基于AVR单片机温度控制的硬件电路设计研究

孙志杰

(中国人民解放军装甲兵技术学院 机械工程系，吉林 长春 130117)

1 引言

温度是一个重要的物理参数，随着现代科技的日益发展，温度控制电路越来越多的应用于社会生产生活的各个领域，但是由于温度的变化和发展是非线性的，所以其测量的过程和控制的方式比较困难，故温度控制的硬件电路设计方法方式尤为重要。在此基础上本文设计了基于AVR单片机ATmega16的硬件电路，选用半导体温度传感器DS18B20进行温度的采集，并由LED数码管显示，键盘输入预设值的调整，通过继电器输出完成加热开关占空比的调控，实现该温度场的恒温控制。设计过程分为两个阶段：前一阶段为电路图的设计；后一阶段是在确定构架后，使用软件Altium Designer完成各子电路图的设计以及整体的连接封装。

2 电路构架设计

根据设计要求，硬件电路整体框架构思如图1所示，主要实现温度传感，数码管显示，键盘输入和控制驱动这四大模块的功能。选用ATmega16芯片，涉及外设电路有电源电路，DS18B20温度传感电路，数码管显示电路，1×4按键电路，蜂鸣器电路和继电器控制电路。

图1 硬件系统框图

2.1 单片机选择

本文中选用高性能、低功耗的8位ATmega16单片机，它具有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

2.2 电源电路

电源电路如图2所示，其中LM7805为3端正稳压芯片，能够输出5V电压，输出电流可达1A，内部包含过热保护和短路保护以及输出晶体管SOA保护。电路中C1，C2电容的作用是在LM7805输入端进行滤波，C1滤除低频干扰，C2滤除高频干扰；C3，C4电容的作用是在LM7805输出端进行滤波，C4滤除低频信号，C3滤除高频信号。

图2 电源电路

2.3 测温电路

测温电路主要实现被控温度的测量存储和数据发送，采用温度传感器DS18B20，它具有3引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围为-55℃～+125℃，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。

2.4 显示电路

显示电路的主要作用是接收来自控制系统的数字信号，将发光二极管点亮，实现在LED显示屏上的信息显示。本课题采用的是4位8段LED共阳数码管，测量值和目标值同时显示。每位数码管阳极接在PNP型三极管集电极上，三极管的发射极接5V电源，基极通过一个1kΩ电阻接单片机ATmega16的PD2～PD5端口，这4个三极管起开关的作用，当ATmega16相应的端口输出低电平时，相应的PNP三极管饱和导通，发射极供电给集电极，提供相应位数码管的公共阳极，即选通该位数码管。

2.5 辅助电路

系统由于功能的需要，辅助电路包括键盘电路、鸣器电路和继电器调温电路。其中键盘电路并没有采用传统的行列扫描式的4×4矩阵键盘，只利用了其中第一行的4个按键。蜂鸣器电路主要是作用按键提示和报警，蜂鸣器由PNP型三极管驱动，其基极接在ATmega16的PC0端口，当该引脚输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器与地之间的100Ω电阻起限流的作用，不致使蜂鸣器因工作电流过大而寿命受损，继电器调温电路的作用是开断需要控制的电路，起开关作用。本课题中采用的HF32FA-T是宏发生产的一种超小型中功率耐高温固态继电器，采用1H触点形式，有4个引脚，其中两个接线端为输入端，一个接5V电源，一个接ATmega16的管脚。

3 温度采集程序

本文通过数字温度传感器DS18B20采样被控对象的当前温度值并送数码管显示。再将该温度测量值与键盘设定值进行比较，其差值送模糊PID控制器，处理后输出一定数值的控制量，根据控制量的值确定继电器通电的时间，从而完成对被控对象的加热，DS18B20测温原理如图3所示。

4 小结

通过上面的方法可以获得高分辨率的温度测量结果，首先用DS18 B20提供的读暂存寄存器指令(BEH)，读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位(LSB)，得到所测实际温度整数部分T整数，然后再用BEH指令读取计数器1的计数剩余值M剩余和每度计数值M每度，考虑到DS18B20测量温度的整数部分是以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度T可用下式计算得到：T实际= ( T整数-0.25℃) + (M每度-M剩余)/M每度。读键程序框图如图4所示，设置行线输入方式，列线输出方式。向所有行线输出低电平。读取PC4～PC7口(列线)状态，若皆为高电平，则无按键按下；若有低电平状态，则有键按下。当有键按下时，保留此时的列线状态。

图3 DS18B20测温原理

图4 键盘输入程序框图

参考文献：

[1]张 丽.单片机的发展与应用[J].科学咨询导报，2007,(9).

[2]刘 飞，须文波. 单片机FUSSY-PID双模温控仪[J].电子与自动化，1996,(4).

[3]田开坤.基于AVR单片机捕获中断和热敏电阻的温度测量[J].现代电子技术,2008,(3).