基于AVR单片机的智能调节器的设计毕业设计.docx

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基于AVR单片机的智能调节器的设计毕业设计

基于AVR单片机的智能调节器设计

摘要

随着现代化工业生产的自动化程度越来越高，对控制水平和控制精度的要求也越来越高。

为保证现代大规模工业生产能够安全、稳定、高效、连续运行，必须对生产过程中的各种重要参数进行自动控制与调节，这其中调节器扮演着重要角色。

本设计的主要目的是设计一台以AVR单片机为核心的智能调节器。

该调节器除了具有一般调节器的功能（PID调节、显示）外，还具有抗积分饱和、自诊断、报警和完善的通信等功能。

该智能调节器的核心是ATmega8单片机，还包括A/D转换、D/A转换、显示、键盘、报警、串行通信、PWM脉宽调制等模块。

采用增量式PID控制算法，能够满足大多数控制系统的控制要求，实现智能化控制。

软件部分利用源代码开放，具有丰富的软件资源，驱动丰富的C-51作为软件开发平台。

关键词：

智能调节器；AVR单片机；PID控制

TheDesignofIntelligentRegulatorBasedonSCMAVR

Abstract

Withtheautomationdegreeofmodernizationofindustrialproductionisgettinghigherandhigher,thecontrollevelandcontrolprecision'srequestisalsogettinghigherandhigher.Inordertoensureamodernlarge-scaleindustrialproductionofsafe,stable,efficientandcontinuousoperation,theproductionprocessmustbeofavarietyofimportantparametersofautomaticcontrolandregulation.Amongtheseregulatorsplayanimportantrole.

Themainpurposeofthisdesignistodesignaintelligentregulator,whichuseAVRsingle-chipmicrocomputerasthecore.Inadditiontotheregulatorfunctionofthegeneralregulator（PIDadjustment,display）,butalsowithanti-saturationpoints,self-diagnosis,alarmingandimprovecommunicationandotherfunctions.

ThecoreofthisintelligentregulatorisATmega8microcontroller,alsoincludesA/Dconversion,D/Aconversion,displaycircuit,keyboard,alarming,serialcommunication,PWMpulse-durationmodulation.ThisintelligentregulatorusestheincreasetypePIDcontrolalgorithm,cansatisfymostlythedigitalcontrolsystem'scontrolrequest,realizestheintellectualizedcontrol.ThesoftwarepartusesC-51asasoftwaredevelopmentplatform,whichsourcecodeisopenandhasawealthofsoftwareresources.

Keywords:

IntelligentRegulator;SCMAVR;PIDcontrol

第一章绪论

1.1智能调节器的现状及发展趋势[14]

七十年代初，大规模集成电路技术取得突破，出现了成本低、性能好的微处理器，人们开始用多台微机代替一台工业控制机控制生产过程。

到了八十年代初，新型传感技术、计算机技术、数据通讯与网络技术、图象显示技术、现代控制理论得到了广泛应用。

发达国家的仪表厂商纷纷推出以微型计算机为基础，具有综合测控功能的智能单、多回路调节器。

它是一种数字控制仪表，与模拟式调节仪表相比较，可编程调节器实现了仪表和计算机的一体化，通用性强、使用方便、性能价格比高，所以在工业控制过程中得到广泛的应用。

九十年代以来，随着微处理技术的不断发展，推动智能调节器性能不断提升。

从而可实现调节器的高速在线数据处理和大容量储存。

同时在调节器硬件结构不断简化的同时，其可编程功能得到增强，一些复杂的控制功能可由软件来完成，并可以根据调节器内部各种运算控制模块，灵活地组态构成多种控制方案。

而随着现场总线系统的迅猛发展，现场总线式仪表也成为了智能调节器新的发展趋势。

智能调节器是计算机过程控制技术发展的必然产物，它虽然不具备大规模的综合测控能力，但是计算机通信技术的发展却促进其与DCS的结合，为它的进一步发展提供了良好的契机。

通过通用的工业现场总线，数字调节器很容易与各种工业测控网络互联，发挥其独特的测控功能。

正因为数字调节器具有广阔的应用前景，国内外厂商对数字调节器的研究和生产具有很浓厚的兴趣。

国外的如DIGITRONIK系列的KMM调节器、日本横河一北辰公司的YS-80系列调节器、FC系列的PMK调节器等。

其中YS-80系列可编程调节器仅6年时间销售量就达20多万台。

到80年代中后期，各厂家在原来可编程调节器的基础上，又研制出首批普及型的具有自整定功能的可编程调节器：

如TOC3000SSC系统中的KMM211型可编程调节器、日本横河一北辰公司的YEWSERIES-80专家自整定调节器、美国FOXBORO公司的EXACT专家自整定调节器、日本山武·霍尼韦尔公司的SDC系列智能数字调节器等。

