【正文】 字體，以及并口、串口兩種不同接口 ，有 廣泛的選擇余地，適用于各種不同的應(yīng)用場合。 VCCPD0PD1PD2RXDTXDGNDPrintA11B12Y13A24B25Y26GND7Y38A39B310Y411A412B413Vcc1474HC0823 51長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 31 第 4 章 軟件設(shè)計 本章介紹在 AVR 水溫自動控制系統(tǒng)中的軟件設(shè)計部分，其中包括控制算法及程序。就 AVR 系列ATmega16 控制系統(tǒng)開發(fā)而言，以 AVR 系列 ATmega16 控制器為硬件核心的運(yùn)動控制系統(tǒng)一般都是一些實(shí)時性要求較高的系統(tǒng)，同時，由于 ATmega16 控制器本身的特點(diǎn)，這類系統(tǒng)的軟件開發(fā)工作的難度要高于相應(yīng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計工作。 采用高級語言編程具有開發(fā)周期短、代碼可讀性強(qiáng)、代碼可移植性好、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。一般來說，軟件設(shè)計應(yīng)注意以下因素： 。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 32 。 PID 控制算法 按偏差的比例（ Proportional）、積分（ Integral）、微分（ Differential）進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱為 PID 調(diào)節(jié)器。下面分別討論比例調(diào)節(jié)器 P、積分調(diào)節(jié)器 I、微分調(diào)節(jié)器 D 的作用。 比例積分調(diào)節(jié)器（ PI） 采用比例調(diào)節(jié)的系統(tǒng)存在靜差，為了消除靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器，組成比例積分調(diào)節(jié)器。因此在實(shí)際生產(chǎn)中往往在積分調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入比例調(diào)節(jié)，把比例作用的及時性與積分作用消除靜 態(tài)誤 差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器。 在工業(yè)過程控制中，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動、氣動、液動等類型， 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 34 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件。 PWM 的控制方法 我采用的是控制時間比例的方法。較好的方法是采用調(diào)功方式，固態(tài)繼電器選用過零型，通過不同的觸發(fā)頻率可以得到不同的功率，比方說輸出功率 0－ 100％對應(yīng)單片機(jī)輸出觸發(fā)信號頻率 0－ 100KHZ。 3． 增加。 通過老師的指導(dǎo)和在自己查閱資料發(fā)現(xiàn)以下可以改進(jìn)的地方： 1. 采樣頻率 視系統(tǒng)慣性而定，慣性小采樣時間選小點(diǎn)，慣性大就選大點(diǎn)。 我采用的是控制時間比例的方法。 由于連續(xù)生產(chǎn)過程一般都有較大的時間常數(shù)，而微機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周 期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于過程對象的時間常數(shù)，因此數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，完全可以參照模擬調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法進(jìn)行，最后在實(shí)踐中加以調(diào)整，以得到比較理想的參數(shù)。 在 PID 三種 調(diào)節(jié)器中，微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克 服振蕩。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點(diǎn)，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)原位，因而能保 持靜 態(tài)誤 差為零。只有在控制作用為 U0 時才會出現(xiàn)零靜差（此時偏差 e=0 ）。它具有許多特點(diǎn)，如不需要求出數(shù)學(xué)模型、控制效果好等，特別是在微機(jī)控制系統(tǒng)中，對于時間常數(shù)比較大的被控對象來說，數(shù)字 PID 完全可以代替模擬 PID 調(diào)節(jié)器，應(yīng)用更加靈活，適用性更強(qiáng)。 。 。實(shí)際情況是，為了設(shè)計出性能價格比最高的 AVR 系統(tǒng)，需要盡可能充分的 AVR控制器的資源，這意味著代碼必須非常緊湊，效率很高，因而采用 C 語言編程一般能滿足實(shí)時性和性價比的要求。當(dāng)采用高級語言或 MATLAB 等工具對算法進(jìn)行模擬，并確定最終要實(shí)現(xiàn)的算法以后，軟件的設(shè)計工作就是采用合適的編程語言進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，并使程序的效率 滿足實(shí)時性要求。如何利用這些片上硬件資源，使整個系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的性能，則在很大程度上依賴于用戶軟件的設(shè)計。