【正文】 圖 35 聲光 報(bào)警電路 電源的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)用到兩個(gè)電壓 +5v 和 +12v， 可以分別用 7805和 7812穩(wěn)壓芯片提供。另外 還使 用 了 高亮 、 大功率的發(fā)光二極管作光報(bào)警。 該 電路簡(jiǎn)單、可靠。 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 。 本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器和高亮發(fā)光二極管組成聲光報(bào)警電路。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 。 LCD12864，即像素為 128*64的顯示液晶。 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。鍵盤可以用來(lái)進(jìn)行人機(jī)交流。 本設(shè)計(jì)采用的是獨(dú)立式 鍵盤電路。 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(wú)連接 17 就是呈現(xiàn)低電平還是高電平，通過(guò)對(duì)電平高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)是否有按鍵按下。 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 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。電機(jī)狀態(tài)參見(jiàn)表 34。 （ 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)。驅(qū)動(dòng)電路的輸入可直接與單片機(jī)或 FPGA得引腳相連，但為了進(jìn)一步提高電路的抗干擾能力，也可以使用光耦，對(duì)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電氣隔離。 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。 圖 32為 L298N的引腳和外形圖。 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。 在幾款型號(hào)中我根據(jù)性價(jià)比、工作條件等依據(jù)選擇了 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 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。 DC6V以下能連續(xù)通 電 24小 時(shí)。 DC24V時(shí)能連續(xù)通電時(shí)間 20多分鐘。 Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 _ _ _ _ _ _ ADC9 ADC8 14 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考原則選擇了 葉片 泵 ，它該泵需直流 12V電源供電，揚(yáng)程 3米，具有體積小、性價(jià)比高、易驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。 （ 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。 本設(shè)計(jì)用到的是家用小水泵（電機(jī)）和 水管 等配件 。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。 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） 。 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。 位 2～ 0： ADPS2ADPS0位用于選擇 ADC時(shí)鐘 。在中斷服務(wù)程序里， ADIF被硬件清零，對(duì) ADIF位寫 1也可以對(duì)其清零。在 ADC轉(zhuǎn)換完成之后 ADIF置位。 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。如果 ADC使能，置位 ADFR，則 ADC功能工作于自由轉(zhuǎn)換方式下。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?。如?ADC使能，置位 ADSC位將啟動(dòng)一次 A/D轉(zhuǎn)換。 位 7： ADEN位為 ADC使能位。 表 31 ADC通道選擇表 MUX2 MUX1 MUX0 通道選擇 說(shuō)明 0 0 0 通道 0 模擬信號(hào)從 PA0(ADC0)輸入 0 0 1 通道 1 模擬信號(hào)從 PA1(ADC1)輸入 0 1 0 通道 2 模擬信號(hào)從 PA2(ADC2)輸入 0 1 1 通道 3 模擬 信號(hào)從 PA3(ADC3)輸入 1 0 0 通道 4 模擬信號(hào)從 PA4(ADC4)輸入 1 0 1 通道 5 模擬信號(hào)從 PA5(ADC5)輸入 1 1 0 通道 6 模擬信號(hào)從 PA6(ADC6)輸入 1 1 1 通道 7 模擬信號(hào)從 PA7(ADC7)輸入 12 ? ADC控制和狀態(tài)寄存器 ADCSR(0x06) Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 ADEN ADSC ADFR ADIF ADIE ADPS2 ADPS1 ADPS0 ADCSR用于設(shè)置 A/D轉(zhuǎn)換器的工作方式和頻率。 位 2～ 0： MUX2MUX0選擇 A/D轉(zhuǎn)換的通道。 ADMUX可讀可寫， 初始值為 0x00。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)。 ADC的時(shí)鐘分頻器的機(jī)構(gòu)。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。在進(jìn)行第一次 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)需要耗費(fèi) /保持時(shí)間，在第 13個(gè)時(shí)鐘周期的結(jié)束啞轉(zhuǎn)換 ，從而開(kāi)始真正的 A/D轉(zhuǎn)換，在第 25個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)完成第一次 A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)進(jìn)入 ADC的數(shù)據(jù)寄存器。 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。 ATmega16L單片機(jī)的 ADC具有兩種工作方式：?jiǎn)未无D(zhuǎn)換方式和自由運(yùn)行方式。 AREF為外部參考電壓輸入端，此電壓應(yīng)該在 AGND與 AVCC之間。模擬地 AGND與數(shù)字地 GND相連。該 ADC還包含了一個(gè)放大器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波 長(zhǎng)短 、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn) ， 因此 本系統(tǒng)選用了超聲波傳感器 。 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。小功 10 率超聲探頭多作探測(cè)作用。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。 在眾多可以探測(cè)液位信號(hào)傳感器中，我選用了超聲波傳感器。 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)。在該單片機(jī)的 XTAL1和 XTAL2之間 加上 08MHz的晶振，并通過(guò) 20pF左右的電容接地為單片機(jī)提供工作時(shí)鐘，在 9引腳加上低電平復(fù)位的復(fù)位電路并為單片機(jī)加上 ， ATmega16L單片機(jī)即可正常工作。 （ 10） AREF是 A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。不使用 ADC時(shí)，該引腳應(yīng)該直接與 Vcc連接。 （ 8） XTAL2為晶振反相放大器的輸出端。 （ 6） RESET為復(fù)位輸入引腳，持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門 限時(shí)間的低電平將引起復(fù)位。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)。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 C處于高阻狀態(tài)。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 B也可以用做其他不同的特殊功能。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。 （ 3） 端口 B（ PB7PB0）為 8位雙向 I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。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。 （ 2） 端口 A（ PA7PA0）作為 A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，是 8位雙向 I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。 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。該單片機(jī)芯片由 ATMEL公司于 1997年推出的一款高端 AVR單片機(jī)（ ATmega系列）。 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)。 另外，本設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了 當(dāng)前液位值 及超限液位報(bào)警 等功能 。 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 21 PID控制 原理圖 PID調(diào)節(jié)器就是基于 PID控制原理而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的 系統(tǒng) ，其結(jié)構(gòu) 圖如圖 22所示。 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)。同時(shí)，對(duì)各功能模塊進(jìn)行軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 （ 2） 選擇 以 單片機(jī) 為核心的中央處理器。其中，硬件部分包括核心控制模塊 ATmega16L單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計(jì)；軟件部分包括系統(tǒng)程序控制流程圖以及主程序 及 各功能模塊程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。 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)。 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及其所要實(shí)現(xiàn) 的功能 針對(duì)液位控制過(guò)程中存在大滯后、時(shí)變、非線性的特點(diǎn)，該數(shù)字 PID控制器可以在線實(shí)現(xiàn) PID參數(shù)和程序的修改，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減少，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間縮短，振蕩次數(shù)減少 等優(yōu)點(diǎn) 。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)。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器?？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。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 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。因此，水位傳感器的研究對(duì)實(shí)際有很大的現(xiàn)實(shí)意義。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)。比如海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)開(kāi)始，它是獲取長(zhǎng)期、連續(xù)的海洋環(huán)境資料的唯一途徑。 The PID regulator。本文還詳細(xì)的給出了 部分 相 關(guān)的 硬件電路圖和軟件流程圖，并 編制了 C語(yǔ)言程序。 本文設(shè)計(jì)了液位 調(diào)節(jié)