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1、摘 要PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，它是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。PID液位调节器是基于PID控制器原理的、可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值的装置。它可以使系统更加准确，更加稳定的控制液位。通过数学方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。因此，PID液位调节器广泛应用于工业生产和日常生活之中。 作为重要的被控量之一的液位，其控制系统引人关注。本文设计了液位调节系统，该系统以ATmega16L单片机作为控制核心，实现液位自动调节和液位显示。设计液位控制系统操作方便、性能良好，能够对
2、液位进行有效的控制。本文还详细的给出了部分相关的硬件电路图和软件流程图，并编制了C语言程序。关键词：AVR单片机；PID调节器；液位控制ABSTRACTPID controller mainly suitable for basic linear and dynamic characteristics of the system does not change over time, it is a common in application in industrial control feedback loop components. And other simple control oper
3、ations according to different PID adjuster, historical data and the difference between the rate to adjust the input value, can make the system more accurate, more stable. Through mathematical methods in other control methods, cause the system has stable error or process repeated instances, a PID fee
4、dback loop can keep the system stability. Therefore , PID control widely used in industrial production and daily life.As one of the important accused of quantity, the control system of the level of attention, This paper designs a level system, the system to AT mega 16L Single chip microcomputer as t
5、he core to realize automatic adjustment and level shows level. Design level control system. convenient operation, good performance, and can effectively control level. The paper also gives a detailed parts related hardware circuit and software flow chart, and the C programming language.Keywords: AVR;
6、 Single chip microcomputer; The PID regulator; Liquid level control目 录摘 要1ABSTRACT2目 录31 绪 论11.1 研究的目的和意义11.2 本设计的优点及其所要实现的功能11.2.1 本设计的优点11.1.2 本设计可以实现的功能11.3 本文的主要研究内容22 系统工作原理及其总体设计方案32.1 系统工作原理32.1.2 数字PID控制算法62.2 总体设计方案83 系统的硬件电路设计93.1 核心控制模块的设计93.1.1 ATmega16L单片机简介93.1.2 ATmega16L单片机最小系统103.2
7、液位采集模块的设计103.2.1 液位传感器选择103.2.2 采集电路的设计123.3 执行模块的设计153.3.1 水泵的选型及功能153.3.2 电机驱动电路的设计153.4 液位设定模块的结构及功能173.5 显示模块的设计183.6 报警模块的设计193.7 电源的设计204 系统的软件设计214.1 单片机软件开发环境214.2 主程序设计214.3 各功能模块子程序的设计224.5.1 A/D转换子程序结构设计234.5.2 液位处理程序结构设计234.5.3 液位显示子程序结构设计244.5.4 液位设定子程序结构设计245 总体调试25总 结26致 谢27参考文献28附录1：
8、程序29附录2：电路图321 绪 论1.1 研究的目的和意义当今社会许多工业控制系统，自然科学研究会需要对水位的监测。比如海洋环境监测开始，它是获取长期、连续的海洋环境资料的唯一途径。能够直接为沿海工程、港口建设、交通运输、海洋生物资源开发、海洋环境监测、湿地保护及近岸海洋开发提供研究、评价和作业必不可少的依据。又比如在工业锅炉控制系统中对水位的监测要求也是很高的，现今大多数电厂都采用工业锅炉采用微机控制，它可以直观而集中的显示锅炉各运行参数。能快速计算出机组在正常运行和启停过程中的有用数据，能在显示器上同时显示锅炉运行的水位、压力、炉膛负压、烟气含量、测点温度、燃煤量等数十个运行参量的瞬时值
9、、累计值及给定值，并能按需要在锅炉的结构示意画面的相应位置上显示出参数值。因此，水位传感器的研究对实际有很大的现实意义。基于对水位测量原理的研究和水位传感器的分析，在本液位调节系统中采用了液位检测电路和单片机智能系统实现对液位的测量和控制。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制
10、器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统采用的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。通过本次毕业设计对掌握电路设计和ATmega16L程序设计的思路与方法，结合单片机与传感器技术对液位进行检测和控制以使系统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间缩短
11、，振荡次数减少控制成为本系统研究的主要目的和意义。1.2 本设计的优点及其所要实现的功能1.2.1 本设计的优点针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，该数字PID控制器可以在线实现PID参数和程序的修改，使控制系统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间缩短，振荡次数减少等优点。1.2.2 本设计可以实现的功能 （1）完成基于PID的液位调节器设计； （2）实现液位的自动控制； （3）具有液位显示功能； （4）具有键盘设定PID控制参数功能； （5）当液位超过报警范围时，能通过声光报警。1.3 本文的主要研究内容本文以ATmega16L单片机为核心，结合传感器技术来实现PID液位调
12、节器的设计。主要研究PID液位调节器的基本工作原理，硬件电路设计及软件设计。其中，硬件部分包括核心控制模块ATmega16L单片机及其外围电路的设计；软件部分包括系统程序控制流程图以及主程序及各功能模块程序的结构设计等内容。在本次毕业设计中，主要涉及到如下工作：（1）研究与分析PID控制理论的发展现状，并提出本设计的最终方案。（2）选择以单片机为核心的中央处理器。在设计的过程中，熟悉ATmega16L单片机C语言的设计流程和开发环境。同时，对各功能模块进行软硬件的设计与实现。（3）在学习单片机的基础上，完成硬件电路各个功能模块的设计和软件程序的编写，以及电路仿真和调试，最终实现液位显示、自动调
13、节的功能。2 系统工作原理及其总体设计方案2.1 系统工作原理2.1.1 模拟PID控制器算法在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。首先说明，PID调节单元接收与输出的都是电信号,自动控制技术，综合了给定单元、调节单元、输出与执行单元、测量单元、反馈单元等，基本原理是：给定单元提供设定控制目标，调节单元比较给定与反馈信号的差别并进行PID运算（比例、积分、微分）最后输出控制信号，输出与执行单元指用前面的控制信号转换为实际设备的物理量输出，测量单元检测物理量实际值，反馈单元将检测到的信号进行处理转换再反馈到调节单元，如此构成闭环自动调节
14、控制系统；PID控制原理如图2-1所示。 图2-1 PID控制原理图1、开环控制系统 开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2、闭环控制系统 闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后
15、做出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。 3、阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。 4、PID控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统
