基于pid的液位调节器设计方案

目录1绪论111研究的目的和意义112本设计的优点及其所要实现的功能213本文的主要研究内容22系统工作原理及其总体设计方案321系统工作原理322总体设计方案33系统的硬件电路设计531核心控制模块的设计5311ATMEGA16L单片机简介5312ATMEGA16L单片机最小系统632液位采集模块的设计7321液位传感器选择7322采集电路的设计833执行模块的设计11331水泵的选型及功能11332电机驱动电路的设计1234液位设定模块的结构及功能1435显示模块的设计1536报警模块的设计1637电源的设计174系统的软件设计1841单片机软件开发环境1842主程序设计1843各功能模块子程序的设计20451A/D转换子程序结构设计21452液位处理程序结构设计22453液位显示子程序结构设计22454液位设定子程序结构设计225总体调试23总结24参考文献25附录1程序27附录2电路图32致谢33英文资料及中文翻译11绪论11研究的目的和意义当今社会许多工业控制系统，自然科学研究会需要对水位的监测。比如海洋环境监测开始，它是获取长期、连续的海洋环境资料的唯一途径。能够直接为沿海工程、港口建设、交通运输、海洋生物资源开发、海洋环境监测、湿地保护及近岸海洋开发提供研究、评价和作业必不可少的依据。又比如在工业锅炉控制系统中对水位的监测要求也是很高的，现今大多数电厂都采用工业锅炉采用微机控制，它可以直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。因此，水位传感器的研究对实际有很大的现实意义。基于对水位测量原理的研究和水位传感器的分析，在本液位调节系统中采用了液位检测电路和单片机智能系统实现对液位的测量和控制。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统采用的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器INTELLIGENTREGULATOR，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。通过本次毕业设计对掌握电路设计和ATMEGA16L程序设计的思路与方法，结合单片机与传感器技术对液位进行检测和控制以使系统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间缩短，振荡次数减少控制成为本系统研究的主要目的和意义。12本设计的优点及其所要实现的功能1本设计的优点针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，该数字PID控制器可以在线实现PID参数和程序的修改，使控制系统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间缩短，振荡次数减少等优点。2本设计可以实现的功能（1）完成基于PID的液位调节器设计；（2）实现液位的自动控制；（3）具有液位显示功能；（4）具有键盘设定PID控制参数功能；（5）当液位超过报警范围时，能通过声光报警。13本文的主要研究内容本文以ATMEGA16L单片机为核心，结合传感器技术来实现PID液位调节器的设计。主要研究PID液位调节器的基本工作原理，硬件电路设计及软件设计。其中，硬件部分包括核心控制模块ATMEGA16L单片机及其外围电路的设计；软件部分包括系统程序控制流程图以及主程序及各功能模块程序的结构设计等内容。在本次毕业设计中，主要涉及到如下工作（1）研究与分析PID控制理论的发展现状，并提出本设计的最终方案。（2）选择以单片机为核心的中央处理器。在设计的过程中，熟悉ATMEGA16L单片机C语言的设计流程和开发环境。同时，对各功能模块进行软硬件的设计与实现。（3）在学习单片机的基础上，完成硬件电路各个功能模块的设计和软件程序的编写，以及电路仿真和调试，最终实现液位显示、自动调节的功能。2系统工作原理及其总体设计方案21系统工作原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制原理如图21所示。图21PID控制原理图PID调节器就是基于PID控制原理而实现自动控制的系统，其结构图如图22所示。定值器控制器执行机构控制机构被控对象检测元件与变送器扰动DRSUH操纵量R被控量Y图22PID液位调节器原理图22总体设计方案基于PID的液位调节器设计的目的是实现液位的自动调节，即建立PID控制，通过反馈作用比较实时液位与预设液位的大小以自动调节液位。本设计的基本系统构成主要包括单片机核心控制模块、液位采集模块、执行模块、电机驱动模块、报警模块等。本系统先通过液位采集模块对水位信号进行采样，然后将采集到的信号送给ATMEGA16L单片机进行处理，最后控制由驱动电路驱动的水泵实现液位调节。另外，本设计还实现了当前液位值及超限液位报警等功能。总体方案如图23所示。单片机ATMEGA16L液位传感器水泵时间模块液晶显示模块蜂鸣器、高亮发光二极管键盘输入图23总体设计方案框图3系统的硬件电路设计31核心控制模块的设计311ATMEGA16L单片机简介单片机又称微处理器是在一片硅片上集成了中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM或者FLASH）、定时器/计数器以及多种I/O接口的单芯片型微型计算机。