基于AVR單片機(jī)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

摘 要:數(shù)字PID調(diào)節(jié)器具有操作簡單，控制精度準(zhǔn)確，安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。提出一種以AVR單片機(jī)ATmega16為核心的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器充分利用了高性能AVR單片機(jī)的片內(nèi)資源及外圍擴(kuò)展電路，能夠接收多種類型的測(cè)量信號(hào)，具有較強(qiáng)的在線修改和豐富的控制功能，并且采取硬件和軟件雙重抗干擾措施提高了調(diào)節(jié)器的可靠性。

關(guān)鍵詞:數(shù)字PID調(diào)節(jié)器;AVR單片機(jī);ATmega16;手/自動(dòng)無擾切換

中圖分類號(hào):TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)03-140-03

Design of Digital PID Regulator Based on AVR Single Chip Microcomputer

SHAO Lianhe，XU Hongbing

(Baoding Electric Power Vocational Technical Collge，Baoding，071051，China)

Abstract:A digital PID regulator has many advantages such as simple operation， accurate control，high security and reliability. It is widely used in industrial production process. The design of a digital regulator is introduced. The regulator is based on AVR single chip microcomputer ATmegal 16.It makes full use of high-performance AVR microcontroller chip resources and external expansion of the circuit. It can receive various types of measurement signals. It has a strong online modification and abundant control functions. The reliability of the regulator is improved by hardware and software anti-jamming means.

Keywords:digital PID regulator;AVR single chip microcomputer;ATmega16;manual/automatic non-disturbance switching

0 引 言

在連續(xù)生產(chǎn)過程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進(jìn)行控制的PID調(diào)節(jié)器[1]是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過程控制之前，模擬PID控制器一直占主導(dǎo)地位。單片機(jī)的出現(xiàn)，使以單片機(jī)為核心的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器迅速成為應(yīng)用最廣泛的自動(dòng)控制器。

本文設(shè)計(jì)了一種基于AVR ATmega16[2-4]單片機(jī)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，其實(shí)現(xiàn)的主要功能有:

(1) 無跳線技術(shù)，可隨意改變輸入信號(hào)類型，有多種顯示方式;

(2) 控制方式為增量式PID控制，控制輸出為4～20 mA電流;

(3) 可進(jìn)行零點(diǎn)、量程的調(diào)整，可進(jìn)行全數(shù)字化冷端補(bǔ)償;

(4) 設(shè)定參數(shù)斷電永久保留及參數(shù)密碼鎖定;

(5) 調(diào)節(jié)器具有參數(shù)上、下限越限報(bào)警和報(bào)警觸點(diǎn)輸出功能;

(6) 可實(shí)現(xiàn)通信和打印功能。

1 數(shù)字調(diào)節(jié)器前面板設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的數(shù)字調(diào)節(jié)器的前面板包括:液晶顯示器[5]，顯示狀態(tài)信息、參數(shù)設(shè)置信息、時(shí)間等;6個(gè)狀態(tài)顯示發(fā)光二極管，分別顯示下限報(bào)警、上限報(bào)警、手/自動(dòng)狀態(tài)、電流輸入、K型熱電偶輸入、PT100熱電阻輸入;上層4個(gè)數(shù)碼管，正常顯示測(cè)量值，參數(shù)類型;下層4個(gè)數(shù)碼管，正常測(cè)量時(shí)顯示設(shè)定值，參數(shù)設(shè)置時(shí)顯示參數(shù)值;5個(gè)按鍵，其中SET鍵用于選擇參數(shù)設(shè)定模式，或在參數(shù)設(shè)定時(shí)用于選擇下一個(gè)參數(shù);▼用于減小數(shù)值;▲用于增加數(shù)值;用于更改要設(shè)定的位;M/A用于手/自動(dòng)切換;復(fù)位鍵用于程序復(fù)位。

2 數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計(jì)

該數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該調(diào)節(jié)器的硬件電路包括開關(guān)電源、輸入信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換電路、參數(shù)設(shè)置電路、狀態(tài)顯示及報(bào)警輸出電路、模擬量輸出與手/自動(dòng)切換電路、顯示電路、鍵盤控制電路、打印機(jī)接口電路、時(shí)鐘電路、串行通訊接口電路等。

數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制核心ATmega16是一款基于RISC(精簡指令集)的低功耗、高性能的8位單片機(jī)，可達(dá)到每秒處理百萬條指令的運(yùn)行速度。此外，該芯片還具有比較豐富的片上資源。外擴(kuò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以有充裕的空間來處理數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)字調(diào)節(jié)器硬件結(jié)構(gòu)

2.1 開關(guān)電源電路

開關(guān)電源主要由輸入整流電路、集成開關(guān)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、輸出反饋電路等組成。開關(guān)電源用于給調(diào)節(jié)器提供±12 V的直流電源，供采集電路中的運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換使用。單片機(jī)使用的+5 V電源是由開關(guān)電源的+12 V經(jīng)三端穩(wěn)壓器7805提供的。

