基于AVR單片機(jī)的智能調(diào)節(jié)器的設(shè)計

1、題 目：基于avr單片機(jī)的智能調(diào)節(jié)器的設(shè)計內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）基于avr單片機(jī)的智能調(diào)節(jié)器設(shè)計摘要隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度越來越高，對控制水平和控制精度的要求也越來越高。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，必須對生產(chǎn)過程中的各種重要參數(shù)進(jìn)行自動控制與調(diào)節(jié)，這其中調(diào)節(jié)器扮演著重要角色。本設(shè)計的主要目的是設(shè)計一臺以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、報警、串行通信、pw

2、m脈寬調(diào)制等模塊。采用增量式pid控制算法，能夠滿足大多數(shù)控制系統(tǒng)的控制要求，實現(xiàn)智能化控制。軟件部分利用源代碼開放，具有豐富的軟件資源，驅(qū)動豐富的c-51作為軟件開發(fā)平臺。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 p

3、recisions request is 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

4、 an important role.the 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 im

5、prove communication 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 co

6、ntrol algorithm, can 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 contr

7、ol目 錄摘要iabstractii第一章 緒論11.1 智能調(diào)節(jié)器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11.2 課題提出的意義31.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容4第二章 總體方案設(shè)計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adc轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換時序173.2.4 噪聲

8、抑制193.3 d/a輸出通道設(shè)計203.3.1 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283.7 通信接口電路設(shè)計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334.1 主程序設(shè)計334.2 a/d轉(zhuǎn)換程序設(shè)計344.3 增量式pid控制算法程序設(shè)計344.3.1 正、反作用問題354.3

9、.2 飽和作用的抑制354.3.3 限位問題364.3.4 帶死區(qū)的pid算式364.3.5 手動/自動跟蹤及手動后援問題384.4 按鍵處理子程序設(shè)計384.5 led顯示程序設(shè)計394.7 系統(tǒng)調(diào)試40結(jié)束語42參考文獻(xiàn)43附錄a 原理圖45附錄b 源程序46致 謝5557第一章 緒論1.1 智能調(diào)節(jié)器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢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，人們開始用多臺微機(jī)代替一臺工業(yè)控制機(jī)控制生產(chǎn)過程。到了八十年代初，新型傳感技術(shù)、計算機(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)國家的儀表廠商紛紛推出以微型計算機(jī)為基礎(chǔ)，

10、具有綜合測控功能的智能單、多回路調(diào)節(jié)器。它是一種數(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)器實現(xiàn)了儀表和計算機(jī)的一體化，通用性強(qiáng)、使用方便、性能價格比高，所以在工業(yè)控制過程中得到廣泛的應(yīng)用。九十年代以來，隨著微處理技術(shù)的不斷發(fā)展，推動智能調(diào)節(jié)器性能不斷提升。從而可實現(xiàn)調(diào)節(jié)器的高速在線數(shù)據(jù)處理和大容量儲存。同時在調(diào)節(jié)器硬件結(jié)構(gòu)不斷簡化的同時，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)場總線系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)場總線式儀表也成為了智能調(diào)節(jié)器新的發(fā)展趨勢。智能調(diào)節(jié)器是計算機(jī)過程控制技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，它雖然不

11、具備大規(guī)模的綜合測控能力，但是計算機(jī)通信技術(shù)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)。通過通用的工業(yè)現(xiàn)場總線，數(shù)字調(diào)節(jié)器很容易與各種工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，發(fā)揮其獨(dú)特的測控功能。正因為數(shù)字調(diào)節(jié)器具有廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)外廠商對數(shù)字調(diào)節(jié)器的研究和生產(chǎn)具有很濃厚的興趣。 國外的如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年時間銷售量就達(dá)20多萬臺。到80年代中后期，各廠家在原來可編程調(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kmm

12、211型可編程調(diào)節(jié)器、日本橫河一北辰公司的yewseries-80專家自整定調(diào)節(jié)器、美國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)?？偟膩碚f，國外產(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。一臺數(shù)字調(diào)節(jié)儀表有多回路組態(tài)控制，多通道開關(guān)量輸入、輸出邏輯控制功能。同時儀表具有多種通信協(xié)議接口，很方便