Honeywell于1996年最新推出的UDC-6300可编程回路调节器代表了调节器的发展方向。

它适用于各种工业过程控制，具有丰富功能和完美质量，并可以构成经济的DCS控制系统。

总的来说，国外产品侧重向专门系统和装置的专用控制站方向发展，其产品具有以下特点：

1）智能数字调节仪表已发展成为专门用途的控制站。

一台数字调节仪表有多回路组态控制，多通道开关量输入、输出逻辑控制功能。

同时仪表具有多种通信协议接口，很方便与整个工厂自动化系统相连接，实现信息互通，组成集散系统和信息系统。

2）人性化人机界面设计，可同时显示多种信息和多种方式。

3）仪表向网络化方向发展，许多仪表有开放式DeviceNet、Profibus、CC-Link、Ethernet-Link多种总线接口，方便连接工厂自动化系统。

4）由于仪表自身的发展，数字调节仪表在某些领域比采用DCS、PLC等方案控制更有效，性价比更高，存在和发展的空间很大。

国内的如西安仪表厂的DDZ-S系列仪表中的可编程调节器；广东肇庆仪表厂的CS-900系列单回路至三回路可编程调节器等。

目前，国内针对智能数字调节器的开发己经进入高速发展时期，各种新型智能数字调节仪表不断推出。

例如，浙大中控集团开发的现场总线式智能数字调节器以基于HART协议的现场总线替代传统的（4-20）mA变送方式，实现了模拟通讯向数模混合通讯方式的转变。

此外，各种无模型控制器己经开始出现，实现了对非线性、大时滞等系统的较好控制。

总的来说，国内产品具有以下特点：

1）近年来国产数字调节仪表、有了长足进步，这归功于民营科技企业作出的重大贡献。

主要数字调节仪表制造商有：

上润精密仪器有限公司、虹润精密仪器有限公司、厦门宇光电子技术有限公司、厦门安东电子有限公司等，其年产量均达到几万台规模。

2）国内产品在市场上数量占绝对优势，但也表现出常规品种多，特色品种少，各家产品之间缺少特色。

3）仪表在性能、外观、可靠性方面比国外同类产品稍逊。

4）具有通信功能已是数字调节仪表和记录仪表的常规功能，但目前仅有Modbus、RS-485、RS-232形式，开放性较差，较难接入工厂总线自动化系统。

从国内外数字调节器的特点可以看出，国内外发展水平还是存在一定差距的。

目前国内设计者已经高度重视这一块，针对智能数字调节器的开发也进入高度发展时期，相信可以很快改变这一现状。

1.2课题提出的意义

智能调节器是工业控制系统中最常见的控制仪表之一，与传统的模拟调节器相比，智能调节器应用了微处理机等先进技术，具有信息存储、逻辑判断、精确、快速计算等特点。

虽然随着DCS系统在我国的迅速发展，给智能调节器的应用带来了一定的冲击，但是昂贵的DCS系统对于那些规模不大、自动化程度不高的企业来说性价比并不高。

而随着微处理器技术的发展，调节器的功能不断完善，DCS系统的各项功能己经可以用通用微型计算机加数字调节器的组合来实现。

因此设计一款显示直观、控制精度高、物美价廉的数字调节器对于那些中小型企业来说是十分有意义的。

随着微电子和微处理器的迅速发展，数字调节器的功能也在不断增强，但同时控制系统对仪表的要求也越来越高。

不仅要求数字调节器有较高的可靠性，较多的功能，还需能做各种控制运算，能与其它测控设备通信共同实现复杂控制。

因而传统的8/16位单片机渐渐显现出软硬件资源不足的问题。

嵌入式系统是一种软硬件可扩充或删减的专业计算机系统，它以面向应用为主，是将计算机技术，半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合的产物。

相对于传统的8/16单片机，嵌入式系统具有速度高、容量大、扩充性能良好，实时性好，并可执行多任务操作系统的特点。

而AVR[3]体系结构已被公认是业界领先的8位嵌入式RISC微处理结构。

在AVR嵌入式系统的基础上设计智能数字调节器，具有功耗小，功能完备、精度高、速度快、存储容量大和功能可扩展的特点。

目前测控自动化系统还多采用RS-485总线方式进行数据通信。

RS-485总线具有形式简单、造价低等优点，但随着科技的发展，RS-485总线的总线效率低、系统实时性差、通信可靠性低、单总线可挂接节点少等缺点慢慢地暴露出来，给用户带来极大的不便。

AVR单片机内含有1个可编程的异步串行USART接口，主/从SPI串行接口，双线

串行接口，是增强型的高速同/异步串行通信，具有硬件产生校验码、硬件检错和校验帧错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串行接口能力大大超过MCS-51/96单片机的串行接口，加之AVR单片机速度高、中断响应时间短，故可实现高波特率通信。

1.3本设计的主要内容

本文在深入研究国内外数字调节器发展现状及其工作原理基础上，结合实际工业需要，设计了这款应用8位AVR芯片作为中央处理器；采用稳定可靠的总线系统保证调节器通信的可靠性和高速实时性；利用源代码开放，具有丰富的软件资源，驱动丰富的C-51作为软件开发平台；同时为提高数字控制器对各种大惯性、纯滞后等对象的控制效果，采用了数字式PID增量控制算法的智能调节器。

该设计的智能数字调节器除了具有一般调节器的功能（调节、显示、PID运算等）外，还具有自诊断和报警、抗积分饱和、时钟显示、完善的通信等功能。

第二章总体方案设计

2.1智能调节器系统组成及其功能描述

一般的控制器或控制设备均具有显示和调节功能，即实测量的显示功能和电位器调节设