【導(dǎo)讀】的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文。中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。本文介紹了基于AVR單片機(jī)的自動(dòng)水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。有設(shè)定、實(shí)時(shí)顯示以及于上位機(jī)通信功能。設(shè)定精度℃、控溫精度℃、控。而且還具有顯示溫度曲線及打印功能。字傳感器，單總線接口簡(jiǎn)單，線性良好。功率輸出部分采用GTJ3-10A固態(tài)繼電器，電路經(jīng)濟(jì)可靠，采用PWM控制可控性好精度高?？焖夙憫?yīng)和較小的超調(diào)。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

　　

【正文】 Ω下拉電阻則不能省 略。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。 318 鍵盤顯示電路引腳接線圖 用于溫度設(shè)定的有 0、 9共 10 個(gè)數(shù)字鍵。功能鍵：復(fù)位鍵﹑設(shè)定值鍵﹑加熱鍵。 在應(yīng)用系統(tǒng)中為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有按鍵或鍵盤。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(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 鍵盤等。 應(yīng)用系統(tǒng)中除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù)位電路，以及專一的復(fù)位功能外，其他的按鍵或鍵盤都是以開關(guān)狀態(tài)來(lái)設(shè)置控制功能或輸入 數(shù)據(jù)。因此，這些開關(guān)不只是簡(jiǎn)單的電平輸入。 編程掃描工作方式只有在 CPU 空閑時(shí)才調(diào)用鍵盤掃描子程序。因此，在應(yīng)用系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)時(shí)，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。 當(dāng)鍵盤有鍵按下時(shí)，要逐行或逐列掃描，以判定是哪一個(gè)按鍵按下。通常掃描 方式有兩種，既掃描法和反轉(zhuǎn)法。本設(shè)計(jì)中采用掃描法。鍵盤顯示電路如圖 318。 通信單元 MAX232 資料簡(jiǎn)介 該產(chǎn)品是由德州儀器公司（ TI）推出的一款兼 容 RS232 標(biāo)準(zhǔn)的芯片。由于電腦串口 rs232 電平是 10v +10v，而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)電壓是 TTL 電平 ，MAX232 就是用來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的 ,該器件包含 2 驅(qū)動(dòng)器、 2 接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供 TIA/EIA232F電平。 該器件符合 TIA/EIA232F 標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將 TIA/EIA232F 電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS 電平。每一個(gè)發(fā)送器將 TTL/CMOS 電平轉(zhuǎn)換成 TIA/EIA232F 電平。 主要特點(diǎn) ● 單 5V 電源工作 。 ● LinBiCMOSTM 工藝技術(shù) 。 ● 兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器及兩個(gè)接收器 。 ● 177。30V 輸入電平 。 ● 低電源電流 ：典型值是 8mA。 ● 符合甚至優(yōu)于 ANSI 標(biāo)準(zhǔn) EIA/TIA232E及 ITU 推薦標(biāo)準(zhǔn) 。 ● ESD 保護(hù)大于 MILSTD883（方法 3015）標(biāo)準(zhǔn)的 20xxV。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 28 MAX232 應(yīng)用電路，注意電容接法。 T2OUT7R2IN8V6C11V+2C1+3C2+4C25R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16RXDTXD100pFC11100pFC9100pFC10100pFC8100pFC12+5通信單元MAX232PCPD0PD1 圖 319 通信單元電路圖 MAX232 它是 RS232C 雙工發(fā)送器 /接收器接口電路芯片 ， 可以完成 TTL/RS232電平的轉(zhuǎn)換，它 的 1 12 引腳是 TTL 電平端，用來(lái)連接單片機(jī)的。 MAX232 獲得正負(fù)電源的另一種方法在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，我們時(shí)常要用到數(shù) /模（ D/A）或者模 /數(shù) (A/D)變換以及其它的模擬接口電路，這里面要經(jīng)常用到正負(fù)電源，例如： 9V， 9V， 12V， 12V。 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。在控制板上，我們有的只是 5V 電源，可又有很多方法獲得非5V 電源如外接， DCDC 變換 。 在這里我介紹一塊大家常用的芯片： MAX232 是 TTLRS232 電平轉(zhuǎn)換的典型芯片，按照芯片的推薦電路，取振蕩電容為 uF 的時(shí)候，若輸入為 5V,輸出可以達(dá)到14V 左右，輸入為 0V， 輸出可以達(dá)到 14V， 在扇 出電流為 20mA 的時(shí)候，處處 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 電壓可以穩(wěn)定在 12V 和 12V。 因此，在功耗不是很大的情況下，可以將 MAX232 的輸出信號(hào)經(jīng)穩(wěn)壓塊后作電源使用 。 ISP 的工作原理 ISP的實(shí)現(xiàn)相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，一般通用做法是內(nèi)部的存儲(chǔ)器可以由上位機(jī)的軟件通過(guò)串口來(lái)進(jìn)行改寫。對(duì)于單片機(jī)來(lái)講可以通過(guò) SPI 或其它的串行接口接收上位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)并寫入存儲(chǔ)器中。