的低電平產(chǎn)生。當(dāng)復(fù)位低電平持續(xù)時間大于最小脈沖寬度時，即觸發(fā)復(fù)位過程，即使此時并沒有時鐘信號在運行。當(dāng)外加信號達到復(fù)位門限電壓 VRST(上升沿 )時 ， tTOUT延時周期開始，延時結(jié)束后 MCU即啟動。 RESETk e y 1C32 0 u FV C CR 1 420k 圖 復(fù)位電路連線圖 控溫電路 隔離放大 器 隔離放大器由輸入放大器 、輸出放大器、隔離器以及隔離電源等幾部分組成。輸入放大器及其電源是浮置的，放大器輸入端浮置，泄漏電流極小，輸入端到公共端的電容和泄 漏 都很小，有極高的共模抑制能力，能對信號進行安全準(zhǔn)確的放大，電源浮置無共模電壓。 隔離電阻約 1210? ，隔離電容的典型值為 20PF， 因此隔離放大器 輸入、 輸出和電源之間沒有直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地點 ，大大的提高了電路的共模抑制比。 本系統(tǒng)采用 互補式 光電耦合隔離放大電路，如圖 所示， 運算放大器 N4 組成輸入放大器， N5組成輸出放大器， VLC1 和 VLC2 是特性完全對稱的光耦合器， VLC2 用作輸入放大器和輸出放大器之間信號的隔離傳送， VLC1 為 N4的非線性反饋，用以彌補 VLC2 的非線性。如果 N N5處于理想工作狀態(tài)， 12??? ，并取 R27=R31，由電路可得： 1 27 2610 iUVI RR?? 2 31 33 3210 VUI R R R?? ? 則 ：323326 iRRUUR?? 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 19 +_△∞+N4+_△∞+N5C5150 0P FR 281MR 27100 KR 26100 kR 291KR 34510R 33100 KR 31100 KR 35100P D 0R 32U10V10VR 30 K 10 V 10 VC5150 0P FV L C 1V L C 2i1 i2 圖 互補式 光電耦 合 隔離放大 電路 由于光電耦合器的工作速度遠低于運算放大器的工作速度，因此在電路中采用電容 C5 來 改善 電路的頻率特性 ，并采用電阻 R30 和電容 C5來 改善電路的穩(wěn)定性。但是 C5值太大，會使電路頻率上限降低， R30和 C5 值太小，電路穩(wěn)定性變差，通常取 C5值為1500PF，該電路的頻率可達 0— 40KHz，線性度為 % 。 晶閘管電路 電阻絲由過零觸發(fā)型的雙向晶閘管整流電路驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)加熱電阻絲上的平均電壓來控制加熱功率，最終達到控制爐溫的目的，其原理圖如 所示。 MOC3021 是晶閘管光電隔離器件 ，它只能觸發(fā)小功率晶閘管。因此，本系統(tǒng)中通過 MOC3021 控制雙向晶閘管 T1,再由 T1 控制主電路的雙向晶閘管 T2。 電路中采用的過零觸發(fā)型雙向晶閘管，只有當(dāng)其兩端電壓過零時控制端上施加觸發(fā)信號，它才導(dǎo)通；一旦導(dǎo)通，只有再次過零時才關(guān)斷。針對這一特點，本系統(tǒng)采取了控制在 M 個電網(wǎng)周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的周期數(shù) m(0 mM?? )的方法來控制輸出平均電壓。為簡單起見，可以使控制運算所得到的控制量 u和實際導(dǎo)通周期數(shù) m直接對應(yīng)，即： 000umu M m uuM??? ? ??時 ,時 ，時 ， m=M 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 20 同步檢測電路檢出電網(wǎng)電壓信號的過零點， 形成過零同步信號，并接到 CPU 中斷請求輸入端，以提供觸發(fā)參考點和控制周期 M的計數(shù)信號。需要注意的是，同步檢測電路和電阻爐加熱回路的電源必須是相同的，以保證觸發(fā)信號同步 。 T1T2M O C 3 0 2 1R 1 71 0 0 kR 1 82 0 0 k R 1 92 0 0 KR 2 11 0 0 KR 2 02 0 0 KR P 3C71 5 P FC81 5 P F+ 1 2 VR P 2U2 2 0 V負(fù)載 圖 加熱控制電路原理圖 人機接口電路 鍵盤 有時因為生產(chǎn)要求，需要 通過鍵盤 重新設(shè)定和更改上下限值或者其它控制參數(shù)。 本系統(tǒng) 使用 4*2鍵盤。 鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識別鍵碼，微型計算機對鍵盤控制的辦法是 “ 掃描 ” 。