基于单片机的PID控制器毕业设计.doc

基于单片机的PID控制器毕业设计1 绪论1.1 概述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。同时，控制理论的发展主要经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。一个控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口这几个部分。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，它们的传感器、变送器、执行机构都是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，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。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 PID控制是最实用化的控制方式，指的是一项流行的线性控制策略，它是对偏差信号e(t)进行比例、积分、微分运算变换后形成的一种控制规律，基本思想是“利用偏差、消除偏差”。PID控制被证明是一种非常好的控制模式。它的产品已经在工程实际中得到了广泛的应用，很多大公司都开发了具有PID参数自整定功能的智能控制器。PID控制器至今已有近70年历史，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，或者当使用者得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术很难采用时，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，这时用PID控制技术是最方便的。即使当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来得到系统参数时，最适合用的也是PID控制技术。PID控制，实际中有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。模拟PID控制系统的原理框图（如图1.1所示），系统由模拟PID控制器和被控对象组成。 图 1.1 模拟PID控制系统原理框图1.2 PID控制的发展和趋势PID控制技术的发展可以分为两个阶段。20世纪的30年代晚期微分控制的加入标志着PID控制成为一种标准结构,也是PID控制两个发展阶段的分水岭。第一个阶段为发明阶段( 1900 1940 ) 。PID控制的思想逐渐明确，气动反馈放大器被发明,仪表工业的重心被放在实际PID 控制器的结构设计上。1940年以后则是第二阶段革新阶段。在革新阶段，PID 控制器已经发展成一种鲁棒的、可靠的、易于应用的控制器。仪表工业的重心是使PID控制技术能跟上工业技术的最新发展。从气动控制到电气控制到电子控制再到数字控制, PID 控制器的体积逐渐缩小,性能不断的提高。一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对PID控制器的早期发展做出重要贡献,甚至可以说PID控制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善起来的。值得提出的是, 1939年Taylor仪器公司推出的一款带有所谓“Pre2act”功能的名为“Fulscope”的气动控制器以及同时期Foxboro仪器公司推出的带有所谓“Hyper2re2set”功能的“Stabilog”气动控制器都是最早出现的具有完整结构的PID控制器。“Pre2act”与“Haper2re2set”功能实际都是在控制器中加入了微分控制。1974年英国伦敦大学教授E.H.Mandani是国外最早取得应用成果的，他先利用模糊控制语句组的模糊控制器，用于锅炉和汽轮机的运行控制；我国的模糊控制理论和研究工作是在1979年开始的，如对模糊控制系统的结构、模糊推理算法、自学习或自组织模糊控制器以及模糊控制器的稳定性方面的研究；80年代末对模糊控制器和PID控制器的关系进行研究，1985年，徐承伟提出模糊控制器输出与被控对象之间存在积分作用；1987年胡家耀在这基础上提出Fuzzy-PI调节器，用于退火炉燃烧过程中；1988年，河北廊坊市工具厂李利民、王金奎研制的高温盐浴炉微机控制系统以磁性调压器作为执行元件，采用MPID调解方式，当炉温在1100-1300摄氏度范围内任意调节误差小于20度；1989年，武汉铝厂郑恭恒、沈协和用单片机实现炉温控制，采Bang-Bang和PID相结合的算法，达到升温速度快，超调量小的升温效果；1997年，吉林工业大学吕俊伟、王文成、黄海东研制的模糊PI开关混合控制器用于渗炭炉温度控制系统，缩短了升温时间，大大提高了控制精度最大超调量小于1度；DES-BOROUGH和MILLER在2002年的一次统计报告中指出，目前在美国有超过11600个有PID控制器结构的调节器在工业控制中应用，有一些复杂的控制律其基本控制也用的PID控制算法，有大部分的反馈回路都是用的PID控制算法。但是，只有三分之一的控制器在应用中能够让人满意，剩下的控制器都不能让用户对它的控制满意，这给我们现在研究控制理论的学者带来了机遇和挑战。PID控制的优点很多：首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。第二，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进。在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但仍不可否认PID也有其固有的缺点：PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是：如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。