水箱液位基于PID調(diào)節(jié)控制

1、過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的一階水箱液位控制 學(xué) 生 姓 名： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014年5 月0摘要本文介紹了一階水箱控制過(guò)程的設(shè)計(jì)方案，主要設(shè)計(jì)了一個(gè)基于51單片機(jī)的液體轉(zhuǎn)移監(jiān)控裝置，通過(guò)建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，完成系統(tǒng)PID參數(shù)整定，達(dá)到液位控制效果，并通過(guò)外設(shè)界面實(shí)時(shí)顯示液位高度?？刂茖?duì)象是一單容儲(chǔ)液箱重量控制過(guò)程，其具有自衡特性，便于傳遞函數(shù)建模，通過(guò)Matlab上的simulink仿真工具進(jìn)行PID仿真測(cè)試，確定理論控制參數(shù)；在硬件方面，裝置以升級(jí)版51芯片STC125A60S2為主控，運(yùn)用了矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備，LCD1602為顯示設(shè)備，4塊電阻應(yīng)變片組成的

2、全橋測(cè)量電路作為傳感檢測(cè)設(shè)備，以及通過(guò)PWM控制LM298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)水泵輸出量可調(diào)。本文從系統(tǒng)方案選擇與論證，硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件等方面介紹了基于單片機(jī)的液位測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)了液位的實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示。最后，本文總結(jié)了設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法，簡(jiǎn)要敘述了所獲數(shù)據(jù)的處理方法，引出了進(jìn)一步設(shè)計(jì)開發(fā)的思路。關(guān)鍵詞： 傳感器測(cè)量電路 PID控制 AD轉(zhuǎn)換 電機(jī)控制1 目錄摘要2一、設(shè)計(jì)題目4二、設(shè)計(jì)報(bào)告正文62.1設(shè)計(jì)思路及總體方案62.1.1 設(shè)計(jì)思路62.1.2 系統(tǒng)控制總體方案62.2 過(guò)程控制建模系統(tǒng)框圖62.2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖62.2.2被控對(duì)象解析72.2.3

3、傳遞函數(shù)參數(shù)的確立82.2.4一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)特性及慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)確定9實(shí)際參數(shù)本該由實(shí)際裝置取樣,通過(guò)上述方法得到,但本設(shè)計(jì)我們未制作實(shí)物,故只能參考其他設(shè)計(jì)取如下值92.2.5 Simulink仿真及PID參數(shù)整定92.2.6經(jīng)驗(yàn)法測(cè)定PID參數(shù)112.3 硬件電路設(shè)計(jì)112.3.1 硬件設(shè)計(jì)總體方案122.3.2 51單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)122.3.3按鍵設(shè)計(jì)142.3.4顯示單元硬件設(shè)計(jì)142.3.5傳感檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)152.3.6 A/D轉(zhuǎn)換單元硬件設(shè)計(jì)162.3.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)162.3.8 通信模塊設(shè)計(jì)172.3.9 原理圖182.4 程序設(shè)計(jì)182.4.1 程序流程182

4、.4.2 PID控制器192.4.3 矩陣掃描程序202.4.4 LCD1602顯示程序202.4.5 AD采集程序212.4.6 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序23三、結(jié)果分析23四、設(shè)計(jì)總結(jié)25參考文獻(xiàn)25一、設(shè)計(jì)題目 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)液體轉(zhuǎn)移監(jiān)控裝置，示意圖如下圖所示：圖 1 設(shè)計(jì)示意圖放置兩個(gè)盛水容器，分別為A容器和B容器，A容器盛有足量的水，B容器為空，底部中心挖一個(gè)出水圓孔。從A容器轉(zhuǎn)移水到B容器，使B容器中的水的重量達(dá)到預(yù)設(shè)值，并保持該狀態(tài)60秒鐘?；疽螅海?）制作一個(gè)數(shù)顯裝置，當(dāng)系統(tǒng)開始執(zhí)行抽水任務(wù)時(shí)，能實(shí)時(shí)顯示B容器中水的重量和任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，任務(wù)結(jié)束后，計(jì)時(shí)停止；（2）通過(guò)鍵盤任意設(shè)定

