基于ATmega128的溫度控制系統(tǒng)

北京信息科技大學(xué) 信息獲取與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

一、引言

21世界的今天，人們的生活水平隨著科學(xué)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展不斷提高，無(wú)論是日常生活中還是工業(yè)生產(chǎn)上，對(duì)制冷制熱的性能以及環(huán)境質(zhì)量的要求越來(lái)越高，溫度無(wú)疑是個(gè)常見且非常重要的要素。長(zhǎng)久以來(lái)，人們對(duì)溫度的控制方法研究樂此不疲。

溫度控制與采集系統(tǒng)主要是針對(duì)制定區(qū)域或空間進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)地采集記錄溫度信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)化智能控制、調(diào)節(jié)，以確保溫度一直保持在預(yù)計(jì)的范圍內(nèi)[1]。例如戶外醫(yī)療方面，特殊藥物儲(chǔ)存對(duì)環(huán)境溫度要求會(huì)比較高，這就需要一款便攜溫箱，恒溫箱控制系統(tǒng)的核心是單片機(jī)[2]，我們根據(jù)這個(gè)思路設(shè)計(jì)了一個(gè)恒溫控制系統(tǒng)，對(duì)于外出旅行或者戶外軍事方面，這個(gè)系統(tǒng)也具有較高的實(shí)用價(jià)值。

二、溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以ATmega128-16AC單片機(jī)作為控制核心，由電源電路、溫度檢測(cè)電路、鍵盤輸入、溫度控制電路和液晶顯示電路等組成。在本系統(tǒng)的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)需要恒定某個(gè)溫度值時(shí)，只需要通過(guò)鍵盤鍵入溫度即可。ATmegal28單片機(jī)是基于AVR RISC的低功耗8位單片機(jī)[3]，溫度檢測(cè)電路使用的傳感器是Pt1000，鍵盤使用4*4鍵盤，H橋驅(qū)動(dòng)電路[4]驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體TEC片用于制冷制熱。

三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1、電源電路

系統(tǒng)使用12V鋰電池（供電范圍為11.1～12.6V）供電，經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM7805輸出穩(wěn)定的+5V電壓作為單片機(jī)的供電電源，電路如圖2（a）所示。

TL431是TL、ST公司研發(fā)的并聯(lián)型三端穩(wěn)壓基準(zhǔn)，構(gòu)成了系統(tǒng)的模擬電源電路，如圖2（b）所示。其中，電路中的電容作為濾波使用。TL431具有穩(wěn)壓值可調(diào)，具有基準(zhǔn)電壓溫漂?。ā堋?0ppm/℃）、穩(wěn)壓范圍寬（2.5～36V）、負(fù)載電流范圍大（1.0～100mA）等特點(diǎn)，

2、主控單元

本設(shè)計(jì)中使用ATmega128-16AC單片機(jī)作為核心控制器。引腳功能分配情況為：PE口為電橋電路（功率控制）端口；PF口為溫度采樣輸入端口；PA口是4*4鍵盤輸入口；PC口為液晶顯示；PD口為液晶控制；主控單元電路原理圖如圖3所示。

3、溫度測(cè)量電路

鉑電阻傳感器Pt1000的阻值隨溫度的變化而變化，以鉑電阻作為測(cè)溫元件進(jìn)行溫度測(cè)量的關(guān)鍵是要能準(zhǔn)確地測(cè)出鉑電阻傳感器的電阻值[5]。它在 0℃時(shí)阻值為1000Ω。因其阻值隨溫度變化具有良好的線性特性，所以在許多高精度設(shè)備中被用作阻值計(jì)算或溫度測(cè)量元件。本設(shè)計(jì)采用符合IEC751標(biāo)準(zhǔn)的Pt1000，其溫度系數(shù)TCR=0.003851，溫度電阻特性由公式（1）給出：

其中：Rt—t℃時(shí)刻的阻值；

R0—0℃時(shí)刻的阻值；

a,b,c—常數(shù)。

表1 TCR=0.003851時(shí)，a,b,c的值

由于b、c的值很小，在（1）式中將其忽略之后依然可以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，因此，Pt1000的溫度電阻特性可簡(jiǎn)化為：

又有：

由（2）、（3）、（4）、（5）式可得：

其中：Vref1—TL431的參考端電壓；

Vref2—單片機(jī)的參考電壓，Vref2=2.56V；

U0—Pt1000兩端的電壓；

U1—R5兩端的電壓。

（6）式為測(cè)量溫度t與單片機(jī)中ADx的數(shù)值關(guān)系。溫度測(cè)量部分電路圖如圖4所示。

4、溫度控制電路

選用半導(dǎo)體制冷片TEC1-12706作為此溫控系統(tǒng)的執(zhí)行器，它的工作原理是依據(jù)帕爾貼效應(yīng)在熱電制冷技術(shù)上的應(yīng)用，由熱電制冷效應(yīng)顯著、制冷效率比較高的半導(dǎo)體熱電偶構(gòu)成。TEC1-12706的極限電壓是V=127×0.12=15.4(V)，正常工作電壓為極限電壓的78%，約等于12V，最大工作電流為3A。