波特率設(shè)置為 9600bps。 ISP 端口 一般為 SCK， MOSI， MISO， RESET。 ISP 的工作原理 ISP的實(shí)現(xiàn)相對要簡單一些，一般通用做法是內(nèi)部的存儲器可以由上位機(jī)的軟件通過串口來進(jìn)行改寫。 這些電源僅僅作為數(shù)字和模擬控制轉(zhuǎn)換接口 部件的小功率電源。 ● ESD 保護(hù)大于 MILSTD883（方法 3015）標(biāo)準(zhǔn)的 20xxV。 ● 177。每一個發(fā)送器將 TTL/CMOS 電平轉(zhuǎn)換成 TIA/EIA232F 電平。鍵盤顯示電路如圖 318。因此，在應(yīng)用系統(tǒng)軟件方案設(shè)計時，應(yīng)考慮這種鍵盤掃描子程序的編程調(diào)用應(yīng)能滿足鍵盤響應(yīng)要求。例如復(fù)位用復(fù)位鍵，功能轉(zhuǎn)換用的功能鍵以及數(shù)據(jù)輸入用的數(shù)字 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 27 鍵盤等。除非不接 數(shù)碼管，否則連接至 DP 及 SA～ SG 的 8 只 200Ω 電阻也不能省去。在最后 1 個 CLK 脈沖的下降沿 DATA 引腳恢復(fù)高阻狀態(tài)，如圖 317所示。DATA 引腳為高阻狀態(tài)，如圖 315 所示。移位后，最左位內(nèi)容移至最右位，不改變消隱和閃爍屬性。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 25 (4)右移指令。 (2)測試指令。 KEY 為按鍵信號輸出端，在無鍵按下時 為高電平；而有鍵按下時此引腳變?yōu)榈碗娖讲⑶乙恢北３值芥I釋放為止。HD7279 的 與微處理器僅需 4 條接口線，其中 CS 為片選信號（低電平有效）。 DP為小數(shù)點(diǎn)的驅(qū)動輸出端。該端由低電平變成高電平并保持 25ms 即復(fù)位結(jié)束。 KEY 為按鍵信號輸出端，該端在無鍵按下時為高電平；而在有鍵按 下時變?yōu)榈碗娖剑⒁恢北３值桨存I釋放為止。通常，該端接＋ 5V 電源； ● DIG0～ DIG7： 8 個 LED 管的位驅(qū)動輸出端； ● SA～ SG： LED 數(shù)碼管的 A 段～ G 段的輸出端； ● DP：小數(shù)點(diǎn)的驅(qū)動輸出端； ● RC：外接振蕩元件連接端，其中電阻的典型值為 電容的典型值為15PF。 （ 4） 具有段尋址指令，可方便地用來控制獨(dú)立的ＬＥＤ顯示管 。 HD7279A 的主要特點(diǎn)如下 ： （ 1） 帶有串行接口，無需外圍元件便可直接驅(qū)動 LED?？赏瑫r驅(qū)動 8位共陰 極 式數(shù)碼管 (或 64 只獨(dú)立 LED)的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時可連接多達(dá) 64 鍵的鍵盤矩陣，一片即可完成 LED 顯示及鍵盤接口的全部 功能。 33445566SSR*GTJ310A300KR3+5加熱絲PB3220V 圖 314 固態(tài)繼電器的電路圖 鍵盤與顯示單元 HA7279A 是一種智能鍵盤和 LED 專用控制芯片，它帶有串行接口，可同時驅(qū)動８位共陰 極 式數(shù)碼管或 64 只獨(dú)立 LED。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。若 I/O 口給高電平，固態(tài)繼電器不工作，不能構(gòu)成通路，這時，在加熱爐的回路中，出現(xiàn)斷點(diǎn)，加熱爐沒有通上電源，所以不用加溫。 利用固態(tài)繼電器器來控制加熱爐加溫。部分 SSR 產(chǎn)品內(nèi)部已含 有瞬態(tài)抑制網(wǎng)路。對交流負(fù)載的控制有過零和非 過零控制功能。 圖 311 固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)原理圖 固態(tài)繼電器有許多類型可供用戶選擇：按品種分有軍用、民用 、 I/O 模塊；按輸出功能分有直流型、過零型、非過零型；按隔離方式有光隔離和變壓器隔離；按封裝結(jié)構(gòu)形式分有塑封型和金屬殼全密封型故態(tài)繼電器，以及各種特殊用途的故態(tài)繼電器。 固態(tài)繼電器按其工作性質(zhì)分直流輸入 交流輸出型、直流輸入 支流輸出型、交流輸入 交流輸出型、交流輸入 直流輸出型。這是通過改變計數(shù)器對溫度每增加一度所需計數(shù)的數(shù)值 來實(shí)現(xiàn)的。如果計數(shù)器在門周期結(jié)束前到達(dá) 0，則溫度寄存器（同樣被預(yù)置到 55℃ ）的值增加，表明所測溫度大于 55℃ 。 測溫操作 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 19 DS18B20 通過一種片 上溫度測量技術(shù)來測量溫度。 64 位 ROM 的排的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC=X8＋ X5＋ X4＋ 1）。以上特點(diǎn)使 DS18B20 非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。 圖 35 JTAG 方針接口設(shè)計圖 (5)電源設(shè)計 AVR 單片機(jī)最常用的是 5V 與 兩種電壓。由于沒有外圍零件，故（ MOSI）、（ MISO）、（ SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受 ISP 的干擾。需要一只 10K 的上拉電阻 。不過為了線路的規(guī)范化，我們?nèi)越ㄗh接上。 圖 32 復(fù)位電路設(shè)計 （ 2） 晶振電路的設(shè)計 Mega16 已經(jīng)內(nèi)置 RC 振蕩線路，可以產(chǎn)生 1M、 2M、 4M、 8M 的振蕩頻率。 