基于AVR單片機atmega32的PID和PWM液體流量控制系統(tǒng)研究
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液體流量控制通常采用電磁閥實現(xiàn)，近年來，電磁閥的結(jié)構(gòu)和控制方式發(fā)生了很大的變
化，隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控制的開關功率元件進行脈寬調(diào)制（pulse width modulation ,簡稱PWM）控制方式得到了廣泛的應用。這種控制方式很容易在單片機中實現(xiàn)，從而為電磁閥的控制數(shù)字化提供了契機。
將偏差的比例（proportion）、積分（integral）、微分（differential）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制，這樣的控制器稱PID控制器。PID控制器最早出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬PID控制器是通過硬件（電子元件、氣動和液壓元件）來實現(xiàn)它的功能。隨著計算機的出現(xiàn)，把它移植到計算機控制系統(tǒng)中來，將原來的硬件實現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱作數(shù)字PID控制器，所形成的一整套算法則稱作數(shù)字PID算法。數(shù)字PID控制器與模擬PID控制器相比，具有非常強的靈活性，可以根據(jù)試驗和經(jīng)驗在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能。
2. 液體流量控制系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)采用AVR系列的atmega32單片機為核心，通過設置atmega32的PWM控制寄存器產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM波，對比例電磁閥的輸入電壓進行調(diào)制，從而實現(xiàn)了對液體流量的變量控制。單片機統(tǒng)過渦輪流量計采集實際流量信號，根據(jù)該信號在其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對PWM控制寄存器的值進行修改，從而達到精確的變量控制。為了防止外界干擾信號進入控制系統(tǒng)，單片機和渦輪之間采用光藕隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性。溫度傳感器和壓力傳感器用來做監(jiān)測噴桿中的壓力和溫度。通過4*4鍵盤和128*64液晶模塊實現(xiàn)人機對話，便于用戶操作。系統(tǒng)原理圖如圖2-1所示：
圖2-1
3硬件部分
3.1 PWM驅(qū)動電路
單片機輸出的PWM脈沖信號分別經(jīng)7406和7407輸入到Q1，Q2的G極，在每個PWM周期的高電平區(qū)間，Q1導通，Q2截止，電磁閥導通。在每個PWM周期的低電平區(qū)間，Q1截止從而切斷了電源，電磁閥的感應電動勢經(jīng)Q2內(nèi)部續(xù)流二極管形成回路。此時Q2的G極為高電平但是由于二極管的鉗位作用使開關二極管關閉，因此通過調(diào)整單片機的PWM波就可以實現(xiàn)電磁閥輸入電壓占空比的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對流量的調(diào)節(jié)。
3.2 比例電磁閥
比例電磁閥在上世紀60年代末就已經(jīng)得到了應用，最初是用于液壓控制系統(tǒng)。隨著單片機和集成電路的發(fā)展，其逐漸應用到各種液體的流量控制中。比例型電磁鐵的工作原理如下：線圈通電后，軛鐵和銜鐵內(nèi)部產(chǎn)生磁通并產(chǎn)生電磁吸力，將銜鐵吸向軛鐵，同時銜鐵上的彈簧受到壓縮，當銜鐵上的電磁力和彈簧力平衡時，銜鐵停止位移。比例型電磁鐵的吸力在有效行程范圍內(nèi)和線圈的電流或電壓大小具有線形關系。因此通過調(diào)解輸入的電流或者電壓就可以控制其開口的大小，從而達到變量控制的目的。本系統(tǒng)采用的比例電磁閥特性曲線如圖3-1所示：（Kvs代表比例電磁閥最大開口時的流量，Kv代表對應某一電壓或者電流值時的流量值）。
4. 軟件部分
4.1 PWM波的產(chǎn)生
設計采用單片機atmega32產(chǎn)生PWM信號。atmega32的定時/計數(shù)器的PWM模式可以分成快速PWM和頻率（相位）調(diào)整PWM兩大類。 本設計采用快速PWM模式，快速PWM可以的到比較高頻率的PWM輸出，響應比較快，因此具有很高的 實時性。此時計數(shù)器僅工作在單程正向計數(shù)方式，計數(shù)器的上限值決定PWM的頻率，而比較匹配寄存器的值決定了占空比的大小?？焖貾WM模式的控制寄存器設置如下：
//輸出端口初始化
PORTD=0x44;
DDRD=0x20;
//T/C1初始化
TCCR1A=0xC3;/*比較匹配時OC1A輸出高電平，在top值時清零ICP下降沿捕捉，
時鐘1/8分頻（暫定），即工作在反相pwm模式*/
TCCR1B=0x0A;//10位快速pwm模式
TCNT1H=0x00;//start at 0
TCNT1L=0x00;
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