基于pid的液位调节器设计方案.docx
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基于pid的液位调节器设计方案
1绪论
1.1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。
1.2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。
1.3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
2.1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2-1所示。
图2-1PID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2-2所示。
图2-2PID液位调节器原理图
2.2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2-3所示。
图2-3总体设计方案框图
3系统的硬件电路设计
3.1核心控制模块的设计
3.1.1ATmega16L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:
2.7～5V;0～8MHz.
2、引脚功能说明
（1）VCC为数字电路的电源，GND为地。
（2）端口A（PA7-PA0）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（PB7-PB0）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（PC7-PC0）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（PD7-PD0）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。
3.1.2ATmega16L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0-8MHz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4.0-6.0V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3-1。
图3-1ATmega16L最小系统电路图
3.2液位采集模块的设计
3.2.1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。
3.2.2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0.3V。
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0.5LSB的集成非线性度，转换时间在65-260us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1.5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50～200KHz，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ADMUX（$07）
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
_
_
_
_
_
MUX2
MUX1
MUX0
ADC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7～3：
保留位。
位2～0：
MUX2-MUX0选择A/D转换的通道。
如表3-1所示。
表3-1ADC通道选择表
MUX2
MUX1
MUX0
通道选择
说明
0
0
0
通道0
模拟信号从PA0（ADC0）输入
0
0
1
通道1
模拟信号从PA1（ADC1）输入
0
1
0
通道2
模拟信号从PA2（ADC2）输入
0
1
1
通道3
模拟信号从PA3（ADC3）输入
1
0
0
通道4
模拟信号从PA4（ADC4）输入
1
0
1
通道5
模拟信号从PA5（ADC5）输入
1
1
0
通道6
模拟信号从PA6（ADC6）输入
1
1
1
通道7
模拟信号从PA7（ADC7）输入
●ADC控制和状态寄存器ADCSR（0x06）
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
ADEN
ADSC
ADFR
ADIF
ADIE
ADPS2
ADPS1
ADPS0
ADCSR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7：
ADEN位为ADC使能位。
位6：
ADSC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5：
ADFR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4：
ADIF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3：
ADIE位为ADC中断使能位。
位2～0：
ADPS2-ADPS0位用于选择ADC时钟。
如表3-2所示
表3-2A/D转换时钟选择
ADPS2
ADPS1
ADPS0
时钟分频系数
ADC时钟频率
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
●ADC数据寄存器ADCH（$05）、ADCL（$04）
Bit15
Bit14
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
_
_
_
_
_
_
ADC9
ADC8
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
ADC7
ADC6
ADC5
ADC4
ADC3
ADC2
ADC1
ADC0
ADC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。
3.3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。
3.3.1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。
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DC24V-DC3V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。
3.3.2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3-2为L298N的引脚和外形图。
图3-2L298N的引脚图
L298N驱动模块电路如图3-3。
图3-3L298N驱动模块电路图
15脚Multiwatt封装的L298N的引脚符号及功能如表3-4所示
表3-3L298N的引脚符号及功能
MW.15封装引脚
功能
1、5
SEN1、SEN2
分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地
2、3
1Y1、1Y2
输出端，与对应输入端（如1A1与1Y1）同逻辑
4
Vs
驱动电压，最小值需比输入的低电平电压高2.5V
5、7
1A1、1A2
输入端，TTL电平兼容
6、11
1EN、2EN
时能端，低电平禁止输出
8
GND
地
9
Vss
逻辑电源，4.5-7V
10、12
2A1、2A2
输入端，TTL电平兼容
13、14
2Y1、2Y2
输出端
—
NC
无连接
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3-4。
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
高电平
低电平
正转
低电平
高电平
反转
同高或同低
刹车
低电平
任意
任意
自然停转
表3-4电机控制状态
3.4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。
3.5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128*64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3-4为液晶显示模块管脚排列和功能，图3-10是它与系统单片机连接的原理图。
引脚
标号
功能说明
备注
1
Vss
逻辑负电源输入引脚，0V
2
Vdd
逻辑正电源输入引脚，＋5V
3
Vl
偏压信号引脚，可调节其对比度
一般接0V
4
RS
数据/指令寄存器选择功能
5
R/W
读写选择引脚
若只需要读，则接地
6
EN
读写使能引脚
7～14
D0～D7
8位数据引脚线
15
CS1
半屏控制引脚
高电平时对应半屏可用
16
CS2
半屏控制引脚
表3-5LCD12864管脚排列和功能表
图3-4LCD12864连接电路原理图
3.6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3-5所示：
图3-5声光报警电路
3.7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3-6所示
图3-6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。
4.1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ICC
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