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1、第38卷第2期河南师范大学学报(自然科学版)Vol.38No.22010年3月JournalofHenanNormalUniversity(NaturalScience)Mar.2010文章编号:1000-2367(2010)02-0180-03基于AVR单片机的PID算法控制系统设计121康雁林,林喜竹,李建国(1.兰州交通大学机电技术研究所,兰州730070;2.河南师范大学新联学院,河南新乡453007)摘要:设计了一种基于Atmegal6单片机的温度控制系统.该系统采用单片机作为控制器,温度传感器DS18B20自动完成对温度信号的采集,同时将采集的信号送入单片机经处理实时显示温度值,
2、根据系统的设定值完成相应的PID控制,论述了其程序实现方法.关键词:AVR单片机;DS18B20;PID控制中图分类号:TP39文献标志码:A参数的监测在测控系统中占有非常重要的地位,本文采用了温度传感器DS18B20为例,对温度信号进行采集与处理,实现对温度参数的测量、控制及显示.其中控制用的PID控制器问世至今已有近70年历史,根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制(简称PID(比例2积分2微分)控制),至今它仍是控制系统一种最基本的控制算法.PID控制器适用于大多数工业对象的动态特性尚未被完全掌握且得不到精确的数学模型的工程实际中.1系统组成设计方案本系统主要上位机(PC
3、)、下位机(单片机)及相关温度控制电路和可控硅控制加热回路组成.其中下位机分机与数字温度传感器DS18B20之间通过I/O口直接连接,下位机主机与下位机分机之间通过com串口直接连接.其系统结构图如图1所示.2系统硬件电路设计2.1数据处理采用AVR系列的Atmega16单片机.Atmega16单片机功能如下:16K字节的系统内可编程Flash;1K字节的片内SRAM;一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器;具有独立振荡器的实时计数器RTC;两个可编程的串行US2ART;可工作于主机/从机模式的SPI串行接口;具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器.2.2数据采集采用美国
4、DALLAS公司生产的DS18B20芯片.DS18B20是一种数字温度传感器,适合于恶劣环境的现场温度采集.温度测量范围为-55～+125℃,工作电压范围为3～5.5V;可编程的9～12位分辨率,精度可达0.0625℃,具有较高的灵敏度,可以满足一般环境下温度测量的要求.2.3温度控制执行温度控制部分用一条I/O线将单片机与可控硅的控制端相连接,并通过程序输出导通脉冲的宽度和导通时间来完成对加热装置的控制.收稿日期:2009210210作者简介:李建国(1974-),男,兰州人,兰州交通大学高级工程师,博士,研究方向:单片机及应用.第2期康雁林等:基于AVR单片机的PID算法控制系统设计18
5、13系统的软件设计3.1下位机主程序下位机主程序负责与上位机通讯并接受上位机传送的控制参数,完成数据的采集、计算PID运算控制量,以及向上位机传送温度信息量.其中PID控制算法是关键.PID控制表示比例(Proportional)2积分(Integra)2微分(Differential)控制.PID调节器如图2所示.调节器的输出与输入之间为比例2积分2微分的关系,即tu(t)=kp×〔e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td×de(t)/dt〕.(1)0或者U(S)=kpE(S)+kiE(S)/S+kdSE(S).若以传递函数的形式表示D(S)=U(S)/E(S)=kp+ki1/S+kdS,式
6、中,Ti2积分时间常数;Td2微分时间常数;kp2比例系数;ki=kp/Ti2积分系数;kd=kp/Td微分系数.在计算机控制系统中使用的是数字PID调节器,就是对式(1)离散化,离散时,令u(t)≈u(k),(2)e(t)≈e(k),(3)1k∫e(t)dt≈T∑e(j),(4)0j=0de(t)/dt≈e(k)-e(k-1)/T,(5)式中,T是采样周期;k为采样序号.显然,上述离散化过程中,采样周期T必须足够短,才能保证有足够的精度,将(2)(3)(4)(5)代入(1)可得:ku(k)=Kpe(k)+T/Ti∑e(j)+Td/T[(e(k)-e(k-1)],(6)j=0我们变换上式(6
7、)得:U=ui-1+ui=ui-1+Kp×[(ei-ei-1)+I×ei+D×(ei-2ei-1+ei-2)].(7)式中ei=W-Yi,W为设定值,Y为第i次实际输出值,Kp为比例系数,积分系数I=T/Ti,微分系数D=[1]Td/T,以(7)式来编程比较方便.具体的PID算法函数如下:[2]PID算法函数voidPID(void)voidPID(){uncharcount[15]={10,20,30,40
