AVR單片機的全功能工業控制器設計

引言

　　在自動控制產品的設計過程中，實現方案的選擇常常是很矛盾的。使用可編程邏輯控制器（PLC）和人機界面（HMI）來實現，開發速度較快，但成本太高，所開發的產品沒有市場競爭力；使用單片機開發，成本低但開發周期長、開發量大且通用性不好。用戶需要的是一種成本低、開發周期較短、通用性較好的控制器，因此全功能工業控制器有很大的應用市場。

　　全功能工業控制器的整個電路分為信號隔離輸入部分、控制器輸出部分、實時時鐘與歷史數據存儲部分、彩色液晶顯示和觸摸屏控制部分、通信接口等。

1　信號隔離輸入電路

　　信號隔離輸入電路分為開關量隔離輸入、模擬量隔離輸入、高速電脈沖隔離輸入，電路如圖1所示，開關量的隔離輸入較為簡單，輸入信號采用光耦進行隔離后送入單片的普通I/O，單片機用查詢方式進行采集。

圖1　信號隔離輸入電路

　　高速電脈沖的采集需要注意的是，所設計的電路必須適應高速信號采集的要求，因此隔離光耦應采用高速光耦（如6N137等）。采用查詢方式采集高速脈沖容易造成采集數據的丟失，高速脈沖應采用中斷方式進行采集。

　　模擬量隔離采集是本控制器的一個重點和難點，筆者之前采用了線性光耦等多種方式進行模擬量的隔離采集實驗，均未獲滿意的效果。這里采用一種先將模擬量數字化（使用AD7705），然后通過有光耦隔離的數據口送到CPU進行模擬量隔離采集的方式，效果理想。

2　控制器輸出電路

　　控制器的輸出方式有繼電器輸出、晶體管輸出、模擬電壓輸出，如圖2所示。繼電器輸出和晶體管輸出電路較為簡單，這里不作詳細的介紹。下面著重介紹模擬電壓的產生原理。

圖2　控制器輸出電路

　　模擬電壓的輸出主要利用ATmega128的PWM端口來實現，PWM輸出脈沖經光耦隔離后再進行濾波產生所需的直流信號。為了提高驅動能力，加了一級射極跟隨器，如圖2上半部所示。

　　PWM電壓調節實現的程序如下：

#define PWM1_IN(){DDRB.5=1;PORTB.5=0;}//PWM端口控制

#define PWM1_OUT() DDRB.5=1;

/**********************

PWM初始化程序：

使用TIMER1，預分頻為8，設置10位快速PWM模式，關閉中斷

**********************/

void pwm_init(void){

　　 TIMSK=0xC3; //關閉TIMER1中斷

ETIMSK=0xFE;

　　 TCCR1A=0; //關閉定時器

TCCR1B=0;

OCR1A=0x0000; //關閉輸出

OCR1B=0x0000;

TCCR1A=0xA3; //設置10位快速PWM

//模式，預分頻為8

　　 TCCR1B=0x0A;

　　 PWM1_IN()

}

/***************************

PWM通道控制程序： 功能——可以進行單通道的開關和調整輸出

入口參數—— b為通道控制（1—改值，2—開端口，3—關端口）；