5、轉(zhuǎn)移到B容器中的水的重量，設(shè)定范圍為500克1000克， 調(diào)整時(shí)間范圍為3分鐘；（3）B容器中的水達(dá)到預(yù)設(shè)值后，保持該狀態(tài)60秒鐘。要求能發(fā)出短暫的聲音提示信號(hào)；（4）控制誤差范圍為10克；（5）B容器中的水臨近溢出時(shí)啟動(dòng)報(bào)警，并停止系統(tǒng)運(yùn)行；（6）主站能實(shí)時(shí)顯示B容器中水的重量變化曲線；注意：（1）控制泵類型及水的重量的測(cè)量方法不限，其裝置安裝位置及安裝方式自定；（2）A容器大小不限，能夠裝入足夠的水即可，B容器為3.3升礦泉水桶；（3）B容器底部中心制作一個(gè)直徑3毫米的圓孔；（4）現(xiàn)場(chǎng)控制不能用系統(tǒng)機(jī)；水的重量預(yù)設(shè)值由評(píng)委當(dāng)場(chǎng)給出。4二、設(shè)計(jì)報(bào)告正文2.1設(shè)計(jì)思路及總體方案2.1.1 設(shè)計(jì)

6、思路 本次課程設(shè)計(jì)中，我們主要做單容水箱模型的建立、仿真和PID參數(shù)的整定以及軟件的編寫。就課程設(shè)計(jì)題目來(lái)看，為了方便仿真可以將系統(tǒng)等效為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，為了等效為慣性環(huán)節(jié)，可以將水的重量乘上一個(gè)比例系數(shù)換算成為液位的高度，這樣就可以完全按照一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于只做概念設(shè)計(jì)故我們通過(guò)查閱資料,假設(shè)得到慣性環(huán)節(jié)的兩個(gè)參數(shù)T和K。接著在加上PI調(diào)節(jié)器之前仿真出慣性環(huán)節(jié)的閉環(huán)特性圖方便與后面作比較。加上PI調(diào)節(jié)器校正系統(tǒng)的誤差，并仿真出圖形。其中，PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法測(cè)定。至于軟件方面，主要可以通過(guò)增量式的PI算法進(jìn)行程序的調(diào)試，直到得到最佳的值為止。2.1.2 系統(tǒng)控制總體

7、方案 單片機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示，其主要組成部分有：以51單片機(jī)為核心的控制單元、基于電阻應(yīng)變片的傳感器檢測(cè)單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、PWM電機(jī)控制單元。PWM控制器單片機(jī) 水箱水泵 +檢測(cè)單元 - 液體重量（g）圖1-1系統(tǒng)控制框圖單片機(jī)控制具體的工作過(guò)程是：設(shè)定與穩(wěn)定的水箱液體高度并轉(zhuǎn)換成重量，通過(guò)檢測(cè)元件獲取水箱的實(shí)際液位重量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)e,e經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器做PID運(yùn)算，給PWM控制器輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)u,從而調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，達(dá)到調(diào)節(jié)水箱液體重量的目的。2.2 過(guò)程控制建模系統(tǒng)框圖2.2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

8、注明：考慮到實(shí)際情況的單容水箱主要的參數(shù)是液位的高度，所以通過(guò)液位高度與重量之間的比例關(guān)系將液位高度轉(zhuǎn)化為重量，具體轉(zhuǎn)化關(guān)系是： （2-1）被控制量給定量調(diào)節(jié)器被控對(duì)象測(cè)量變送器執(zhí)行器圖1-2 單閉環(huán)典型控制系統(tǒng)框圖2.2.2被控對(duì)象解析 如圖1-3可知，單容儲(chǔ)液槽流量特性：儲(chǔ)液槽的出水量與液壓有關(guān)，液壓又與液位的高低成正比。因此，當(dāng)液位升高時(shí)，出液量也隨之增大。所以，若閥開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)儲(chǔ)液槽的進(jìn)液體量恒定不變時(shí)，液位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。 HCQ2V1Q1V2圖1-3 單容儲(chǔ)液槽結(jié)構(gòu)圖 水流入量Q1由調(diào)節(jié)閥開度u加以控制，流出量Q2則由用戶根據(jù)需要通過(guò)負(fù)載閥來(lái)改

