温度制御3 (PID動作)

/*
 * temp_ctrl3.c
 *
 * Created: 2017/03/14 20:08:39
 * Author : User
 */ 

/*
 *  PID動作
 *
 *  ATmega328P
 *
 *
 *  Fuses(システムクロック:20MHz)
 *
 *
 *              ディホルト  Int. RC Osc.    水晶        外部クロック
 *              DISABLED    2.7V            2.7V        2.7V
 *              8/8MHz      8MHz
 *  EXTENDED    0xFF        0xFD            0xFD        0xFD
 *  HIGH        0xD9        0xD9            0xD9        0xD9
 *  LOW         0x62        0xE2            0xF7        0xE0
 */

/* 実験は下記の定数を変更してコンパイルして実行する */
#define _SV_        50.0    /* 目標値 (℃)*/
#define _PB_        100     /* オンオフ動作 (0%) */
                            /* 比例帯 (1〜100%) */
#define _TI_        300     /* 積分時間 (s、32767:積分動作なし) */
#define _TD_        0       /* 微分時間 (s、0:微分動作なし) */
#define _SAMPLE_    1.0     /* 1s間のサンプル回数 */
#define _SPAN_      100     /* 測定スパン (測定範囲の最大値と最小値の差) */

#include <stdio.h>          /* sprintf() */
#include <string.h>         /* strlen() */
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
///#define F_CPU 20.0E6     /* 20 MHz */
///#include <util/delay.h>

#define USEC 1024
#define round(x)     ((x)>=0?(long)((x)+0.5):(long)((x)-0.5))

typedef struct t_systim
{
    short utime;            /* 上位16bit */
    unsigned long ltime;    /* 下位32bit */
} SYSTIM;

///void delay_us(unsigned short t){while(t--) _delay_us(1);}
///void delay_ms(unsigned short t){while(t--) _delay_ms(1);}
short PID(float SV, float PV, short PB, short TI, short TD, float sample, char *reset_flag);
void initADC(void);
void initTIMER(void);
void get_tim(SYSTIM *p_tim);
void initUSART0(void);
void Send0(char *str);

short ad_data;
SYSTIM SYSCK;

int main(void)
{
    SYSTIM tim;
    static unsigned long ot[2];
    float ondo;             /* 温度 (0.0 〜 110.0℃) */
    short mv;               /* 偏差による操作量 (%) */
    char reset_flag;
    short pwm_on_time;      /* PWM オン時間 (0 〜 100%) */
    long tmp;
    char buff[32], buff2[8];
    int len;

    reset_flag = 0;

    /* ATmega328P */
    DDRB = 0b00000101;      /* XTAL2 XTAL1 SCK   MISO  MOSI  OC1B  ----- LED   */
    DDRC = 0b00000000;      /* xxxxx RESET ----- ----- ----- ----- ----- ----- */
    DDRD = 0b00000000;      /* ----- ----- ----- ----- ----- ----- TXD   RXD   */
    PORTB = 0b00111010;
    PORTC = 0b00111110;
    PORTD = 0b11111100;

    initADC();
    initTIMER();
    initUSART0();

    /*
     *  WGM13 WGM12 WGM11 WGM10 動作種別     TOP値
     *    1     1     1     1   高速PWM動作　OCR1A
     *
     *  COM1A1 COM1A0 COM1B0 COM1B0
     *  0      0      1      0      比較一致でLow、BOTTOMでHighをOC1Bピンへ出力(非反転動作)
     */
    TCCR1A = 0b00100011;    /* 一致時(OCR1B)Low, TOP->BOTTOM(OCR1A)でHighを */
                            /* OC1Bピンへ出力(非反転動作), 高速PWM動作 */
/// TCCR1B = 0b00011001;    /* (1 / 20MHz) * 65535 = 3.3mS */
/// TCCR1B = 0b00011010;    /* (8 / 20MHz) * 65535 = 26mS */
    TCCR1B = 0b00011011;    /* (64 / 20MHz) * 65535 = 210mS */
/// TCCR1B = 0b00011100;    /* (256 / 20MHz) * 65535 = 839mS */
/// TCCR1B = 0b00011101;    /* (1024 / 20MHz) * 65535 = 3355mS */
    OCR1A = 0xffff;         /* TOP->BOTTOMでHigh, 固定 */
    OCR1B = 0;              /* 一致時Low、可変(0はPWM出力on時間0%) */
    sei();

    Send0("START\r");

    get_tim(&tim);
    ot[0] = tim.ltime;
    ot[1] = tim.ltime;
    while(1){
        get_tim(&tim);
        if((unsigned long)(tim.ltime - ot[0]) >= 500000/USEC){  /* 500mS */
            ot[0] = tim.ltime;
            PORTB ^= 0b00000001;
        }

        get_tim(&tim);
        if((unsigned long)(tim.ltime - ot[1]) >= 1000000/USEC){ /* 1S */
            ot[1] = tim.ltime;

            /* 情報伝達部 */
            /* 温度を得る 例 12.3℃ */
            ondo = 1100.0 * ad_data / 10230;    /* 0.0〜110.0℃ */

            /* 情報伝達部 */
            /* 偏差による操作量を得る (-50 〜 50) */
            mv = PID(_SV_, ondo, _PB_, _TI_, _TD_, _SAMPLE_, &reset_flag);

            /* 電力制御部 */
            if(mv >= 0)                         /* mv = 0 〜　50% */
                pwm_on_time = mv * 2;           /* pwm_on_time = 0 〜 100% */
            else
                pwm_on_time = 0;                /* pwm_on_time = 0% */
            tmp = round(65535.0 * pwm_on_time / 100.0);
            if(tmp > 65535)
                tmp = 65535;
            OCR1B = (short)tmp;
            
