畢業(yè)論文：基于avr單片機(jī)的智能調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

1、題 目：基于avr單片機(jī)的智能調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)基于avr單片機(jī)的智能調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)摘要隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，對(duì)控制水平和控制精度的要求也越來(lái)越高。為保證現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)能夠安全、穩(wěn)定、高效、連續(xù)運(yùn)行，必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各種重要參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，這其中調(diào)節(jié)器扮演著重要角色。本設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)一臺(tái)以avr單片機(jī)為核心的智能調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器除了具有一般調(diào)節(jié)器的功能（pid調(diào)節(jié)、顯示）外，還具有抗積分飽和、自診斷、報(bào)警和完善的通信等功能。該智能調(diào)節(jié)器的核心是atmega8單片機(jī)，還包括a/d轉(zhuǎn)換、d/a轉(zhuǎn)換、顯示、鍵盤(pán)、報(bào)警、串行通信、pwm脈寬調(diào)制等模塊。采用增量式pid控制算

2、法，能夠滿足大多數(shù)控制系統(tǒng)的控制要求，實(shí)現(xiàn)智能化控制。軟件部分利用源代碼開(kāi)放，具有豐富的軟件資源，驅(qū)動(dòng)豐富的c-51作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。關(guān)鍵詞：智能調(diào)節(jié)器；avr單片機(jī)；pid控制 the design of intelligent regulator based on scm avrabstractwith the automation degree of modernization of industrial production is getting higher and higher, the control level and control precisions request is

3、 also getting higher and higher. in order to ensure a modern large-scale industrial production of safe, stable, efficient and continuous operation, the production process must be of a variety of important parameters of automatic control and regulation. among these regulators play an important role.t

4、he main purpose of this design is to design a intelligent regulator,which use avr single-chip microcomputer as the core. in addition to the regulator function of the general regulator (pid adjustment, display), but also with anti-saturation points, self-diagnosis, alarming and improve communication

5、and other functions.the core of this intelligent regulator is atmega8 microcontroller, also includes a /d conversion, d /a conversion, display circuit, keyboard, alarming,serial communication, pwm pulse-duration modulation. this intelligent regulator uses the increase type pid control algorithm, can

6、 satisfy mostly the digital control systems control request, realizes the intellectualized control. the software part uses c-51 as a software development platform,which source code is open and has a wealth of software resources.key words: intelligent regulator; scm avr; pid control目 錄摘要iabstractii第一

7、章 緒論11.1 智能調(diào)節(jié)器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.2 課題提出的意義31.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容4第二章 總體方案設(shè)計(jì)52.1 智能調(diào)節(jié)器系統(tǒng)組成及其功能描述52.2 調(diào)節(jié)器的控制算法62.2.1 經(jīng)典pid算法62.2.2 數(shù)字式pid算法7第三章 智能調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計(jì)123.1 單片機(jī)介紹123.1.1 單片機(jī)的選型123.1.2 單片機(jī)的特點(diǎn)與性能133.1.3 單片機(jī)的引腳功能143.2 a/d輸入通道設(shè)計(jì)163.2.1 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器adc概述163.2.2 adc輸入通道及參考電源的選擇173.2.3 啟動(dòng)adc轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換時(shí)序173.2.4 噪聲抑制193.3 d/a輸出通道設(shè)計(jì)203

8、.3.1 d/a原理圖213.3.2 tlc5615的特點(diǎn)213.3.3 tlc5615的引腳功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)213.3.4 tlc5615的操作時(shí)序233.4 v/i轉(zhuǎn)換電路243.5 led數(shù)碼管及顯示電路253.5.1 led的引腳功能和連接方式253.5.2 led顯示器分類及特點(diǎn)253.5.3 led顯示方式263.6 按鍵電路設(shè)計(jì)283.7 通信接口電路設(shè)計(jì)293.8 pwm脈寬調(diào)制31第四章 智能調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)334.1 主程序設(shè)計(jì)334.2 a/d轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)344.3 增量式pid控制算法程序設(shè)計(jì)344.3.1 正、反作用問(wèn)題354.3.2 飽和作用的抑制354.3.3 限位

9、問(wèn)題364.3.4 帶死區(qū)的pid算式364.3.5 手動(dòng)/自動(dòng)跟蹤及手動(dòng)后援問(wèn)題384.4 按鍵處理子程序設(shè)計(jì)384.5 led顯示程序設(shè)計(jì)394.7 系統(tǒng)調(diào)試40結(jié)束語(yǔ)42參考文獻(xiàn)43附錄a 原理圖45附錄b 源程序46致 謝55第一章 緒論1.1 智能調(diào)節(jié)器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)14七十年代初，大規(guī)模集成電路技術(shù)取得突破，出現(xiàn)了成本低、性能好的微處理器，人們開(kāi)始用多臺(tái)微機(jī)代替一臺(tái)工業(yè)控制機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程。到了八十年代初，新型傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖象顯示技術(shù)、現(xiàn)代控制理論得到了廣泛應(yīng)用。發(fā)達(dá)國(guó)家的儀表廠商紛紛推出以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，具有綜合測(cè)控功能的智能單、多回路調(diào)節(jié)器。它是

10、一種數(shù)字控制儀表，與模擬式調(diào)節(jié)儀表相比較，可編程調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了儀表和計(jì)算機(jī)的一體化，通用性強(qiáng)、使用方便、性能價(jià)格比高，所以在工業(yè)控制過(guò)程中得到廣泛的應(yīng)用。九十年代以來(lái)，隨著微處理技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)智能調(diào)節(jié)器性能不斷提升。從而可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的高速在線數(shù)據(jù)處理和大容量?jī)?chǔ)存。同時(shí)在調(diào)節(jié)器硬件結(jié)構(gòu)不斷簡(jiǎn)化的同時(shí)，其可編程功能得到增強(qiáng)，一些復(fù)雜的控制功能可由軟件來(lái)完成，并可以根據(jù)調(diào)節(jié)器內(nèi)部各種運(yùn)算控制模塊，靈活地組態(tài)構(gòu)成多種控制方案。而隨著現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線式儀表也成為了智能調(diào)節(jié)器新的發(fā)展趨勢(shì)。智能調(diào)節(jié)器是計(jì)算機(jī)過(guò)程控制技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，它雖然不具備大規(guī)模的綜合測(cè)控能力，但是計(jì)算機(jī)通信技術(shù)

