【正文】 的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。 通過本次畢業(yè)設(shè)計 對 掌握電路設(shè)計 和 ATmega16L程序設(shè)計 的 思路與方法， 結(jié)合單片機與傳感器技術(shù)對液位進行 檢測和 控制 以使 系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減少，過渡過程時間縮短，振蕩次數(shù)減少 控制 成為本系統(tǒng)研究的主要目的和意義。 本設(shè)計的優(yōu)點及其所要實現(xiàn) 的功能 針對液位控制過程中存在大滯后、時變、非線性的特點，該數(shù)字 PID控制器可以在線實現(xiàn) PID參數(shù)和程序的修改，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減少，過渡過程時間縮短，振蕩次數(shù)減少 等優(yōu)點 。 （ 1） 完成基于 PID的液位 調(diào)節(jié)器 設(shè)計； （ 2） 實現(xiàn)液位的 自動 控制； （ 3） 具有 液位 顯示功能 ； （ 4） 具有 鍵盤設(shè)定 PID控制參數(shù)功能 ； （ 5） 當(dāng)液位超過報警范圍時，能通過聲光報警 。 本文的主要研究內(nèi)容 本文 以 ATmega16L單片機 為核心， 結(jié)合 傳感器 技術(shù) 來實現(xiàn) PID液位 調(diào)節(jié) 器 的設(shè)計。主要研究 PID液位調(diào)節(jié) 器 的基本工作原理，硬件電路設(shè)計及軟件設(shè)計。其中，硬件部分包括核心控制模塊 ATmega16L單片機及其外圍電路的設(shè)計；軟件部分包括系統(tǒng)程序控制流程圖以及主程序 及 各功能模塊程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容。 在本次畢業(yè)設(shè)計中， 主要 涉及到如下工作 ： （ 1） 研究與 分析 PID控制 理論 的發(fā)展現(xiàn)狀 ，并提出本設(shè)計的最終方案。 （ 2） 選擇 以 單片機 為核心的中央處理器。在設(shè)計的過程中，熟悉 ATmega16L單片機 C語言的設(shè)計流程 和開發(fā)環(huán)境。同時，對各功能模塊進行軟硬件的設(shè)計與實現(xiàn)。 4 （ 3） 在學(xué)習(xí)單片機的基 礎(chǔ)上， 完成 硬件電路 各個功能模塊 的設(shè)計 和 軟件程序的編寫 ， 以及 電路 仿真和 調(diào)試 ，最終實現(xiàn)液位 顯示、自動調(diào)節(jié) 的 功能 。 5 2 系統(tǒng) 工作原理及其總體設(shè)計方案 系統(tǒng)工作 原理 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID調(diào)節(jié)。 PID控制原理如圖 21所示。 圖 21 PID控制 原理圖 PID調(diào)節(jié)器就是基于 PID控制原理而實現(xiàn)自動控制的 系統(tǒng) ，其結(jié)構(gòu) 圖如圖 22所示。 定 值 器 控 制 器 執(zhí) 行 機 構(gòu) 控 制 機 構(gòu) 被 控 對 象檢 測 元 件 與 變 送 器擾 動 Dr s u H操 縱 量 r被 控 量 y+ 圖 22 PID液位 調(diào)節(jié)器 原理 圖 總體設(shè)計方案 基于 PID的 液位調(diào)節(jié)器 設(shè)計 的目的 是實現(xiàn) 液位 的自動 調(diào)節(jié) ，即建立 PID控制，通過反饋作用比較實時 液位與預(yù)設(shè)液位的大小以自動調(diào)節(jié) 液位 。 本設(shè)計的基本系統(tǒng)構(gòu)成 主要 包括 單片機核心 控制模塊 、 液位 采集模塊、 執(zhí)行 模塊 、電機驅(qū)動 模塊、 6 報警模塊 等 。 本系統(tǒng) 先通過 液位采集模塊 對水位 信號進行采樣 ，然后將采集到的信號送 給 ATmega16L單片機 進行處理，最后 控制由 驅(qū)動電路 驅(qū)動 的 水泵 實現(xiàn)液位調(diào)節(jié) 。 另外，本設(shè)計還實現(xiàn)了 當(dāng)前液位值 及超限液位報警 等功能 。 總體方案 如圖23所示 。 圖 23 總體 設(shè)計 方案框圖 單片機 ATmega16L 液位傳感器 水泵 時間模塊 液晶 顯示模塊 蜂鳴器、高亮發(fā)光二極管 鍵盤輸入 7 3 系統(tǒng) 的 硬件電路設(shè)計 核心控制 模塊 的設(shè)計 ATmega16L單片機簡介 單片機 (又稱微處理器 )是在一片 硅片上集成了中央處理器（ CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）、程序存儲器（ ROM或者 FLASH）、定時器 /計數(shù)器以及多種 I/O接口的單芯片型微型計算機。 本設(shè)計所采用的單片機是 ATmega16L單片機開發(fā)板。該單片機芯片由 ATMEL公司于 1997年推出的一款高端 AVR單片機（ ATmega系列）。它有內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性價比高、 功耗低、生產(chǎn)技術(shù)高密度、擁有非易失性存儲等優(yōu)點。 