毕业设计思路
本毕业设计课题主要针对过程控制实验室的控制装置而设计的。过程控制实验设备的基本组成部分包括水箱、锅炉、传感器、调节阀、丹麦泵及电力调节器等执行机构。在以上各部分基础上，通过智能控制器实现对系统的单回路或串级调节控制。因此，智能控制器的设计目的就是实现对水箱液位、锅炉温度等系统的自动控制。系统要求能够方便输入和修改P、I、D参数，显示测量值和给定值以及故障报警功能，智能控制器的硬件设计主要包括主机电路、过程输入输出通道、人机交互接口和通信接口。程序设计涉及到监控程序，显示及键盘处理，液位、温度的标度变换，故障报警及控制算法等。整个设计以单片机为核心，构成一个完整的控制系统。智能控制器的模型为：采样被控对象的模拟量，接收人为控制信号，通过控制算法对数据进行处理，实时显示系统状态，输出控制信号，完成对系统的调节。
2.2 方案分析
单片机的选用是整个设计中首要考虑的问题。由于以前在做单片机应用设计中使用过MCS-51系列单片机，对MCS-51系列单片机的性能、使用等比较熟悉，因此，方案一采用MCS-51系列单片机来实现智能控制器的设计。
MCS-51单片机具有8位的CPU、片内带振荡器、128字节的片内数据存储器、4KB的片内程序存储器、外部的数据存储器和程序存储器的寻址范围为64KB、21个专用寄存器、4个8位并行I/O接口、一个全双工的串行口、2个16位的定时器/计数器、5个中断源、2个中断优先级、111条指令、具有位寻址功能、片内采用单总线结构。单片机能处理的信号为数字量，而被控系统提供的为模拟量，因此，在信号采集时需要设计专门的A/D转换电路。同样，单片机输出的数字量不能直接用于控制被控对象，需要在输出控制信号时设计D/A转换电路。增加A/D、D/A转换电路，使系统硬件设计复杂，抗干扰能力减弱，成本大大增加，因而是不可取的。
方案二采用AVR系列的Mega16型芯片。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，有16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，2路PWM输出。采用Mega16设计，可以充分利于8路ADC输入和2路PWM输出，省去A/D转换和D/A转换电路。
与MCS-51系列单片机相比，Mega16还具有以下优点：
1、速度快。AVR是精简指令集单片机，其速度可以达到1Mb/s，理论上是传统51的12倍，实际上在10倍左右。
2、片上资源丰富。MEGA系列片上具备JTAG仿真和下载功能。片内含有看门狗电路、片内程序Flash、片内数据RAM、同步串行接口SPI、异步串口UART、内嵌A/D转换器EEPROM、模拟比较器、PWM定时计数器、TWI（IIC）总线接口、硬件乘法器、独立振荡器的实时计数器RTC、片内标定的RC振荡器等片内外设，可以满足各种开发需求。
3、驱动能力强。I/O口可以直接驱动数码管、LED、继电器等器件，节省很多外围电路，即节省开发难度，又降低成本。
4、功耗低。低功耗虽然比不上430单片机，但是在单片机中也是佼佼者。
5、可选择型号种类多。各种不同的型号可以满足不同的需求，让你的项目有很多的选择余地。
6、性价比高。在高性能的前提下，并没有增加芯片的价格，价格可以和51相比，而功能确是51不可以比的。
综合以上的优点和今后的趋势，选用方案二，在实现智能控制器设计的同时，学习AVR系列芯片。系统设计框图如2-1所示。
以液位控制系统为例，系统通过传感器采集相应的液位高度，再经变送器将非电量的高度值变换成1～5V或4～20mA的标准电信号。单片机能处理的信号是数字信号，因此在采集被控对象信号时需要将模拟量转化成数字量。设计键盘是便于手动对系统进行功能选择，设定系统相关参数等。为了使键盘的硬件结构简单，设计采用一键多义，以软件来实现同一按键的不同作用，即以软代硬。单片机将采集的被控对象信号和键盘设定的值进行比较，采用预置的计算程序对数据进行处理，控制相应的工作指示，比如：系统的模式选择，采样值的显示等。单片机还根据计算结果输出控制信号，实现系统的自动控制。当系统出现故障或发生误操作时，能够自动报警。上位机与智能控制器之间的通信可以实现系统的在线控制和功能扩展。
