【導(dǎo)讀】的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文。中作了明確的說明并表示了謝意。的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；閱覽服務(wù)；學校可以采用影印、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，學校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。本文介紹了基于AVR單片機的自動水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)過程。有設(shè)定、實時顯示以及于上位機通信功能。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)通過實驗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 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (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)不只是簡單的電平輸入。 編程掃描工作方式只有在 CPU 空閑時才調(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。 當鍵盤有鍵按下時，要逐行或逐列掃描，以判定是哪一個按鍵按下。通常掃描 方式有兩種，既掃描法和反轉(zhuǎn)法。本設(shè)計中采用掃描法。鍵盤顯示電路如圖 318。 通信單元 MAX232 資料簡介 該產(chǎn)品是由德州儀器公司（ TI）推出的一款兼 容 RS232 標準的芯片。由于電腦串口 rs232 電平是 10v +10v，而一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是 TTL 電平 ，MAX232 就是用來進行電平轉(zhuǎn)換的 ,該器件包含 2 驅(qū)動器、 2 接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供 TIA/EIA232F電平。 該器件符合 TIA/EIA232F 標準，每一個接收器將 TIA/EIA232F 電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS 電平。每一個發(fā)送器將 TTL/CMOS 電平轉(zhuǎn)換成 TIA/EIA232F 電平。 主要特點 ● 單 5V 電源工作 。 ● LinBiCMOSTM 工藝技術(shù) 。 ● 兩個驅(qū)動器及兩個接收器 。 ● 177。30V 輸入電平 。 ● 低電源電流 ：典型值是 8mA。 ● 符合甚至優(yōu)于 ANSI 標準 EIA/TIA232E及 ITU 推薦標準 。 ● ESD 保護大于 MILSTD883（方法 3015）標準的 20xxV。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (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，用來連接單片機的。 MAX232 獲得正負電源的另一種方法在單片機控制系統(tǒng)中，我們時常要用到數(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 的時候，若輸入為 5V,輸出可以達到14V 左右，輸入為 0V， 輸出可以達到 14V， 在扇 出電流為 20mA 的時候，處處 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (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 的輸出信號經(jīng)穩(wěn)壓塊后作電源使用 。 ISP 的工作原理 ISP的實現(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的軟件通過串口來進行改寫。對于單片機來講可以通過 SPI 或其它的串行接口接收上位機傳來的數(shù)據(jù)并寫入存儲器中。所以即使我們將芯片焊接在電路板上，只要留出和上位機接口的這個串口，就可以實現(xiàn)芯片內(nèi)部存儲器的改寫，而無須再取下芯片。 ISP 的優(yōu)點 ISP技術(shù)的優(yōu)勢是不需要編程器就可以進行單片機的實驗和開發(fā)，單片機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)試時由于頻繁地插入取出芯片對芯片和電路板帶來的不便。 ISP 端口 一般為 SCK， MOSI， MISO， RESET。如圖 320 圖 320 ISP 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 30 打印電路 圖 321 打印電路 打印機選擇的是 SJ系列打印機。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)用場合。本設(shè)計用打印機打印兩個節(jié)點的溫度值，選擇的串行通信方式。波特率設(shè)置為 9600bps。因為無線模塊同時用到串口通信，因此借助于四二輸入與門 74H08來實現(xiàn)使能功能。 VCCPD0PD1PD2RXDTXDGNDPrintA11B12Y13A24B25Y26GND7Y38A39B310Y411A412B413Vcc1474HC0823 51長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(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。 AVR 系列 ATmage16 控制器的硬件資源為高性能運動控制系統(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，使整個系統(tǒng)達到預(yù)期的性能，則在很大程度上依賴于用戶軟件的設(shè)計。 下面，首先來談一 下 AVR 系列 ATmega16 控制器的軟件設(shè)計。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動控制系統(tǒng)一般都是一些實時性要求較高的系統(tǒng)，同時，由于 ATmega16 控制器本身的特點，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。基于上述考慮，我們認為：在實際的系統(tǒng)開發(fā)工作中，要在系統(tǒng)的軟件設(shè)計上花費較大的力氣。當采用高級語言或 MATLAB 等工具對算法進行模擬，并確定最終要實現(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行算法實現(xiàn)，并使程序的效率 滿足實時性要求。根據(jù)所使用開發(fā)工具的不同，軟件設(shè)計可采用匯編語言、高級語言、（ C語言）、混合語言（ C語言和匯編語言）進行編程。 采用高級語言編程具有開發(fā)周期短、代碼可讀性強、代碼可移植性好、便于維護等優(yōu)點。而匯編語言編程的最大優(yōu)點是代碼效率高，但是不便于維護，開發(fā)周期長。實際情況是，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時性和性價比的要求。 在解決了編程語言的問題以后，軟件設(shè)計工程師還應(yīng)注意的是一些編程規(guī)范 ，這在軟件設(shè)計需要多人來完成時尤其重要。一般來說，軟件設(shè)計應(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。 。 。 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 32 。如混合語言編程時要嚴格遵守 C語言的函數(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）進行控制的調(diào)節(jié)器，簡稱為 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 控制及改進的 PID 控制等。它具有許多特點，如不需要求出數(shù)學模型、控制效果好等，特別是在微機控制系統(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。 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 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 33 比例調(diào)節(jié)器（ P） 這是一種簡單的調(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，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，因為調(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 時才會出現(xiàn)零靜差（此時偏差 e=0 ）。提高放大系數(shù) pK 雖可以減小靜差，但永遠不會使之減小為零，而且無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)點是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強，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，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，其動作過于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間加長。因此在實際生產(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)點結(jié)合起來，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)過較長的時間，為進一步改進控制器，可以通過檢測誤差的變化率來預(yù)報誤差，根據(jù)誤差變化趨勢，產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快的消除在萌芽狀態(tài)，數(shù)學上描述這個概念就是微分，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)準確，只要三 者強度配合適當，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。 在工業(yè)過程控制中，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機構(gòu)有電動、氣動、液動等類型， 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 34 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件。而在微機控制系統(tǒng)中采用數(shù)字控制器，即用軟件來實現(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)過程一般都有較大的時間常數(shù)，而微機控制系統(tǒng)的采樣周 期遠遠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)整定方法進行，最后在實踐中加以調(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：擴充臨界比例讀法、擴充響應(yīng)曲線法與 試湊法。 PWM 的控制方法 我采用的是控制時間比例的方法。時間比例：我設(shè)定一個標準的加熱期，比如2 分鐘，我在這 2 分鐘內(nèi)對輸出進行控制，也就是說在這 2 分鐘內(nèi)的加熱多少時間，全速加熱就是整個周期 2 分鐘，停止加熱就是不輸出 0 分鐘，根據(jù)我們的計算可以在 02 分鐘內(nèi)變化，比如計算得到 1 分鐘 30 秒，那么，我們在 2 分鐘內(nèi)加熱 1分鐘 30 秒，剩下 30 秒不加熱， 2 分鐘后在測量溫度，重新計算輸出量。 我采用的是控制時間比例的方法。這樣的方法會出現(xiàn)很大的溫度波動，由于被加熱對象的慣性作用， PID 就會出現(xiàn)很大或長時間的振蕩。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)單片機輸出觸發(fā)信號頻率 0－ 100KHZ。波動也太大了，如果堅持用 PID 的話耐心調(diào)整參數(shù)會好的。 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，慣性大就選大點。 2． 調(diào)整參數(shù)時先用比例控制（控制中起主要作用），同時調(diào)整采樣時間，主要還是調(diào)整比例參數(shù)，將控制效果調(diào)到最好（自己認為的）。 3．