功能特性概述 AVR RISC結(jié)構(gòu) ； 數(shù)據(jù)和非易失性程序存儲器 ； 工作電壓和時鐘 :～ 5V。0～8MHz. 引腳功能說明 （ 1） VCC為數(shù)字電路的電源， GND為地。 （ 2） 端口 A（ PA7PA0）作為 A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，是 8位雙向 I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 A處于高阻狀態(tài)。 （ 3） 端口 B（ PB7PB0）為 8位雙向 I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)始終還未起振，端口 B處于高阻狀態(tài)。端口 B也可以用做其他不同的特殊功能。 （ 4） 端口 C（ PC7PC0）為 8位雙向 I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)始終還未起 振，端口 C處于高阻狀態(tài)。如果 JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5 8 （ TD1）、 PC3（ TMS）與 PC2（ TCK）的上拉電阻被激活。端口 C也可以用做其他不同的特殊功能。 （ 5） 端口 D（ PD7PD0）為 8位雙向 I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)始終還未起振，端口 D處于高阻狀態(tài)。端口 D也可以用做其他不同的特殊功能。 （ 6） RESET為復(fù)位輸入引腳，持續(xù)時間超過最小門 限時間的低電平將引起復(fù)位。 （ 7） XTAL1為晶振反相放大器的輸入端和內(nèi)部時鐘操作電路的輸入端。 （ 8） XTAL2為晶振反相放大器的輸出端。 （ 9） AVCC是端口 A與 A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ADC時，該引腳應(yīng)該直接與 Vcc連接。使用 ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與 Vcc連接。 （ 10） AREF是 A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 ATmega16L單片 機 最小系統(tǒng) ATmega16L單片機內(nèi)含有 FLASH程序存儲器和 SRAM數(shù)據(jù)存儲器，故在一般情況下不需要擴展存儲器。在該單片機的 XTAL1和 XTAL2之間 加上 08MHz的晶振，并通過 20pF左右的電容接地為單片機提供工作時鐘，在 9引腳加上低電平復(fù)位的復(fù)位電路并為單片機加上 ， ATmega16L單片機即可正常工作。以上三部分共同組成了 ATmega16L單片機的最小系統(tǒng)如圖 31。 9 圖 31 ATmega16L最小系統(tǒng)電路圖 液位采集模塊的設(shè)計 液位傳感器 選擇 傳感器是信號采集系統(tǒng)的首要部件，是實現(xiàn)現(xiàn)代化測量和自動控制的主要環(huán)節(jié)，是信息的源頭，又是信息社會賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。 本系統(tǒng)用到的 是 液位 傳感器。 在眾多可以探測液位信號傳感器中，我選用了超聲波傳感器。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波 傳感器 ，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功 10 率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波 探頭 （表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。 超聲探頭的核心是其 塑料 外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波 長短 、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點 ， 因此 本系統(tǒng)選用了超聲波傳感器 。 采集電路的設(shè)計 AT mega16L單片機的 ADC的結(jié)構(gòu)及功能 ATmega16L單片機集成了 8通道 10位逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器。該 ADC還包含了一個放大器。它由模擬電源 AVCC和模擬地 AGND供電。模擬地 AGND與數(shù)字地 GND相連。模擬電源 AVCC與數(shù)字電源 VCC的電壓差別不能超過 。 AREF為外部參考電壓輸入端，此電壓應(yīng)該在 AGND與 AVCC之間。該單片機的 A/D轉(zhuǎn)換器具有 2LSB的精確度和 ，轉(zhuǎn)換時間在 65260us間，比較快速。 ATmega16L單片機的 ADC具有兩種工作方式：單次轉(zhuǎn)換方式和自由運行方式。在單次轉(zhuǎn)換方式下，由程序啟動每次轉(zhuǎn)換；而在自由運行方式下， ADC會連續(xù)采樣并更新 ADC數(shù)據(jù)寄存器，以保持最近一次的采樣值。 