9、變被調(diào)量為水位h，它反映水的流入與流出之間的平衡關(guān)系。 根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡方程 （2-2） 將式（2-2）表示為增量形式 （2-3） 式中，、分別為偏離某一平衡狀態(tài)、的增量； C儲(chǔ)液槽底面積。在靜態(tài)時(shí)，；當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之變化，閥處的靜壓也隨之變化，也必然發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，經(jīng)線性化處理，則可近似認(rèn)為與成正比，而與閥的阻力成反比，即 或者 （2-4）式中，為閥的阻力，稱為液阻。將公式（2-4）代入（2-3）得 （2-5）在零初始條件下，對(duì)上式求拉斯變換，得： （2-6） 即 （2-7）當(dāng) ，得 （2-8）當(dāng) t=T時(shí)，有

10、（2-9）通過(guò)單容水箱建模知道單容水箱的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)及表達(dá)式為 (2-10) 2.2.3傳遞函數(shù)參數(shù)的確立根據(jù)階躍響應(yīng)曲線，求出模型參數(shù)。對(duì)于一階模型，此次用切線法來(lái)定。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線呈現(xiàn)如圖1-3-1所示的S型曲線是最常見(jiàn)的。用切線法確定一階慣性加純滯后的特征參數(shù)方法如下。tT0.632h()h()h圖1-4切線法確定一階慣性加純滯后的特征參數(shù) 由切線和穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)可以得到常數(shù)T，而由可以得到參數(shù)K.進(jìn)而得到單容水箱的傳遞函數(shù)為 （2-11）2.2.4一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)特性及慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)確定 實(shí)際參數(shù)本該由實(shí)際裝置取樣,通過(guò)上述方法得到,但本設(shè)計(jì)我們未制作實(shí)物

11、,故只能參考其他設(shè)計(jì)取如下值 （2-12）2.2.5 Simulink仿真及PID參數(shù)整定（1）系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖圖1-7 簡(jiǎn)化框圖（2） Simulink仿真的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和開環(huán)特性圖圖1-8 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖去掉PID部分可以用Simulink得到開環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖如下：圖1-9 系統(tǒng)的開環(huán)特性圖根據(jù)圖可以明顯看到函數(shù)圖像與一階慣性環(huán)節(jié)基本吻合。2.2.6經(jīng)驗(yàn)法測(cè)定PID參數(shù) 比例調(diào)節(jié)是基本的控制作用，應(yīng)首先把比例度調(diào)好，待過(guò)渡過(guò)程基本穩(wěn)定后，再加積分作用以消除余差，最后加入微分作用以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。 （1）因?yàn)閷?duì)象的開環(huán)傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)，所以它的閉環(huán)傳遞函數(shù)還是慣性

12、環(huán)節(jié)，由此我們對(duì)P值的整定可以根據(jù)調(diào)節(jié)時(shí)間的大小來(lái)大概確定它的值，暫時(shí)先取; （2）對(duì)于PI調(diào)節(jié)器,先設(shè)置，按比例環(huán)節(jié)調(diào)整比例度P，使過(guò)渡過(guò)程達(dá)到4:1衰減比；然后，將P放大10%-20%，將積分時(shí)間由大到小逐步增加，直至獲得衰減比為4:1過(guò)渡過(guò)程。仿真圖如下：圖1-10 PI整定過(guò)后系統(tǒng)圖此時(shí)，由經(jīng)驗(yàn)法得到的參數(shù)為（2-13）經(jīng)過(guò)PI整定過(guò)后得到的閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，由于題目對(duì)時(shí)間的要求不是很嚴(yán)格，所以在保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的情況下足以滿足題目要求，所以沒(méi)有必要再加入微分調(diào)節(jié)。2.3 硬件電路設(shè)計(jì)*注明此處的硬件設(shè)計(jì)只用于仿真,以及對(duì)于器件選型的討論,不做實(shí)物.2.3.1 硬件設(shè)計(jì)總體方案硬件以

