【正文】 調(diào)試 ，最終實現(xiàn)液位 顯示、自動調(diào)節(jié) 的 功能 。 PID控制原理如圖 21所示。 定 值 器 控 制 器 執(zhí) 行 機 構(gòu) 控 制 機 構(gòu) 被 控 對 象檢 測 元 件 與 變 送 器擾 動 Dr s u H操 縱 量 r被 控 量 y+ 圖 22 PID液位 調(diào)節(jié)器 原理 圖 總體設(shè)計方案 基于 PID的 液位調(diào)節(jié)器 設(shè)計 的目的 是實現(xiàn) 液位 的自動 調(diào)節(jié) ，即建立 PID控制，通過反饋作用比較實時 液位與預(yù)設(shè)液位的大小以自動調(diào)節(jié) 液位 。 本系統(tǒng) 先通過 液位采集模塊 對水位 信號進(jìn)行采樣 ，然后將采集到的信號送 給 ATmega16L單片機 進(jìn)行處理，最后 控制由 驅(qū)動電路 驅(qū)動 的 水泵 實現(xiàn)液位調(diào)節(jié) 。 總體方案 如圖23所示 。 本設(shè)計所采用的單片機是 ATmega16L單片機開發(fā)板。它有內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性價比高、 功耗低、生產(chǎn)技術(shù)高密度、擁有非易失性存儲等優(yōu)點。0～8MHz. 引腳功能說明 （ 1） VCC為數(shù)字電路的電源， GND為地。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。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 A處于高阻狀態(tài)。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。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)始終還未起振，端口 B處于高阻狀態(tài)。 （ 4） 端口 C（ PC7PC0）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，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。如果 JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5 8 （ TD1）、 PC3（ TMS）與 PC2（ TCK）的上拉電阻被激活。 （ 5） 端口 D（ PD7PD0）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，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。端口 D也可以用做其他不同的特殊功能。 （ 7） XTAL1為晶振反相放大器的輸入端和內(nèi)部時鐘操作電路的輸入端。 （ 9） AVCC是端口 A與 A/D轉(zhuǎn)換器的電源。使用 ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與 Vcc連接。 ATmega16L單片 機 最小系統(tǒng) ATmega16L單片機內(nèi)含有 FLASH程序存儲器和 SRAM數(shù)據(jù)存儲器，故在一般情況下不需要擴展存儲器。以上三部分共同組成了 ATmega16L單片機的最小系統(tǒng)如圖 31。 本系統(tǒng)用到的 是 液位 傳感器。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波 探頭 （表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。 采集電路的設(shè)計 AT mega16L單片機的 ADC的結(jié)構(gòu)及功能 ATmega16L單片機集成了 8通道 10位逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器。它由模擬電源 AVCC和模擬地 AGND供電。模擬電源 AVCC與數(shù)字電源 VCC的電壓差別不能超過 。該單片機的 A/D轉(zhuǎn)換器具有 2LSB的精確度和 ，轉(zhuǎn)換時間在 65260us間，比較快速。在單次轉(zhuǎn)換方式下，由程序啟動每次轉(zhuǎn)換；而在自由運行方式下， ADC會連續(xù)采樣并更新 ADC數(shù)據(jù)寄存器，以保持最近一次的采樣值。每一次 A/D轉(zhuǎn)換需要 13個時鐘周期。 當(dāng) ADC工作在單次轉(zhuǎn)換方式時，每次的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后需要一個額外的時鐘周期，以開始下一次的 A/D轉(zhuǎn)換。 A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘由系統(tǒng)時鐘經(jīng)過一個 7位的預(yù)分頻器得到。 ATmega16L單片機的 A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘應(yīng)該在 50～ 200KHz，過高的工作頻率將降低采樣精度。 ATmega16L單片機與 A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器 ? ADC多路選擇寄存器 ADMUX($07) Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 _ _ _ _ _ MUX2 MUX1 MUX0 ADC多路選擇寄存器 ADMUX用于選擇 A/D轉(zhuǎn)換的通道。 位 7～ 3：保留位。如表 31所示。 ADCSR可讀可寫，初始值為0x00。 位 6： ADSC位為 ADC單次轉(zhuǎn)換方式選擇位。在轉(zhuǎn)換過程中 ADSC一直保持為高。 位 5： ADFR位為 ADC自由轉(zhuǎn)換方式選擇位。 ADC將不斷對信號進(jìn)行采樣并將最近一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入 ADC數(shù) 據(jù)寄存器。 位 4： ADIF位為 ADC中斷標(biāo)志位。如果全局中斷位 I和 ADC中斷使能位 ADIF置位，則 ADIF置位時將執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 位 3： ADIE位為 ADC中斷使能位。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。 