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1、 毕 业 论 文（设 计） 2012 届 电气工程及其自动化 专业 班级题 目 基于单片机的时间通断PID控制的设计 姓 名 学号 指导教师 职称 二 年 月 日内 容 摘 要在控制系统中，采用比例、积分、微分控制方式控制，称之为PID控制。数字PID控制器原理简单，使用方便，适应性强，可用于多种工业控制，特别是不依赖对象的精确模型，对系统参数的变化具有较好的鲁棒性，可以解决在工业过程中精确建模的困难。目前在实际的工业过程控制中，虽然可以应用很多先进的智能控制算法，但是PID (比例-积分-微分)控制器始终是主导的且非常重要的广泛使用的控制方法。本篇论文介绍了STC89C51单片机的体系结构，
2、开发基于单片机的时间通断PID控制的设计，包括硬件设计和软件设计，本篇论文主要侧重于硬件设计。本次设计的控制电路是控制LED通电的时间长短，可用于多种控制系统中，如温度控制等，单片机套件模块作为核心器件配以适当的外围电路和PID算法实现控制作用。即本设计是提供PID控制算法实现的平台。关键词单片机；PID控制；LED；键盘；硬件设计The design of PID control of time on and off based on single-chip AbstractIn the control system,controling by the control mode of pro
3、portional, integral and derivative,we call the control way is PID control. Digital PID controller is simple in principle, easy to use and adaptability, it can be used in a variety of industrial control. Especially it is independent on an accurate model of the object,and it is robust to changes in sy
4、stem parameters,it can solve the difficulties of accurate modeling of industrial processes. Although many of the advanced intelligent control algorithm can be applied in the actual industrial process control present,but the PID controller (proportional - integral - derivative) is always the dominant
5、 and a very important and widely used control method. This paper introduces the system structure of the SCM STC89C51, develop the design of the PID control of time on and off based on microcontroller, it consists of hardware and software design, this thesis is mainly focused on hardware design. The
6、control circuit is used for control the length of time to the LED power this time, it can be used in a variety of control systems, such as control the temperature, etc. The module of single-chip package as the core of the device accompanied by the appropriate external circuit and the PID algorithm m
7、ake the control action come ture. The design is to provide the platform of the PID control algorithm.Keywordsingle-chip; PID control; LED; Keyboard; Hardware design目 录前言1第一章 绪论21.1 概述21.2 PID控制技术的发展与现状31.2.1 PID控制技术的发展31.2.2 PID控制技术的现状41.3 系统总体设计方案51.3.1 系统性能要求及特点51.3.2 系统硬件方案分析61.3.3 系统软件方案分析61.4 本
8、文主要工作及章节安排71.4.1 本文主要工作71.4.2 章节安排7第二章 硬件设计82.1 系统硬件总体结构82.2 主控模块器件选型及设计82.2.1 单片机的选用82.2.2 单片机介绍92.2.3 主控模块设计112.3 电源电路设计122.4 输入通道设计122.4.1 ADC0809介绍122.4.2 ADC0809的工作过程152.5 输出通道设计172.6 人机界面设计172.6.1 LED显示器及其接口182.6.2 键盘及其接口202.7 硬件抗干扰措施222.8 本章小结22第三章 系统调试23第四章 总结与心得24参考文献26附录27前 言单片机是微型计算机的一种，自
9、问世以来，人们对它进行了不断地升级和完善，由最初的4位机发展到如今的32位机，呈现出以8位单片机为主流，16位、32位单片机共同发展的欣欣向荣的景象。随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着SoC（片上系统）方向发展。单片机有着集成度高、体积小、功耗低、功能强、速度快、性价比高等优点，易于推广应用。单片机作为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用，用单片机进行实时系统数据处理和控制保证系统工作在最佳状态，提高系统的控制精度，有利于提高系统的工作效率。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。在工业控制中，按偏差的比例P、积分I和微分D进行控制的P
10、ID调节器现在得到广泛的应用。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小嵌入式系统。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点，PID控制器是一种最优控制。本系统利用80C51单片机作为系统的控制器采用单片机编程实现PID算法进行控制
11、。系统由硬件和软件组成，本论文介绍了硬件的设计过程，它以单片机为核心器件，+5电压通过A/D转换变为数字信号，输入到单片机经过处理，控制发光二极管亮灭。人机界面由8位拨码开关和LED数码管构成，拨码开关用来设定Kp、Ki、Kd的值，LED用来显示此值。第一章 绪 论1.1 概述单片机是为了实现控制功能而设计的一种微型计算机。由于单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、存储器、输入/输出部件和时钟电路等，因此，它具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强，可在恶劣环境下可靠工作等特点。单片机系统的被控对象种类繁多，其应用也十分广泛，如工业控制领域、智能仪表与智能传感器、
12、家用电器领域、办公自动化领域、计算机网络和通信领域等。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。PID控制器的特点是结构简单，适应性强，特别是不依赖对象的精确模型，对系统参数的变化具有较好的鲁棒性，可以解决在工业过程中精确建模的困难。PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。采用这种方法实现的控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数(比例值、积分值、微分值)。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的
13、受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。本次设计的单片机时间通断PID控制是以89C51为核心器件，采用PID算法，以控制LED通电的时间长短来间接控制其他物理量，如温度、水位等物理量，可设置不同的Kp、Ki、Kd的值来达到不同的控制目的。因此，本次的设计可用于多种控制系统中，本次设计的整个系统包括硬件设计和软件设计，而我负责的是硬件方面的设计，所以本篇论文是基于硬件方面的。1.2 PID控制技术的发展与现状在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称
14、PID控制又称PID调节。PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式，在科学技术特别是电子计算机迅速发展的今天，涌现出许多新的控制方法，但PID由于它自身的优点，仍然是得到最广泛应用的基本控制规律。PID控制具有以下优点：原理简单，使用方便；适用性强，可广泛应用于各种工业生产部门，按PID控制规律进行工作的控制器早已商品化，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID控制；鲁棒性强，即其控制品质对被控制对象特性的变化不太敏感。PID控制规律以其明显的优越性而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，
15、系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时问的大小。PID控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。1.2.1 PID控制技术的发展比例积分微分（PID）控制器是在工业过程控制中最常见的一种控制调节器，它广泛应用于化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。PID有几个重要的功能：提供反馈控制；通过积分作用可以消除稳态误差；通过微分作用预测将来。PID控制器特别适用于过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不太高的情况。PID控制是分布式控制系统的一个重要组成部分，它也包含在许多特殊目的的控制系
