【正文】 定 值 器 控 制 器 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 控 制 機(jī) 構(gòu) 被 控 對(duì) 象檢 測(cè) 元 件 與 變 送 器擾 動(dòng) 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(jì)方案 基于 PID的 液位調(diào)節(jié)器 設(shè)計(jì) 的目的 是實(shí)現(xiàn) 液位 的自動(dòng) 調(diào)節(jié) ，即建立 PID控制，通過(guò)反饋?zhàn)饔帽容^實(shí)時(shí) 液位與預(yù)設(shè)液位的大小以自動(dòng)調(diào)節(jié) 液位 。 4 （ 3） 在學(xué)習(xí)單片機(jī)的基 礎(chǔ)上， 完成 硬件電路 各個(gè)功能模塊 的設(shè)計(jì) 和 軟件程序的編寫(xiě) ， 以及 電路 仿真和 調(diào)試 ，最終實(shí)現(xiàn)液位 顯示、自動(dòng)調(diào)節(jié) 的 功能 。 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)的最終方案。 （ 1） 完成基于 PID的液位 調(diào)節(jié)器 設(shè)計(jì)； （ 2） 實(shí)現(xiàn)液位的 自動(dòng) 控制； （ 3） 具有 液位 顯示功能 ； （ 4） 具有 鍵盤(pán)設(shè)定 PID控制參數(shù)功能 ； （ 5） 當(dāng)液位超過(guò)報(bào)警范圍時(shí)，能通過(guò)聲光報(bào)警 。電加熱控制系統(tǒng) 采用 的傳感器是溫度傳感器。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。 基于對(duì)水位測(cè)量原理的研究和水位傳感器的分析，在本 液位調(diào)節(jié) 系統(tǒng)中采用 了液位檢測(cè)電路 和單片機(jī)智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì) 液 位的測(cè)量 和控制 。能夠直接為沿海工程、港口建設(shè)、交通運(yùn)輸、海洋生物資源開(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、濕地保護(hù)及近岸海洋開(kāi)發(fā)提供研究、評(píng)價(jià)和作業(yè)必不可少的依據(jù)。 關(guān)鍵詞 ： AVR單片機(jī) ； PID調(diào)節(jié) 器 ； 液位 控制 ABSTRACT PID controller mainly suitable for basic linear and dynamic characteristics of the system does not change over time, it is a mon in application in industrial control feedback loop ponents. And other simple control operations according to different PID adjustor, historical data and the difference between the rate to adjust the input value, can make the system more accurate, more stable. Through mathematical methods in other control methods, cause the system has stable error or process repeated instances, a PID feedback loop can keep the system stability. Therefore, PID control widely used in industrial production and daily life. As one of the important accused of quantity, the control system of the level of attention. This paper designs a level system, the system to ATmega16L microcontroller as the core to realize automatic adjustment and level shows level. Design level control system, convenient operation, good performance, and can effectively control level. The paper also gives a detailed parts related hardware circuit and software flow chart, and the C programming language. Key words: AVR microcontroller。 作為重要的被控量之一的液位，其控制系統(tǒng)引人關(guān)注。 PID液位 調(diào)節(jié) 器 是基于 PID控制器原理的、 可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的 出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值 的裝置。它 可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定的控制液位 。 本文設(shè)計(jì)了液位 調(diào)節(jié) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)以 ATmega16L單片機(jī)作為控制核心， 實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)調(diào)節(jié)和液位顯示。 