作者：西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 張春峰 鄒新杰 余張國(guó)

引言

電熱鍋爐是可將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能，具有熱效率高、體積小、無(wú)污染、噪聲小、運(yùn)行安全可靠、供熱穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的節(jié)能環(huán)保型的供暖設(shè)備。

本控制器主要針對(duì)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室的控制裝置而設(shè)計(jì)的，對(duì)浙大中控的AE2000B過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置中電熱鍋爐的溫度進(jìn)行控制、顯示，具有手動(dòng)、自動(dòng)功能，帶有漏電、超溫、超壓及缺水保護(hù)和報(bào)警系統(tǒng)。

智能儀表的研制開(kāi)發(fā)

智能儀表是以單片機(jī)為核心的儀表，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)大致有兩點(diǎn)，即模塊化設(shè)計(jì)和模塊的連接。

● 模塊化設(shè)計(jì)

依據(jù)儀表的功能、精度要求等，自上而下按儀表功能層次把硬件和軟件分成若干個(gè)模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試，然后把它們連接起來(lái)，進(jìn)行總調(diào)，這是設(shè)計(jì)儀表最基本的思想。

硬件部分包括主機(jī)電路、過(guò)程輸入/輸出通道(模擬量輸入/輸出通道和開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道)、人機(jī)聯(lián)系部件和接口電路以及串行數(shù)據(jù)通信接口等。軟件部分包括監(jiān)控程序(包括初始化、鍵盤(pán)和顯示管理、中斷管理、時(shí)鐘管理、自診斷等)，中斷處理程序以及各種測(cè)量(數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、非線性校正等)和控制算法等功能模塊。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)論是硬件還是軟件，每個(gè)模塊都相對(duì)獨(dú)立，故能獨(dú)立地進(jìn)行研制和修改，使復(fù)雜的研制工作得到簡(jiǎn)化，從而提高工作教益和研制速度。

● 模塊的連接

上述各種軟、硬件研制、調(diào)試之后還需要將它們按一定的方式連接起來(lái)，才能構(gòu)成完整的儀表,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和輸出等各項(xiàng)功能。為實(shí)現(xiàn)既定的各種功能，軟件模塊的連接一般是通過(guò)監(jiān)控主程序調(diào)用各種功能模塊，或采用中斷的方法實(shí)時(shí)地執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

硬件模塊連接方法有兩種：一種是以主機(jī)模塊為核心，通過(guò)設(shè)計(jì)者自行定義的內(nèi)部總線(數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線)連接其他模塊；另一種是用標(biāo)準(zhǔn)總線連接其他模塊，這種方式可選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，使配接靈活、方便。

圖1  智能控制器硬件系統(tǒng)原理圖

溫度控制器硬件的開(kāi)發(fā)

● 單片機(jī)的選擇

選用高性能、低功耗的8位ATMEGA16單片機(jī)，它具有如下特點(diǎn)：16KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW)；512B EEPROM；1KB SRAM；32個(gè)通用I/O口線；32個(gè)通用工作寄存器；3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)；可編程串行接口；低功耗空閑和掉電方式等。ATMEGA16的主電路如圖2所示。

圖2  ATMEGA16電路圖

● 外部設(shè)備的選擇

 一臺(tái)智能儀表往往需要有多種外部設(shè)備。根據(jù)功能模塊劃分，外部設(shè)備通常指過(guò)程輸入／輸出通道、人機(jī)接口(鍵盤(pán)、顯示器、連接電路)等。

(1)模擬量輸入通道

A／D轉(zhuǎn)換器采用MEGA16芯片上的5～8路10位AD轉(zhuǎn)換。ATmega16有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來(lái)自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準(zhǔn)。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADC1、ADC0與ADC3、ADC2)有可編程增益級(jí)，在A/D轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大級(jí)。七路差分模擬輸入通道共享一個(gè)通用負(fù)端(ADC1)，而其他任何ADC輸入可作為正輸入端。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入到ADC的電壓保持恒定。

(2)開(kāi)關(guān)量輸出通道

在測(cè)控系統(tǒng)中，被控設(shè)備的驅(qū)動(dòng)常常采用模擬量輸出驅(qū)動(dòng)和數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量)輸出驅(qū)動(dòng)兩種方式。前者由于其輸出受模擬器件的信號(hào)漂移等影響，很難達(dá)到較高的控制精度。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片機(jī)進(jìn)入測(cè)控領(lǐng)域后，數(shù)字量輸出控制的應(yīng)用日益廣泛。精度控制上，開(kāi)關(guān)量輸出控制比模擬輸出控制高。利用開(kāi)關(guān)量輸出控制往往無(wú)須改動(dòng)硬件，而只需改變程序就可用于不同的控制場(chǎng)合。

本設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)量輸出，并提供2種輸出方式由用戶選擇： 繼電器控制輸出(AC220V／3A，DC 24V／5A)阻性負(fù)載；SCR(可控硅)輸出400V／0.5A。PWM輸出電路如圖3所示。

圖3  PWM電路輸出電路

(3)數(shù)碼顯示電路

顯示屏驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是接受來(lái)自控制系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)，將發(fā)光二極管點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)在LED顯示屏上的信息的顯示。在顯示電路中采用雙4位LED顯示，測(cè)量值和目標(biāo)值同時(shí)顯示，LED顯示屏使用的驅(qū)動(dòng)電路是基于通用型集成電路移位寄存器74HC595和6B595來(lái)設(shè)計(jì)的，如圖4所示。

圖4  數(shù)碼顯示電路

(4)鍵盤(pán)輸入