根 據(jù)掃描的方法又可分程控掃描法、定時掃描法以及中斷掃描法三種。三種掃描方法各有 其 優(yōu)缺點，運用較多的是中斷掃描法和程控掃描法。本系統(tǒng)使用的是程控掃描法，程控掃描的基本原理是首先判斷是否有鍵按下，若有鍵按下，則求出鍵值，然后 通過 CPU 對其進行處理。 1 23 4K11 23 4K21 23 4K31 23 4K41 23 4K51 23 4K61 23 4K71 23 4K8P E 0 P E 1 P E 2 P E 3P E 4P E 5 圖 2*4鍵盤連線圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 21 4 位 LED顯示 LED 數(shù)碼管是單片機控制系統(tǒng)中最常用的顯示器件之一，它具有體積小、抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長，工作電壓低，功耗小，響應(yīng)速度快等優(yōu)點，常用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、系統(tǒng)中某一功能電路，甚至某一輸出引腳 的電平狀態(tài)。此外， LED數(shù)碼管在單片機系統(tǒng)中，常用到一只到數(shù)只，甚至幾十只 LED 數(shù)碼管顯示 CPU 的處理結(jié)果、輸入 /輸出信號狀態(tài)或大小。 LED 顯示器是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼顯示器件， 如圖 為一位 LED顯示器的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管 (ag 七段 )構(gòu)成字型 “ 8” ，另外還有一只發(fā)光二極管 dp作為小數(shù)點。 abfcgdeV1234567abcdefg8dpdp9CC8 S E G L E D 3612345678 圖 LED顯示器引腳圖 根據(jù) LED 數(shù)碼管內(nèi)各筆 段 LED 發(fā)光二極管的連接方式，可以將 LED 數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩大類。 共陰極 LED 數(shù)碼管中，所有筆 段 的 LED發(fā)光二極管的負(fù)極連在一起，在共陽極 LED 數(shù)碼管中，所有筆 段 的 LED 發(fā)光二極管的正極連在一起。 LED 數(shù)碼管驅(qū)動電路 有 靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式， 本系統(tǒng)中采用的是共 陽 極的動 態(tài)顯示電路。 在動態(tài)顯示方式中， 各 LED 數(shù)碼管輪流工作 ，每次只能有一個器件顯示，但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以，只要掃描頻率足夠快，仍會感覺所有器件同時顯示。 為了防止閃爍現(xiàn)象， LED 數(shù)碼管的刷新頻率必須大于 25HZ， 即同一 LED 數(shù)碼管相鄰兩次點亮的時間間隔要小于 40ms。對于具有 N個 LED數(shù)碼管的動態(tài)顯示 電路來說， 如果 LED顯示器刷新頻率為 f，那么刷新周期為 1/f，每一位的顯示時間為 1/(f N)s，顯然，位數(shù)越多，每一位的顯示時間就越短，在驅(qū)動電流一定的情況下，亮度就越低（正因如此，在動態(tài) LED 顯示電路中，需適當(dāng)增大驅(qū)動電流，一般取 20— 35mA，以抵消因顯示時間短引起的亮度下降），實驗表明，為了保證一定的亮度， 在驅(qū)動電流 30mA 的情況下，每位內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 22 顯示時間不能小于 1ms。如圖 所示為 LED 顯示子程序流程圖。 LED7LED6LED5LED4LED3LED2LED1LED0abfcgdeV1234567abcdefg8dpdp9CCL4LED7LED6LED5LED4LED3LED2LED1LED0abfcgdeV1234567abcdefg8dpdp9CCL2LED7LED6LED5LED4LED3LED2LED1LED0abfcgdeV1234567abcdefg8dpdp9CCL3LED7LED6LED5LED4LED3LED2LED1LED0L E D 0L E D 1L E D 2L E D 3L E D 4L E D 5L E D 6L E D 7Q1Q2Q3Q4V C CV C CV C CV C CP C 0P C 1P C 2P C 312345678161514131211109R P 1510 *8ΩP