The PID regulator。又比如在工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)中對(duì)水位的監(jiān)測(cè)要 求也是很高的，現(xiàn)今大多數(shù)電廠都采用工業(yè)鍋爐采用微機(jī)控制，它可以直觀而集中的顯示鍋爐各運(yùn)行參數(shù)。 目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成 為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。目前， PID控制及其控制 3 器或智能 PID控制 器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的 PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有 PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中 PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文 以 ATmega16L單片機(jī) 為核心， 結(jié)合 傳感器 技術(shù) 來(lái)實(shí)現(xiàn) PID液位 調(diào)節(jié) 器 的設(shè)計(jì)。 （ 2） 選擇 以 單片機(jī) 為核心的中央處理器。 5 2 系統(tǒng) 工作原理及其總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)工作 原理 在工程實(shí)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(jiǎn)稱 PID控制，又稱 PID調(diào)節(jié)。 本設(shè)計(jì)的基本系統(tǒng)構(gòu)成 主要 包括 單片機(jī)核心 控制模塊 、 液位 采集模塊、 執(zhí)行 模塊 、電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊、 6 報(bào)警模塊 等 。 圖 23 總體 設(shè)計(jì) 方案框圖 單片機(jī) ATmega16L 液位傳感器 水泵 時(shí)間模塊 液晶 顯示模塊 蜂鳴器、高亮發(fā)光二極管 鍵盤(pán)輸入 7 3 系統(tǒng) 的 硬件電路設(shè)計(jì) 核心控制 模塊 的設(shè)計(jì) ATmega16L單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī) (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(chǔ)器（ RAM）、程序存儲(chǔ)器（ ROM或者 FLASH）、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器以及多種 I/O接口的單芯片型微型計(jì)算機(jī)。 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(chǔ)器 ； 工作電壓和時(shí)鐘 :～ 5V。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部拉低時(shí)將輸出電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。端口 C也可以用做其他不同的特殊功能。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)始終還未起振，端口 D處于高阻狀態(tài)。 （ 8） XTAL2為晶振反相放大器的輸出端。 （ 10） AREF是 A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 9 圖 31 ATmega16L最小系統(tǒng)電路圖 液位采集模塊的設(shè)計(jì) 液位傳感器 選擇 傳感器是信號(hào)采集系統(tǒng)的首要部件，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)量和自動(dòng)控制的主要環(huán)節(jié)，是信息的源頭，又是信息社會(huì)賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。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。該 ADC還包含了一個(gè)放大器。 AREF為外部參考電壓輸入端，此電壓應(yīng)該在 AGND與 AVCC之間。 系統(tǒng)在 ADC時(shí)鐘的上升沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，第一次啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，將引發(fā)一次啞轉(zhuǎn)換過(guò)程以初始化 ADC而得不到采樣值。而當(dāng) ADC工作在自由轉(zhuǎn)換模式時(shí)，第 13個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束 A/D轉(zhuǎn)換后即可立即開(kāi)始下一次的 A/D轉(zhuǎn)換。為 了減小 ATmega16L單片 機(jī)的內(nèi)外部數(shù)字電路產(chǎn)生的電磁 11 干擾 (EMI)對(duì)模擬測(cè)量精度的影響，在 A/D轉(zhuǎn)換精度要求很高時(shí)，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(diǎn)相連； ? 盡量縮短模擬信號(hào)通路并遠(yuǎn)離高速數(shù)字通路； ? 模擬電源端 AVCC要通過(guò)一個(gè) 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(guò)程中盡量不要改變其狀態(tài)。 