11、的發(fā)展卻促進(jìn)其與dcs的結(jié)合，為它的進(jìn)一步發(fā)展提供了良好的契機(jī)。通過(guò)通用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，數(shù)字調(diào)節(jié)器很容易與各種工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，發(fā)揮其獨(dú)特的測(cè)控功能。正因?yàn)閿?shù)字調(diào)節(jié)器具有廣闊的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外廠商對(duì)數(shù)字調(diào)節(jié)器的研究和生產(chǎn)具有很濃厚的興趣。 國(guó)外的如digitronik系列的kmm調(diào)節(jié)器、日本橫河一北辰公司的ys-80系列調(diào)節(jié)器、fc系列的pmk調(diào)節(jié)器等。其中ys-80系列可編程調(diào)節(jié)器僅6年時(shí)間銷售量就達(dá)20多萬(wàn)臺(tái)。到80年代中后期，各廠家在原來(lái)可編程調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，又研制出首批普及型的具有自整定功能的可編程調(diào)節(jié)器：如toc3000ssc系統(tǒng)中的kmm211型可編程調(diào)節(jié)器、日本橫河一北辰公司的y

12、ewseries-80專家自整定調(diào)節(jié)器、美國(guó)foxboro公司的exact專家自整定調(diào)節(jié)器、日本山武霍尼韋爾公司的sdc系列智能數(shù)字調(diào)節(jié)器等。honeywell于1996年最新推出的udc-6300可編程回路調(diào)節(jié)器代表了調(diào)節(jié)器的發(fā)展方向。它適用于各種工業(yè)過(guò)程控制，具有豐富功能和完美質(zhì)量，并可以構(gòu)成經(jīng)濟(jì)的dcs控制系統(tǒng)。總的來(lái)說(shuō)，國(guó)外產(chǎn)品側(cè)重向?qū)ｉT系統(tǒng)和裝置的專用控制站方向發(fā)展，其產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)： 1)智能數(shù)字調(diào)節(jié)儀表已發(fā)展成為專門用途的控制站。一臺(tái)數(shù)字調(diào)節(jié)儀表有多回路組態(tài)控制，多通道開(kāi)關(guān)量輸入、輸出邏輯控制功能。同時(shí)儀表具有多種通信協(xié)議接口，很方便與整個(gè)工廠自動(dòng)化系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)信息互通，組

13、成集散系統(tǒng)和信息系統(tǒng)。2)人性化人機(jī)界面設(shè)計(jì)，可同時(shí)顯示多種信息和多種方式。3)儀表向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，許多儀表有開(kāi)放式devicenet、profibus、cc-link、ethernet-link多種總線接口，方便連接工廠自動(dòng)化系統(tǒng)。4)由于儀表自身的發(fā)展，數(shù)字調(diào)節(jié)儀表在某些領(lǐng)域比采用dcs、 plc等方案控制更有效，性價(jià)比更高，存在和發(fā)展的空間很大。國(guó)內(nèi)的如西安儀表廠的ddz-s系列儀表中的可編程調(diào)節(jié)器；廣東肇慶儀表廠的cs-900系列單回路至三回路可編程調(diào)節(jié)器等。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)智能數(shù)字調(diào)節(jié)器的開(kāi)發(fā)己經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，各種新型智能數(shù)字調(diào)節(jié)儀表不斷推出。例如，浙大中控集團(tuán)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線式智

14、能數(shù)字調(diào)節(jié)器以基于hart協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線替代傳統(tǒng)的（4-20）ma變送方式，實(shí)現(xiàn)了模擬通訊向數(shù)模混合通訊方式的轉(zhuǎn)變。此外，各種無(wú)模型控制器己經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非線性、大時(shí)滯等系統(tǒng)的較好控制。 總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)： 1)近年來(lái)國(guó)產(chǎn)數(shù)字調(diào)節(jié)儀表、有了長(zhǎng)足進(jìn)步，這歸功于民營(yíng)科技企業(yè)作出的重大貢獻(xiàn)。主要數(shù)字調(diào)節(jié)儀表制造商有：上潤(rùn)精密儀器有限公司、虹潤(rùn)精密儀器有限公司、廈門宇光電子技術(shù)有限公司、廈門安東電子有限公司等，其年產(chǎn)量均達(dá)到幾萬(wàn)臺(tái)規(guī)模。2)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在市場(chǎng)上數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但也表現(xiàn)出常規(guī)品種多，特色品種少，各家產(chǎn)品之間缺少特色。3)儀表在性能、外觀、可靠性方面比國(guó)外同類產(chǎn)品稍遜。4)

15、具有通信功能已是數(shù)字調(diào)節(jié)儀表和記錄儀表的常規(guī)功能，但目前僅有modbus、rs-485、rs-232形式，開(kāi)放性較差，較難接入工廠總線自動(dòng)化系統(tǒng)。從國(guó)內(nèi)外數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)可以看出，國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平還是存在一定差距的。目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)者已經(jīng)高度重視這一塊，針對(duì)智能數(shù)字調(diào)節(jié)器的開(kāi)發(fā)也進(jìn)入高度發(fā)展時(shí)期，相信可以很快改變這一現(xiàn)狀。1.2 課題提出的意義智能調(diào)節(jié)器是工業(yè)控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的控制儀表之一，與傳統(tǒng)的模擬調(diào)節(jié)器相比，智能調(diào)節(jié)器應(yīng)用了微處理機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，具有信息存儲(chǔ)、邏輯判斷、精確、快速計(jì)算等特點(diǎn)。雖然隨著dcs系統(tǒng)在我國(guó)的迅速發(fā)展，給智能調(diào)節(jié)器的應(yīng)用帶來(lái)了一定的沖擊，但是昂貴的dcs系統(tǒng)對(duì)于那些規(guī)模不

