数字PID液位控制调节器的设计

席玉青

摘 要：随着科学技术的飞速发展和人们生活水平的提高，现代仪表已日趋数字化、网络化和智能化。本设计是针对液位的一种数字PID控制器，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间大大缩短，振荡次数少。该控制器可以在液晶屏屏同时显示设定值、反馈值和PID各参数的值。

关键词：数字PID;液位控制调节器;设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.115

PID控制是基于反馈理论的调节方式，它通过测量、比较获取偏差信号，并将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）、微分（Differential）通过线性组合构成控制量对被控对象进行调节。

1 系统硬件设计

（1）本系统硬件整体框图。本系统选择的是12位的max188和max538作为系统的数据转换芯片。系统的主要处理核心是Atmel公司生产的高性能AVR单片机Mega16L。系统的结构框图如图1所示。

（2）Atmega16单片机。单片机是整个设计系统的核心部件，它直接影响整机的硬件和软件设计。它对系统的功能以及研制周期起决定性作用。本设计选用了Atmega16单片机作为本设计系统的核心处理器。Atmega16单片机及外围连接电路如图2所示。

（3）模数转换电路。本设计使用的是前两路CH0和CH1，通道的选择是通过控制字，由软件控制的。其主要的引脚介绍及连接如图3所示。为更方便控制转换芯片的转换速度，本设计采用自己定义的外部时钟，如程序中使用PB0口作为时钟端口，根据程序的需要，控制时钟频率，如图3所示。

（4）数模转换电路。在本设计中，使用两片max538。借于max538的体积小，使用起来方便灵活，为设计硬件电路带来了很大的方便。其管脚图及主要的引脚功能如图4所示。

2 软件设计

（1）软件结构设计。高精度数字PID调节器控制系统其控制程序从功能上来说，大致包括系统初始化程序、PID算法主程序、模数转换子程序、数模转换子程序、液晶显示子程序、键盘子程序、掉电保存子程序以及其他一些辅助程序。

（2）主程序。主程序系统各功能模块子程序主要包括：A/D转换子程序、液位显示子程序、液位处理子程序以及。各主要模块的功能如下：1）A/D转换子程序：读取max538送入单片机的模拟量电压信号，并换算相对应的也为信号;2）液位处理子程序：将换算后的液位信号经单片机换算后送入显示模块显示;3）液位显示子程序：向LCD送数据显示，控制系统的显示部分;4）液位设定子程序：实现按键输入预设液位值。

（3）程序编译及仿真。本设计使用ICC编译器进行目标代码生成，外部数据转换芯片可以根据单片机端口定义的时钟，很有规律的进行数据段读写操作。系统主程序还使用了AVR studio进行仿真，确保程序的完整、可靠的运行。

参考文献：

[1]潘新民.单片微型机实用系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[2]何立民.单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[3]张宝芬.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京：化学工业出版计，2011.

[4]于海生等.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，2012（08）.endprint