【文章內(nèi)容簡介】 位 2～ 0： ADPS2ADPS0位用于選擇 ADC時鐘 。如表 32所示 表 32 A/D轉(zhuǎn)換時鐘選擇 ADPS2 ADPS1 ADPS0 時鐘 分頻系數(shù) ADC時鐘頻率 0 0 0 2 CLK/2 0 0 1 2 CLK/2 0 1 0 4 CLK/4 0 1 1 8 CLK/8 1 0 0 16 CLK/16 1 0 1 32 CLK/32 1 1 0 64 CLK/64 1 1 1 128 CLK/128 13 ? ADC數(shù)據(jù)寄存器 ADCH($05)、 ADCL($04) Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 ADC7 ADC6 ADC5 ADC4 ADC3 ADC2 ADC1 ADC0 ADC通過逐次比較（ successive approximation） 方式，將輸入端的模擬電壓轉(zhuǎn)換成 10位的數(shù)字量。 模擬輸入通道和差分增益的選擇是通過 ADMUX寄存器中的 MUX位設(shè)定的。 ADC有自 己的中斷，當轉(zhuǎn)換完成時中斷將被觸發(fā)。 ADC將 10位的轉(zhuǎn)換結(jié)果放在 ADC 數(shù)據(jù)寄存器中（ ADCH和 ADCL） 。作為 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果， ADCL必須被先讀，然后再讀取 ADCH里面的數(shù)據(jù)。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)仍不會更新 ADC數(shù)據(jù)寄存器，以保證對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的正確讀取。 執(zhí)行模塊 的設(shè)計 本液位調(diào)節(jié)器的執(zhí)行部分 主要 由家用 小 水泵 （電機 ） 和 電機驅(qū)動電路 組成。 本設(shè)計用到的是家用小水泵（電機）和 水管 等配件 。 （ 1） 水泵 的定義：通常把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力 , 即把原動機的機械能變?yōu)橐后w能量從而達到抽送液體目的的機器統(tǒng)稱為泵。 （ 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輸送液體 ；葉片泵 是 利用葉片和液體相互作用來輸送液體。 （ 3）水 泵選型依據(jù) ：不僅 應根據(jù)工藝流程，給排水要求，從五個方面加以考慮， 即 液體輸送量 （流量） 、裝置揚程、液體性質(zhì)、管路布置以及操作運轉(zhuǎn)條件等因素而且 還遵循了如下水泵選型原則： 使所選泵的型式和性能 符合裝置 的 工藝參數(shù)的要求 ， 必須滿足介質(zhì)特性的要求 ， 機械方面可靠性高、噪聲低、振動小 ，經(jīng)濟上要綜合考慮到設(shè)備費、運轉(zhuǎn)費、維修費和管理費的總成本最低 等。 Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 _ _ _ _ _ _ ADC9 ADC8 14 本系統(tǒng)設(shè)計時參考原則選擇了 葉片 泵 ，它該泵需直流 12V電源供電，揚程 3米，具有體積小、性價比高、易驅(qū)動等優(yōu)點。該泵體積大小高 92毫米 外徑 32毫米 進出口外徑 12毫米，是同一個水泵在 DC24VDC3V之間都能使用（工作電壓可根據(jù)需要調(diào)節(jié)），功率從幾瓦到 40多瓦，揚程最高到 3米。 DC24V時能連續(xù)通電時間 20多分鐘。在 DC12V1A時能連續(xù)通電 12小時。 DC6V以下能連續(xù)通 電 24小 時。同時為了實驗現(xiàn)象明顯還配備了出水塑料導管。 電機驅(qū)動 電路 的設(shè)計 本 設(shè)計為 了能實現(xiàn)水泵的抽水還要為其提供 12V直流電源，這就用到了電機驅(qū)動電路。 AVR單片機 ATmega16L輸出的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號需經(jīng)過功率放大才能驅(qū)動電機。 在幾款型號中我根據(jù)性價比、工作條件等依據(jù)選擇了 L298N電機驅(qū)動電路。 L298N是 SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15腳 Multiwatt封裝的 L298N(還有PowerSO20封裝 )，內(nèi)部包含 4通道邏輯驅(qū)動電路。 L298N的 電源采 用 12V電壓輸出提供電機驅(qū)動電壓；輸出 5V電壓提供單片機和探測系統(tǒng)電源。 