所以即使我們將芯片焊接在電路板上，只要留出和上位機(jī)接口的這個(gè)串口，就可以實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器的改寫，而無(wú)須再取下芯片。 ISP 的優(yōu)點(diǎn) ISP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是不需要編程器就可以進(jìn)行單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)和開發(fā)，單片機(jī)芯片可以直接焊接到電路板上，調(diào)試結(jié)束即成成品，免去了調(diào)試時(shí)由于頻繁地插入取出芯片對(duì)芯片和電路板帶來(lái)的不便。 ISP 端口 一般為 SCK， MOSI， MISO， RESET。如圖 320 圖 320 ISP 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 打印電路 圖 321 打印電路 打印機(jī)選擇的是 SJ系列打印機(jī)。可以根據(jù)客戶的不同需要，可以選擇不同的打印速度，不同的打印行寬，不同的文字和字體，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(chǎng)合。本設(shè)計(jì)用打印機(jī)打印兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值，選擇的串行通信方式。波特率設(shè)置為 9600bps。因?yàn)闊o(wú)線模塊同時(shí)用到串口通信，因此借助于四二輸入與門 74H08來(lái)實(shí)現(xiàn)使能功能。 VCCPD0PD1PD2RXDTXDGNDPrintA11B12Y13A24B25Y26GND7Y38A39B310Y411A412B413Vcc1474HC0823 51長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 本章介紹在 AVR 水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)部分，其中包括控制算法及程序。 AVR 系列 ATmage16 控制器的硬件資源為高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了必要的條件。如何利用這些片上硬件資源，使整個(gè)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(jì)。 下面，首先來(lái)談一 下 AVR 系列 ATmega16 控制器的軟件設(shè)計(jì)。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(dòng)控制系統(tǒng)一般都是一些實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，同時(shí)，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(jì)工作?；谏鲜隹紤]，我們認(rèn)為：在實(shí)際的系統(tǒng)開發(fā)工作中，要在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)上花費(fèi)較大的力氣。當(dāng)采用高級(jí)語(yǔ)言或 MATLAB 等工具對(duì)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(jì)工作就是采用合適的編程語(yǔ)言進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，并使程序的效率 滿足實(shí)時(shí)性要求。根據(jù)所使用開發(fā)工具的不同，軟件設(shè)計(jì)可采用匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、（ C語(yǔ)言）、混合語(yǔ)言（ C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言）進(jìn)行編程。 采用高級(jí)語(yǔ)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)。而匯編語(yǔ)言編程的最大優(yōu)點(diǎn)是代碼效率高，但是不便于維護(hù)，開發(fā)周期長(zhǎng)。實(shí)際情況是，為了設(shè)計(jì)出性能價(jià)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(yǔ)言編程一般能滿足實(shí)時(shí)性和性價(jià)比的要求。 在解決了編程語(yǔ)言的問(wèn)題以后，軟件設(shè)計(jì)工程師還應(yīng)注意的是一些編程規(guī)范 ，這在軟件設(shè)計(jì)需要多人來(lái)完成時(shí)尤其重要。一般來(lái)說(shuō)，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下因素： 。明確界定控制程序、核心算法程序、 I/O 程序、硬件初始化程序等之間的功能，以便于軟件調(diào)試與維護(hù)。 。 。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 32 。如混合語(yǔ)言編程時(shí)要嚴(yán)格遵守 C語(yǔ)言的函數(shù)調(diào)用協(xié)議，不要編寫自修改代碼等。 。所涉及到的問(wèn)題主要有代碼修改歷史記錄、程序注釋等。 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(jiǎn)稱為 PID 調(diào)節(jié)器。 PID 調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制方法，它結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以用常規(guī)的 PID 調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種 PID 的變型，如 PI、 PD 控制及改進(jìn)的 PID 控制等。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(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的被控對(duì)象來(lái)說(shuō)，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)。 PID 控制規(guī)律及其基本作用 PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié) 器，其框圖如圖 41 所示。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。 