13、與整個工廠自動化系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)信息互通，組成集散系統(tǒng)和信息系統(tǒng)。2)人性化人機(jī)界面設(shè)計，可同時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，許多儀表有開放式devicenet、profibus、cc-link、ethernet-link多種總線接口，方便連接工廠自動化系統(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，性價比更高，存在和發(fā)展的空間很大。國內(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，國內(nèi)針對智能數(shù)字調(diào)節(jié)器的開發(fā)己經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展時期，各種新型智能數(shù)字調(diào)節(jié)儀表不

14、斷推出。例如，浙大中控集團(tuán)開發(fā)的現(xiàn)場總線式智能數(shù)字調(diào)節(jié)器以基于hart協(xié)議的現(xiàn)場總線替代傳統(tǒng)的（4-20）ma變送方式，實現(xiàn)了模擬通訊向數(shù)?；旌贤ㄓ嵎绞降霓D(zhuǎn)變。此外，各種無模型控制器己經(jīng)開始出現(xiàn)，實現(xiàn)了對非線性、大時滯等系統(tǒng)的較好控制。 總的來說，國內(nèi)產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)： 1)近年來國產(chǎn)數(shù)字調(diào)節(jié)儀表、有了長足進(jìn)步，這歸功于民營科技企業(yè)作出的重大貢獻(xiàn)。主要數(shù)字調(diào)節(jié)儀表制造商有：上潤精密儀器有限公司、虹潤精密儀器有限公司、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)到幾萬臺規(guī)模。2)國內(nèi)產(chǎn)品在市場上數(shù)量占絕對優(yōu)勢，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

15、能、外觀、可靠性方面比國外同類產(chǎn)品稍遜。4)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，開放性較差，較難接入工廠總線自動化系統(tǒng)。從國內(nèi)外數(shù)字調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)可以看出，國內(nèi)外發(fā)展水平還是存在一定差距的。目前國內(nèi)設(shè)計者已經(jīng)高度重視這一塊，針對智能數(shù)字調(diào)節(jié)器的開發(fā)也進(jìn)入高度發(fā)展時期，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、邏輯判斷、精確、快速計算等特點(diǎn)。雖然隨著dcs系統(tǒng)在我國的迅速發(fā)展，給智能調(diào)節(jié)器的應(yīng)用帶來了一

16、定的沖擊，但是昂貴的dcs系統(tǒng)對于那些規(guī)模不大、自動化程度不高的企業(yè)來說性價比并不高。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)的各項功能己經(jīng)可以用通用微型計算機(jī)加數(shù)字調(diào)節(jié)器的組合來實現(xiàn)。因此設(shè)計一款顯示直觀、控制精度高、物美價廉的數(shù)字調(diào)節(jié)器對于那些中小型企業(yè)來說是十分有意義的。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)，但同時控制系統(tǒng)對儀表的要求也越來越高。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，能與其它測控設(shè)備通信共同實現(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題。嵌入式系統(tǒng)是一種軟硬件可擴(kuò)充或刪減的專業(yè)

17、計算機(jī)系統(tǒng)，它以面向應(yīng)用為主，是將計算機(jī)技術(shù)，半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。相對于傳統(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，實時性好，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、存儲容量大和功能可擴(kuò)展的特點(diǎn)。目前測控自動化系統(tǒng)還多采用rs-485總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。rs-485總線具有形式簡單、造價低等優(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)實時性差、通信可靠性低、單總線可掛接節(jié)點(diǎn)少等缺點(diǎn)

18、慢慢地暴露出來，給用戶帶來極大的不便。avr單片機(jī)內(nèi)含有1個可編程的異步串行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)生校驗碼、硬件檢錯和校驗幀錯、兩級接收緩沖、波特率自動調(diào)整定位（接收時）、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，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實現(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)時間短，故可實現(xiàn)高波特率通信。1.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容本文在深入研究國內(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)合實際工業(yè)需要，設(shè)計了這款應(yīng)用8位avr芯片作為中央

19、處理器；采用穩(wěn)定可靠的總線系統(tǒng)保證調(diào)節(jié)器通信的可靠性和高速實時性；利用源代碼開放，具有豐富的軟件資源，驅(qū)動豐富的c-51作為軟件開發(fā)平臺；同時為提高數(shù)字控制器對各種大慣性、純滯后等對象的控制效果，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，還具有自診斷和報警、抗積分飽和、時鐘顯示、完善的通信等功能。第二章 總體方案設(shè)計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，即實測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)接觸不良的問題，而且數(shù)字化發(fā)展