16、大、自動(dòng)化程度不高的企業(yè)來(lái)說(shuō)性價(jià)比并不高。而隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，調(diào)節(jié)器的功能不斷完善，dcs系統(tǒng)的各項(xiàng)功能己經(jīng)可以用通用微型計(jì)算機(jī)加數(shù)字調(diào)節(jié)器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此設(shè)計(jì)一款顯示直觀、控制精度高、物美價(jià)廉的數(shù)字調(diào)節(jié)器對(duì)于那些中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)是十分有意義的。隨著微電子和微處理器的迅速發(fā)展，數(shù)字調(diào)節(jié)器的功能也在不斷增強(qiáng)，但同時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)儀表的要求也越來(lái)越高。不僅要求數(shù)字調(diào)節(jié)器有較高的可靠性，較多的功能，還需能做各種控制運(yùn)算，能與其它測(cè)控設(shè)備通信共同實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。因而傳統(tǒng)的8/16位單片機(jī)漸漸顯現(xiàn)出軟硬件資源不足的問(wèn)題。嵌入式系統(tǒng)是一種軟硬件可擴(kuò)充或刪減的專業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它以面向應(yīng)用為主，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)

17、，半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。相對(duì)于傳統(tǒng)的8/16單片機(jī)，嵌入式系統(tǒng)具有速度高、容量大、擴(kuò)充性能良好，實(shí)時(shí)性好，并可執(zhí)行多任務(wù)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)。而avr3體系結(jié)構(gòu)已被公認(rèn)是業(yè)界領(lǐng)先的8位嵌入式risc微處理結(jié)構(gòu)。在avr嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)智能數(shù)字調(diào)節(jié)器，具有功耗小，功能完備、精度高、速度快、存儲(chǔ)容量大和功能可擴(kuò)展的特點(diǎn)。目前測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)還多采用rs-485總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。rs-485總線具有形式簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但隨著科技的發(fā)展，rs-485總線的總線效率低、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差、通信可靠性低、單總線可掛接節(jié)點(diǎn)少等缺點(diǎn)慢慢地暴露出來(lái)，給用戶帶來(lái)極大的不便。avr

18、單片機(jī)內(nèi)含有1個(gè)可編程的異步串行usart接口，主/從spi串行接口，雙線串行接口，是增強(qiáng)型的高速同/異步串行通信，具有硬件產(chǎn)生校驗(yàn)碼、硬件檢錯(cuò)和校驗(yàn)幀錯(cuò)、兩級(jí)接收緩沖、波特率自動(dòng)調(diào)整定位（接收時(shí)）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫(xiě)，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串行接口能力大大超過(guò)mcs-51/96單片機(jī)的串行接口，加之a(chǎn)vr單片機(jī)速度高、中斷響應(yīng)時(shí)間短，故可實(shí)現(xiàn)高波特率通信。1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本文在深入研究國(guó)內(nèi)外數(shù)字調(diào)節(jié)器發(fā)展現(xiàn)狀及其工作原理基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工業(yè)需要，設(shè)計(jì)了這款應(yīng)用8位avr芯片作為中央處理器；采用穩(wěn)定可靠的總線系統(tǒng)保證調(diào)節(jié)器通信

19、的可靠性和高速實(shí)時(shí)性；利用源代碼開(kāi)放，具有豐富的軟件資源，驅(qū)動(dòng)豐富的c-51作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)；同時(shí)為提高數(shù)字控制器對(duì)各種大慣性、純滯后等對(duì)象的控制效果，采用了數(shù)字式pid增量控制算法的智能調(diào)節(jié)器。該設(shè)計(jì)的智能數(shù)字調(diào)節(jié)器除了具有一般調(diào)節(jié)器的功能（調(diào)節(jié)、顯示、pid運(yùn)算等）外，還具有自診斷和報(bào)警、抗積分飽和、時(shí)鐘顯示、完善的通信等功能。第二章 總體方案設(shè)計(jì)2.1智能調(diào)節(jié)器系統(tǒng)組成及其功能描述一般的控制器或控制設(shè)備均具有顯示和調(diào)節(jié)功能，即實(shí)測(cè)量的顯示功能和電位器調(diào)節(jié)設(shè)備功能。電位器作為一種模擬器件，具有連續(xù)調(diào)節(jié)能力，但容易出現(xiàn)接觸不良的問(wèn)題，而且數(shù)字化發(fā)展方向不吻合。目前雖有數(shù)字電位器可供選用，但分

20、辨率普遍較低，抽頭數(shù)最高的如xicor公司的x9110，只有1024個(gè)抽頭，即1024級(jí)，不能適應(yīng)某種特殊要求。數(shù)字化調(diào)節(jié)器的研究正是基于這種背景。該數(shù)字化調(diào)節(jié)器具有顯示和調(diào)節(jié)功能，而且是按鍵操作，克服了電位器旋鈕不能密封的固有缺陷，可廣泛應(yīng)用于電位器調(diào)節(jié)的應(yīng)用場(chǎng)合。數(shù)字化調(diào)節(jié)器的主要功能是調(diào)節(jié)和顯示，具體設(shè)計(jì)要求如下：1調(diào)節(jié)功能具有電壓和電流兩種調(diào)節(jié)方式。2顯示功能同時(shí)顯示實(shí)測(cè)值和調(diào)節(jié)設(shè)定值；采用數(shù)碼管顯示，能適應(yīng)不同的照明環(huán)境要求；8位顯示，前4位是實(shí)測(cè)值，后4位是設(shè)定值，各自的首位用面板文字“電壓”或“電流”的指示燈表示電壓或電流，用“電壓細(xì)步”或“電流細(xì)步”的指示燈表示目前為細(xì)分設(shè)定狀

21、態(tài)。本設(shè)計(jì)中所設(shè)計(jì)的智能調(diào)節(jié)器除了具有一般的調(diào)節(jié)和顯示功能外，還具有自診斷和報(bào)警、抗積分飽和、時(shí)鐘顯示、完善的通信等功能。其硬件大致由以下部分組成：cpu、a/d轉(zhuǎn)換、d/a轉(zhuǎn)換、鍵盤(pán)電路、數(shù)碼管顯示、max232通信電路、報(bào)警電路以及v/i轉(zhuǎn)換電路。如圖2.1所示：2.2 調(diào)節(jié)器的控制算法在調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與工作過(guò)程中，調(diào)節(jié)器的控制算法起著至關(guān)重要的作用。調(diào)節(jié)器控制理論23經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論，古典控制算法又包括模擬pid算法和數(shù)字式pid算法；現(xiàn)代控制算法包括最優(yōu)控制、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制等；智能控制算法包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、仿人智能控制、遺傳算法等。