本设计所采用的单片机是ATMEGA16L单片机开发板。该单片机芯片由ATMEL公司于1997年推出的一款高端AVR单片机（ATMEGA系列）。它有内部接口丰富、功能齐全、性价比高、功耗低、生产技术高密度、拥有非易失性存储等优点。1、功能特性概述AVRRISC结构；数据和非易失性程序存储器；工作电压和时钟275V08MHZ2、引脚功能说明（1）VCC为数字电路的电源，GND为地。（2）端口A（PA7PA0）作为A/D转换器的模拟输入端，是8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。（3）端口B（PB7PB0）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统始终还未起振，端口B处于高阻状态。端口B也可以用做其他不同的特殊功能。（4）端口C（PC7PC0）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统始终还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5（TD1）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能。（5）端口D（PD7PD0）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统始终还未起振，端口D处于高阻状态。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。（6）RESET为复位输入引脚，持续时间超过最小门限时间的低电平将引起复位。（7）XTAL1为晶振反相放大器的输入端和内部时钟操作电路的输入端。（8）XTAL2为晶振反相放大器的输出端。（9）AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应该直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。（10）AREF是A/D的模拟基准输入引脚。312ATMEGA16L单片机最小系统ATMEGA16L单片机内含有FLASH程序存储器和SRAM数据存储器，故在一般情况下不需要扩展存储器。在该单片机的XTAL1和XTAL2之间加上08MHZ的晶振，并通过20PF左右的电容接地为单片机提供工作时钟，在9引脚加上低电平复位的复位电路并为单片机加上4060V电源后，ATMEGA16L单片机即可正常工作。以上三部分共同组成了ATMEGA16L单片机的最小系统如图31。图31ATMEGA16L最小系统电路图32液位采集模块的设计321液位传感器选择传感器是信号采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，是信息的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。本系统用到的是液位传感器。在众多可以探测液位信号传感器中，我选用了超声波传感器。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点，因此本系统选用了超声波传感器。322采集电路的设计ATMEGA16L单片机的ADC的结构及功能ATMEGA16L单片机集成了8通道10位逐次逼近型A/D转换器。该ADC还包含了一个放大器。它由模拟电源AVCC和模拟地AGND供电。模拟地AGND与数字地GND相连。模拟电源AVCC与数字电源VCC的电压差别不能超过03V。AREF为外部参考电压输入端，此电压应该在AGND与AVCC之间。该单片机的A/D转换器具有2LSB的精确度和05LSB的集成非线性度，转换时间在65260US间，比较快速。ATMEGA16L单片机的ADC具有两种工作方式单次转换方式和自由运行方式。在单次转换方式下，由程序启动每次转换；而在自由运行方式下，ADC会连续采样并更新ADC数据寄存器，以保持最近一次的采样值。系统在ADC时钟的上升沿启动A/D转换，第一次启动A/D转换，将引发一次哑转换过程以初始化ADC而得不到采样值。每一次A/D转换需要13个时钟周期。在进行第一次A/D转换时需要耗费15个时钟周期的采样/保持时间，在第13个时钟周期的结束哑转换，从而开始真正的A/D转换，在第25个时钟周期时完成第一次A/D转换，数据进入ADC的数据寄存器。当ADC工作在单次转换方式时，每次的A/D转换结束后需要一个额外的时钟周期，以开始下一次的A/D转换。而当ADC工作在自由转换模式时，第13个时钟周期结束A/D转换后即可立即开始下一次的A/D转换。A/D转换器的时钟由系统时钟经过一个7位的预分频器得到。ADC的时钟分频器的机构。ATMEGA16L单片机的A/D转换器的时钟应该在50200KHZ，过高的工作频率将降低采样精度。