20、方向不吻合。目前雖有數(shù)字電位器可供選用，但分辨率普遍較低，抽頭數(shù)最高的如xicor公司的x9110，只有1024個抽頭，即1024級，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顯示功能同時顯示實測值和調(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位是實測值，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

21、”或“電流細(xì)步”的指示燈表示目前為細(xì)分設(shè)定狀態(tài)。本設(shè)計中所設(shè)計的智能調(diào)節(jié)器除了具有一般的調(diào)節(jié)和顯示功能外，還具有自診斷和報警、抗積分飽和、時鐘顯示、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、鍵盤電路、數(shù)碼管顯示、max232通信電路、報警電路以及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)計與工作過程中，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)

22、絡(luò)控制、專家控制、仿人智能控制、遺傳算法等。pid控制算法是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛用于過程控制和運(yùn)動控制中。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)時間控制系統(tǒng)中，pid控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(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；為偏差信號，它等于給定量與輸出量之差；為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。其控制框圖如圖2.2

23、所示：pid控制器是一種線性控制器，輸出量和給定量之間的誤差是時間的函數(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，簡稱pid控制。在實際應(yīng)用中，根據(jù)受控對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)會逐漸變得

24、不穩(wěn)定，因此需要進(jìn)行積分控制。積分控制的作用是，當(dāng)系統(tǒng)存在誤差時，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)會引起系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，此時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，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(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)，積分時間,和微分時間，使整個控制系統(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控制器是通過計算機(jī)pid控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。連續(xù)的時間信號

25、，必須經(jīng)過離散化后，變成數(shù)字量，才能用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與存儲。在數(shù)字計算機(jī)中，計算和處理積分、微分時，只能用數(shù)值計算去逼近。因此在數(shù)字計算機(jī)中pid控制規(guī)律的實現(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)一時間pid算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散一時間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pid控制器的輸出值；是第k次采樣時刻的控制，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(

26、2.4)稱為增量式pid控制算法，從該表達(dá)式已經(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值，而是控制量的增量時，該算法可以起到很好的控制效果。本設(shè)計中就是采用了增量式數(shù)字pid算法。因為增量式數(shù)字pid有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）由于計算機(jī)輸出的是增量，所以誤動作影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉；（2）在位置型控制算法中，由手動到自動切換時，必須首先使計算機(jī)的輸出值等于閥門的原始開度，才能保證手動/自動地?zé)o擾動切換，這將給程序設(shè)計帶來困難。而增量設(shè)計只與本次的偏差值

27、有關(guān)，與閥門原來的位置無關(guān)，因而增量算法易于實現(xiàn)手動/自動的無擾動切換；（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，頻繁的采樣必然會占用較多的計算工作時間，同時也會增加計算機(jī)的計算負(fù)擔(dān)，而對有些變化緩慢的受控對象無需很高的采樣頻率即可滿意地進(jìn)行跟蹤，過多的采樣反而沒有多少實際意義。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（

28、1） 給定值的變化頻率加到被控對象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高，以使給定值的改變通過采樣迅速得到反映，而不致在隨動控制中產(chǎn)生大的時延。（2） 被控對象的特性 考慮對象變化的緩急，若對象是慢速的熱工或化工對象時，t一般取得較大。在對象變化較快的場合，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看，要求采樣周期短，使擾動能迅速得到校正。（3） 使用的算式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型采樣周期太小，會使積分作用、微分作用不明顯。同時，因受微機(jī)計算精度的影響，當(dāng)采樣周期小到一定程度時，前后兩次采樣的差別反映不出來，使調(diào)節(jié)作用因此而減弱。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作慣性大，采樣周期的選擇要與之適應(yīng)，否則執(zhí)行機(jī)

