【導讀】質量，因而設計一個控制精度高、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)的硬件設計、軟件設計以及PID控制方法。設定、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部上拉電阻。但要注意的是復位時上拉電阻將被禁用。如果復位時的功耗也有嚴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 DDxn為 “ 1” 時， Pxn配置為輸出 ， 否則為輸入。 當引腳配置為輸入時，若 PORTxn為 “ 1” ，上拉電阻將使能。如果需要關閉這個上拉電阻，可以將 PORTxn清零，或者將這個引腳配置為輸出。復位時各引腳為三態(tài)，即使此時沒有時鐘在運行。當引腳配置為輸出時，若 PORTxn為 “ 1” ，引腳輸出高電平 (“ 1” )，否則輸出低電平 (“ 0” )。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 17 模數(shù)轉換器 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。ADC 包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到 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。 。標稱值為 的基準電壓，以及 AVCC，都位于器件之內?；鶞孰妷嚎梢酝ㄟ^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換成一個 10（ 0— 1024） 位的數(shù)字量 ，轉換時間為 13260 181。s。 通過寫 ADMUX 寄存器的 REFSn 位可以把 AVCC 或內部 的參考電壓連接到 AREF 引腳。在 AREF 上外加電容可以對片內參考電壓進行解耦以提高噪聲抑制性能。 ADC 轉換結果為 10位，存放于 ADC數(shù)據(jù)寄存器 ADCH 及 ADCL 中。默認情況下轉換結果為右對齊，但可通過設置 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 CKOPT 被編程時振蕩器在輸出引腳產生滿幅度的振蕩。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，還與雜散電容和環(huán)境的電磁噪聲有關。 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 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 18 復位電路 外部復位由外加于 RESET引腳的低電平產生。當復位低電平持續(xù)時間大于最小脈沖寬度時，即觸發(fā)復位過程，即使此時并沒有時鐘信號在運行。當外加信號達到復位門限電壓 VRST(上升沿 )時 ， tTOUT延時周期開始，延時結束后 MCU即啟動。 RESETk e y 1C32 0 u FV C CR 1 420k 圖 復位電路連線圖 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?? 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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動，通過調節(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，只有當其兩端電壓過零時控制端上施加觸發(fā)信號，它才導通；一旦導通，只有再次過零時才關斷。針對這一特點，本系統(tǒng)采取了控制在 M 個電網周期內晶閘管導通的周期數(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和實際導通周期數(shù) m直接對應，即： 000umu M m uuM??? ? ??時 ,時 ，時 ， m=M 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 20 同步檢測電路檢出電網電壓信號的過零點， 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 有時因為生產要求，需要 通過鍵盤 重新設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 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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，需適當增大驅動電流，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， 在驅動電流 30mA 的情況下，每位內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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