22、pid控制算法是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中。數(shù)字式pid控制算法是將模擬pid離散化得到，各參數(shù)有著明顯的物理意義，調(diào)整方便。2.2.1 經(jīng)典pid算法在連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)中，pid控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，pid控制算法的模擬表達(dá)式12為： 式（2.1）式中，為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；為偏差信號(hào)，它等于給定量與輸出量之差；為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。其控制框圖如圖2.2所示：pid控制器是一種線性控制器，輸出量和

23、給定量之間的誤差是時(shí)間的函數(shù)。 式（2.2）由比例，積分，微分的線性組合，構(gòu)成控制量，這種控制方式具有上述三種控制方式，因而被稱為比例(proportional)、積分(integrating)，微分(differentiation)控制，簡(jiǎn)稱pid控制。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，可以靈活地采用不同的控制組合，構(gòu)成比例(p)控制器、比例積分(pi)控制器、比例微分(pd)控制器或是比例積分微分(pid)控制器。比例控制能夠迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能徹底消除穩(wěn)態(tài)誤差。隨著比例放大系數(shù)的加大，系統(tǒng)會(huì)逐漸變得不穩(wěn)定，因此需要進(jìn)行積分控制。積分控制的作用

24、是，當(dāng)系統(tǒng)存在誤差時(shí)，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差，只要有充分的時(shí)間，積分控制就能夠完全消除誤差，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。但是積分作用太強(qiáng)會(huì)引起系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，此時(shí)又需要引入微分控制。微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。應(yīng)用pid控制，就是根據(jù)具體情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)，積分時(shí)間,和微分時(shí)間，使整個(gè)控制系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制效果。2.2.2 數(shù)字式pid算法在數(shù)字控制系統(tǒng)中，pid控制器是通過(guò)計(jì)算機(jī)pid控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。連續(xù)的時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)離散化后，變成數(shù)字量，才能用計(jì)算機(jī)

25、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，計(jì)算和處理積分、微分時(shí)，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。因此在數(shù)字計(jì)算機(jī)中pid控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)也必須用數(shù)值逼近的方法，用求和代替積分，用差商代替微商，使pid算法離散化，將描述連續(xù)一時(shí)間pid算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散一時(shí)間pid算法的差分方程。 式（2.3)式中是控制量的基值，即穩(wěn)態(tài)時(shí)pid控制器的輸出值；是第k次采樣時(shí)刻的控制，為比例放大系數(shù)，為積分放大系數(shù)，為微分放大系數(shù)，為采樣周期。式（2.3）稱為位置式pid制算法。由位置式pid控制算法推導(dǎo)出： 式（2.4）其中， 式（2.5） 式（2.6） 式（2.7）公式(2.4)稱為增量式pid控制算法，從該表達(dá)式

26、已經(jīng)看不出p、i、d作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對(duì)控制作用的影響。從式(2.4)看出，數(shù)字增量式pid算法，只要貯存最近的三個(gè)誤差采樣值、即可當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量時(shí)，該算法可以起到很好的控制效果。本設(shè)計(jì)中就是采用了增量式數(shù)字pid算法。因?yàn)樵隽渴綌?shù)字pid有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）由于計(jì)算機(jī)輸出的是增量，所以誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉；（2）在位置型控制算法中，由手動(dòng)到自動(dòng)切換時(shí)，必須首先使計(jì)算機(jī)的輸出值等于閥門的原始開(kāi)度，才能保證手動(dòng)/自動(dòng)地?zé)o擾動(dòng)切換，這將給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。而增量設(shè)計(jì)只與本次的偏差值有關(guān)，與閥門原來(lái)的位置無(wú)關(guān)，因而增量算法易于

27、實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換；（3）不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。2.2.2.1 數(shù)字pid采樣周期的選擇241選擇采樣周期的重要性采樣周期越小，數(shù)字模擬越精確，控制效果越接近連續(xù)控制。對(duì)大多數(shù)算法，縮短采樣周期可使控制回路性能改善，但采樣周期縮短時(shí)，頻繁的采樣必然會(huì)占用較多的計(jì)算工作時(shí)間，同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，而對(duì)有些變化緩慢的受控對(duì)象無(wú)需很高的采樣頻率即可滿意地進(jìn)行跟蹤，過(guò)多的采樣反而沒(méi)有多少實(shí)際意義。2選擇采樣周期的原則采樣定理 最大采樣周期 式（2.8）式中為信號(hào)頻率組分中最高頻率分量。3. 選擇采樣周期應(yīng)綜合考慮的因素（1） 給定值的變化頻率加到被控對(duì)象上的給定值

28、變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高，以使給定值的改變通過(guò)采樣迅速得到反映，而不致在隨動(dòng)控制中產(chǎn)生大的時(shí)延。（2） 被控對(duì)象的特性 考慮對(duì)象變化的緩急，若對(duì)象是慢速的熱工或化工對(duì)象時(shí)，t一般取得較大。在對(duì)象變化較快的場(chǎng)合，t應(yīng)取得較小。 考慮干擾的情況，從系統(tǒng)抗干擾的性能要求來(lái)看，要求采樣周期短，使擾動(dòng)能迅速得到校正。（3） 使用的算式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型采樣周期太小，會(huì)使積分作用、微分作用不明顯。同時(shí)，因受微機(jī)計(jì)算精度的影響，當(dāng)采樣周期小到一定程度時(shí)，前后兩次采樣的差別反映不出來(lái)，使調(diào)節(jié)作用因此而減弱。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作慣性大，采樣周期的選擇要與之適應(yīng)，否則執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。（4）

29、控制的回路數(shù)要求控制的回路越多時(shí)，相應(yīng)的采樣周期越長(zhǎng)，以使每個(gè)回路的調(diào)節(jié)算法都有足夠的時(shí)間來(lái)完成?？刂频幕芈窋?shù)n與采樣周期t有如下關(guān)系： 式（2.9）式中，是第j個(gè)回路控制程序的執(zhí)行時(shí)間。采樣周期的選擇方法有兩種，一種是計(jì)算法，一種是經(jīng)驗(yàn)法。計(jì)算法由于比較復(fù)雜，特別是被控系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)難以確定，所以工程上用得比較少。工程上應(yīng)用最多的還是經(jīng)驗(yàn)法。所謂經(jīng)驗(yàn)法實(shí)際上是一種湊試法，即根據(jù)人們?cè)诠ぷ鲗?shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)以及被控對(duì)象的特點(diǎn)、參數(shù)，先粗選一個(gè)采樣周期t，送入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)被控對(duì)象的實(shí)際控制效果，反復(fù)修改t，直到滿意為止。2.2.2.2 數(shù)字pid控制的參數(shù)選擇1.參數(shù)選擇的

