數(shù)字PID液位控制調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

席玉青

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人們生活水平的提高，現(xiàn)代儀表已日趨數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。本設(shè)計(jì)是針對液位的一種數(shù)字PID控制器，可以在線實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的調(diào)整，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減少，過渡過程時間大大縮短，振蕩次數(shù)少。該控制器可以在液晶屏屏同時顯示設(shè)定值、反饋值和PID各參數(shù)的值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字PID;液位控制調(diào)節(jié)器;設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.115

PID控制是基于反饋理論的調(diào)節(jié)方式，它通過測量、比較獲取偏差信號，并將偏差的比例（Proportion）、積分（Integral）、微分（Differential）通過線性組合構(gòu)成控制量對被控對象進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）本系統(tǒng)硬件整體框圖。本系統(tǒng)選擇的是12位的max188和max538作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)的主要處理核心是Atmel公司生產(chǎn)的高性能AVR單片機(jī)Mega16L。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

（2）Atmega16單片機(jī)。單片機(jī)是整個設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心部件，它直接影響整機(jī)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。它對系統(tǒng)的功能以及研制周期起決定性作用。本設(shè)計(jì)選用了Atmega16單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心處理器。Atmega16單片機(jī)及外圍連接電路如圖2所示。

（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計(jì)使用的是前兩路CH0和CH1，通道的選擇是通過控制字，由軟件控制的。其主要的引腳介紹及連接如圖3所示。為更方便控制轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換速度，本設(shè)計(jì)采用自己定義的外部時鐘，如程序中使用PB0口作為時鐘端口，根據(jù)程序的需要，控制時鐘頻率，如圖3所示。

（4）數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。在本設(shè)計(jì)中，使用兩片max538。借于max538的體積小，使用起來方便靈活，為設(shè)計(jì)硬件電路帶來了很大的方便。其管腳圖及主要的引腳功能如圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

（1）軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高精度數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)其控制程序從功能上來說，大致包括系統(tǒng)初始化程序、PID算法主程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)模轉(zhuǎn)換子程序、液晶顯示子程序、鍵盤子程序、掉電保存子程序以及其他一些輔助程序。

（2）主程序。主程序系統(tǒng)各功能模塊子程序主要包括：A/D轉(zhuǎn)換子程序、液位顯示子程序、液位處理子程序以及。各主要模塊的功能如下：1）A/D轉(zhuǎn)換子程序：讀取max538送入單片機(jī)的模擬量電壓信號，并換算相對應(yīng)的也為信號;2）液位處理子程序：將換算后的液位信號經(jīng)單片機(jī)換算后送入顯示模塊顯示;3）液位顯示子程序：向LCD送數(shù)據(jù)顯示，控制系統(tǒng)的顯示部分;4）液位設(shè)定子程序：實(shí)現(xiàn)按鍵輸入預(yù)設(shè)液位值。

（3）程序編譯及仿真。本設(shè)計(jì)使用ICC編譯器進(jìn)行目標(biāo)代碼生成，外部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片可以根據(jù)單片機(jī)端口定義的時鐘，很有規(guī)律的進(jìn)行數(shù)據(jù)段讀寫操作。系統(tǒng)主程序還使用了AVR studio進(jìn)行仿真，確保程序的完整、可靠的運(yùn)行。

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