圖 41 PID 控制系統(tǒng)框圖 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 比例調(diào)節(jié)器（ P） 這是一種簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，比例調(diào)節(jié)器與偏差成比例調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)及時(shí)，誤差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使被控量 y 向減小偏差的方向變化，但這種調(diào)節(jié)使被調(diào)量 y 存在靜差，即有殘留誤差，因?yàn)檎{(diào)節(jié)作用是以偏差的存在為前提條件的。只有在控制作用為 U0 時(shí)才會(huì)出現(xiàn)零靜差（此時(shí)偏差 e=0 ）。提高放大系數(shù) pK 雖可以減小靜差，但永遠(yuǎn)不會(huì)使之減小為零，而且無(wú)止境的提高放大系數(shù) pK 最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 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。 積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點(diǎn)是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，直到偏差為零。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。但單純的積分也有弱點(diǎn)，其動(dòng)作過(guò)于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)。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(shí)性與積分作用消除靜 態(tài)誤 差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器。 比例積分微分調(diào)節(jié)器（ PID） 比例積分調(diào)節(jié)消除系統(tǒng)誤差需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間，為進(jìn)一步改進(jìn)控制器，可以通過(guò)檢測(cè)誤差的變化率來(lái)預(yù)報(bào)誤差，根據(jù)誤差變化趨勢(shì)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快的消除在萌芽狀態(tài)，數(shù)學(xué)上描述這個(gè)概念就是微分，因此在 PI調(diào)節(jié)器的 基礎(chǔ)上加入微分調(diào)節(jié)，就構(gòu)成了比例積分微分調(diào)節(jié)器。 在 PID 三種 調(diào)節(jié)器中，微分調(diào)節(jié)主要用來(lái)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克 服振蕩。將 P、 I、 D三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，即快速敏捷，又平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三 者強(qiáng)度配合適當(dāng)，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。 在工業(yè)過(guò)程控制中，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)等類型， 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 34 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件。而在微機(jī)控制系統(tǒng)中采用數(shù)字控制器，即用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) PID控制，因此要將模擬 PID 調(diào)節(jié)器離散化為數(shù)字 PID 控制算法。 由于連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程一般都有較大的時(shí)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(guò)程對(duì)象的時(shí)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)。 數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法有三種：擴(kuò)充臨界比例讀法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法與 試湊法。 PWM 的控制方法 我采用的是控制時(shí)間比例的方法。時(shí)間比例：我設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的加熱期，比如2 分鐘，我在這 2 分鐘內(nèi)對(duì)輸出進(jìn)行控制，也就是說(shuō)在這 2 分鐘內(nèi)的加熱多少時(shí)間，全速加熱就是整個(gè)周期 2 分鐘，停止加熱就是不輸出 0 分鐘，根據(jù)我們的計(jì)算可以在 02 分鐘內(nèi)變化，比如計(jì)算得到 1 分鐘 30 秒，那么，我們?cè)?2 分鐘內(nèi)加熱 1分鐘 30 秒，剩下 30 秒不加熱， 2 分鐘后在測(cè)量溫度，重新計(jì)算輸出量。 我采用的是控制時(shí)間比例的方法。這樣的方法會(huì)出現(xiàn)很大的溫度波動(dòng)，由于被加熱對(duì)象的慣性作用， PID 就會(huì)出現(xiàn)很大或長(zhǎng)時(shí)間的振蕩。較好的方法是采用調(diào)功方式，固態(tài)繼電器選用過(guò)零型，通過(guò)不同的觸發(fā)頻率可以得到不同的功率，比方說(shuō)輸出功率 0－ 100％對(duì)應(yīng)單片機(jī)輸出觸發(fā)信號(hào)頻率 0－ 100KHZ。波動(dòng)也太大了，如果堅(jiān)持用 PID 的話耐心調(diào)整參數(shù)會(huì)好的。 通過(guò)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(shí)間選小點(diǎn)，慣性大就選大點(diǎn)。 2． 調(diào)整參數(shù)時(shí)先用比例控制（控制中起主要作用），同時(shí)調(diào)整采樣時(shí)間，主要還是調(diào)整比例參數(shù)，將控制效果調(diào)到最好（自己認(rèn)為的）。 3．