30、原則要求和整定方法（1） 原則要求被控過(guò)程是穩(wěn)定的，能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過(guò)大，在系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求是困難的，必須根據(jù)具體過(guò)程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。（2） pid參數(shù)整定方法理論計(jì)算法依賴被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型（一般較難做到）。工程整定法不依賴被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定（簡(jiǎn)單易行）。2.常用的工程整定法（1） 擴(kuò)充臨界比例度法適用于有自平衡特性的被控對(duì)象整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是： 選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí)間的十分之一以下。 去

31、掉積分和微分作用，逐漸增大比例度系數(shù)直至系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)(穩(wěn)定邊緣)，記下此時(shí)的臨界比例系數(shù)及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。選擇控制度。 式（2.10）通常，當(dāng)控制度為1.05時(shí)，就可以認(rèn)為ddc與模擬控制效果相當(dāng)。根據(jù)選定的控制度，查表求得t、kp、ti、td的值。（2） 響應(yīng)曲線法適用于多容量自平衡系統(tǒng)參數(shù)整定步驟如下： 讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來(lái)，然后突然改變給定值，給對(duì)象一個(gè)階躍輸入信號(hào)。圖2.2 階躍響應(yīng)曲線 用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化過(guò)程曲線，如圖2.2所示。 在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間，被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)以及

32、它們的比值。 由求得的、及查表，即可求得數(shù)字調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)、及采樣周期。 （3） 歸一參數(shù)定法令，。則增量型pid控制的公式簡(jiǎn)化為 式（2.11）改變，觀察控制效果，直到滿意為止。2.2.2.3 數(shù)字pid控制的工程實(shí)現(xiàn)圖2.3 數(shù)字pid控制的工程實(shí)現(xiàn)第三章 智能調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)介紹單片機(jī)又稱單片微控制器，它是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一片芯片上，概括的講：一片芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。單片機(jī)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)分支,是智能調(diào)節(jié)器的核心元件，調(diào)節(jié)器智能化的實(shí)現(xiàn)以及智能化程度主要依賴于所選用的單片機(jī)的性能與特點(diǎn)。而高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位，一直是衡量單片機(jī)性能的重要指

33、標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場(chǎng)賴以生存的必要條件。3.1.1 單片機(jī)的選型傳統(tǒng)單片機(jī)工藝及設(shè)計(jì)水平不高、功耗高、抗干擾性能差、指令周期長(zhǎng)、執(zhí)行速度慢，最典型的代表是c51單片機(jī)。自從avr單片機(jī)推出以后，徹底改變了這種狀態(tài)。它采用精簡(jiǎn)指令集，硬件結(jié)構(gòu)采取8位機(jī)與16位機(jī)的折中策略，采用局部寄存器存堆和單體高速輸入/輸出的方案。這樣，既提高了指令執(zhí)行速度，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能；又減少了對(duì)外設(shè)管理的開(kāi)銷，相對(duì)化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。avr與傳統(tǒng)c51單片機(jī)的區(qū)別為：簡(jiǎn)單的說(shuō)，cpu構(gòu)架不同，雖然都是8位的，但指令集不同，avr是用risc的，哈佛結(jié)構(gòu)的總線；51是用cisc，馮諾依曼結(jié)構(gòu)的總線。跟

34、avr單片機(jī)相比，51內(nèi)部資源少，速度慢，但學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單，是用的最多最精典的單片機(jī)。avr是后來(lái)才出來(lái)的，工藝上遠(yuǎn)超過(guò)51，內(nèi)部資源豐富，速度快。avr單片機(jī)的先進(jìn)性和特點(diǎn)還有很多，如脈寬調(diào)制(pwm)輸出，看門狗定時(shí)器，休眠模式(低功耗)的應(yīng)用，片內(nèi)a/ d轉(zhuǎn)換器的使用，異、同步串口通信，軟件等。所以對(duì)于現(xiàn)在一般的嵌入式控制應(yīng)用，avr單片機(jī)是一個(gè)很好的選擇。本設(shè)計(jì)中我選用的是avr單片機(jī)中atmega系列中的一個(gè)子集atmega8。atmega83是具有avr risc結(jié)構(gòu)的低功耗的cmos8微處理器。atmega8是一個(gè)非常特殊的單片機(jī)，它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口

35、電路，具備avr高檔單片機(jī)mege系列的全部性能和特點(diǎn)，但由于采用了小引腳封裝（pdip為28和tqfp/mlf為32），所以其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，成為具有極高性價(jià)比、深受廣大用戶喜愛(ài)的單片機(jī)。3.1.2 單片機(jī)的特點(diǎn)與性能3atmega8是avr高檔單片機(jī)中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性能價(jià)格比最好的品種。它的主要性能如下：l 高性能，低功耗的8位avr微控制器。l 先進(jìn)的risc精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)： 130條功能強(qiáng)大的指令，大多數(shù)為單時(shí)鐘周期指令； 32個(gè)8位通用工作寄存器； 工作在16mhz時(shí)具有16mi/s的性能； 片內(nèi)集成硬件乘法器（執(zhí)行速度為2個(gè)時(shí)鐘周期）； 完全靜態(tài)操作。l 片內(nèi)集成

36、了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及工作存儲(chǔ)器： 8k字節(jié)的在線flash程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)次數(shù)大于1000次； 支持在線編程（isp）和在線應(yīng)用自編程（iap）； 具有獨(dú)立加密位的boot代碼區(qū)，通過(guò)芯片上的boot區(qū)內(nèi)引導(dǎo)程序，實(shí)現(xiàn)在線自編程； 512b的,擦寫(xiě)次數(shù)大于100000次； 1kb的內(nèi)部sram； 可編程的程序加密位。l 外部（peripheral）性能： 2個(gè)具有比較模式的帶預(yù)分頻的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器； 1個(gè)具有可預(yù)分頻的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有比較模式和捕捉模式； 1個(gè)具有獨(dú)立振蕩器的異步實(shí)時(shí)時(shí)鐘（rtc）； 3個(gè)pwm通道，可實(shí)現(xiàn)任意小于16位的相位和頻率可調(diào)的pwm脈寬