为了减小ATMEGA16L单片机的内外部数字电路产生的电磁干扰EMI对模拟测量精度的影响，在A/D转换精度要求很高时，就可以采用如下方式剪下噪声干扰使模拟地线与数字地线单点相连；尽量缩短模拟信号通路并远离高速数字通路；模拟电源端AVCC要通过一个RC网络连接到数字电源VCC；如果PA口的一些引脚用作数字输入口，则在ADC转换过程中尽量不要改变其状态。ATMEGA16L单片机与A/D转换相关的寄存器ADC多路选择寄存器ADMUX07BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0_MUX2MUX1MUX0ADC多路选择寄存器ADMUX用于选择A/D转换的通道。ADMUX可读可写，初始值为0X00。位73保留位。位20MUX2MUX0选择A/D转换的通道。如表31所示。表31ADC通道选择表MUX2MUX1MUX0通道选择说明000通道0模拟信号从PA0ADC0输入001通道1模拟信号从PA1ADC1输入010通道2模拟信号从PA2ADC2输入011通道3模拟信号从PA3ADC3输入100通道4模拟信号从PA4ADC4输入101通道5模拟信号从PA5ADC5输入110通道6模拟信号从PA6ADC6输入111通道7模拟信号从PA7ADC7输入ADC控制和状态寄存器ADCSR0X06BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0ADENADSCADFRADIFADIEADPS2ADPS1ADPS0ADCSR用于设置A/D转换器的工作方式和频率。ADCSR可读可写，初始值为0X00。位7ADEN位为ADC使能位。位6ADSC位为ADC单次转换方式选择位。如果ADC使能，置位ADSC位将启动一次A/D转换。在转换过程中ADSC一直保持为高。在转换过程结束后，转换结果进入ADC数据寄存器之前一个ADC时钟，ADSC变为低。位5ADFR位为ADC自由转换方式选择位。如果ADC使能，置位ADFR，则ADC功能工作于自由转换方式下。ADC将不断对信号进行采样并将最近一次的转换数据存入ADC数据寄存器。ADC工作于自由转换方式时，第一次转换时也必须置位ADSC位启动一次哑转换，以初始化ADC。位4ADIF位为ADC中断标志位。在ADC转换完成之后ADIF置位。如果全局中断位I和ADC中断使能位ADIF置位，则ADIF置位时将执行中断服务程序。在中断服务程序里，ADIF被硬件清零，对ADIF位写1也可以对其清零。位3ADIE位为ADC中断使能位。位20ADPS2ADPS0位用于选择ADC时钟。如表32所示表32A/D转换时钟选择ADPS2ADPS1ADPS0时钟分频系数ADC时钟频率0002CLK/20012CLK/20104CLK/40118CLK/810016CLK/1610132CLK/3211064CLK/64111128CLK/128ADC数据寄存器ADCH05、ADCL04BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0ADC7ADC6ADC5ADC4ADC3ADC2ADC1ADC0ADC通过逐次比较（SUCCESSIVEAPPROXIMATION）方式，将输入端的模拟电压转换成10位的数字量。模拟输入通道和差分增益的选择是通过ADMUX寄存器中的MUX位设定的。ADC有自己的中断，当转换完成时中断将被触发。ADC将10位的转换结果放在ADC数据寄存器中（ADCH和ADCL）。作为A/D转换结果，ADCL必须被先读，然后再读取ADCH里面的数据。这样，在ADCH寄存器被读取以前即使新一次的采样已完成，系统仍不会更新ADC数据寄存器，以保证对转换数据的正确读取。33执行模块的设计本液位调节器的执行部分主要由家用小水泵（电机）和电机驱动电路组成。331水泵的选型及功能本设计用到的是家用小水泵（电机）和水管等配件。（1）水泵的定义通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力,即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。（2）水泵泵的工作原理容积式泵是利用工作腔容积周期变化来输送液体；叶片泵是利用叶片和液体相互作用来输送液体。（3）水泵选型依据不仅应根据工艺流程，给排水要求，从五个方面加以考虑，即液体输送量（流量）、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等因素而且还遵循了如下水泵选型原则使所选泵的型式和性能符合装置的工艺参数的要求，必须满足介质特性的要求，机械方面可靠性高、噪声低、振动小，经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低等。BIT15BIT14BIT13BIT12BIT11BIT10BIT9BIT8_ADC9ADC8本系统设计时参考原则选择了叶片泵，它该泵需直流12V电源供电，扬程3米，具有体积小、性价比高、易驱动等优点。该泵体积大小高92毫米外径32毫米进出口外径12毫米，是同一个水泵在DC24VDC3V之间都能使用（工作电压可根据需要调节），功率从几瓦到40多瓦，扬程最高到3米。DC24V时能连续通电时间20多分钟。在DC12V1A时能连续通电12小时。DC6V以下能连续通电24小时。同时为了实验现象明显还配备了出水塑料导管。