PID控制至今仍然是应用最广泛的一种实用控制器。各种现代控制技术的出现并没有减弱PID控制器的应用,相反,新技术的出现对于PID控制技术的发展起了很大的作用。一方面,各种新的好的控制思想不断被应用于PID控制器的设计当中或者是使用新的控制思想设计出具有PID结构的新控制器,PID控制技术被注入了很多新的活力。另一方面,某些新控制技术的发展要求更精确的PID控制,从而刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展。在实际生产现场中，由于受到参数整定方法烦杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。针对这些问题，长期以来，人们一直在寻求PID控制器参数的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。随着微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应用，这种设想已变成了现实。同时，随着现代控制理论(诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等)研究和应用的发展与深人，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。近年来，出现了许多新型PID控制器，如瑞典著名学者K.J.Astrom等人推出的智能型PID自整定控制器，对于复杂对象、其控制效果远远超过常规PID控制。尤其引人注目是近些年来电气传动及机电控制等非自动仪表传统的应用领域，又都采用了PID，可以说PID应用领域已大为扩大。国际著名自动化仪表厂商都十分注意PID功能的应用，如20世纪70年代至80年代中期，从DCS的PID组态，扩大各种PID控制功能（如抗积分饱和、叠加逻辑状态等）到推出自整定PID控制（如日本东芝公司的FuiiMicrer自整定调节器、美国Foxboro公司的Exact自整定调节器、日本横河机电株式会社的YS-80专家自整定调节器）。运用单片机设计的控制器有很多的用途，比如用单片机的全自动锅炉压力控制器，该系统能根据锅炉现场检测的各个状态做出实时精确的自动控制，如实现温度、压力、水位等的监控，数码管显示、报警、系统参数设置的功能。该系统还采用模糊PID方法进行温度控制，能克服普通的单片机PID温度控制系统的一些不足之处，让它达到令人较为满意的控制效果。1.3 论文研究的内容和结构安排在对PID控制的发展现状、PID控制器的特点和单片机的结构等知识的阅读和了解，设计一个基于单片机的PID控制器。论文主要结构，第一章绪论，简单介绍了PID控制在现在社会的应用和PID控制的发展和趋势。第二章简单介绍了PID控制的特点和原理还有PID整定的一些方法和特点。第三章主要是整个论文的设计方案和设计的性能要求，单片机的选择、引脚功能和现在单片机的一些类型和特点还有单片机的工作原理。第四章主要是对电路的设计，包括电源电路、按键电路、显示电路、AD转换电路和单片机的复位和晶振电路。第五章主要是软件设计，有软件的介绍和程序的设计，程序设计有按键程序、显示程序、PID参数设置程序和PID算法程序与各程序设计的流程图和仿真图。第六章是对本次设计的总结，主要有这次论文的不足和对PID控制的展望。2 PID控制 2.1 PID控制的特点和原理在工程实际中，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PID控制，又称PID调节。PID控制，实际中有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。所以，比例加上积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。主要原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近于零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例加上微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例加上微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制的最大优点就是控制机理完全独立于对象的数学模型，只用控制目标与被控对象实际行为之间误差来产生消除此误差的控制策略，这也是PID控制技术的精髓。正是这样，它才能在控制工程实验中得到广泛有效的应用。而随着科技的进步和对控制品质要求的提高，经典PID控制技术的缺陷越来越凸现出来。PID的缺陷，总体来说就是信号处理太简单、未能充分发挥其优点，具体说来，有四个方面：(1)产生误差的方式不太合理控制目标A在过程中可以“跳变”，但是被 控对象输出B的变化都有惯性，不可能跳变，要求让缓变的变量b来 跟踪能够跳变的变量a，初始误差很大，容易引起超调，很不合理。(2)误差的微分信号的产生没有太好的办法 由于微分器物理不可实现，只能近似实现。 (3)误差积分反馈的引入有很多负作用 在PID控制中，误差积分反馈的作用是消除静差，提高系统响应的准 确性，但同时误差积分反馈的引入，使闭环变得很迟钝，容易产生振荡，易产生由积分饱和引起的控制量饱和。(4)线性组合不一定是最好的组合方式PID控制器给出的控制量是误差的现在、过去、将来三者的线性组合。大量工程实践表明，线性组合不一定是最好的组合方式，能否在非线性领域找到更加合适的组合方式是值得去探索的。对于PID存在的这些缺陷，相应的解决办法是：(1)安排合适的“过渡过程”；(2)合理提取“微分-“跟踪微分器；(3)探讨“扰动估计办法-“扩张状态观测器；(4)探讨合适的组合方法-“非线性组合”；2.2 PID控制器PID控制的本质是一个二阶线性控制器。