37、調(diào)制輸出； tqfp和mlf封裝的8通道adc，其中6個(gè)通道為10位精度，2個(gè)通道為8位精度； pdip封裝的6通道的adc，其中4個(gè)通道為10位精度，2個(gè)通道為8位精度； 1個(gè)可編程的異步串行usart接口，支持同步、異步以及多機(jī)通信自動(dòng)地址識(shí)別； 雙線串行接口，支持主/從、收/發(fā)四種工作方式，支持自動(dòng)總線仲裁； 1個(gè)主/從、收/發(fā)的spi同步串行接口； 帶片內(nèi)rc振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器； 片內(nèi)模擬比較器。l 特殊的微控制器（mcu）性能： 上電復(fù)位和可編程欠電壓監(jiān)測(cè)； 已校準(zhǔn)的內(nèi)部rc振蕩器； 外部和內(nèi)部中斷源18個(gè)； 五種休眠模式：空閑、adc降噪、省電、掉電、等待。l i/o口和封

38、裝： 23個(gè)可編程的i/o口，可任意定義i/o的輸入/輸出方向；輸出時(shí)為推挽輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng)led等大電流負(fù)載；輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設(shè)定帶內(nèi)部上拉電阻，省去外接上拉電阻； 28腳pdip封裝，32腳tqfp封裝和32腳mlf封裝。l 工作電壓： 2.7v5.5v(atmega8l)； 4.5v5.5v(atmega8)。l 運(yùn)行速度： 08mhz(atmega8l)； 016mhz(atmega8)。l 功耗(在4mhz、3v、25條件下)： 工作模式：3.6ma； 空閑模式：1.0ma； 掉電模式：0.5a。3.1.3 單片機(jī)的引腳功能atmega8由三種不同形式的封裝：

39、pdip、tqfp和mlf。本設(shè)計(jì)中采用pdip封裝形式，見(jiàn)圖3.1所示。外部引腳定義如下： 圖3.1 atmega8l的pdip封裝引腳圖n vcc：（數(shù)字）電源。n gnd：電源地。n portb(pb7pb0)：b端口是一個(gè)8位雙向的i/o端口（可位操作），每個(gè)引腳都有內(nèi)部上拉電阻。b端口的輸出緩沖器具有雙向（輸出和吸收）大電流的驅(qū)動(dòng)能力。b端口作為輸入方式，且內(nèi)部上拉電阻有效時(shí)，如果外部引腳被拉低，b端口將輸出電流。當(dāng)復(fù)位時(shí)，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還沒(méi)有工作，b口仍呈現(xiàn)三態(tài)。通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘選擇位設(shè)置，pb6可作為振蕩放大器和外部時(shí)鐘操作電路的輸入（xtal1），pb7可作為晶振放大器的輸出。如果采

40、用內(nèi)部rc晶振作為芯片時(shí)鐘源，此時(shí)設(shè)置assr寄存器中的as2位為“1”時(shí)，pb7、pb6可作為異步定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的輸入端口tosc2、tosc1使用。n portc(pc6pc0)：c端口是一個(gè)7位的帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o端口（可位操作）。c端口的輸出緩沖器具有雙向（輸出和吸收）大電流的驅(qū)動(dòng)能力。c端口作為輸入方式，且內(nèi)部上拉電阻有效時(shí)，如果外部引腳被拉低，c端口將輸出電流。當(dāng)復(fù)位時(shí)，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還沒(méi)有工作，c口仍呈現(xiàn)三態(tài)。pc6/：對(duì)rstdisbl熔絲編程，可將pc6作為一個(gè)i/o口使用。pc6的電氣特性與端口c的其他引腳不同。當(dāng)未對(duì)rstdisbl熔絲編程時(shí)，pc6作為復(fù)位輸入引

41、腳。即使系統(tǒng)時(shí)鐘沒(méi)有工作，當(dāng)在該引腳上出現(xiàn)超過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘周期的低電平時(shí)，將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位。n portd(pd7pd0)：d端口是一個(gè)8位的帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o端口（可位操作）。d端口的輸出緩沖器具有雙向（輸出和吸收）大電流的驅(qū)動(dòng)能力。d端口作為輸入方式，且內(nèi)部上拉電阻有效時(shí)，如果外部引腳被拉低，d端口將輸出電流。當(dāng)復(fù)位時(shí)，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還沒(méi)有工作，d口仍呈現(xiàn)三態(tài)。d端口是一個(gè)復(fù)用端口，還提供atmega8單片機(jī)的許多特殊接口功能。n xtal1：內(nèi)部振蕩放大器的輸入端。n xtal2：內(nèi)部振蕩放大器的輸出端。n avcc：a/d轉(zhuǎn)換器的電源，當(dāng)端口（pc3pc0）和pc7、pc6

42、用于adc時(shí)，avcc應(yīng)通過(guò)低通濾波器連接到vcc上。在不使用adc時(shí)，則該引腳應(yīng)直接連接到vcc上，需要注意的是端口pc5、pc4的電源是由vcc提供。n aref：是a/d轉(zhuǎn)換器的參考電源輸入端。n adc7、adc6：僅存在于tqfp和mlf封裝中，在采用tqfp和mlf封裝的芯片中，adc7、adc6為兩個(gè)10位a/d轉(zhuǎn)換器的輸入通道。它們的電壓由avcc提供。3.2 a/d輸入通道設(shè)計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，被測(cè)參數(shù)，如溫度、流量、壓力、液位、速度等都是連續(xù)變化的量，稱為模擬量。而微型計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)只能是數(shù)字量，所以數(shù)據(jù)在進(jìn)入微型計(jì)算機(jī)之前，必須把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，即a/d轉(zhuǎn)換。由于a

43、tmega8的pdip封裝形式有6通道的adc，其中4個(gè)通道為10位精度（adc5、adc4為2個(gè)8位精度的通道），所以不需要外接adc電路，只需從單片機(jī)中引出兩個(gè)引腳并各自接上一個(gè)250的標(biāo)準(zhǔn)電阻作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換的通道即可。本設(shè)計(jì)用的是單片機(jī)pc1/adc1和pc2/adc2兩個(gè)引腳。3.2.1 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器adc概述特性：（1） 10位精度（adc5和adc4為8位轉(zhuǎn)換精度）；（2） 0.5lsb的非線性度； （3） 2lsb的絕對(duì)值精度；（4） 65260s的轉(zhuǎn)換時(shí)間；（5） 最大的采樣速率為15khz；（6） 6路輸入復(fù)用可選的單端輸入通道；（7） 附加2路輸入的雙路復(fù)用單端輸入通道（僅