此外它還具有如下特點：電壓最高可達 46V；總輸出電流可達 4A；較低的飽和壓降；具有過熱保護； TTL輸出電平驅(qū)動，可直接連接 CPU；具有輸出電流反饋，過載保護。 圖 32為 L298N的引腳和外形圖。 圖 32 L298N的引腳 圖 15 L298N驅(qū)動 模塊 電路 如 圖 33。 IN15IN27IN310IN412EN A6EN B11GND8VSS9VS4OUT12OUT23OUT313OUT414ISEN A1ISEN B15U3L298NVCC+12VA+D1 D2D3 D4PWM圖 33 L298N驅(qū)動 模塊 電路圖 15腳 Multiwatt封裝的 L298N的引腳符號及功能如 表 34所示 表 33 L298N的引腳符號及功能 功能 5 SEN SEN2 分別為兩個 H橋的電流反饋腳，不用時可以直接接地 3 1Y 1Y2 輸出端，與對應輸入端（如 1A1與 1Y1） 同邏輯 4 Vs 驅(qū)動電壓，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 時能端，低電平禁止輸出 8 GND 地 16 應用 L298N時 需要兩個電 壓，一個為邏輯電路工作所需的 5V電壓 Vcc，另一個為功率電路所需的驅(qū)動電壓 Vs。為保護電路，需加上續(xù)流二極管，二極管的選用要根據(jù) PWM的頻率和電機的電流來決定，二極管要有足夠迅速的恢復時間和足夠電流承受能力。驅(qū)動電路的輸入可直接與單片機或 FPGA得引腳相連，但為了進一步提高電路的抗干擾能力，也可以使用光耦，對控制電路和驅(qū)動電路進行電氣隔離。 根據(jù)控制信號的不同輸入方式，電路主要有以下幾種控制方法 : （ 1）使能端輸入使能信號，控制輸入端 A輸入 PWM信號，控制輸出端 B輸入方向信號。 （ 2）使能端輸入使能信號，控 制輸入端 A輸入 PWM信號，控制輸入端 B輸入PWM的反信號。 （ 3）使能端輸入 PWM信號，控制輸入端 A和控制輸入端 B輸入控制電機狀態(tài)的信號。電機狀態(tài)參見表 34。本設(shè)計只采用控制一個電機的方式。 使能端 控制 A 控制 B 電機狀態(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 低電平 任意 任意 自然停轉(zhuǎn) 表 34 電機控制狀 態(tài) 液位設(shè)定 模塊的結(jié)構(gòu)及功能 鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。 鍵盤實質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)集合，通常選用機械彈性開關(guān)，它們利用了機械觸點的閉合斷開作用。 鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上9 Vss 邏輯電源， 12 2A 2A2 輸入端， TTL電平兼容 1 14 2Y 2Y2 輸出端 — NC 無連接 17 就是呈現(xiàn)低電平還是高電平，通過對電平高低狀態(tài)的檢測，便可確認是否有按鍵按下。為了確保 CPU對一次按鍵動作只確認一次， 還 必須消除抖動的影響，這樣才能使鍵盤在單片機系統(tǒng)中使用得更加穩(wěn)定。 本設(shè)計采用的是獨立式 鍵盤電路。 因為在本系統(tǒng)中要實時保存數(shù)據(jù)，所以在軟件設(shè)計時要用到的 外部中斷比較多，但 ATmega16L中只有兩個外部中斷，我們用外部中斷 0做了中斷擴展。鍵盤可以用來進行人機交流。通過鍵盤輸入，可以調(diào)節(jié)液位上限、下限、斷電保存等功能。 顯示模塊的設(shè)計 本設(shè)計中 采用 了 LCD12864作為顯示 信息器件，與用戶進行友好交互。LCD12864是專門用于顯示 漢字、 字母、數(shù) 字、符號的顯示模塊，具有功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富 等 諸多優(yōu)點，在 低功耗應用系統(tǒng)中得到很廣泛。 LCD12864，即像素為 128*64的顯示液晶。 其每一行最多可以顯示 8個中文， 16個半寬字體。表 34為液 晶顯示模塊管腳排列和功能，圖 310是它與系統(tǒng)單片機連接的原理圖 。 