            /* 表示例 49.9, mv = 50  */
            sprintf(buff2, "%ld", round(ondo * 10));
            len = strlen(buff2);
            buff2[len + 1] = buff2[len];
            buff2[len] = buff2[len - 1];
            buff2[len - 1] = '.';
            sprintf(buff, "%s, mv = %d\r", buff2, mv);
            Send0(buff);
        }
    }
}

/*
 *  位置型PID制御
 *
 *  SV      目標値
 *  PV      測定値
 *  PB      比例帯 (1~100%)、 オンオフ動作 (0%)
 *  TI      積分時間 (S、1~32766 32767:積分動作なし)
 *  TD      微分時間 (S、1~32767 0：微分動作なし)
 *  sample  1秒間のサンプル回数
 *  戻り値  偏差による操作量 (-50~-1%, 0%~50%)
 */
short PID(float SV, float PV, short PB, short TI, short TD, float sample, char *reset_flag)
{
    static float e[2];      /* 偏差 (%) */
    static float sum;       /* 偏差の合計 */
    short mv;               /* 偏差による操作量 (%) */

    /* 偏差(%)を取得 */
    /* 比例帯 PB = 100% の比例動作 */
    e[1] = 100.0 * (SV - PV) / _SPAN_;

    /* 偏差(比例帯 PB = 100% の比例動作)に比例帯(PB)の考えを導入 */
    /* 結果(操作量)を -50 〜 0 〜 50% に制限する */

    /* 比例帯 PB = 0% だったら、オンオフ動作 */
    if(PB == 0){
        if(e[1] >= 0.0)
            mv = 50;
        else
            mv = -50;

        return mv;
    }

    /* 初回 */
    /* 比例帯 PB = 1 〜 100% */
    /* PB = 60%:偏差(比例帯 PB = 100% の比例動作)の  1.7 倍の速度 */
    /* PB = 50%:偏差(比例帯 PB = 100% の比例動作)の  2.0 倍の速度 */
    /* PB = 40%:偏差(比例帯 PB = 100% の比例動作)の  2.5 倍の速度 */
    /* PB = 30%:偏差(比例帯 PB = 100% の比例動作)の  3.3 倍の速度 */
    /* PB = 20%:偏差(比例帯 PB = 100% の比例動作)の  5.0 倍の速度 */
    /* PB = 10%:偏差(比例帯 PB = 100% の比例動作)の 10.0 倍の速度 */
    if(*reset_flag == 0){
        mv = (short)round(100.0 * e[1] / PB);
        if(mv <= -50)
            mv = -50;
        if(mv >= 50)
            mv = 50;

        sum = 0.0;
        e[0] = e[1];
        *reset_flag = 1;

        return mv;
    }
    /* 二回目以降 */
    /* 比例動作(P)に積分動作(I)、微分動作(D)を加える */
    else{
        if(TI != 32767)
            sum += e[1];
        mv = (short)round(100.0 * (e[1] + (sum / sample) / TI + TD * sample * (e[1] - e[0])) / PB);
        if(mv < -50){
            mv = -50;
            sum = 0.0;
            e[0] = e[1];
            return mv;
        }
        else if(mv > 50){
            mv = 50;
            sum = 0.0;
            e[0] = e[1];
            return mv;
        }
        else{
            e[0] = e[1];
            return mv;
        }
    }
}

void initADC(void)
{
    ADCSRA = 0b10101111;    /* AD変換ｲﾈｰﾌﾞﾙ, AD自動変換ｲﾈｰﾌﾞﾙ，AD変換割り込みｲﾈｰﾌﾞﾙ */
                            /* 1/128ｸﾛｯｸ(最大変換時間=200uS @16MHz, 156uS @20MHz) */
    ADCSRB = 0b00000011;    /* ﾀｲﾏ/ｶｳﾝﾀ0比較一致A */
    ADMUX = 0b11000000;     /* 基準電圧 = 1.1V(@atmega328p), 右詰, ｱﾅﾛｸﾞ入力 = ADC0 */
}

ISR(ADC_vect)
{
    static long result;
    static short counter;

    result += ADC;
    counter++;
    if(counter >= 100){
        counter = 0;
        ad_data = (short)(result / 100);
        result = 0;
    }
}

void initTIMER(void)
{
    TCCR0A = 0b00000010;    /* CTC動作 */
    TCCR0B = 0b00000100;    /* clk / 256 */
    OCR0A = 80 - 1;         /* (256 / 20MHz) * 80 = 1024uS */
    TIMSK0 = 0b00000010;    /* 比較A割り込み要求有効 */
}

ISR(TIMER0_COMPA_vect)
{
    if(++SYSCK.ltime == 0)
        ++SYSCK.utime;
}

void get_tim(SYSTIM *p_tim)
{
    cli();
    *p_tim = SYSCK;
    sei();
}

void initUSART0(void)
{
    UBRR0 = 21;             /* U2X0 = 1, 115200ボー/20MHzクロック */
    UCSR0A = 0b00000010;    /* U2X0 = 1 */
    UCSR0B = 0b00001000;    /* 送信イネーブル */
    UCSR0C = 0b00000110;    /* 8ビット, パリティなし, ストップ・ビット1 */
}

/*
 *  1データ送信
 */
void Tx0(char data)
{
    while((UCSR0A & _BV(5)) == 0)
        ;
    UDR0 = (unsigned char)data;
}

/*
 *  文字列を送信
 */
void Send0(char *str)
{
    while(*str != '\0'){
        Tx0(*str);
        str++;
    }
}