ATmega1280工业控制器设计.docx

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ATmega1280工业控制器设计

1引言

随着社会的进步，人们生活水平的不断提高，人们对自动化水平的要求也有了一定的提高，自动控制的设备在生产生活的各个方面起到了很大的作用，市场需求也日益增大。

一方面工业生产的自动化需要可靠稳定性的设备，但另一方面这些设备对能源的消耗也是巨大的。

在工业自动化中，变频器在电机的软启动、功率因素补偿和变频节能方面的优势使其越来越广泛地应用在各个行业以及节能场合。

在实际应用中，由于交流调速技术特别是变频调速不仅具有优良的调速性能，而且还带来节约能源、减少维护费用、节约占地面积等优点，尤其适合在大容量或恶劣环境下工作。

单片机的出现是计算机发展史上的一个重要里程碑，它以体积小、功能全、性价比高等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。

一般认为，ATMEL公司的AVR系列单片机将成为最有发展前景的8位单片机之一，经过10多年的推广与发展，AVR系列单片机形成了一个规模较大、功能齐全、资源丰富的产品群。

从2002年开始，ATMEL公司先后推出了多套高端AVR系列产品，最为成功的应当属于ATmega系列。

ATmega128的推出，使AVR具备了更灵活的功能，也为该系列芯片进一步占领市场奠定了基础。

ATmegal28结构简单、性能可靠、使用灵活，越来越受到硬件工程师们的青睐。

为了最大限度地拓展ATmega的功能和应用潜力，ATMEL于2005年又推出了ATmega640、ATmega1280、ATmega2560、ATmega1281、ATmega2561五款高性能、低能耗的AVR闪存微处理器，统称为ATmega2560系列处理器。

这些新产品针对的是需要较大代码空间和广泛接口连接功能的应用产品。

可以预见，ATmega128和ATmega2560系列芯片必将成为国外科研机构和嵌入式设备生产厂商竞相使用的处理器产品。

本文着力研究AVR系列单片机中一款性能优越的单片机ATmega1280工业控制器的设计，及其控制的变频器系统的应用。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数，广泛的适用范围而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，其重要性日益得到世界各国的重视。

在世界能源紧缺的今天，开展变频调速技术的研究，推广其应用，有着非常重大的现实意义和巨大的经济效益及社会效益。

2选题背景

2.1课题来源、目的和意义

2.1.1题目来源

异步电机与其他各种电机相比，具有结构简单，运行可靠，效率较高，容易制造，价格低廉，坚固耐用等优点，因此在工农业生产和日常生活中获得了最广泛的应用。

例如，中小型轧钢设备、各种机床、起重机、鼓风机、水泵、轻工机械和农副业加工设备，日常生活中的家用电器及医疗器械中的拖动等等，大都采用异步电机。

而异步电机起动时的冲击电流，对电机本身和电网以及其它电气设备的正常运行都会造成不利的影响，一方面使电机发热会影响其使用寿命，供电线路电压损失增大，另一方面可能破坏并联于同一供电线路上的其它电气设备的正常运行。

为了减少大功率异步电机对电网的冲击，以及电机的调速控制，还有电能的节约，变频器应运而生。

变频器对电机的变频调速控制，可以减少无功损耗，节约大量的电能，但实际生产中光是做到这些事不够的，很多时候是需要变频器更加智能化的工作，在对电机变频调速的同时还需要实时监测电机运转以及自身针对电机的运行状况作出实时的调整。

本研究就是基于实际生产和日常应用，开发出一套基于ATmega1280单片机的控制系统，让电机的运行更加智能化，另外一些数据输入接口和继电器输出接口在工业控制的现场将发挥重大作用，从而更好地投入到实际生产中去。

2.1.2目的和意义

随着社会的进步，人们生活水平的不断提高，人们对自动化程度的水平有了一定的要求，自动控制的设备在生产生活的各个方面起到了很大的作用，在各方面扮演着越来越重要的角色，市场需求也日益增大。

本文就是针对于此，研究ATmega1280单片机控制器的设计，及其控制的变频器的应用。

ATmega1280采用流水线结构，单周期指令系统，在芯片内部，数据总线和指令总线分离，容许采用不同的字节宽度，嵌入闪存以及16路10位ADC，I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动高达40/20mA的负载。