引腳 標號 功能說明 備注 1 Vss 邏輯負電源輸入引腳， 0V 2 Vdd 邏輯正電源輸入引腳，＋ 5V 3 Vl 偏壓信號 引腳， 可 調(diào)節(jié)其對比度 一般接 0V 4 RS 數(shù)據(jù) /指令寄存器選擇 功能 5 R/W 讀寫選擇引腳 若只需要讀，則接地 6 EN 讀寫使能引腳 7～ 14 D0～ D7 8位數(shù)據(jù)引腳線 15 CS1 半屏控制引腳 高電平時對應半屏可用 16 CS2 半屏控制 引腳 表 35 LCD12864管腳 排列和功能表 18 VCCVCCPD4PD5PD6GND1VCC2VC3RS4RW5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714PSB15NC16RST17VOUT18A19K2012864 液晶* 圖 34 LCD12864連接電路 原理圖 報警模塊的設(shè)計 工業(yè)現(xiàn)場需 要有對液位超限 的 檢測報警功能 ，并 能通過聲、光發(fā)出報警警示，所以我們用到一個報 警電路。 本設(shè)計采用蜂鳴器和高亮發(fā)光二極管組成聲光報警電路。其中 蜂鳴器 采用的是 壓電式 。 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 。 報警器在整個系統(tǒng)中也起著非常重要的作用，它是 高 電平報警，一旦監(jiān) 測到 液位值達到報警限 時， 就 發(fā)出報警。 該 電路簡單、可靠。為了加大報警聲音的響度， 還需 在電路中加上一個三極管作驅(qū)動。另外 還使 用 了 高亮 、 大功率的發(fā)光二極管作光報警。 采用的 高亮發(fā)光二極管 的優(yōu)點表現(xiàn)在：尺寸小， 體積??； 不存在熱輻射 ； 低電壓，低電流啟動，耗電少 ； 反應速度快，可用于高頻場合；使用壽命長；有利于環(huán)保 ； 容易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品。 其 具體電路圖如圖 35所示： 19 圖 35 聲光 報警電路 電源的設(shè)計 本設(shè)計用到兩個電壓 +5v 和 +12v， 可以分別用 7805和 7812穩(wěn)壓芯片提供。另外用三個 7號 電池為 DS1302作備用供電電源。主電源電路圖如 圖 36所示 圖 36 電源設(shè)計電路 20 4 系統(tǒng) 的軟件設(shè)計 本設(shè)計 軟件所 要 實現(xiàn)的功能 :實時控制 小水泵（ 電機 ）； 實時檢測是否超出上下限 ； 實時顯示檢測的數(shù)據(jù)、時間、上下限數(shù)值 ； 實時監(jiān)控鍵盤輸入 ； 報警控制 。 單片機軟件開發(fā)環(huán)境 AVR系列單片機的集成開發(fā)環(huán)境有 ImageCraft公司的 ICCAVR和 Atmel公司的AVR_Studio等。其中， ICCAVR因支持標準 C語言對 AVR系列單片機的編程而得到了廣泛 的應用。 本系統(tǒng)軟件設(shè)計程序使用 C語言編寫。軟件的主要任務 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、中斷 等。 主程序設(shè)計 本設(shè)計的重中之重是 PID控制算法的實現(xiàn)。 在一個控制系統(tǒng)中至少由被控對象、測量變送器、控制器及執(zhí)行器等部分組成。由于外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，被控對象在各種擾動作用下，使得被控信號偏離給定值 SV，要想達到被控信號的恒定值，首先由變送器對被測值進行檢測，感受被控信號的變化并將它轉(zhuǎn)換成電流信號，然后控制器將變送器送來的測量信號與設(shè)定值信號進行比較得出偏差(en)；根據(jù)偏差的大 小及變化趨勢，按一定的控制規(guī)律進行運算后，將運算結(jié)果用標準的電流信號送給執(zhí)行器，最后執(zhí)行器自動地根據(jù)控制器送來的信號值相應地改變流入 (或流出 )被控對象的水量，克服擾動的影響，最終實現(xiàn) PID控制要求。由此可見，控制器在控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是整個控制系統(tǒng)的核心和靈魂。 PID控制也就是比例積分微分控制 (本系統(tǒng)只使用比例和積分兩個參數(shù)進行控制 )，它是控制器控制規(guī)律中的一種。把變送器送來的信號與給定值進行比較，得到偏差信號，并以預先設(shè)定的參數(shù) (比例系數(shù)、積分時間 )進行運算。且將運算結(jié)果送至執(zhí)行器，本設(shè)計中的 執(zhí)行器是 小水泵（電機） ，測量變送器為 超聲波采集 。 本系統(tǒng)的 PID程序采用的是增量型算法 如圖 41所示 。采用增量型算法的原因是增量型算法具有很多優(yōu)點： （ 1） 由于計算機輸出增量，所以誤動作影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉； 21 圖 41 增量型 PID算法的程序流程圖 （ 2） 在位置型控制算法中，由手動到自動切換