基于ATmgea8型单片机的加热控制系统

　　l 引言

　　温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。文中介绍的温度测量及加热控制系统以ATmega8型AVR系列单片机为核心部件，通过对系统软件和硬件设计的合理规划，发挥单片机自身集成众多系统级功能单元的优势，在不减少功能的前提下有效降低了硬件成本，系统操控简便。实验证明该温控系统具有很高的可靠性和稳定性。

　　2 系统结构及控制算法

　　2.1 系统总体结构

　　温度测量及加热控制系统的总体结构如图1所示。系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、与上位机串行通信和系统核心ATmega8型单片机等。

　　温度采集电路以模拟电压形式将现场温度传至单片机。单片机通过自身集成的A/D转换器将模拟电压转化为控制系统可用的数字量。单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的增量式PID控制算法计算出实时控制量。以此控制量使能光电隔离驱动电路，决定加热电路的工作状态，使炉温逐步稳定于用户设定的目标值。系统运行过程中的各种状态参量均由数码管实时显示，并通过RS232串口与上位计算机进行全双工通信。用户直接在上位机完成温度测量和加热控制的全部操作。

　　2.2 系统控制算法

　　系统采用基于增量式PID算法的脉宽调制(PWM)控制方法，即PWM方波的占空比由增量式PID算法求得。增量式PID算法的输出量为

　　式中，en、en-1、en-2分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为采样周期。

　　单片机每隔固定时间T将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM方波的占空比，后续加热电路根据此PWM方波的占空比决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比大，加热电路的加热功率大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减小;反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减小，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。

　　3 硬件设计

　　3.1 ATmega8单片机

　　ATmega8型单片机是ATMEL公司推出的基于AVR RISC结构的高档Flash型单片机。其核心将32个工作寄存器和指令集连接在一起，所有工作寄存器都与ALU(算术逻辑单元)直接相连，实现了1个时钟周期执行1条指令同时访问(读写)二个独立寄存器的操作。这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为1个时钟周期。因此，ATmega8具有接近l MI/s/MHz的性能，运行速度比普通CISC单片机高10倍。