该AVR单片机系统通过RS485总线以数字通讯的方式发送给变频器，改变电机的运行速度，实现电机的软启动，停止，加速，减速等，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，而且变频器内部的滤波电容的作用，而且减少了无功损耗，增加了电网的有功功率，从而实现了电机、电网的节能。

另外经过光耦隔离的数据输入接口，输出继电器接口和A/D数据采集，能对现场状况进行实时的检测与控制，并反馈给单片机；4-20mA也可以实现远程的数据传输与监控；预留的RS232接口也可以与PC机通信，实现上位机控制，更加人性化。

在世界能源紧缺的今天，开展变频调速技术的研究，推广其应用，有着非常重大的现实意义和巨大的经济效益及社会效益。

2.2研究现状

单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。

一般认为，ATMEL公司的AVR系列单片机将成为最有发展前景的8位单片机之一，从2002年开始，ATMEL公司先后推出了多套高端AVR系列产品，最为成功的应当属于ATmega系列，适用于高速、高精度的工业控制。

ATMEL于2005年又推出了ATmega640、ATmega1280、ATmega2560、ATmega1281、ATmega2561五款高性能、低能耗的AVR闪存微处理器，在通用开环交流调速系统中的应用较多。

由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。

扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。

作为交流调速系统不可缺少的变频器也得到了空前的发展，变频器的分类方法有多种，按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器。

PWM控制技术是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。

目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种，关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电力国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题。

尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了不断创新、不断完善的过程。

2.2.1国内外发展

放眼国内外，变频调速系统与控制理论和微电子技术息息相关，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。

全数字化控制系统随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。

在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。

目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。

2.2.2影响因素

就国内而言，国际上的变频器巨头（如ABB、西门子）市场的地位不可撼动。

另外无论是低压变频器的高端软件控制算法还是高压变频器的硬件结构设计，都需要拥有各方面多年经验的高级研发人员协调工作才可能完成，随着行业内有限的高端人才被几家优秀企业瓜分殆尽，要组合这样一支优秀研发队伍的难度越来越大。

国内现有的高压变频器企业均把硬件设计作为研发工作的重点,在软件算法方面则大多沿用过去的VF控制，普遍不具备成熟的矢量控制软件技术，这一技术发展思路并未妨碍其产品在风机、水泵等中低端场合的迅速推广应用，却使其产品在轧钢、电力机车、军工等高端应用领域受到限制。

2.3发展趋势

如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。

它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。

为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。

由更先进的控制理论，更高级的MCU，以及更加广泛的数字化通信将引领电机传动系统朝着更高层次迈进。

从2002年开始，ATMEL公司先后推出了多套高端AVR系列产品，最为成功的应当属于ATmega系列。

为了最大限度地拓展ATmega的功能和应用潜力，ATMEL于2005年又推出了ATmega640、ATmega1280、ATmega2560、ATmega1281、ATmega2561五款高性能、低能耗的AVR闪存微处理器。

本文将他们统称为ATmega2560系列处理器。

这些新产品针对的是需要较大代码空间和广泛接口连接功能的应用产品。

可以预见，ATmega128和ATmega2560系列芯片必将成为国外科研机构和嵌入式设备生产厂商竞相使用的处理器产品。

2.4有关本课题的研究

2.4.1课题应解决的主要问题

根据课题要求，本设计需要解决的主要问题有：

围绕ATmega1280单片机的特点并将其充分利用于工业控制。

用ATmega1280单片机实现一个智能控制系统，该控制系统能实时监测电机运行环境，还可以通过Modbus协议对变频器进行实时通信，从而使变频器控制的电机运行更加智能化，预留的众多输入输出接口适用于各种复杂的工业控制场合。

2.4.2课题应达到的技术要求

以ATmega1280为主控制器的系统集成了28个数字开关量信号输入（带LED指示），28个继电器输出，4个4-20mA数据采集接口（其中一个根据需要接上角位移传感器），利用Modbus远程控制的变频器可以对异步电机实现软起动，加速，减速，停止等一系列动作，另外预留的编程仿真接口可以适应不同场合更改程序，触摸屏的使用给人机交互带来了便利。

综合而言，该系统有很强的适应性，可靠性，可很好地应用于工业控制的大多数领域。

3方案论证

3.1方案综述

结合ATmega1280的数据手册：

四路8位PWM频道，2路分辨率可编程（2到16位）的PWM频道，16路10位ADC，面向字节的2-wire串口，四个可编程的串行USART，86个复用I/O高灌/拉电流：