用四個(gè)MOS管(Q1，Q2，Q3，Q4)搭建的H橋作為TEC片的驅(qū)動(dòng)電路，Q1，Q3低電平導(dǎo)通，高電平關(guān)斷，Q2，Q4高電平導(dǎo)通，低電平關(guān)斷。通過(guò)單片機(jī)能有效的控制TEC片工作面的狀態(tài)。當(dāng)測(cè)得溫度與當(dāng)前設(shè)置溫度相同，執(zhí)行驅(qū)動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)測(cè)得溫度高于設(shè)置溫度，單片機(jī)控制AL高電平，BL低電平，驅(qū)動(dòng)TEC片工作面制冷；當(dāng)測(cè)得溫度低于設(shè)置溫度，單片機(jī)控制AL低電平，BL高電平，驅(qū)動(dòng)TEC片工作面制熱。溫度控制電路如圖5所示。

5、鍵盤輸入和液晶顯示電路

使用4*4鍵盤作為按鍵輸入，S1～S8以及S10、S11輸入數(shù)字0到9；S9為取消輸入；S12為確認(rèn)；S14，S15是加減按鍵；S13，S16是強(qiáng)制正、負(fù)（按一次有效）。液晶顯示用的是HG2401287，它的電路連接方法如圖6所示。顯示的內(nèi)容包含了設(shè)置溫度、當(dāng)前溫度、加熱和制冷標(biāo)示符。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)初始化（包括液晶的初始化、端口的初始化等）、按鍵檢測(cè)模塊、溫度傳感器Pt1000的溫度采集模塊、液晶顯示模塊和半導(dǎo)體制冷片TEC的驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成，每個(gè)模塊對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行都很重要。整體流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電即開始檢測(cè)當(dāng)前溫度，通過(guò)按鍵鍵入期望溫度值，當(dāng)前溫度及設(shè)置溫度在液晶上顯示出來(lái)，通過(guò)程序判斷Tn（設(shè)置溫度）和Tg（當(dāng)前溫度）的數(shù)值關(guān)系，決定溫度執(zhí)行電路的工作狀態(tài)，由此達(dá)到溫度控制的目的。

五、系統(tǒng)的調(diào)試及測(cè)試

一個(gè)系統(tǒng)要能夠正常工作并且達(dá)到預(yù)期的工作狀態(tài)是其硬件設(shè)計(jì)合理并結(jié)合軟件設(shè)計(jì)才能達(dá)到的，系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。

1、硬件調(diào)試

此溫度系統(tǒng)最開始設(shè)計(jì)的時(shí)候，TEC片的驅(qū)動(dòng)使用的是以L298N為主要元件設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，L298N是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，從工作模式上來(lái)講是符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求的，但是在調(diào)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)用它來(lái)驅(qū)動(dòng)TEC片，在短暫的幾分鐘之后它的溫度就升高了許多，使用萬(wàn)用表檢測(cè)出其電壓和電流，計(jì)算得知它的工作功率接近最大功率，這種情況是非常容易燒毀元器件的，并且影響系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。我們用四個(gè)MOS管搭建的H橋也能實(shí)現(xiàn)同樣的功能，并且它的驅(qū)動(dòng)能力也能達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

2、軟件調(diào)試

主要包括液晶顯示、按鍵檢測(cè)和溫度檢測(cè)等。比較復(fù)雜的是溫度檢測(cè)部分，將溫度傳感電路測(cè)出的溫度值t與單片機(jī)中的AD值對(duì)應(yīng)起來(lái)是非常重要的部分，這關(guān)系到溫度測(cè)量的精度。溫度傳感器的標(biāo)定使用了實(shí)驗(yàn)室的溫箱，測(cè)量不同溫度下Pt1000的實(shí)際電壓值（見表2U0），取單片機(jī)的參考電壓值Vref2=2.5V，通過(guò)公式（3）、（5）可計(jì)算出給定溫度下對(duì)應(yīng)的實(shí)際AD值（見表2實(shí)際ADx），再用這組ADx的值擬合出Pt1000實(shí)際的溫度值與單片機(jī)AD的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見圖8中系列2。圖8中系列1為溫度t與AD的理論數(shù)值關(guān)系，由公式（1）、（6）計(jì)算得出，由圖可以看出實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值的誤差很小，說(shuō)明溫度測(cè)量的精度是比較高的。

表2 溫度t與ADx對(duì)應(yīng)關(guān)系的理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量對(duì)比

經(jīng)過(guò)硬件和軟件的綜合調(diào)試，在體積約為40*30*35(cm3)的立方體空間，配合規(guī)整的TEC片和Pt1000的位置安裝，系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊均可正常運(yùn)行，經(jīng)測(cè)試得溫度靜態(tài)誤差在±0.5℃，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

六、結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小空間溫度系統(tǒng)的恒溫功能，恒溫范圍可調(diào)節(jié)，在日常生活中，不僅可以在家方便使用，也可將其應(yīng)用在戶外需求上。當(dāng)然，合理的設(shè)計(jì)恒溫空間的布局和使用合適保溫材料能使該溫度系統(tǒng)運(yùn)行更加完美。