系統(tǒng)在 ADC時鐘的上升沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，第一次啟動 A/D轉(zhuǎn)換，將引發(fā)一次啞轉(zhuǎn)換過程以初始化 ADC而得不到采樣值。每一次 A/D轉(zhuǎn)換需要 13個時鐘周期。在進行第一次 A/D轉(zhuǎn)換時需要耗費 /保持時間，在第 13個時鐘周期的結(jié)束啞轉(zhuǎn)換 ，從而開始真正的 A/D轉(zhuǎn)換，在第 25個時鐘周期時完成第一次 A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)進入 ADC的數(shù)據(jù)寄存器。 當(dāng) ADC工作在單次轉(zhuǎn)換方式時，每次的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后需要一個額外的時鐘周期，以開始下一次的 A/D轉(zhuǎn)換。而當(dāng) ADC工作在自由轉(zhuǎn)換模式時，第 13個時鐘周期結(jié)束 A/D轉(zhuǎn)換后即可立即開始下一次的 A/D轉(zhuǎn)換。 A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘由系統(tǒng)時鐘經(jīng)過一個 7位的預(yù)分頻器得到。 ADC的時鐘分頻器的機構(gòu)。 ATmega16L單片機的 A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘應(yīng)該在 50～ 200KHz，過高的工作頻率將降低采樣精度。為 了減小 ATmega16L單片 機的內(nèi)外部數(shù)字電路產(chǎn)生的電磁 11 干擾 (EMI)對模擬測量精度的影響，在 A/D轉(zhuǎn)換精度要求很高時，就可以采用如下方式剪下噪聲干擾 : ? 使模擬地線與數(shù)字地線單點相連； ? 盡量縮短模擬信號通路并遠離高速數(shù)字通路； ? 模擬電源端 AVCC要通過一個 RC網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)字電源 VCC； ? 如果 PA口的一些引腳用作數(shù)字輸入口，則在 ADC轉(zhuǎn)換過程中盡量不要改變其狀態(tài)。 ATmega16L單片機與 A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器 ? ADC多路選擇寄存器 ADMUX($07) Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 _ _ _ _ _ MUX2 MUX1 MUX0 ADC多路選擇寄存器 ADMUX用于選擇 A/D轉(zhuǎn)換的通道。 ADMUX可讀可寫， 初始值為 0x00。 位 7～ 3：保留位。 位 2～ 0： MUX2MUX0選擇 A/D轉(zhuǎn)換的通道。如表 31所示。 表 31 ADC通道選擇表 MUX2 MUX1 MUX0 通道選擇 說明 0 0 0 通道 0 模擬信號從 PA0(ADC0)輸入 0 0 1 通道 1 模擬信號從 PA1(ADC1)輸入 0 1 0 通道 2 模擬信號從 PA2(ADC2)輸入 0 1 1 通道 3 模擬 信號從 PA3(ADC3)輸入 1 0 0 通道 4 模擬信號從 PA4(ADC4)輸入 1 0 1 通道 5 模擬信號從 PA5(ADC5)輸入 1 1 0 通道 6 模擬信號從 PA6(ADC6)輸入 1 1 1 通道 7 模擬信號從 PA7(ADC7)輸入 12 ? ADC控制和狀態(tài)寄存器 ADCSR(0x06) Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 ADEN ADSC ADFR ADIF ADIE ADPS2 ADPS1 ADPS0 ADCSR用于設(shè)置 A/D轉(zhuǎn)換器的工作方式和頻率。 ADCSR可讀可寫，初始值為0x00。 位 7： ADEN位為 ADC使能位。 位 6： ADSC位為 ADC單次轉(zhuǎn)換方式選擇位。如果 ADC使能，置位 ADSC位將啟動一次 A/D轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中 ADSC一直保持為高。在轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果進入 ADC數(shù)據(jù)寄存器之前一個 ADC時鐘， ADSC變?yōu)榈汀? 位 5： ADFR位為 ADC自由轉(zhuǎn)換方式選擇位。如果 ADC使能，置位 ADFR，則 ADC功能工作于自由轉(zhuǎn)換方式下。 ADC將不斷對信號進行采樣并將最近一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入 ADC數(shù) 據(jù)寄存器。 ADC工作于自由轉(zhuǎn)換方式時，第一次轉(zhuǎn)換時也必須置位ADSC位啟動一次啞轉(zhuǎn)換，以初始化 ADC。 位 4： ADIF位為 ADC中斷標(biāo)志位。在 ADC轉(zhuǎn)換完成之后 ADIF置位。如果全局中斷位 I和 ADC中斷使能位 ADIF置位，則 ADIF置位時將執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序里， ADIF被硬件清零，對 ADIF位寫 1也可以對其清零。 位 3： ADIE位為 ADC中斷使能位。