13、升級(jí)版51芯片STC125A60S2為主控，運(yùn)用了矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備，LCD1602為顯示設(shè)備， LED作為報(bào)警指示，4塊電阻應(yīng)變片組成的全橋測(cè)量電路作為傳感檢測(cè)設(shè)備，由于其輸出電壓為毫伏級(jí)別，所以采用了24位高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片HX711進(jìn)行重量采集，以及通過(guò)PWM控制LM298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)水泵輸出量可調(diào)，控制過(guò)程中的數(shù)據(jù)由LCD1602實(shí)時(shí)顯示。 硬件總體設(shè)計(jì)方案如下：圖1-11 硬總體設(shè)計(jì)方案2.3.2 51單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)也叫最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng). 對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō),最小系統(tǒng)一般該包括:電源電路、單片機(jī)、晶振電路、復(fù)

14、位電路。其電路圖如下：（1） 電源電路電源電路設(shè)置了10uF和0.1uF的電容起濾波作用，并帶有指示燈，提供5V的工作電壓。圖1-12電源電路（2）時(shí)鐘電路單片機(jī)工作時(shí)，從取指令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在時(shí)鐘信號(hào)控制下才能有序地進(jìn)行，時(shí)鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時(shí)鐘的。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種產(chǎn)生方式:內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 我們這里選用內(nèi)部時(shí)鐘方式，如下圖。內(nèi)部時(shí)鐘是指在單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳上跨接上一個(gè)晶振和兩個(gè)穩(wěn)頻電容，可以與單片機(jī)片內(nèi)的電路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振的取值范圍一般為024MHz。外接電容的作用是對(duì)振蕩器進(jìn)行頻率微調(diào)，使振蕩信號(hào)頻率與晶振頻率一致

15、，同時(shí)起到穩(wěn)定頻率的作用，一般選用2030pF的瓷片電容。 圖1-13 時(shí)鐘電路（3）復(fù)位電路 無(wú)論是在單片機(jī)剛開始接上電源時(shí)，還是運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障都需要復(fù)位。復(fù)位電路用于將單片機(jī)內(nèi)部各電路的狀態(tài)恢復(fù)到一個(gè)確定的初始值，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 單片機(jī)的復(fù)位條件:必須使其RST引腳上持續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)(或以上)機(jī)器周期的高電平。 單片機(jī)的復(fù)位形式:上電復(fù)位，按鍵復(fù)位。這里我們最小系統(tǒng)所使用的是按鍵復(fù)位，按鍵復(fù)位電路如下，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，對(duì)電容進(jìn)行充電。如在單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，按下RESET鍵，已經(jīng)充好電的電容會(huì)快速通過(guò)接地電阻的回路放電，從而使得RST引腳上的電位快速變?yōu)楦唠娖?，此高電平?huì)維持到按鍵

16、釋放，從而滿足單片機(jī)復(fù)位的條件實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位。 圖1-14 復(fù)位電路圖2.3.3按鍵設(shè)計(jì)矩陣鍵盤是用4條I/O線作行線，4條I/O線作列線。在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上，設(shè)置一個(gè)按鍵。鍵盤中的按鍵有16個(gè)，這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口的利用率。圖1-15 矩陣鍵盤2.3.4顯示單元硬件設(shè)計(jì)1602共16跟管教，5V電壓，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符（16列2行）。電路圖以及控制功能列表:圖1-16 顯示電路表(2) LCD1602指令控制表 RSR/W操作說(shuō)明00寫入指令碼D0D701讀取輸出的D0D7狀態(tài)字10寫入數(shù)據(jù)D0D711從D0D7讀取數(shù)據(jù)2.3.5傳感檢測(cè)

17、模塊設(shè)計(jì)本裝置運(yùn)用了4個(gè)電阻應(yīng)變片組成的全橋測(cè)量電路作為測(cè)量電路，原理圖如下：圖1-17 全橋差動(dòng)使用全橋差動(dòng)測(cè)量電路不僅沒(méi)有非線性誤差，且電壓靈敏度是單臂電阻應(yīng)變片工作時(shí)的4倍。2.3.6 A/D轉(zhuǎn)換單元硬件設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換器是用來(lái)通過(guò)一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。模擬量可以是電壓、電流等電信號(hào)，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號(hào)。但在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。 HX711 采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)，是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)