44、適用于tqfp和mlf封裝）；（8） adc的結(jié)果讀取可選擇左對(duì)齊；（9） adc的輸入電壓范圍為0vcc；（10）可選的2.56v的adc 參考電壓；（11）連續(xù)轉(zhuǎn)換模式和單次轉(zhuǎn)換模式；（12）adc轉(zhuǎn)換完成觸發(fā)中斷；（13）休眠模式下的噪聲抑制器adc通過(guò)逐次比較方式將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換為10位的數(shù)字量，最小的代表地，最大值為aref引腳上的電壓值減去1個(gè)lsb。adc包括采樣保持電路，確保輸入電壓在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持穩(wěn)定。3.2.2 adc輸入通道及參考電源的選擇通道和參考電源更新需在轉(zhuǎn)換開(kāi)始前設(shè)置，一旦轉(zhuǎn)換開(kāi)始，通道和參考電源選擇將被鎖定，以確保adc有足夠的的采樣時(shí)間。在轉(zhuǎn)換完成前的最后一

45、個(gè)adc時(shí)鐘周期，通道和參考電源可以被更新。1. adc輸入通道選擇在單次轉(zhuǎn)換模式中，總是在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換之前選定通道。在adsc置“1”后的一個(gè)adc 時(shí)鐘周期就可以選擇新的模擬輸入通道了。但是最簡(jiǎn)單的辦法是等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后再改變通道。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，總是在啟動(dòng)第一次轉(zhuǎn)換前選定通道。在adsc置“1”后的一個(gè)adc時(shí)鐘周期內(nèi)就可以選擇新的模擬輸入通道了。但是最簡(jiǎn)單的方法是等到第一次轉(zhuǎn)換完成后再選擇通道。因?yàn)樾乱淮蔚霓D(zhuǎn)換已經(jīng)自動(dòng)啟動(dòng)，所以當(dāng)前的轉(zhuǎn)換結(jié)果反映前一次的選擇通道，隨后的轉(zhuǎn)換將反應(yīng)新設(shè)置的通道。2. adc電壓參考源adc的參考電壓源(vref)反映了adc的轉(zhuǎn)換范圍。若單端通道電平超過(guò)了v

46、ref，其結(jié)果將接近0x3ff。vref可以是avcc、內(nèi)部2.56v 基準(zhǔn)或外接于aref引腳的參考電壓源。3.2.3 啟動(dòng)adc轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換時(shí)序 1.啟動(dòng)adc轉(zhuǎn)換通過(guò)向adc啟動(dòng)轉(zhuǎn)換位adsc寫(xiě)入邏輯“1”，將啟動(dòng)一次a/d單次轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中此位保持為高，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后被硬件清零。如果在轉(zhuǎn)換過(guò)程中改變了adc的輸入通道，則adc將在完成本次轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行通道的選擇。通過(guò)向adcsra寄存器中的adfr位寫(xiě)“1”來(lái)選擇adc的連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。在此模式下，adc將連續(xù)采樣輸入，并更新adc的數(shù)據(jù)寄存器；在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，無(wú)論adc中斷標(biāo)志位adif被置位與否，第一次轉(zhuǎn)換必須通過(guò)向adcsr

47、a寄存器中的adfr位寫(xiě)“1”來(lái)啟動(dòng)，第一次轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，無(wú)論adc中斷標(biāo)志位adif是否清零還是置位，adc將連續(xù)地進(jìn)行逐次比較轉(zhuǎn)換。2.轉(zhuǎn)換時(shí)序3啟動(dòng)單次轉(zhuǎn)換時(shí)，將在隨后的adc時(shí)鐘周期的上升沿開(kāi)始adc轉(zhuǎn)換。adc啟動(dòng)第一次轉(zhuǎn)換時(shí)，由于要初始化模擬電路，因此，需要花費(fèi)25個(gè)時(shí)鐘周期。除此之外每次常規(guī)的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，則只花費(fèi)13個(gè)adc時(shí)鐘周期。在一次常規(guī)的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束后，需要1.5個(gè)adc時(shí)鐘周期的采樣保持時(shí)間。而對(duì)于adc由禁止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)后的第一次a/d轉(zhuǎn)換，則需要花費(fèi)13.5個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)一次a/d轉(zhuǎn)換完成后，結(jié)果寫(xiě)入adc數(shù)據(jù)寄存器中，且adif位將被置位。在單次轉(zhuǎn)換模式中，adsc被

48、同時(shí)清零。軟件可以再次將adsc置位，將在下一個(gè)adc時(shí)鐘的上升沿開(kāi)始一次新的轉(zhuǎn)換。在連續(xù)模式下，當(dāng)一次轉(zhuǎn)換完成后，將立即啟動(dòng)新的一次轉(zhuǎn)換。此時(shí)adsc位將一直保持高電平。圖3.2、圖3.3、圖3.4給出了單次adc轉(zhuǎn)換方式下首次啟動(dòng)、常規(guī)adc以及連續(xù)a/d轉(zhuǎn)換時(shí)的時(shí)序圖。圖3.2 單次adc轉(zhuǎn)換時(shí)序（首次啟動(dòng)adc）圖3.3 單次adc轉(zhuǎn)換時(shí)序圖（常規(guī)adc）圖3.4 連續(xù)adc轉(zhuǎn)換時(shí)序圖3.2.4 噪聲抑制adc的噪聲抑制器使其可以在睡眠模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而降低由于cpu及外圍i/o設(shè)備噪聲引入的影響。噪聲抑制器8可在adc降噪模式及空閑模式下使用。為了使用這一特性，應(yīng)采用如下步驟：（1