29、構(gòu)來不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。（4） 控制的回路數(shù)要求控制的回路越多時，相應(yīng)的采樣周期越長，以使每個回路的調(diào)節(jié)算法都有足夠的時間來完成?？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個回路控制程序的執(zhí)行時間。采樣周期的選擇方法有兩種，一種是計算法，一種是經(jīng)驗法。計算法由于比較復(fù)雜，特別是被控系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)時間常數(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)驗法。所謂經(jīng)驗法實際上是一種湊試法，即根據(jù)人們在工作實踐中積累的經(jīng)驗以及被控對象的特點(diǎn)、參數(shù)，先粗選一個采樣周期t，送入計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗，根據(jù)對被控對象的實際控制效果，反復(fù)修改t，直到滿意為止。2.2.2

30、.2 數(shù)字pid控制的參數(shù)選擇1.參數(shù)選擇的原則要求和整定方法（1） 原則要求被控過程是穩(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，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。（2） pid參數(shù)整定方法理論計算法依賴被控對象準(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)場整定（簡單易行）。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象整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是： 選擇采樣

31、周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。 去掉積分和微分作用，逐漸增大比例度系數(shù)直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應(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，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，然后突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。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變化過程曲線，如圖2.2所示。 在曲線最大斜率

32、處作切線，求得滯后時間，被控對象時間常數(shù)以及它們的比值。 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控制的工程實現(xiàn)圖2.3 數(shù)字pid控制的工程實現(xiàn)第三章 智能調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計3.1 單片機(jī)介紹單片機(jī)又稱單片微控制器，它是把一個計算機(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計算機(jī)。單片機(jī)技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)的一個分支,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、

33、低功耗和低價位，一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場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)計水平不高、功耗高、抗干擾性能差、指令周期長、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；又減少了對外設(shè)管理的開銷，相對化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。avr與傳統(tǒng)c51單片機(jī)的區(qū)別為：簡單的說，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

34、線；51是用cisc，馮諾依曼結(jié)構(gòu)的總線。跟avr單片機(jī)相比，51內(nèi)部資源少，速度慢，但學(xué)習(xí)簡單，是用的最多最精典的單片機(jī)。avr是后來才出來的，工藝上遠(yuǎn)超過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。所以對于現(xiàn)在一般的嵌入式控制應(yīng)用，avr單片機(jī)是一個很好的選擇。本設(shè)計中我選用的是avr單片機(jī)中atmega系列中的一個子集atmega8。atmega83是具有avr risc結(jié)構(gòu)的低功耗的cmos8微處理器。atmega8是一個非常特殊的單片機(jī)，它的芯片內(nèi)

35、部集成了較大容量的存儲器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，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），所以其價格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，成為具有極高性價比、深受廣大用戶喜愛的單片機(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精簡指令集結(jié)構(gòu)： 130條功能強(qiáng)大的指令，大多數(shù)為單時鐘周期指令； 32個8位通用工作寄存器； 工作在16mhz時具有16mi/s的性能； 片內(nèi)集成硬件乘法器（執(zhí)行速度為

36、2個時鐘周期）； 完全靜態(tài)操作。l 片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器： 8k字節(jié)的在線flash程序存儲器，擦寫次數(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)，通過芯片上的boot區(qū)內(nèi)引導(dǎo)程序，實現(xiàn)在線自編程； 512b的,擦寫次數(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個具有比較模式的帶預(yù)分頻的8位定時/計數(shù)器； 1個具有可預(yù)分頻的16位定時/計數(shù)器，具有比較模式和捕捉模式； 1個具有獨(dú)立振蕩器的異步實時時鐘（rtc）； 3個pwm通道，可實

37、現(xiàn)任意小于16位的相位和頻率可調(diào)的pwm脈寬調(diào)制輸出； tqfp和mlf封裝的8通道adc，其中6個通道為10位精度，2個通道為8位精度； pdip封裝的6通道的adc，其中4個通道為10位精度，2個通道為8位精度； 1個可編程的異步串行usart接口，支持同步、異步以及多機(jī)通信自動地址識別； 雙線串行接口，支持主/從、收/發(fā)四種工作方式，支持自動總線仲裁； 1個主/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； 已校準(zhǔn)的內(nèi)部rc振蕩器； 外部和內(nèi)部中斷源18個； 五種休眠模式：空閑、a

38、dc降噪、省電、掉電、等待。l i/o口和封裝： 23個可編程的i/o口，可任意定義i/o的輸入/輸出方向；輸出時為推挽輸出，驅(qū)動能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動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

