基于ATmega16的远程温差循环控制器的设计

该设计使用AVR单片机，运用RS 485技术以及NTC热敏传感器技术，研制开发了该远程温差循环控制器。

1 系统结构和工作原理

远程温差循环控制器主要用于测量、显示分体承压太阳能热水器的水箱水温、集热器温度、管道温度及控制温差循环、辅助电加热、管道防冻和参数设置等。控制器主要由主机、从机、水温传感器、防冻传感器等部分组成。主机核心为ATmega16单片机，通过RS 485与从机通信，显示从机采集的温度数据，并完成基本功能设置，把设置数据传送给从机；从机也是以ATmega16单片机为主控器，完成数据采集和控制执行，其系统总体结构框图如图1所示。

2 系统硬件设计

远程温差循环控制器以ATmega16为核心，该单片机带有串行接口，可以接485转换芯片，实现RS 485通信；内置8位A／D模块，可直接实现8通道模拟信号的A／D转换输入；带有512 B的E2PROM，可以实现数据掉电保护。

2.1 主机电路

主机的主要功能是接收从机采集4路温度数据，并显示在128×64的液晶上；主机的另外一个功能是完成基本的设置，然后把设置参数发送给从机。主机主要由RS 485通信、键盘输入、LCD显示等几个模块组成。

2.1.1 RS 485通信

由于RS 485总线通信模式具有结构简单，价格低廉，通信距离和数据传输速率适当等特点，因而已广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域。

在该设计中使用接口芯片MAX485，如图2所示。该芯片是Maxim公司的一种RS 485芯片，采用单一+5 V电源工作，额定电流为300μA，采用半双工通信方式。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可。RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE端口为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE端口为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的管脚PD2控制这两个引脚即可。A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。

2.1.2 RS 485通信的抗干扰问题

RS 485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败，甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS 485总线的运行可靠性至关重要。

在该设计中，首先采用光电隔离。图2中，四位一体的光电耦合器TLP521_1使单片机与MAX485之间实现了完全的电隔离，消除了相互干扰，提高了工作的可靠性。如图2所示，单片机接收端RXD接TLP521_1的第13引脚；MAX485的RO接TLP521_1的第3引脚。这样，当RO有信号输入时，TLP521_1的第3引脚，通过光电耦合管使第13引脚有相应的电信号，从而降低了相互干扰。TXD，PD2的结构和RXD相同。其次，在RS 485的输出端即A，B两端加入信号限幅二极管D1～D4，其稳压值应保证符合RS 485标准，D1和D3取12 V，D2和D4取7 V，以保证将信号幅度限定在-7～+12 V之间，进一步提高抗过压的能力。考虑到线路的特殊情况(如某一节点的RS 485芯片被击穿短路)，为防止总线中其他分机的通信受到影响，在MAX485的信号输出端串联了两个3.3 kΩ的电阻R8和R10，这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统工程现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120 Ω左右，所以在线路设计时，在RS 485网络传输线的始端和末端应各接120 Ω的匹配电阻(如图2所示中的R9)，以减少线路上传输信号的反射。通过上述几点，可以有效地降低RS 485通信中的干扰。

2.1.3 输出显示和键盘输入电路

液晶显示用的是OCM中128×64的液晶，该液晶显示模块为128×64点阵型液晶显示模块，既可显示各种字符及图形，又可以显示4行汉字，刚好符合该设计要求，显示4路温度，并可与CPU直接接口，具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。该设计中，由于单片机接口预留有限，所以LCD与单片机的连接采用串行数据输入方法，数据通过单片机PA7与LCD串行输入端的第4引脚相连；PA4、PA5为片选信号，分别接LCD的第15、第16引脚；PA6作为读／写使能信号，与LCD的第6引脚相连，它不仅接口简单，而且节约了单片机的I／0口资源。键盘输入接口使用到8个按键，采用行列式2×4键盘实现。

2.2 从机电路

从机的主要功能是完成4路温度数据采集，并将这些数据传送给主机；然后接收主机下达的基本设置数据，控制实现温差循环、RS485通信、辅助电加热、管道防冻等功能。RS 485通信与主机相同，下面主要介绍测温和继电器控制部分。

2.2.1 测温电路

测温的关键是