D3(1N4148)的作用有兩個：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在 Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時，將 R1(10K)電阻短路，讓 C0 快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的 復(fù)位。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 ● 電源 。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 基本的 AVR 硬件線路，包括以下幾部分： ● 復(fù)位線路 。每個中斷在中斷向量表里都有獨(dú)立的中斷向量。 AVR 存儲器空間為線性的平面結(jié)構(gòu)。堆棧位于通用數(shù)據(jù) SRAM，因此其深度僅受限于 SRAM 的大小。 程序存儲器空間分為兩個區(qū)：引導(dǎo)程序區(qū) (Boot 區(qū) ) 和應(yīng)用程序區(qū)。 ALU也可 以執(zhí)行單寄存器操作。 寄存器文件里有 6 個寄存器可以用作 3 個 16 位的間接尋址寄存器指針 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 以尋址數(shù)據(jù)空間，實(shí)現(xiàn)高效的地址運(yùn)算。 快速訪問寄存器文件包括 32 個 8 位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。程序存儲器里的指令通過一級流水線運(yùn)行。不使用 ADC時，該引腳應(yīng)直接與 VCC 連接。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還 未起振，端口 D 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(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。 端口 C(PC7..PC0) 端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 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。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。 ATmega16 產(chǎn)品特性 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器 RISC 結(jié)構(gòu) 條指令 個 8 位通用工作寄存器 16MHz 時性能高達(dá) 16MIPS 器 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，擦寫壽命 : 10,000 次 。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將 應(yīng)用程序 下載到應(yīng)用 Flash 存儲區(qū) (ApplicationFlash Memory)。 ATmega16 有如下特點(diǎn) :16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時讀寫的能力，即 RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個通用 I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的 定時器 / 計數(shù)器 (T/C),片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口， 8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益 (TQFP 封裝 ) 的 ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門 狗定時器，一個 SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。智能儀表。文中詳述了該芯片的工作原理。從晶閘管的電路符號 可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷P(guān)鍵是多了一個控制極 G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了 電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)順效應(yīng)。 功率輸出單元的論證 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 方案一 ：采用固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器的優(yōu)點(diǎn)： （ 1）高壽命，高可靠 ， SSR 沒有機(jī)械零部件，有固體器件完成觸點(diǎn)功 能，由于沒有運(yùn)動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。 溫度采集單元的論證 方案一：采用溫度傳感器 DS18B20 美國 DALLAS 公司的產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度 信號的采集，有很多優(yōu)點(diǎn)：如直接輸出數(shù)字信號，故省去了后繼的信 號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，外圍電路簡單，成本低 。 89C51 工作頻率范圍最高只支持到 24M。 單片機(jī)可重設(shè) 置 啟動復(fù)位 ,以提高單片機(jī)工作的可靠性。工業(yè)級產(chǎn)品，具有大電流 (灌電流 )10～ 40mA，