基于ATmega128的温度控制系统

2017-11-21

传感器世界 2017年1期

北京信息科技大学信息获取与检测实验室，北京 100101

一、引言

21世界的今天，人们的生活水平随着科学技术及经济社会的发展不断提高，无论是日常生活中还是工业生产上，对制冷制热的性能以及环境质量的要求越来越高，温度无疑是个常见且非常重要的要素。长久以来，人们对温度的控制方法研究乐此不疲。

温度控制与采集系统主要是针对制定区域或空间进行温度的实时监测，实时地采集记录温度信息，并实现对温度的自动化智能控制、调节，以确保温度一直保持在预计的范围内[1]。例如户外医疗方面，特殊药物储存对环境温度要求会比较高，这就需要一款便携温箱，恒温箱控制系统的核心是单片机[2]，我们根据这个思路设计了一个恒温控制系统，对于外出旅行或者户外军事方面，这个系统也具有较高的实用价值。

二、温度控制系统的总体设计

系统整体结构框图如图1所示。系统以ATmega128-16AC单片机作为控制核心，由电源电路、温度检测电路、键盘输入、温度控制电路和液晶显示电路等组成。在本系统的温度范围内，当需要恒定某个温度值时，只需要通过键盘键入温度即可。ATmegal28单片机是基于AVR RISC的低功耗8位单片机[3]，温度检测电路使用的传感器是Pt1000，键盘使用4*4键盘，H桥驱动电路[4]驱动半导体TEC片用于制冷制热。

三、系统硬件电路设计

1、电源电路

系统使用12V锂电池（供电范围为11.1～12.6V）供电，经三端稳压器LM7805输出稳定的+5V电压作为单片机的供电电源，电路如图2（a）所示。

TL431是TL、ST公司研发的并联型三端稳压基准，构成了系统的模拟电源电路，如图2（b）所示。其中，电路中的电容作为滤波使用。TL431具有稳压值可调，具有基准电压温漂小（≤±50ppm/℃）、稳压范围宽（2.5～36V）、负载电流范围大（1.0～100mA）等特点，

2、主控单元

本设计中使用ATmega128-16AC单片机作为核心控制器。引脚功能分配情况为：PE口为电桥电路（功率控制）端口；PF口为温度采样输入端口；PA口是4*4键盘输入口；PC口为液晶显示；PD口为液晶控制；主控单元电路原理图如图3所示。

3、温度测量电路

铂电阻传感器Pt1000的阻值随温度的变化而变化，以铂电阻作为测温元件进行温度测量的关键是要能准确地测出铂电阻传感器的电阻值[5]。它在 0℃时阻值为1000Ω。因其阻值随温度变化具有良好的线性特性，所以在许多高精度设备中被用作阻值计算或温度测量元件。本设计采用符合IEC751标准的Pt1000，其温度系数TCR=0.003851，温度电阻特性由公式（1）给出：

其中：Rt—t℃时刻的阻值；

R0—0℃时刻的阻值；

a,b,c—常数。

表1 TCR=0.003851时，a,b,c的值

由于b、c的值很小，在（1）式中将其忽略之后依然可以满足本系统的设计需求，因此，Pt1000的温度电阻特性可简化为：

又有：

由（2）、（3）、（4）、（5）式可得：

其中：Vref1—TL431的参考端电压；

Vref2—单片机的参考电压，Vref2=2.56V；

U0—Pt1000两端的电压；

U1—R5两端的电压。

（6）式为测量温度t与单片机中ADx的数值关系。温度测量部分电路图如图4所示。

4、温度控制电路

选用半导体制冷片TEC1-12706作为此温控系统的执行器，它的工作原理是依据帕尔贴效应在热电制冷技术上的应用，由热电制冷效应显著、制冷效率比较高的半导体热电偶构成。TEC1-12706的极限电压是V=127×0.12=15.4(V)，正常工作电压为极限电压的78%，约等于12V，最大工作电流为3A。

用四个MOS管(Q1，Q2，Q3，Q4)搭建的H桥作为TEC片的驱动电路，Q1，Q3低电平导通，高电平关断，Q2，Q4高电平导通，低电平关断。通过单片机能有效的控制TEC片工作面的状态。当测得温度与当前设置温度相同，执行驱动关闭；当测得温度高于设置温度，单片机控制AL高电平，BL低电平，驱动TEC片工作面制冷；当测得温度低于设置温度，单片机控制AL低电平，BL高电平，驱动TEC片工作面制热。温度控制电路如图5所示。

5、键盘输入和液晶显示电路

使用4*4键盘作为按键输入，S1～S8以及S10、S11输入数字0到9；S9为取消输入；S12为确认；S14，S15是加减按键；S13，S16是强制正、负（按一次有效）。液晶显示用的是HG2401287，它的电路连接方法如图6所示。显示的内容包含了设置温度、当前温度、加热和制冷标示符。

四、系统软件设计

系统的软件设计主要由系统初始化（包括液晶的初始化、端口的初始化等）、按键检测模块、温度传感器Pt1000的温度采集模块、液晶显示模块和半导体制冷片TEC的驱动模块等部分组成，每个模块对于整个系统的正常运行都很重要。整体流程图如图7所示。系统上电即开始检测当前温度，通过按键键入期望温度值，当前温度及设置温度在液晶上显示出来，通过程序判断Tn（设置温度）和Tg（当前温度）的数值关系，决定温度执行电路的工作状态，由此达到温度控制的目的。

五、系统的调试及测试

一个系统要能够正常工作并且达到预期的工作状态是其硬件设计合理并结合软件设计才能达到的，系统的调试包括硬件调试和软件调试两部分。

1、硬件调试

此温度系统最开始设计的时候，TEC片的驱动使用的是以L298N为主要元件设计的驱动电路，L298N是一种双H桥电机驱动芯片，从工作模式上来讲是符合本系统的设计需求的，但是在调试的时候发现用它来驱动TEC片，在短暂的几分钟之后它的温度就升高了许多，使用万用表检测出其电压和电流，计算得知它的工作功率接近最大功率，这种情况是非常容易烧毁元器件的，并且影响系统的稳定工作。我们用四个MOS管搭建的H桥也能实现同样的功能，并且它的驱动能力也能达到系统的设计需求。

2、软件调试

主要包括液晶显示、按键检测和温度检测等。比较复杂的是温度检测部分，将温度传感电路测出的温度值t与单片机中的AD值对应起来是非常重要的部分，这关系到温度测量的精度。温度传感器的标定使用了实验室的温箱，测量不同温度下Pt1000的实际电压值（见表2U0），取单片机的参考电压值Vref2=2.5V，通过公式（3）、（5）可计算出给定温度下对应的实际AD值（见表2实际ADx），再用这组ADx的值拟合出Pt1000实际的温度值与单片机AD的对应关系，见图8中系列2。图8中系列1为温度t与AD的理论数值关系，由公式（1）、（6）计算得出，由图可以看出实际测量值与理论计算值的误差很小，说明温度测量的精度是比较高的。