332电机驱动电路的设计本设计为了能实现水泵的抽水还要为其提供12V直流电源，这就用到了电机驱动电路。AVR单片机ATMEGA16L输出的脉宽调制PWM信号需经过功率放大才能驱动电机。在几款型号中我根据性价比、工作条件等依据选择了L298N电机驱动电路。L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚MULTIWATT封装的L298N还有POWERSO20封装，内部包含4通道逻辑驱动电路。L298N的电源采用12V电压输出提供电机驱动电压；输出5V电压提供单片机和探测系统电源。此外它还具有如下特点电压最高可达46V；总输出电流可达4A；较低的饱和压降；具有过热保护；TTL输出电平驱动，可直接连接CPU；具有输出电流反馈，过载保护。图32为L298N的引脚和外形图。图32L298N的引脚图L298N驱动模块电路如图33。IN1527304EA6BGD8VS9OUTLCPWM图33L298N驱动模块电路图15脚MULTIWATT封装的L298N的引脚符号及功能如表34所示表33L298N的引脚符号及功能MW15封装引脚功能1、5SEN1、SEN2分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地2、31Y1、1Y2输出端，与对应输入端（如1A1与1Y1）同逻辑4VS驱动电压，最小值需比输入的低电平电压高25V5、71A1、1A2输入端，TTL电平兼容6、111EN、2EN时能端，低电平禁止输出8GND地9VSS逻辑电源，457V应用L298N时需要两个电压，一个为逻辑电路工作所需的5V电压VCC，另一个为功率电路所需的驱动电压VS。为保护电路，需加上续流二极管，二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够电流承受能力。驱动电路的输入可直接与单片机或FPGA得引脚相连，但为了进一步提高电路的抗干扰能力，也可以使用光耦，对控制电路和驱动电路进行电气隔离。根据控制信号的不同输入方式，电路主要有以下几种控制方法（1）使能端输入使能信号，控制输入端A输入PWM信号，控制输出端B输入方向信号。（2）使能端输入使能信号，控制输入端A输入PWM信号，控制输入端B输入PWM的反信号。（3）使能端输入PWM信号，控制输入端A和控制输入端B输入控制电机状态的信号。电机状态参见表34。本设计只采用控制一个电机的方式。使能端控制A控制B电机状态高电平低电平正转低电平高电平反转高电平同高或同低刹车低电平任意任意自然停转表34电机控制状态34液位设定模块的结构及功能键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质上是一组按键开关集合，通常选用机械弹性开关，它们利用了机械触点的闭合断开作用。键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现低电平还是高电平，通过对电平高低状态的检测，便可确认是10、122A1、2A2输入端，TTL电平兼容13、142Y1、2Y2输出端NC无连接否有按键按下。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次，还必须消除抖动的影响，这样才能使键盘在单片机系统中使用得更加稳定。本设计采用的是独立式键盘电路。因为在本系统中要实时保存数据，所以在软件设计时要用到的外部中断比较多，但ATMEGA16L中只有两个外部中断，我们用外部中断0做了中断扩展。键盘可以用来进行人机交流。通过键盘输入，可以调节液位上限、下限、断电保存等功能。35显示模块的设计本设计中采用了LCD12864作为显示信息器件，与用户进行友好交互。LCD12864是专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。LCD12864，即像素为12864的显示液晶。其每一行最多可以显示8个中文，16个半宽字体。表34为液晶显示模块管脚排列和功能，图310是它与系统单片机连接的原理图。引脚标号功能说明备注1VSS逻辑负电源输入引脚，0V2VDD逻辑正电源输入引脚，5V3VL偏压信号引脚，可调节其对比度一般接0V4RS数据/指令寄存器选择功能5R/W读写选择引脚若只需要读，则接地6EN读写使能引脚714D0D78位数据引脚线15CS1半屏控制引脚16CS2半屏控制引脚高电平时对应半屏可用表35LCD12864管脚排列和功能表VCPD456GN123RSWEB0789TOUAK下图34LCD12864连接电路原理图36报警模块的设计工业现场需要有对液位超限的检测报警功能，并能通过声、光发出报警警示，所以我们用到一个报警电路。本设计采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路。其中蜂鸣器采用的是压电式。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。报警器在整个系统中也起着非常重要的作用，它是高电平报警，一旦监测到液位值达到报警限时，就发出报警。该电路简单、可靠。为了加大报警声音的响度，还需在电路中加上一个三极管作驱动。另外还使用了高亮、大功率的发光二极管作光报警。