2.2 參數(shù)設(shè)置電路

參數(shù)設(shè)置電路如圖2所示。

圖2 數(shù)字調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置電路

出于節(jié)省I/O口，減少按鍵數(shù)目，縮小調(diào)節(jié)器的體積、避免誤操作等考慮，在調(diào)節(jié)器的鍵盤處理上采用“按鍵復(fù)用[6]”方式實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的設(shè)置。在電源斷開又重新上電時(shí)，所有一級(jí)和二級(jí)參數(shù)保持掉電前的數(shù)值。變量CLK為設(shè)定參數(shù)禁鎖，其設(shè)定值與對(duì)應(yīng)的說明如表1所示。

表1 CLK的設(shè)定值與對(duì)應(yīng)說明

符號(hào)名稱設(shè)定范圍說明

CLK設(shè)定參數(shù)禁鎖CLK=00

CLK=01

CLK=12

CLK=132

CLK=其他按SET可修改一級(jí)參數(shù)

按SET+<退出

按SET+<可修改

按SET+<可修改二級(jí)參數(shù)

禁鎖(參數(shù)不可修改)

2.3 輸入信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換電路

ATmega16單片機(jī)有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A 的8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣?，F(xiàn)場(chǎng)來的4～20 mA電流信號(hào)、0～50 mV熱電偶輸入信號(hào)、PT100熱電阻信號(hào)、熱敏電阻信號(hào)分別經(jīng)過相應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接受的0～5 V電壓信號(hào)后直接接至單片機(jī)A口引腳。同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行標(biāo)度變換、數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)處理，增加數(shù)據(jù)的可信度、提高穩(wěn)定性和抗干擾能力。

2.4 數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出及手/自動(dòng)切換電路

由于ATmega16單片機(jī)的PWM輸出為電壓信號(hào)，需要將單片機(jī)輸出的0～5 V電壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流輸出，供執(zhí)行單元使用。

在手/自動(dòng)切換中可以選擇手動(dòng)輸出還是自動(dòng)輸出，并實(shí)現(xiàn)無擾切換。為了保證正常工作時(shí)，手/自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)能夠迅速切換，數(shù)字調(diào)節(jié)器的手/自動(dòng)切換通過外部中斷INT0實(shí)現(xiàn)，手/自動(dòng)切換電路如圖3所示。

圖3 數(shù)字調(diào)節(jié)器手/自動(dòng)切換電路

3 數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。主要包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集及處理、PID控制[7]、手/自動(dòng)無擾切換、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示、報(bào)警處理等部分。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

在參數(shù)設(shè)置中，所有涉及到的一級(jí)參數(shù)、二級(jí)參數(shù)、信號(hào)輸入、輸出、調(diào)節(jié)器輸入、輸出等均采用全局變量傳遞，各程序模塊本身使用到的變量，盡量采用局部變量。設(shè)計(jì)一級(jí)參數(shù)設(shè)置顯示函數(shù)、二級(jí)參數(shù)設(shè)置顯示函數(shù)時(shí)，可引進(jìn)形參，根據(jù)參數(shù)序號(hào)確定參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)顯示。對(duì)于各函數(shù)之間的公用變量均采用全局變量。

當(dāng)自動(dòng)輸出轉(zhuǎn)為手動(dòng)輸出時(shí)，輸出值是在轉(zhuǎn)變前的基礎(chǔ)上手動(dòng)增或減;而當(dāng)手動(dòng)輸出轉(zhuǎn)為自動(dòng)輸出時(shí)，也為無擾動(dòng)切換。為保證PID運(yùn)算的采樣周期固定，信號(hào)采樣及PID處理均在定時(shí)中斷中完成。

熱電偶冷端補(bǔ)償時(shí)，首先要檢測(cè)環(huán)溫[8]值，然后再根據(jù)環(huán)溫值進(jìn)行冷端補(bǔ)償計(jì)算。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理[9，10]

時(shí)可考慮建一個(gè)函數(shù)，其函數(shù)描述如下:

Float adcx(char adc_input，float n)//adcx:函數(shù)名，參數(shù):(通道號(hào)，變換值:)

{float x=0;char i;

ADCSRA=0x83;//初始化設(shè)置

ADMUX=adc_input〡0x40;

for(i=0;i<8;i++)

{

ADCSRA〡0x40;

while((ADCSRA 0x10)==0);

ADCSRA〡0x10;

x=x+ADCW;

}

x=x/8;//8次采集平均值

x=x*n/1023;

return x;

}

4 結(jié) 語

本文采用AVR高性能ATmega16單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，通過實(shí)驗(yàn)綜合測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，該調(diào)節(jié)器具有人機(jī)界面友好、操作簡便、控制準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足生產(chǎn)過程的要求，具有很好的推廣前景。

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