18、時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。圖1-18 HX7112.3.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)（1）L298N芯片 L298N是SGS公司產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋電路，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，繼電器線圈等感性負(fù)載：采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作：可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路，其可驅(qū)動(dòng)46V，2A以下的電機(jī)，并可以直

19、接連接單片機(jī)I/O提供信號(hào)可以很方便的利用PWM脈寬調(diào)制法進(jìn)行控制。（2）PWM控制電壓調(diào)節(jié)電機(jī)速度原理 用大功率晶閘管控制的PWM永磁式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,是高精度伺服電機(jī)控制領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的驅(qū)動(dòng)形式.該裝置能實(shí)現(xiàn)寬范圍內(nèi)的速度和位置控制. PWM驅(qū)動(dòng)原理是直流斬波原理,里用大功率晶閘管的開關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源.按一個(gè)固定頻率來(lái)接通和關(guān)段,并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)通短時(shí)間的長(zhǎng)短,通過(guò)改變調(diào)節(jié)直流電樞上的占空比來(lái)改變平均電壓的大小,從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速.若周期為T,一個(gè)周期內(nèi)道統(tǒng)時(shí)間為t則平均電壓為： (1) 其中為占空比，為電源電壓。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成正比，而電機(jī)兩端的平均電

20、壓與成正比，占空比越大速度越快，當(dāng)占空比為一時(shí)加載電機(jī)兩端的平均電壓最大，電機(jī)轉(zhuǎn)速也最大。（3）H橋電路 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)，因其外形酷似H字母而得名，如下圖。要使M運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的三極管導(dǎo)通，如當(dāng)Q1管和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后經(jīng)Q4回到電源負(fù)極，電機(jī)順時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流從右至左流過(guò)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖1-19 H橋電路2.3.8 通信模塊設(shè)計(jì)在串口通信方面采用了PL2303芯片，好處在于該器件內(nèi)置USB功能控制器、USB 收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的UART， 只需外接幾只電容就可實(shí)

21、現(xiàn)USB 信號(hào)與RS232 信號(hào)的轉(zhuǎn)換，能夠方便嵌入到各種設(shè)備；該器件作為USB/RS232 雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機(jī)接收USB 數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232 信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232 外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB 數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。這些工作全部由器件自動(dòng)完成，開發(fā)者無(wú)需考慮固件設(shè)計(jì)。圖1-20 PL2303通信模塊2.3.9 原理圖(1) 原理圖：圖1-21 原理圖2.4 程序設(shè)計(jì)2.4.1 程序流程設(shè)備上電之后便會(huì)進(jìn)行各模塊的初始化，包括LCD1602的初始化、HX711AD模塊初始化、定時(shí)器及PWM模塊初始化。其次將等待預(yù)設(shè)值的輸入，預(yù)設(shè)值輸入之后將通過(guò)相應(yīng)運(yùn)算得到調(diào)節(jié)時(shí)間

22、，程序便開始進(jìn)行PID控制，同時(shí)在顯示模塊上同步顯示液體高度。程序流程圖如下：各模塊初始化 設(shè)定目標(biāo)值獲取重量PID控制顯示 圖1-23 程序流程圖2.4.2 PID控制器在該控制系統(tǒng)中運(yùn)用了增量式PID的控制方式，增量式PID的公式如下： = （2-11）PID程序通過(guò)獲得傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與目標(biāo)值做差，得到誤差量，進(jìn)行PID運(yùn)算之后再通過(guò)改變PWM的量達(dá)到對(duì)水泵流量的控制，PID控制流程圖如下：PID控制程序入口e（k）=給定值-測(cè)量值PID運(yùn)算更新歷史數(shù)據(jù)e（k-1）、e（k-2）返回控制量 圖1-24 PID程序流程圖2.4.3 矩陣掃描程序在矩陣鍵盤掃描程序中，首先將端口置為檢測(cè)是