采用的高亮发光二极管的优点表现在尺寸小，体积小；不存在热辐射；低电压，低电流启动，耗电少；反应速度快，可用于高频场合；使用寿命长；有利于环保；容易开发成轻薄短小产品。其具体电路图如图35所示图35声光报警电路37电源的设计本设计用到两个电压5V和12V，可以分别用7805和7812稳压芯片提供。另外用三个7号电池为DS1302作备用供电电源。主电源电路图如图36所示图36电源设计电路4系统的软件设计本设计软件所要实现的功能实时控制小水泵（电机）；实时检测是否超出上下限；实时显示检测的数据、时间、上下限数值；实时监控键盘输入；报警控制。41单片机软件开发环境AVR系列单片机的集成开发环境有IMAGECRAFT公司的ICCAVR和ATMEL公司的AVR_STUDIO等。其中，ICCAVR因支持标准C语言对AVR系列单片机的编程而得到了广泛的应用。本系统软件设计程序使用C语言编写。软件的主要任务是完成芯片的初始化等工作，如数据采集、处理、显示，延时、中断等。42主程序设计本设计的重中之重是PID控制算法的实现。在一个控制系统中至少由被控对象、测量变送器、控制器及执行器等部分组成。由于外界的各种扰动不断产生，被控对象在各种扰动作用下，使得被控信号偏离给定值SV，要想达到被控信号的恒定值，首先由变送器对被测值进行检测，感受被控信号的变化并将它转换成电流信号，然后控制器将变送器送来的测量信号与设定值信号进行比较得出偏差EN；根据偏差的大小及变化趋势，按一定的控制规律进行运算后，将运算结果用标准的电流信号送给执行器，最后执行器自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入或流出被控对象的水量，克服扰动的影响，最终实现PID控制要求。由此可见，控制器在控制系统中起着非常重要的作用，是整个控制系统的核心和灵魂。PID控制也就是比例积分微分控制本系统只使用比例和积分两个参数进行控制，它是控制器控制规律中的一种。把变送器送来的信号与给定值进行比较，得到偏差信号，并以预先设定的参数比例系数、积分时间进行运算。且将运算结果送至执行器，本设计中的执行器是小水泵（电机），测量变送器为超声波采集。本系统的PID程序采用的是增量型算法如图41所示。采用增量型算法的原因是增量型算法具有很多优点（1）由于计算机输出增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉；图41增量型PID算法的程序流程图（2）在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，才能保证手动/自动无扰动切换，这将给程序设计带来困难。而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动无扰动切换；（3）不产生积分失控，所以容易获得较好的调节效果。这些特点已经得到了广泛的应用。但是，这种控制也有不足之处积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。所以，本设计结合位置型PID控制算法和增量型控制算法二者的优点，将二者结合起来，相互补充其不足。利用增量型算法其算法简单，使用的数据少，只要采集连续三次的数据偏差，就可以算计算EN计算ENA0计算EN11计算ENEN1A01计算EN12计算UN更新EN1,EN2开始返回出输出量，再结合位置型算法使输出值等于上次的输出值加上这次采样的偏差值。输出的信号给到电动调节阀上，就是这次采样后，实际要输出的值。模拟PID调节器，其控制规律如公式41所示KPETTD（41）TUTI10TDETTE式中，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。还有一种是数字PID调节器，其算法是利用偏差增量，比位置型算法一直累加历史偏差要简单的多。增量型算法只需知道连续三个采样值的偏差值就能计算增量输出。增量输出入公式42所示UNUN1KPENEN1KIENKDEN2EN1EN242NU本设计单片机程序控制原理描述如下本程序通过IO口第40脚。启动电机后就进行液面探测。键盘控制要求反应及时，因此本程序的键盘控制放在中断程序中处理。43各功能模块子程序的设计本设计在软件方面采用了模块化的设计思想，主程序主要调用了4个子程序，分别是A/D转换程序、液位处理程序、液位显示程序、液位设定程序。此外，还有报警电路子程序。各主要模块功能如下1A/D转换程序读取ADC送入单片机的模拟量电压信号，并换算为相对应的液位信号。2液位处理程序将换算后的液位信号经单片机换算后送去显示模块显示。3液位显示程序向LCD送数据显示，控制系统的显示部分。4液位设定程序实现按键输入预设液位值。主程序软件流程图如图42所示开始初始化进入数据并显示当前液位值设置液位值输入液位，计算偏差液位有偏差计算控制量，PID调节输出控制图42主程序流程图本系统各功能模块子程序主要包括A/D转换子程序、液位显示子程序、液位处理子程序以及液位设定子程序。451A/D转换子程序结构设计A/D转换子程序的作用是将开发板的A/D进行初始化，然后将从传感器采集的模拟电信号转换为数字电信号送入单片机的过程。首先选一个PD口的一个通道，读入的电压值是与液位具有线性关系的数据，该值送入该口，经线性运算后得出液位数据，延时后，A/D转换子程序结束。