39、引腳功能atmega8由三種不同形式的封裝：pdip、tqfp和mlf。本設(shè)計中采用pdip封裝形式，見圖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8位雙向的i/o端口（可位操作），每個引腳都有內(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)動能力。b端口作為輸入方式，且內(nèi)部上拉電阻有效時，如果外部引腳被拉低，b端口將輸出電流。當(dāng)復(fù)位時，即使系統(tǒng)時鐘還沒有工作，b口仍呈現(xiàn)三態(tài)。通過系統(tǒng)時鐘選擇位設(shè)置，pb6可作為振蕩放大器和外部時鐘操作電路的輸入（xta

40、l1），pb7可作為晶振放大器的輸出。如果采用內(nèi)部rc晶振作為芯片時鐘源，此時設(shè)置assr寄存器中的as2位為“1”時，pb7、pb6可作為異步定時器/計數(shù)器2的輸入端口tosc2、tosc1使用。n portc(pc6pc0)：c端口是一個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)動能力。c端口作為輸入方式，且內(nèi)部上拉電阻有效時，如果外部引腳被拉低，c端口將輸出電流。當(dāng)復(fù)位時，即使系統(tǒng)時鐘還沒有工作，c口仍呈現(xiàn)三態(tài)。pc6/：對rstdisbl熔絲編程，可將pc6作為一個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rs

41、tdisbl熔絲編程時，pc6作為復(fù)位輸入引腳。即使系統(tǒng)時鐘沒有工作，當(dāng)在該引腳上出現(xiàn)超過兩個時鐘周期的低電平時，將產(chǎn)生復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。n portd(pd7pd0)：d端口是一個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)動能力。d端口作為輸入方式，且內(nèi)部上拉電阻有效時，如果外部引腳被拉低，d端口將輸出電流。當(dāng)復(fù)位時，即使系統(tǒng)時鐘還沒有工作，d口仍呈現(xiàn)三態(tài)。d端口是一個復(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

42、電源，當(dāng)端口（pc3pc0）和pc7、pc6用于adc時，avcc應(yīng)通過低通濾波器連接到vcc上。在不使用adc時，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)計在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被測參數(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)入微型計算機(jī)之前，必

43、須把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，即a/d轉(zhuǎn)換。由于atmega8的pdip封裝形式有6通道的adc，其中4個通道為10位精度（adc5、adc4為2個8位精度的通道），所以不需要外接adc電路，只需從單片機(jī)中引出兩個引腳并各自接上一個250的標(biāo)準(zhǔn)電阻作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換的通道即可。本設(shè)計用的是單片機(jī)pc1/adc1和pc2/adc2兩個引腳。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的絕對值精度；（4） 65260s的轉(zhuǎn)換時間；（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；（

44、7） 附加2路輸入的雙路復(fù)用單端輸入通道（僅適用于tqfp和mlf封裝）；（8） adc的結(jié)果讀取可選擇左對齊；（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lsb。adc包括采樣保持電路，確保輸入電壓在轉(zhuǎn)換過程中保持穩(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)換開始前設(shè)置，一旦轉(zhuǎn)換開始，通道和參考電源選擇將被鎖定，以確保a

45、dc有足夠的的采樣時間。在轉(zhuǎn)換完成前的最后一個adc時鐘周期，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，總是在啟動轉(zhuǎn)換之前選定通道。在adsc置“1”后的一個adc 時鐘周期就可以選擇新的模擬輸入通道了。但是最簡單的辦法是等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后再改變通道。在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，總是在啟動第一次轉(zhuǎn)換前選定通道。在adsc置“1”后的一個adc時鐘周期內(nèi)就可以選擇新的模擬輸入通道了。但是最簡單的方法是等到第一次轉(zhuǎn)換完成后再選擇通道。因為新一次的轉(zhuǎn)換已經(jīng)自動啟動，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

46、映了adc的轉(zhuǎn)換范圍。若單端通道電平超過了vref，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adc轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換時序 1.啟動adc轉(zhuǎn)換通過向adc啟動轉(zhuǎn)換位adsc寫入邏輯“1”，將啟動一次a/d單次轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中此位保持為高，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。通過向adcsra寄存器中的adfr位寫“1”來選擇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，無論adc中斷標(biāo)志位adi