23、否有按鍵按下，在檢測(cè)到按鍵按下之后進(jìn)行消抖操作，再對(duì)返回的值做分析，得到返回鍵值242.4.4 LCD1602顯示程序顯示流程圖如下： LCD初始化 確定輸入坐標(biāo) 輸入顯示數(shù)據(jù) 圖1-25 PID程序流程圖在LCD12864顯示文字時(shí)要先進(jìn)行初始化，初始化時(shí)需要將相應(yīng)指令輸入到LCD12864中，程序如下：void lcd_init_1602( void ) /1602初始化#ifdef LCD_1602_parallel_8lcdrw=0;lcden = 0;write_1602( 0x38, 0 ); /設(shè)至顯示模式write_1602( 0x0c, 0 ); /設(shè)置顯示和光標(biāo)write_

24、1602( 0x06, 0 ); /設(shè)置光標(biāo)移動(dòng)write_1602( 0x01, 0 ); /清屏#endif #ifdef LCD_1602_parallel_4u8 date_1602;lcdrw=0;lcdrs = 0;lcden = 1;delay_ms(2); /根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘不同而不同date_1602 = (0x02 LOW_BIT);I0_lcd1602 = (I0_lcd1602 & (0x0fLOW_BIT); /delay_ms(2); /根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘不同而不同I0_lcd1602 = I0_lcd1602 | date_1602;lcden = 0; write_160

25、2( 0x28, 0 );/設(shè)至顯示模式write_1602( 0x0c, 0 ); /設(shè)置顯示和光標(biāo)write_1602( 0x06, 0 ); /設(shè)置光標(biāo)移動(dòng)write_1602( 0x01, 0 ); /清屏#endif顯示時(shí)用到了顯示字符串函數(shù)：void write_string1_1602( u8 addr_y, u8 addr_x, u8 *string ) /寫帶地址的字符串 write_addr_1602( addr_y, addr_x ); /寫地址write_string_1602( string ); /寫字符串void write_1602( u8 date, bit

26、com ) /寫1602操作lcdrs = com; /數(shù)據(jù)或命令I(lǐng)0_lcd1602 = date; /數(shù)據(jù)傳送delay_ms(2);lcden = 1; /LCD1602使能delay_ms(2);lcden = 0; /1602失能2.4.5 AD采集程序裝置運(yùn)用了24位的HX711A/D轉(zhuǎn)換模塊獲取傳感器測(cè)量電壓，其測(cè)量程序時(shí)序操作圖如下： 圖1-26 HX711時(shí)序圖unsigned long HX711_Read(void)unsigned long count; unsigned char i; HX711_DOUT=1; Delay_hx711_us(); HX711_SCK

27、=0; count=0; while(HX711_DOUT); for(i=0;i24;i+) HX711_SCK=1; count=count1; HX711_SCK=0; if(HX711_DOUT)count+; HX711_SCK=1; count=count0x800000;Delay_hx711_us();HX711_SCK=0; return(count);2.4.6 PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 首先有兩個(gè)寄存器CCAPnL和CL，CCAPnL用來(lái)存放一個(gè)0-255之間的一個(gè)數(shù)據(jù)，用來(lái)作比較的。假如是100，CL是一個(gè)計(jì)數(shù)器，假如CL=0，那么CL從0不斷加1，一直加到99，這段時(shí)間PW

28、M引腳輸出為低電平，當(dāng)CL的值變?yōu)?00然后一直加到255，這段時(shí)間PWM引腳輸出為高電平，CL再加1的話會(huì)翻轉(zhuǎn)到00重新計(jì)數(shù)，CL的計(jì)數(shù)速度可選FOSC作為PWM的輸入時(shí)鐘，使用固定的PWM的信號(hào)頻率。這里可以看到CCAPnL存放的數(shù)值影響著輸出脈沖高低電平的寬度，通過(guò)修改CCAPnL的值，也就是說(shuō)輸出脈沖寬度可以隨時(shí)改變。由此將PWM輸出給L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)。相關(guān)初始化程序與控制程序如下:void PWM_ini() /PWM初始化 CMOD=0x00; /選擇FOSC/12作為時(shí)鐘源 CL=0x00; /清零自由遞增計(jì)數(shù)的16位定時(shí)器的值 /*PWM1相關(guān)寄存器設(shè)置*/ PCA_PWM1=0x00;CCAPM1=0x42;CR=1; /CR=1,啟動(dòng)PCA陣列計(jì)數(shù)。 void PWM_Set(int PWM1_DATA) /PWM設(shè)置uchar n;if(