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(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(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(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，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(biāo)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
(4)鍵盤輸入電路
鍵盤輸入的功能主要包括設(shè)定溫度,、在LED顯示中進行顯示實際溫度和顯示工作時間這兩者循環(huán)顯示的時候進行選擇。同時考慮避免誤操作而引起的設(shè)定溫度的改變,，所以系統(tǒng)專門增加一個確定鍵,。因此該系統(tǒng)具有4個按鍵：模式選擇、增加按鈕,、減少按鈕及確定按鈕,。電路如圖5所示。
圖5 鍵盤輸入電路
(5)通信接口電路
通信傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485或RS232計算機數(shù)據(jù)串行通信方式,，通過串口按一定的通信協(xié)議接收來自計算機串口RS232的信號,，經(jīng)過處理后按一定的規(guī)律傳送到顯示屏上顯示。通信接口電路如圖6所示,。
圖6 通信接口電路
系統(tǒng)軟件研制
系統(tǒng)軟件主要采用了PID控制實現(xiàn),，全部軟件都是用C語言編寫的，軟件流程圖如圖7,，由一些功能模塊組成,。
圖7 主程序
初始化模塊完成I/O的設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲器分配(包括A/D采樣的結(jié)果,、輸入按鍵的鍵碼,、程序標(biāo)志等) 、定時器,、A/ D的設(shè)置并開中斷,；循環(huán)掃描模塊檢測是否有鍵盤輸入,、A/D轉(zhuǎn)換完成否,、是否定時中斷等判別任務(wù)。若有則轉(zhuǎn)跳至相應(yīng)的子程序或中斷程序,；中斷處理模塊依據(jù)狀態(tài)完成定時計數(shù),、A/D采樣、鍵盤掃描等任務(wù),；顯示驅(qū)動模塊依據(jù)狀態(tài)完成溫度或系數(shù)的顯示,；鍵盤處理模塊檢測鍵碼并進入相應(yīng)處理程序；定
時中斷模塊完成定時計數(shù),，定時間隔約為1s,，為系數(shù)的設(shè)置提供數(shù)碼；溫度控制模塊依據(jù)測得的數(shù)據(jù)和預(yù)置數(shù)的差確定控制信號的輸出,。
在實驗裝置中的應(yīng)用
用ATMEGA16單片機實現(xiàn)的智能溫度控制器,，主要有如下功能：
(1)能對電熱鍋爐進行升溫,、恒溫的控制；
(2)系統(tǒng)能方便地設(shè)定指定溫度和恒溫時間,。系統(tǒng)工作時能循環(huán)顯示工作時間,、實際鍋爐溫度，給定溫度,，可隨時進入或退出系統(tǒng),；
(3)系統(tǒng)應(yīng)具有溫度超限、防干燒報警功能,，當(dāng)延遲1分鐘后,，則自動斷電退出工作狀態(tài)；
(4)系統(tǒng)應(yīng)具有二位式控制和PID控制功能,，系統(tǒng)應(yīng)具有與PC機的通信功能,；
(5)系統(tǒng)應(yīng)具有較強的抗干擾能力。
將研發(fā)的智能溫度控制器應(yīng)用于浙大中控的AE2000B型過程控制實驗裝置中,，具有穩(wěn)定性好,、精度高、抗干擾能力強等特點,，滿足實驗所需的各項指標(biāo)的要求,，達到了預(yù)期的效果。
結(jié)束語
通過實踐運行表明,，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠可靠,、穩(wěn)定、無擾動地完成手動,、自動切換的功能,，并且在系統(tǒng)出現(xiàn)超溫、超壓,、缺水以及漏電等緊急情況時能報警并自動切斷系統(tǒng),。以PID算法為核心的控制器能很好地滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度要求，并且具有開發(fā)周期短,、成本低,、性能高、功能易擴大的優(yōu)點,。