49、）確定adc已經(jīng)使能，且系統(tǒng)不需要頻繁轉(zhuǎn)換，此時(shí)必須選擇adc為單次轉(zhuǎn)換模式，且adc轉(zhuǎn)換完成時(shí)允許響應(yīng)中斷。（2）進(jìn)入adc降噪模式( 或空閑模式)。一旦cpu處于暫停狀態(tài)，adc就開(kāi)始轉(zhuǎn)換。（3）如果在adc轉(zhuǎn)換結(jié)束之前沒(méi)有其他中斷產(chǎn)生，那么adc轉(zhuǎn)換完成后的中斷將喚醒cpu并執(zhí)行其中斷服務(wù)程序。如果在adc轉(zhuǎn)換結(jié)束之前有其他的中斷源喚醒了cpu，則該中斷將被執(zhí)行，同時(shí)adc轉(zhuǎn)換繼續(xù)，知道adc轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。（4）一旦cpu被喚醒，它將一直保持激活狀態(tài)，直到新的休眠命令被執(zhí)行。另外，若cpu進(jìn)入了除空閑和adc降噪模式之外的其他休眠模式時(shí)，adc不會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。因此，在進(jìn)入這些休眠

50、模式時(shí)，建議將aden清零以降低功耗。本設(shè)計(jì)中我采用了在atmega8器件上的avcc引腳通過(guò)一個(gè)lc網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字電源vcc連接，以降低器件內(nèi)部和外部的數(shù)字電路產(chǎn)生的電磁干擾帶來(lái)的噪聲，提高了轉(zhuǎn)換精度。如圖3.5所示。圖3.5 adc噪聲抑制avcc引腳連接圖3.3 d/a輸出通道設(shè)計(jì)模擬量輸出通道主要完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)稱d/a轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在應(yīng)用較廣泛的執(zhí)行器包括氣動(dòng)執(zhí)行器、電動(dòng)執(zhí)行器、液動(dòng)執(zhí)行器等，這些執(zhí)行器都是需要模擬量來(lái)驅(qū)動(dòng)，并且利用調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)控制執(zhí)行器的動(dòng)作，所以要求智能調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)必須有模擬量，而單片機(jī)atmega8的輸出是數(shù)字量，需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，也就是d/a轉(zhuǎn)

51、換。3.3.1 d/a原理圖圖3.6 d/a轉(zhuǎn)換原理圖由圖中可知，本設(shè)計(jì)所使用的a/d轉(zhuǎn)換器為tlc5615，再加上外部的穩(wěn)壓源組成了d/a輸出通道。3.3.2 tlc5615的特點(diǎn)tlc5615為美國(guó)得州儀器公司1999年推出的產(chǎn)品，是具有串行接口的10位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓值的兩倍。帶有上電復(fù)位功能，即把dac寄存器復(fù)位至全零。tlc5615具有如下特點(diǎn)：（1）10位cmos電壓輸出型d/a；（2）5v單電源供電；（3）3線串行接口；（4）高阻抗參考電壓輸入；（5）最大輸出電壓可達(dá)基準(zhǔn)電壓的2倍；（6）工作溫度范圍內(nèi)，輸出單調(diào)；（7）典型建立時(shí)間12.5s；

52、（8）內(nèi)部上電復(fù)位；（9）低功耗，最大僅1.72mw。3.3.3 tlc5615的引腳功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)tlc5615芯片引腳圖排列如圖3.7所示，引腳功能說(shuō)明如下：（1） din：串行數(shù)據(jù)輸入端；（2） sclk：串行時(shí)鐘輸入端；（3） ：芯片選通端，低電平有效；（4） dout：用于級(jí)聯(lián)時(shí)的串行數(shù)據(jù)輸出端；（5） agnd：模擬地；（6） refin：基準(zhǔn)電壓輸入端；（7） out：dac模擬電壓輸出端；（8） ：正電源端。圖3.7 tlc5615的引腳圖如圖3.8所示，tlc5615通過(guò)dac電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器電路，以2倍增益將10位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電平（）,其輸出極性與參考電壓一

53、致。上電時(shí)，內(nèi)部dac寄存器自動(dòng)歸零。圖3.8 tlc5615內(nèi)部功能框圖由于dac輸入寄存器是12位的，所以在使用時(shí)，必須在要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)最低位（lsb）加2個(gè)0。tlc5615的輸出緩沖器具有短路保護(hù)功能，可以驅(qū)動(dòng)2k負(fù)載,典型建立時(shí)間為12.5s。tlc5615的邏輯電平與ttl和cmos均兼容，使用cmos電平時(shí)，功耗較小，而使用ttl電平時(shí)，功耗為cmos的2倍。3.3.4 tlc5615的操作時(shí)序圖3.9 tlc5615時(shí)序圖tlc5615工作時(shí)序如圖3.9所示。可以看出只有當(dāng)片選為低電平時(shí),串行輸入數(shù)據(jù)才能被移入16位移位寄存器。當(dāng)為低電平時(shí),在每一個(gè)sclk時(shí)鐘的上升沿將di

54、n的一位數(shù)據(jù)移入16位移位寄存器。注意,二進(jìn)制最高有效位被導(dǎo)前移入。接著,的上升沿將16 位移位寄存器的10位有效數(shù)據(jù)鎖存于10位dac寄存器,供dac電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換；當(dāng)片選信號(hào)為高電平時(shí),串行輸入數(shù)據(jù)不能被移入16位移位寄存器。注意,的上升和下降都必須發(fā)生在sclk為低電平期間。從圖中可以看出,最大串行時(shí)鐘速率為: （3.1）3.4 v/i轉(zhuǎn)換電路由于d/a轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)不適于遠(yuǎn)距離傳輸，所以，應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成不僅適于遠(yuǎn)傳，而且抗干擾能力強(qiáng)的電流信號(hào)，即需通過(guò)v/i2轉(zhuǎn)換電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)去控制。變換電路見(jiàn)圖3.10：圖3.10 v/i轉(zhuǎn)換電路圖由圖3.10可知： 式（3.2）整理得： 式（3.3）當(dāng)取，公式3.3可簡(jiǎn)化為： 式（3.4）當(dāng)取k，k，。所以當(dāng)v，則ma。3.5 led數(shù)碼管及顯示電路在本設(shè)計(jì)中，要通過(guò)顯示器件顯示出實(shí)測(cè)值與設(shè)定值，因此需要設(shè)計(jì)顯示電路，在單片機(jī)系統(tǒng)中，使用的顯示器件主要有l(wèi)ed(light emitting diode 發(fā)光二極管)和lcd(液