ADC有自 己的中斷，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時中斷將被觸發(fā)。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)。 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。 （ 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(dá)到抽送液體目的的機器統(tǒng)稱為泵。 （ 3）水 泵選型依據(jù) ：不僅 應(yīng)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。該泵體積大小高 92毫米 外徑 32毫米 進(jìn)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。在 DC12V1A時能連續(xù)通電 12小時。同時為了實驗現(xiàn)象明顯還配備了出水塑料導(dǎo)管。 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。 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。 此外它還具有如下特點：電壓最高可達(dá) 46V；總輸出電流可達(dá) 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 L298N的引腳 圖 15 L298N驅(qū)動 模塊 電路 如 圖 33。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(fù)時間和足夠電流承受能力。 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。 （ 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。本設(shè)計只采用控制一個電機的方式。 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。為了確保 CPU對一次按鍵動作只確認(rèn)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。 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。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。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(yīng)用系統(tǒng)中得到很廣泛。 其每一行最多可以顯示 8個中文， 16個半寬字體。 引腳 標(biāo)號 功能說明 備注 1 Vss 邏輯負(fù)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(yīng)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。其中 蜂鳴器 采用的是 壓電式 。 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(dá)到報警限 時， 就 發(fā)出報警。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。 采用的 高亮發(fā)光二極管 的優(yōu)點表現(xiàn)在：尺寸小， 體積小； 不存在熱輻射 ； 低電壓，低電流啟動，耗電少 ； 反應(yīng)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。另外用三個 7號 電池為 DS1302作備用供電電源。 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。 本系統(tǒng)軟件設(shè)計程序使用 C語言編寫。 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)。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(dá)到被控信號的恒定值，首先由變送器對被測值進(jìn)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(jìn)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(jìn)行運算后，將運算結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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。 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(jìn)行控制 )，它是控制器控制規(guī)律中的一種。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 。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，由手動到自動切換時，必須首先使計算機的輸出值等于閥門的原始開度，才能保證手動 /自動無擾動切換，這將給程序設(shè)計帶來困難。 這些特點已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。所以，本設(shè)計結(jié)合位置型 PID控制算法和增量型控制算法二者的優(yōu)點，將二者結(jié)合起來，相互補充其不足。輸出的信號給到電動調(diào)節(jié)閥上，就是這次采樣后 ，實際要輸出的值。 還有一種是數(shù)字 PID調(diào)節(jié)器，其算法是利用偏差增量，比位置型算法一直累加歷史偏差要簡單的多。增量輸出入公式 42所示 )(nu? = u(n)u(n1)= KP[e(n)e(n1)]+KIe(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] (42) 本設(shè)計單片機程序控制原理描述如下： 本程序通過 I\O口 第 40腳 。鍵盤控制要求反應(yīng)及時，因此本程序的鍵盤控制放在中斷程序中處理。 此外，還有 報警電路子程序 。 程序：將換算后的 液位 信號 經(jīng) 單片機 換算后送去顯示模塊顯示 。 程序：實現(xiàn) 按鍵輸入預(yù)設(shè)液位 值。 A/D轉(zhuǎn)換子程序結(jié)構(gòu)設(shè)計 A/