基于AVR的实时控制器设计及其在发酵过程中的应用

论文摘要

过程自动控制作为自动化技术的一个重要分支,近年来发展迅速。随着人们生活水平的日益提高,与人们生活密切相关的发酵、食品、纺织、造纸等轻化工程产业,已经成为研究和开发的热点。发酵过程是轻化工业的一个重要组成部分,由于微生物发酵过程机理复杂,影响因素较多,因此,对发酵过程进行自动控制的要求越来越迫切,采用计算机控制系统对发酵过程实施在线检测和有效的实时在线控制显得越来越重要。微电子技术的发展使单片机的性能不断提升,基于单片机的控制器,以低成本,高性价比,在各种控制现场得到广泛应用。本课题以轻化工程为应用背景,选用ATMEL公司的AVR系列单片机中的ATmega128和ATmega64,设计实现了基于AVR的实时过程控制器。本系统具有结构简洁、可靠性高、投资小的特点。本文以发酵过程为侧重点,围绕着系统的可靠性和实用性,详细描述了系统的硬件、服务程序的设计实现方案,并对控制算法进行探讨研究。本课题主要包括如下内容:（1）硬件设计。根据硬件需求进行处理器和外围器件的选型,设计印制电路板。本控制器由主控制板和显示控制板组成。主控制板以AVR的ATmega128为处理器。显示控制板采用ATmega64为处理器。控制器采用RS-232作为上位机和主控制板的物理层接口,主控制板与显示控制板之间的通信用AVR的TWI总线接口实现。（2）软件设计。根据功能确定总体框架,采用模块化的结构,集成发酵过程控制算法,实现完成数据采集、通讯、故障自检、输出控制等功能。在模拟量输入部分,设计采用过采样技术,利用编程将ATmega128单片机自带的10位AD转换器的精度提高到12位。发酵控制器与上位机通信采用MODBUS协议为应用层协议,对其在AVR的USART接口上的应用,结合控制过程需要进行了适当调整。主控制板主要功能是对自身捕获的信号以及由通信获得的数据进行分析和处理,并对异常和故障做出反应和处理。显示控制板主要功能是接收来自主控制器的输入信号,并根据主控制器指令进行相应的输出显示。（3）探讨和研究发酵过程控制算法,并在生物发酵实验平台上,对发酵控制器进行了测试和功能验证。通过制板、焊接、硬件及程序调试,控制器具有良好的可靠性和稳定性,能满足控制要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 过程控制的发展及现状
• 1.2 单片机实时控制系统
• 1.3 AVR 单片机的特性
• 1.3.1 AVR 与几种常用单片机的比较
• 1.3.2 ATmega128
• 1.3.3 ATmega64
• 1.4 AVR 单片机系统开发工具
• 1.4.1 ICCAVR
• 1.4.2 AVRstudio4
• 1.5 发酵过程计算机控制
• 1.6 本课题研究的意义和主要任务
• 第二章 控制器硬件设计
• 2.1 控制器硬件总体设计
• 2.2 主控制板设计
• 2.2.1 复位电路和晶振电路
• 2.2.2 JTAG 和ISP 接口
• 2.2.3 掉电数据保护电路
• 2.2.4 外部数据存储器
• 2.2.5 模拟量I/O 通道
• 2.2.6 数据量I/O 通道
• 2.2.7 TWI 接口
• 2.2.8 串行接口电路
• 2.3 数据显示控制板设计
• 2.3.1 复位电路、晶振电路与JTAG 接口
• 2.3.2 参数显示电路
• 2.3.3 辅助模拟量输入通道
• 2.3.4 TWI 接口
• 第三章 控制器服务程序设计
• 3.1 主控制板服务程序设计
• 3.1.1 EEPROM 读写驱动
• 3.1.2 模拟量I/O 通道服务程序
• 3.1.3 TWI 通信
• 3.1.4 数字量I/O 通道服务程序
• 3.1.5 参数设置驱动
• 3.1.6 ATmega128 与从控制器ATmega64 的TWI 通信
• 3.1.7 上下位机串行通讯的实现
• 3.1.8 Bootloader 下载
• 3.2 显示控制板服务程序设计
• 3.2.1 LED 数据显示
• 3.2.2 TWI 从机接收驱动的实现
• 3.2.3 模拟量输入处理
• 第四章 控制器在发酵过程中应用的总体方案
• 4.1 实验平台
• 4.2 功能划分
• 4.3 硬件输入输出规划
• 4.4 服务程序的处理
• 4.4.1 显示的处理
• 4.4.2 Modbus 消息帧应用定义
• 4.5 调试
• 第五章 发酵控制算法研究
• 5.1 发酵过程控制分析
• 5.2 PID 控制
• 5.3 串级控制
• 5.4 模糊控制
• 5.4.1 实测量基于二进制数的数据预处理
• 5.4.2 输入模糊化
• 5.4.3 规则库的制定
• 5.4.4 基于二进制数的模糊子集的推理
• 第六章 总结与思考
• 6.1 总结
• 6.2 思考
• 致谢
• 参考文献
• 附录A：作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录B：主控制实验板
• 附录C：主控制最小板
• 附录D：显示控制板
• 附录E：控制器实物图