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   來源：今日電子

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、無污染、噪聲小、運行安全可靠、供熱穩(wěn)定、自動化程度高等優(yōu)點，是理想的節(jié)能環(huán)保型的供暖設(shè)備。

本控制器主要針對過程控制實驗室的控制裝置而設(shè)計的，對浙大中控的AE2000B過程控制實驗裝置中電熱鍋爐的溫度進行控制、顯示，具有手動、自動功能，帶有漏電、超溫、超壓及缺水保護和報警系統(tǒng)。

智能儀表的研制開發(fā)

智能儀表是以單片機為核心的儀表，其設(shè)計要點大致有兩點，即模塊化設(shè)計和模塊的連接。

● 模塊化設(shè)計

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模塊，分別進行設(shè)計與調(diào)試，然后把它們連接起來，進行總調(diào)，這是設(shè)計儀表最基本的思想。

硬件部分包括主機電路、過程輸入/輸出通道(模擬量輸入/輸出通道和開關(guān)量輸入/輸出通道)、人機聯(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、鍵盤和顯示管理、中斷管理、時鐘管理、自診斷等)，中斷處理程序以及各種測量(數(shù)字濾波、標度變換、非線性校正等)和控制算法等功能模塊。模塊化設(shè)計的優(yōu)點是：無論是硬件還是軟件，每個模塊都相對獨立，故能獨立地進行研制和修改，使復(fù)雜的研制工作得到簡化，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，才能構(gòu)成完整的儀表,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和輸出等各項功能。為實現(xiàn)既定的各種功能，軟件模塊的連接一般是通過監(jiān)控主程序調(diào)用各種功能模塊，或采用中斷的方法實時地執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)模塊來實現(xiàn)的。

硬件模塊連接方法有兩種：一種是以主機模塊為核心，通過設(shè)計者自行定義的內(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；另一種是用標準總線連接其他模塊，這種方式可選擇標準化、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發(fā)

● 單片機的選擇

選用高性能、低功耗的8位ATMEGA16單片機，它具有如下特點：16KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)；512B EEPROM；1KB SRAM；32個通用I/O口線；32個通用工作寄存器；3個具有比較模式的靈活的定時器/計數(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)備通常指過程輸入／輸出通道、人機接口(鍵盤、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。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，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。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端(ADC1)，而其他任何ADC輸入可作為正輸入端。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。

(2)開關(guān)量輸出通道

在測控系統(tǒng)中，被控設(shè)備的驅(qū)動常常采用模擬量輸出驅(qū)動和數(shù)字量(開關(guān)量)輸出驅(qū)動兩種方式。前者由于其輸出受模擬器件的信號漂移等影響，很難達到較高的控制精度。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片機進入測控領(lǐng)域后，數(shù)字量輸出控制的應(yīng)用日益廣泛。精度控制上，開關(guān)量輸出控制比模擬輸出控制高。利用開關(guān)量輸出控制往往無須改動硬件，而只需改變程序就可用于不同的控制場合。

本設(shè)計采用開關(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(AC 220V／3A，DC 24V／5A)阻性負載；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)動電路的主要作用是接受來自控制系統(tǒng)的數(shù)字信號，將發(fā)光二極管點亮，實現(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，測量值和目標值同時顯示，LED顯示屏使用的驅(qū)動電路是基于通用型集成電路移位寄存器74HC595和6B595來設(shè)計的，如圖4所示。

圖4  數(shù)碼顯示電路