40mA/20mA等。

这些丰富的模块和接口给工业控制系统的设计带来了便利。

围绕其模块功能，特将该系统设计为包含数据输入，数据采集，数据输出，控制器，通信模块，和电源模块。

工业现场的数字信号（或是开关信号）经数据输入口输入至控制器，模拟信号可以通过数据采集接口输入至控制器经过一系列运算，按照一定的算法经由数据输出口输出信号，另外，通信模块的加入，给人机交互产生了便利，使控制更加人性化。

3.2系统总体设计方案

由于工控的特殊场合，一方面既要考虑ATmega1280单片机控制系统资源的充分利用，另一方面，工控场合恶劣的环境因素也是不容忽视，增强运行稳定性的同时还要便于维护修理。

更有甚者，接口可以随意调配，程序也能实时更新以适应不同的应用场合。

综合考虑：

MCU数字信号的输入和输出应用光耦进行隔离，用于工业控制的很多场合需要用到继电器，因此特将一些输出数字信号经过光耦隔离后来驱动继电器工作，以免外部信号对单片机的运行造成影响，特别是一些开关信号可能造成电流浪涌；数据采集部分预留4路10位A/D转换；通信模块选用两个USART，可以与变频器和PC机或是一些触摸屏上位机进行通信,方便人机交互；由于将要使用的接口众多，加之工业控制很多场合24V，而本系统用的是5V，因此必须设计DC-DC电源模块，而且带负载能力比较强；除此之外，还得预留程序调试下载接口。

系统总体设计框图如图1：

图1系统总体设计框图

3.3系统模块设计方案论证

3.3.1传感器模块选型及方案论证

传感器的简介：

能够接受规定的被测量，并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。

通常传感器有敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件指传感器中能直接接受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。

在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发和获取、传输和处理，而传感器处于自动检测与控制系统之首，是获取与检测信息的窗口，传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换为易传输与处理的电信号，因此，传感器的地位与作用特别重要。

按照传感器的输出电信号可以分为电压输出型传感器，电流输出型传感器（一般是4-20mA）。

电压输出型传感器的好处是可以直接被单片机采集，缺点是如果远距离传输，传输线会受到噪声的干扰，传输线的分布电阻会产生电压降，接收端的信号就会产生一定的误差线路上的阻抗或是其他干扰就会造成信号衰减，而电流输出型传感器就可以避免这些问题，它在长线传输时优势极其明显，当然电流信号不能直接被单片机采集，需要经过转换，将电流信号转换成对应的电压信号。

4-20mA电流环除了能长线传输信号，还有一个好处就是能判断传输线是否断路，因此广泛应用于工业控制场合。

综合考虑，本文挑选4-20mA电流输出型的角位移传感器，该传感器进过一些机械传动的连接，可以实时监控一些工业场合的运行状况，比如电机转速，传送带上矿物等的流量等，从而传送至单片机，作出一系列的反应。

本文还需解决的就是4-20mA信号如何被单片机采集，解决方案主要有如下两种：

方案一：

用TI的精密4mA至20mA电流环接收器RCV420。

它可以达到0.1%的转换精度，还具有高抗干扰的特点。

查阅芯片数据手册芯片原理结构如图2：

图2RCV420芯片原理结构框图

虽然它的性能如此的高，但缺点也不少，如上所示：

工作温度0-70度，还有工作电源是双电源，高达40元/片的售价，这些都制约着该芯片在本设计中的应用。

方案二：

采用深圳顺源科技有限公司的非隔离转换放大器ISO-A4-P3-O4。

它是专门用于工业现场信号隔离及长线传输，以及4-20mA/0-5V信号变换，另外，可采用单电源5V、12V、15V、24V供电，而且还达到了工业级的工作温度：

-40-+85度，该产品特点及典型应用如下表1:

产品特点

典型应用

低成本、小体积，SIP8Pin

工业现场信号隔离及长线传输

无需外接电位器等，免零点增益调节

模拟信号采集

5V、12V、15V、24V等单直流电源供电

4-20mA/0-5V等信号的变换

4-20mA等标准信号输入，0-5V输出

仪器仪表与传感器信号收发

工业级温度范围：

-45-+85度

信号远程无失真传输

表1ISO-A4-P3-O4特点及典型应用

3.3.2光耦隔离

光耦合器亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。

它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。

当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。

以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。

光耦的种类也是各种各样，常用的TLP521-1如图3：

图3TLP521-1芯片原理结构图

该TLP521系列可以有多个光耦组合成的多光耦，二光耦TLP521-2的实物图如图4：

图4二光耦TLP521-2实物图

特性：

工作温度：

-25-+85度，工作电源最大可以达到55V驱动电流16-25mA，输出电流最大可达到50mA，由于ATmega1280的I/O拉电流、灌电流可以达到25mA，因此，该光耦与单片机的连接无需另外加电流驱动即可。

当然如果要求追求更加稳定的性能，可以加上达林顿管ULN2003来加强光耦输出的驱动能力。

光耦TLP521系列建议使用条件如下表2：

表2TLP521系列使用条件

特征

最小

典型值

最大

单位

供电电压

正向电流

集电极电流

工作温度

-25

℃

3.3.3继电器

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。

电磁继电器的原理如图5：

图5电磁继电器原理

为保证实际工作过程中的便利性与可靠性，本文选用的是欧姆龙的G2R-2-SND型继电器，该继电器可以由单片机的一个引脚同时控制两路输出，此两路输出中的一路既可以用来判断继电器是否出现故障，还可以反映继电器的输出状态。

3.3.4通信模块

RS232是一种常用的串口设备，它一般在通信和人机交互领域用于传输数据。

虽然串口系统要比并口系统复杂，但在数据传输时其却比并口系统所需要的数据线少，因而效率也更高。

RS232只需3条数据传输线就能完成数据的传输。

这三条线分别用于“发送数据”“接收数据”和信号接地线。

在这种连接方式中，“发送”和“接收”线用于在电脑之间发送和接收数据。

如其名字“串口”，数据以串行方式传输。

有两个引脚TXD和RXD。

还有其他引脚如RTS、CTS、DSR、DTR和RTS，RI。

“1”和“0”分别被定义为两个不同的电压等级：

3V至15V和-3V至-15V。

因为使用绝对电压表示逻辑，由于干扰，导线电阻等原因，通讯距离不远，低速时几十米也是可以的。

而RS485使用两线电压差来表达逻辑，逻辑“1”以两线间的电压差为+（2-6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2-6）V表示。

接口信号电平比RS232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

RS485最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，如果加上中继器，信号可以传输得更远。

此外RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。

综合比较RS232与RS485的优缺点，RS485通信接口用来控制变频器的工作，RS232预留给PC或是触摸屏等的上位机与系统板的通信。

RS485只是通信的物理层，还必须利用其对应的通信协议来设计软件。

经过一番查阅，控制器与变频器远程通信之间通常采用的是Modbus通信协议。

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。

通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。

它已经成为一通用工业标准。

有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。

它描述了控制器请求访问其它设备的过程,如何回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。

它制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。

如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。

在其它网络上,包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。

这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

在ModBus系统中有2种传输模式可选择。

这2种传输模式与从机PC通信的能力是同等的。

选择时应视所用ModBus主机而定,每个ModBus系统只能使用一种模式,不允许2种模式混用。

一种模式是ASCII（美国信息交换码）,另一种模式是RTU（远程终端设备）。

本文需要的是系统板与变频器远程通信，所以选择RTU传输模式。

3.3.5系统电源模块方案论证

系统需要多种电源，单片机需要+5V直流电源，继电器的驱动则需要24V直流电源，而且整个系统板的功耗不小，电源的带负载能力也必须达到。

方案一：

开关稳压电源。

开关电源顾名思义有开关动作，它利用变占空比或变频的方法实现不同的电压，实现较为复杂，最大的优点是体积小、重量轻、效率高，一般在90％以上，缺点是文波和开关噪声较大，适用于对文波和噪声要求不高的场合，由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。

方案二：

线性稳压电源，线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。

线性电源是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音。

但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。

综合考虑，由于24V电源主要作为继电器的驱动，因此做好屏蔽措施就可以应用于本系统板，其他器件需要的+5V电源则可以用DC-DC实现，简单适用。

3.3.6变频器

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。

变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。

变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。

变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。

通用型变频器绝大多数是交—直—交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，由整流回路（交—直交换），直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直—交变换）组成，当然还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成部分。

通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成，它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。

三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。

网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。

当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为1200—1600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍；逆变器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率

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