452液位处理程序结构设计将A/D转换后的数据同设定值比较，然后判断是否需要调用PID调节模块，若需要调节则进入该模块，调整PID控制的相关参数，直至输出与设定值接近返回。453液位显示子程序结构设计本设计采用的是液晶12864来显示相关参数,其流程图如图43所示图43液晶显示流程图454液位设定子程序结构设计键盘扫描程序的作用是读得用户自行设定的液位值，即取得预设液位值。本设计使用的键盘为独立式式，该键盘的特点是各键相互独立，每个按键的“接地端”均接地，每个按键的“测试端各接一根输入线，一根输入线上的工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。本设计中键盘的按键直接与单片机相连，包括按键查询、键功能程序转移，作用是切换液晶显示界面，设定或更改控制参数。开始初始化延时设置每行显示位置显示对应行内容返回5总体调试系统的硬件电路连接和软件的编程都设计完成后，接下来的主要任务就是调试环节，最终的目的就是实现任务书的要求。在ICCAVR编译环境下，将程序通过ISP下载线下载到到单片机中。首先对显示的稳定性进行调试，如果发现有问题，一般都是由于元件的焊接引起的，可以通过检查各线路是否导通来调整。其次是按键部分，通过按下按键看显示屏幕是否显示相关内容，如果出现问题，需要查看程序是否是设置的问题。最后就是要看水泵开度是否随PID控制规律而正常工作，从而达到自动调节要求。总结本设计以ATMEGA16L单片机为控制核心，利用其强大的处理能力和丰富的外围接口，合理选用了超声波传感器，电机驱动电路，以及12864液晶LCD显示，较好的完成了液位调节系统的液位采集电路、液位处理电路、液位显示电路、报警电路等功能模块，进而完成了PID液位调节器的设计。整个系统控制程序采用C语言进行编程。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据不一定可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。本系统采用工程整定的方法，由于现场整定经验不足，调节的效果不太理想。PID控制还有待于进一步的改进，以后还有很多工作要做把PID控制器制作成智能PID控制器或自适应PID控制器。本设计的实质是基于工业过程物理模拟对象，参考自动化仪表技术、传感器技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术等，涉及流量、液位、压力等热工参数来运用自动控制理论，利用单片机及其接口技术及C语言等实习工业模拟控制。参考文献1李广弟，朱月秀，冷祖祁单片机基础M北京北京航空航天大学出版社，20072李朝青单片机原理及接口技术M北京北京航空航天大学出版社，19983李勋等单片机实用教程M北京北京航空航天大学出版社，20004胡汉才单片机原理及系统设计M北京清华大学出版社，20025睢丙东，魏泽鼎等单片机应用技术与实例M北京电子工业出版社，20056陈杰，黄鸿传感器与检测技术M北京高等教育出版社，20027王绍纯自动检测技术M北京冶金工业出版社，19858徐爱钧单片机高级语言C51应用程序设计M北京电子工业出版社，20029何立民单片机应用系统设计系统配置与接口技术M北京北京航空航天大学出版社，199010李科杰传感技术M北京北京理工大学出版社，198911沙占友，王彦朋，孟志永等单片机外围电路设计M北京电子工业出版社，200312汤竞南，沈国琴51单片机C语言开发与实例M北京人民邮电出版社，200813倪德良，俞善庆，杜云庆家用热水器的能效、应用及发展对策J能源技术，2004年第04期14张建学走近家用热水器J质量跟踪，2001年第10期15徐鸿浩，谷刚太阳能热水器辅助电加热系统的设计J自动化技术与应用，2008年第27期16吴秀清微型计算机与接口技术M，第一版，中国科技大学出版社，1999217童诗白模拟电子技术基础M，第二版，北京高等教育出版社，199818吴金戎，沈庆阳，郭庭吉8051单片机实践与应用M，第二版，清华大学出版社，2002919BRIANWKERNIGHAN/差值运算IFFABSEKUMAXPWM_VARUMAX/调整值限幅，防止积分饱和IFPWM_VARPMAXPWM_OUTPMAX/输出值限幅IFPWM_OUTPMINPWM_OUTPMIN/输出值限幅OCR0PWM_OUT/输出给寄存器,改变PWM占空比VOIDADC_INITVOID/AD初始化ADCSRA0X00/禁止AD转换ADMUX0X40SFIOR|0X00ACSR0X80/禁止模拟比较器ADCSRA0XCEVOIDADC_LEDVOID/读取转换数据UNSIGNEDCHARI0,F0UNSIGNEDINTV0/转换值VADCL/读取值VADCH8VVUNSIGNEDINTVVREF1000/1024/转换数值RETURNVPRAGMAINTERRUPT_HANDLERADC_ISR15/AD转换完成中断VOIDADC_ISRVOIDADC_LEDADCSRA|1ADSC/再次启动ADVOIDJIANPANVOID/键盘IFPINCIFPINCSHEDIN8SET/1000X30SHEDIN9SET/10100X30SHEDIN10SET100X30IFKEY1KPIFKEY2TIIFKEY3TDIFKEY0SHUJUIFPINCIFPINCSHEDIN8SET/1000X30SHEDIN9SET/10100X30SHEDIN10SET100X30IFKEY1KPIFKEY2TIIFKEY3TDIFKEY0SHUJUIFPINCKEYOCR00X00SHUJUIFKEY4KEY0LAT_DISP0X00,0X00CLRRAMJS0SEIWHILEPINCVOIDSHUJU/数据处理显示PID_DATA15KEY0X30KP_DATA11KP/1000X30KP_DATA12KP/10100X30KP_DATA14KP100X30TI_DATA11TI/1000X30TI_DATA12TI/10100X30TI_DATA14TI100X30TD_DATA11TD/1000X30TD_DATA12TD/10100X30TD_DATA14TD100X30CHN_DISP0,0,PID_DATACHN_DISP1,0,KP_DATACHN_DISP2,0,TI_DATACHN_DISP3,0,TD_DATA附录2电路图PB0XCK/T1AIN3O4S5M678RE9DLGFVUMEGAW下YP致谢本次毕业设计从课题的确定到最后的完成，自始至终得到了指导教师耿丽清老师的悉心指导和亲切关怀。在整个研究学习阶段，耿老师不断向我们传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使我在毕设完成过程中少走了很多弯路。她严谨务实的工作作风、精益求精的治学态度、循循善诱的悉心教导给我以深刻的印象和极大的影响，她丰富的经验使我受益匪浅，让我十分敬佩。在此谨向耿老师致以诚挚的谢意在毕业设计的进行过程中，刘延一同学、余颖同学、高磊同学给了我大量的帮助和支持，在此同样表示深切的谢意另外，院领导和老师也给了我们必要的指导，为我们毕设的完成提供了很大的帮助。谨向所有指导过、帮助过我的老师和同学们表示最真挚的感谢英文资料及中文翻译PIDCONTROLLERAPROPORTIONALINTEGRALDERIVATIVECONTROLLERPIDCONTROLLERISAGENERICCONTROLLOOPFEEDBACKMECHANISMWIDELYUSEDININDUSTRIALCONTROLSYSTEMSAPIDCONTROLLERATTEMPTSTOCORRECTTHEERRORBETWEENAMEASUREDPROCESSVARIABLEANDADESIREDSETPOINTBYCALCULATINGANDTHENOUTPUTTINGACORRECTIVEACTIONTHATCANADJUSTTHEPROCESSACCORDINGLYTHEPIDCONTROLLERCALCULATIONALGORITHMINVOLVESTHREESEPARATEPARAMETERSTHEPROPORTIONAL,THEINTEGRALANDDERIVATIVEVALUESTHEPROPORTIONALVALUEDETERMINESTHEREACTIONTOTHECURRENTERROR,THEINTEGRALDETERMINESTHEREACTIONBASEDONTHESUMOFRECENTERRORSANDTHEDERIVATIVEDETERMINESTHEREACTIONTOTHERATEATWHICHTHEERRORHASBEENCHANGINGTHEWEIGHTEDSUMOFTHESETHREEACTIONSISUSEDTOADJUSTTHEPROCESSVIAACONTROLELEMENTSUCHASTHEPOSITIONOFACONTROLVALVEORTHEPOWERSUPPLYOFAHEATINGELEMENTBY“TUNING“THETHREECONSTANTSINTHEPIDCONTROLLERALGORITHMTHEPIDCANPROVIDECONTROLACTIONDESIGNEDFORSPECIFICPROCESSREQUIREMENTSTHERESPONSEOFTHECONTROLLERCANBEDESCRIBEDINTERMSOFTHERESPONSIVENESSOFTHECONTROLLERTOANERROR,THEDEGREETOWHICHTHECONTROLLEROVERSHOOTSTHESETPOINTANDTHEDEGREEOFSYSTEMOSCILLATIONNOTETHATTHEUSEOFTHEPIDALGORITHMFORCONTROLDOESNOTGUARANTEEOPTIMALCONTROLOFTHESYSTEMORSYSTEMSTABILITYSOMEAPPLICATIONSMAYREQUIREUSINGONLYONEORTWOMODESTOPROVIDETHECONTROLEPPROPRIATESYSTEMCONTROLTHISISACHIEVEDBYSETTINGTHEGAINOFUNDESIREDCONTROLOUTPUTSTOZEROAPIDCONTROLLERWILLBECALLEDAPI,PD,PORICONTROLLERINTHEABSENCEOFTHERESPECTIVECONTROLACTIONSPICONTROLLERSAREPARTICULARLYCOMMON,SINCEDERIVATIVEACTIONISVERYSENSITIVETOMEASUREMENTNOISE,ANDTHEABSENCEOFANINTEGRALVALUEMAYPREVENTTHESYSTEMFROMREACHINGITSTARGETVALUEDUETOTHECONTROLACTIONABLOCKDIAGRAMOFAPIDCONTROLLERNOTEDUETOTHEDIVERSITYOFTHEFIELDOFCONTROLTHEORYANDAPPLICATION,MANYNAMINGCONVENTIONSFORTHERELEVANTVARIABLESAREINCOMMONUSECONTROLLOOPBASICSAFAMILIAREXAMPLEOFACONTROLLOOPISTHEACTIONTAKENTOKEEPONESSHOWERWATERATTHEIDEALTEMPERATURE,WHICHTYPICALLYINVOLVESTHEMIXINGOFTWOPROCESSSTREAMS,COLDANDHOTWATERTHEPERSONFEELSTHEWATERTOESTIMATEITSTEMPERATUREBASEDONTHISMEASUREMENTTHEYPERFORMACONTROLACTIONUSETHECOLDWATERTAPTOADJUSTTHEPROCESSTHEPERSONWOULDREPEATTHISINPUTOUTPUTCONTROLLOOP,ADJUSTINGTHEHOTWATERFLOWUNTILTHEPROCESSTEMPERATURESTABILIZEDATTHEDESIREDVALUEFEELINGTHEWATERTEMPERATUREISTAKINGAMEASUREMENTOFTHEPROCESSVALUEORPROCESSVARIABLEPVTHEDESIREDTEMPERATUREISCALLEDTHESETPOINTSPTHEOUTPUTFROMTHECONTROLLERANDINPUTTOTHEPROCESSTHETAPPOSITIONISCALLEDTHEMANIPULATEDVARIABLEMVTHEDIFFERENCEBETWEENTHEMEASUREMENTANDTHESETPOINTISTHEERRORE,TOOHOTORTOOCOLDANDBYHOWMUCHASACONTROLLER,ONEDECIDESROUGHLYHOWMUCHTOCHANGETHETAPPOSITIONMVAFTERONEDETERMINESTHETEMPERATUREPV,ANDTHEREFORETHEERRORTHISFIRSTESTIMATEISTHEEQUIVALENTOFTHEPROPORTIONALACTIONOFAPIDCONTROLLERTHEINTEGRALACTIONOFAPIDCONTROLLERCANBETHOUGHTOFASGRADUALLYADJUSTINGTHETEMPERATUREWHENITISALMOSTRIGHTDERIVATIVEACTIONCANBETHOUGHTOFASNOTICINGTHEWATERTEMPERATUREISGETTINGHOTTERORCOLDER,ANDHOWFAST,ANDTAKINGTHATINTOACCOUNTWHENDECIDINGHOWTOADJUSTTHETAPMAKINGACHANGETHATISTOOLARGEWHENTHEERRORISSMALLISEQUIVALENTTOAHIGHGAINCONTROLLERANDWILLLEADTOOVERSHOOTIFTHECONTROLLERWERETOREPEATEDLYMAKECHANGESTHATWERETOOLARGEANDREPEATEDLYOVERSHOOTTHETARGET,THISCONTROLLOOPWOULDBETERMEDUNSTABLEANDTHEOUTPUTWOULDOSCILLATEAROUNDTHESETPOINTINEITHERACONSTANT,GROWING,ORDECAYINGSINUSOIDAHUMANWOULDNOTDOTHISBECAUSEWEAREADAPTIVECONTROLLERS,LEARNINGFROMTHEPROCESSHISTORY,BUTPIDCONTROLLERSDONOTHAVETHEABILITYTOLEARNANDMUSTBESETUPCORRECTLYSELECTINGTHECORRECTGAINSFOREFFECTIVECONTROLISKNOWNASTUNINGTHECONTROLLERIFACONTROLLERSTARTSFROMASTABLESTATEATZEROERRORPVSP,THENFURTHERCHANGESBYTHECONTROLLERWILLBEINRESPONSETOCHANGESINOTHERMEASUREDORUNMEASUREDINPUTSTOTHEPROCESSTHATIMPACTONTHEPROCESS,ANDHENCEONTHEPVVARIABLESTHATIMPACTONTHEPROCESSOTHERTHANTHEMVA