47、f被置位與否，第一次轉(zhuǎn)換必須通過向adcsra寄存器中的adfr位寫“1”來啟動，第一次轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，無論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)換時序3啟動單次轉(zhuǎn)換時，將在隨后的adc時鐘周期的上升沿開始adc轉(zhuǎn)換。adc啟動第一次轉(zhuǎn)換時，由于要初始化模擬電路，因此，需要花費(fèi)25個時鐘周期。除此之外每次常規(guī)的轉(zhuǎn)換啟動，則只花費(fèi)13個adc時鐘周期。在一次常規(guī)的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束后，需要1.5個adc時鐘周期的采樣保持時間。而對于adc由禁止?fàn)顟B(tài)啟動后的第一次a/d轉(zhuǎn)換，則需要花費(fèi)13.5個時鐘周期。當(dāng)一次a/d轉(zhuǎn)換完成后，結(jié)果寫入adc數(shù)據(jù)寄存器中，且ad

48、if位將被置位。在單次轉(zhuǎn)換模式中，adsc被同時清零。軟件可以再次將adsc置位，將在下一個adc時鐘的上升沿開始一次新的轉(zhuǎn)換。在連續(xù)模式下，當(dāng)一次轉(zhuǎn)換完成后，將立即啟動新的一次轉(zhuǎn)換。此時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、常規(guī)adc以及連續(xù)a/d轉(zhuǎn)換時的時序圖。圖3.2 單次adc轉(zhuǎn)換時序（首次啟動adc）圖3.3 單次adc轉(zhuǎn)換時序圖（常規(guī)adc）圖3.4 連續(xù)adc轉(zhuǎn)換時序圖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

49、使用。為了使用這一特性，應(yīng)采用如下步驟：（1）確定adc已經(jīng)使能，且系統(tǒng)不需要頻繁轉(zhuǎn)換，此時必須選擇adc為單次轉(zhuǎn)換模式，且adc轉(zhuǎn)換完成時允許響應(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就開始轉(zhuǎn)換。（3）如果在adc轉(zhuǎn)換結(jié)束之前沒有其他中斷產(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adc轉(zhuǎn)換繼續(xù)，知道adc轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷請求。（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

50、時，adc不會自動關(guān)閉。因此，在進(jìn)入這些休眠模式時，建議將aden清零以降低功耗。本設(shè)計中我采用了在atmega8器件上的avcc引腳通過一個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)計模擬量輸出通道主要完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，簡稱d/a轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在應(yīng)用較廣泛的執(zhí)行器包括氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器、液動執(zhí)行器等，這些執(zhí)行器都是需要模擬量來驅(qū)動，并且利用調(diào)節(jié)器的輸出來控制執(zhí)行器的動作，所以要求智能調(diào)節(jié)器的輸出信號必須有模擬量，而單片機(jī)atmega8的輸出是數(shù)字

51、量，需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，也就是d/a轉(zhuǎn)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

52、內(nèi)，輸出單調(diào)；（7）典型建立時間12.5s；（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，引腳功能說明如下：（1） din：串行數(shù)據(jù)輸入端；（2） sclk：串行時鐘輸入端；（3） ：芯片選通端，低電平有效；（4） dout：用于級聯(lián)時的串行數(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

53、為相應(yīng)的模擬電平（）,其輸出極性與參考電壓一致。上電時，內(nèi)部dac寄存器自動歸零。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，必須在要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)最低位（lsb）加2個0。tlc5615的輸出緩沖器具有短路保護(hù)功能，可以驅(qū)動2k負(fù)載,典型建立時間為12.5s。tlc5615的邏輯電平與ttl和cmos均兼容，使用cmos電平時，功耗較小，而使用ttl電平時，功耗為cmos的2倍。3.3.4 tlc5615的操作時序圖3.9 tlc5615時序圖tlc5615工作時序如圖3.9所示。可以看出只有當(dāng)片選為低電平時,串行輸入數(shù)據(jù)才能被移入16位移位寄存器。當(dāng)為

54、低電平時,在每一個sclk時鐘的上升沿將din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)片選信號為高電平時,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，即需通過v/i2轉(zhuǎn)換電路將電壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號去控制。變換電路見圖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)計中，要通過顯示器件顯示出實測值與設(shè)定值，因此需要設(shè)計顯示電路，在單片機(jī)系統(tǒng)中，使用的顯示器件主要有l(wèi)ed(light emitting dio