位 2～ 0： MUX2MUX0選擇 A/D轉(zhuǎn)換的通道。 位 7： ADEN位為 ADC使能位。在轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)入 ADC數(shù)據(jù)寄存器之前一個(gè) ADC時(shí)鐘， ADSC變?yōu)榈汀?ADC工作于自由轉(zhuǎn)換方式時(shí)，第一次轉(zhuǎn)換時(shí)也必須置位ADSC位啟動(dòng)一次啞轉(zhuǎn)換，以初始化 ADC。在中斷服務(wù)程序里， ADIF被硬件清零，對(duì) ADIF位寫(xiě) 1也可以對(duì)其清零。 模擬輸入通道和差分增益的選擇是通過(guò) ADMUX寄存器中的 MUX位設(shè)定的。這樣，在 ADCH寄存器被讀取以前即使新一次的采樣已完成，系統(tǒng)仍不會(huì)更新 ADC數(shù)據(jù)寄存器，以保證對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的正確讀取。 （ 2） 水泵泵的工作原理 ： 容積式泵 是 利用工作腔容積周期變化來(lái)輸送液體 ；葉片泵 是 利用葉片和液體相互作用來(lái)輸送液體。 DC24V時(shí)能連續(xù)通電時(shí)間 20多分鐘。 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路 的設(shè)計(jì) 本 設(shè)計(jì)為 了能實(shí)現(xiàn)水泵的抽水還要為其提供 12V直流電源，這就用到了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 L298N的 電源采 用 12V電壓輸出提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓；輸出 5V電壓提供單片機(jī)和探測(cè)系統(tǒng)電源。 IN15IN27IN310IN412EN A6EN B11GND8VSS9VS4OUT12OUT23OUT313OUT414ISEN A1ISEN B15U3L298NVCC+12VA+D1 D2D3 D4PWM圖 33 L298N驅(qū)動(dòng) 模塊 電路圖 15腳 Multiwatt封裝的 L298N的引腳符號(hào)及功能如 表 34所示 表 33 L298N的引腳符號(hào)及功能 功能 5 SEN SEN2 分別為兩個(gè) H橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地 3 1Y 1Y2 輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端（如 1A1與 1Y1） 同邏輯 4 Vs 驅(qū)動(dòng)電壓，最小值需比輸入的低電平電壓高 7 1A 1A2 輸入端， TTL電平兼容 11 1EN、 2EN 時(shí)能端，低電平禁止輸出 8 GND 地 16 應(yīng)用 L298N時(shí) 需要兩個(gè)電 壓，一個(gè)為邏輯電路工作所需的 5V電壓 Vcc，另一個(gè)為功率電路所需的驅(qū)動(dòng)電壓 Vs。 （ 2）使能端輸入使能信號(hào)，控 制輸入端 A輸入 PWM信號(hào)，控制輸入端 B輸入PWM的反信號(hào)。 使能端 控制 A 控制 B 電機(jī)狀態(tài) 高電平 高電平 低電平 正轉(zhuǎn) 低電平 高電平 反轉(zhuǎn) 同高或同低 剎車(chē) 低電平 任意 任意 自然停轉(zhuǎn) 表 34 電機(jī)控制狀 態(tài) 液位設(shè)定 模塊的結(jié)構(gòu)及功能 鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。 本設(shè)計(jì)采用的是獨(dú)立式 鍵盤(pán)電路。 顯示模塊的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中 采用 了 LCD12864作為顯示 信息器件，與用戶進(jìn)行友好交互。表 34為液 晶顯示模塊管腳排列和功能，圖 310是它與系統(tǒng)單片機(jī)連接的原理圖 。 壓電式蜂鳴器主要由 多諧振蕩器 、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成 。另外 還使 用 了 高亮 、 大功率的發(fā)光二極管作光報(bào)警。主電源電路圖如 圖 36所示 圖 36 電源設(shè)計(jì)電路 20 4 系統(tǒng) 的軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 軟件所 要 實(shí)現(xiàn)的功能 :實(shí)時(shí)控制 小水泵（ 電機(jī) ）； 實(shí)時(shí)檢測(cè)是否超出上下限 ； 實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的數(shù)據(jù)、時(shí)間、上下限數(shù)值 ； 實(shí)時(shí)監(jiān)控鍵盤(pán)輸入 ； 報(bào)警控制 。軟件的主要任務(wù) 是完成芯片的初始化等工作，如數(shù)據(jù)采集、處理、顯示，延時(shí)、中斷 等。由此可見(jiàn)，控制器在控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心和靈魂。 本系統(tǒng)的 PID程序采用的是增量型算法 如圖 41所示 。但是，這種控制也有不足之處： 積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差；溢出的影響大。 模擬 PID調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律如公式 41所示 )(tu? = KP [e(t)+Ti1 )()(0 tdtet? +TD dttde)( ] （ 41） 式中， KP為比