基于ATmega128的溫度控制系統

北京信息科技大學 信息獲取與檢測實驗室，北京 100101

一、引言

21世界的今天，人們的生活水平隨著科學技術及經濟社會的發展不斷提高，無論是日常生活中還是工業生產上，對制冷制熱的性能以及環境質量的要求越來越高，溫度無疑是個常見且非常重要的要素。長久以來，人們對溫度的控制方法研究樂此不疲。

溫度控制與采集系統主要是針對制定區域或空間進行溫度的實時監測，實時地采集記錄溫度信息，并實現對溫度的自動化智能控制、調節，以確保溫度一直保持在預計的范圍內[1]。例如戶外醫療方面，特殊藥物儲存對環境溫度要求會比較高，這就需要一款便攜溫箱，恒溫箱控制系統的核心是單片機[2]，我們根據這個思路設計了一個恒溫控制系統，對于外出旅行或者戶外軍事方面，這個系統也具有較高的實用價值。

二、溫度控制系統的總體設計

系統整體結構框圖如圖1所示。系統以ATmega128-16AC單片機作為控制核心，由電源電路、溫度檢測電路、鍵盤輸入、溫度控制電路和液晶顯示電路等組成。在本系統的溫度范圍內，當需要恒定某個溫度值時，只需要通過鍵盤鍵入溫度即可。ATmegal28單片機是基于AVR RISC的低功耗8位單片機[3]，溫度檢測電路使用的傳感器是Pt1000，鍵盤使用4*4鍵盤，H橋驅動電路[4]驅動半導體TEC片用于制冷制熱。

三、系統硬件電路設計

1、電源電路

系統使用12V鋰電池（供電范圍為11.1～12.6V）供電，經三端穩壓器LM7805輸出穩定的+5V電壓作為單片機的供電電源，電路如圖2（a）所示。

TL431是TL、ST公司研發的并聯型三端穩壓基準，構成了系統的模擬電源電路，如圖2（b）所示。其中，電路中的電容作為濾波使用。TL431具有穩壓值可調，具有基準電壓溫漂小（≤±50ppm/℃）、穩壓范圍寬（2.5～36V）、負載電流范圍大（1.0～100mA）等特點，

2、主控單元

本設計中使用ATmega128-16AC單片機作為核心控制器。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，以鉑電阻作為測溫元件進行溫度測量的關鍵是要能準確地測出鉑電阻傳感器的電阻值[5]。它在 0℃時阻值為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備中被用作阻值計算或溫度測量元件。本設計采用符合IEC751標準的Pt1000，其溫度系數TCR=0.003851，溫度電阻特性由公式（1）給出：

其中：Rt—t℃時刻的阻值；

R0—0℃時刻的阻值；

a,b,c—常數。

表1 TCR=0.003851時，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的設計需求，因此，Pt1000的溫度電阻特性可簡化為：

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）式為測量溫度t與單片機中ADx的數值關系。溫度測量部分電路圖如圖4所示。

4、溫度控制電路

選用半導體制冷片TEC1-12706作為此溫控系統的執行器，它的工作原理是依據帕爾貼效應在熱電制冷技術上的應用，由熱電制冷效應顯著、制冷效率比較高的半導體熱電偶構成。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MOS管(Q1，Q2，Q3，Q4)搭建的H橋作為TEC片的驅動電路，Q1，Q3低電平導通，高電平關斷，Q2，Q4高電平導通，低電平關斷。通過單片機能有效的控制TEC片工作面的狀態。當測得溫度與當前設置溫度相同，執行驅動關閉；當測得溫度高于設置溫度，單片機控制AL高電平，BL低電平，驅動TEC片工作面制冷；當測得溫度低于設置溫度，單片機控制AL低電平，BL高電平，驅動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輸入數字0到9；S9為取消輸入；S12為確認；S14，S15是加減按鍵；S13，S16是強制正、負（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。顯示的內容包含了設置溫度、當前溫度、加熱和制冷標示符。

四、系統軟件設計

系統的軟件設計主要由系統初始化（包括液晶的初始化、端口的初始化等）、按鍵檢測模塊、溫度傳感器Pt1000的溫度采集模塊、液晶顯示模塊和半導體制冷片TEC的驅動模塊等部分組成，每個模塊對于整個系統的正常運行都很重要。整體流程圖如圖7所示。系統上電即開始檢測當前溫度，通過按鍵鍵入期望溫度值，當前溫度及設置溫度在液晶上顯示出來，通過程序判斷Tn（設置溫度）和Tg（當前溫度）的數值關系，決定溫度執行電路的工作狀態，由此達到溫度控制的目的。

五、系統的調試及測試

一個系統要能夠正常工作并且達到預期的工作狀態是其硬件設計合理并結合軟件設計才能達到的，系統的調試包括硬件調試和軟件調試兩部分。

1、硬件調試

此溫度系統最開始設計的時候，TEC片的驅動使用的是以L298N為主要元件設計的驅動電路，L298N是一種雙H橋電機驅動芯片，從工作模式上來講是符合本系統的設計需求的，但是在調試的時候發現用它來驅動TEC片，在短暫的幾分鐘之后它的溫度就升高了許多，使用萬用表檢測出其電壓和電流，計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，并且影響系統的穩定工作。我們用四個MOS管搭建的H橋也能實現同樣的功能，并且它的驅動能力也能達到系統的設計需求。

2、軟件調試

主要包括液晶顯示、按鍵檢測和溫度檢測等。比較復雜的是溫度檢測部分，將溫度傳感電路測出的溫度值t與單片機中的AD值對應起來是非常重要的部分，這關系到溫度測量的精度。溫度傳感器的標定使用了實驗室的溫箱，測量不同溫度下Pt1000的實際電壓值（見表2U0），取單片機的參考電壓值Vref2=2.5V，通過公式（3）、（5）可計算出給定溫度下對應的實際AD值（見表2實際ADx），再用這組ADx的值擬合出Pt1000實際的溫度值與單片機AD的對應關系，見圖8中系列2。圖8中系列1為溫度t與AD的理論數值關系，由公式（1）、（6）計算得出，由圖可以看出實際測量值與理論計算值的誤差很小，說明溫度測量的精度是比較高的。

表2 溫度t與ADx對應關系的理論計算與實際測量對比

經過硬件和軟件的綜合調試，在體積約為40*30*35(cm3)的立方體空間，配合規整的TEC片和Pt1000的位置安裝，系統的各個功能模塊均可正常運行，經測試得溫度靜態誤差在±0.5℃，滿足系統的設計需求。

六、結論

本系統實現了小空間溫度系統的恒溫功能，恒溫范圍可調節，在日常生活中，不僅可以在家方便使用，也可將其應用在戶外需求上。當然，合理的設計恒溫空間的布局和使用合適保溫材料能使該溫度系統運行更加完美。