定义：通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数的工业控制系统获得良好的闭环控制性能。优点：1. 技术成熟 2. 易被人们熟悉和掌握 3. 不需要建立数学模型 4. 控制效果好 5. 鲁棒性 PID控制器是一种线性的控制器，它根据给定值r(t)和实际输出值c(t)构成控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) (2-1) 将偏差的比例（P）、积分（I）、微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其输入e(t)与输出u(t)的关系为 （2-2） 式中u(t)控制器(也称调节器)的输出；e(t)控制器的输入（常常是设定值与被控量之差；控制器的比例放大系数； 控制器的积分时间；控制器的微分时间。PID参数对系统性能的影响作用缺点P加快调节，减少稳态误差。稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。I因为有误差，积分调节就进行，直至无差.消除稳态误差，提高无差度。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。D反映系统偏差信号变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规蓄料目结合，组成PD或PID控制。PID参数的调整原则：PID参数的预置是相辅相成的，运行现场应该根据实际的情况进行下列微调，被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如果还是有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后很难恢复，首先加大比例增益P，如果恢复较慢，可以适当的减小积分时间I，还可以加大微分时间D。影响稳态性能可以减少静差，但不能消除消除静差，但不能太大配合比例控制，可以减少静差动态性能加快系统速度，但会引起震荡太小会不稳定，太大会影响性能太大和太小都会引起超调量大，过度时间长PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。2.3 PID控制的自整定PID控制器自整定技术是近2O年来受到工业控制界和学术理论界广泛关注并取得显著成果的先进控制策略，并早在8O年代中期就开发研制了相应的自整定控制器 。近年来，国际自动控制领域对PID控制器参扰、提高鲁棒性、加快算法的收敛速度等方向发展 。KJAstrom、C.CHang、Qingguo Wang、ZJPalmor、SHShen等自整定专家不断在几大国际杂志上发表新的研究成果，显示了PID 自整定技术强大的理论生命力 。随着计算机技术的发展和自整定技术的成熟，El前有关自动整定控制器的商业化产品已大量涌现，其中比较著名的如Foxboro公司的ExACT 系列、First Control的M R0CONTROLLER系列、Leed Northrop 的Electromax V 系列、SattControl的ECA40系 、Honeywell公司的RPID、ControlSoft公司INTUNE 等 。而Fisher Control、Yokogawa、Eurotherra等公司纷纷在各自的工业控制器系列中也结合了不同的PID参数自动整定算法。 另外也发展了一批专用的PID整定设备可以外接到工业控制回路上。如日本Toyo Systems的Supertuner，美国Techmadon 的Protuner，Powell-Process Instruments的Micon P-200 Controller等，其中一些产品已在工业应用中得到认可。从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点：对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的PID参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量PID参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。智能PID控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、模糊控制和PID控制相结合，进一步提高控制系统性能，都是智能PID控制发展的极有前途的方向。PID控制参数的整定方法在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。PID控制参数的整定方法-概念确定调节器的比例度、积分时间TI和微分时间TD。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改变系统的动态和静态指标，争取最佳控制效果。最佳整定参数，在某种评价指标下，系统达到最佳控制状态时，调节器的调节规律所对应的一组参数值。PID控制参数的整定方法-分类理论计算整定方法：对数频率特性法、根轨迹法。这种方法需要知道数学模型。工程整定法：经验法、衰减曲线法、临界比例度法、响应曲线法。这种方法不需要事先知道过程的数学模型，可直接在系统中进行现场整定，比较简单。几种整定方法的比较：整定方法优 点缺 点反应曲线法方法简单系统开环，被调量变化较大，影响生产稳定边界法系统闭环会出现被调量等幅振荡衰减曲线法系统闭环，安全实验费时经验法系统闭环，不需计算需要经验注意：同一个系统，最佳整定参数可能不是唯一的。不同的PID参数组合，有时会得到十分相近的控制结果。3 系统的整体设计方案3.1 系统整体方案 图 3.1 系统电路设计总框图这次论文主要以单片机为基础设计的PID控制器，外围电路中包括电源电路、按键电路、显示电路、单片机的复位、晶振电路和AD转换电路。程序设计包括显示程序、按键程序、AD转换程序、PID算法程序等。设计四个按键，第一个控制PID参数，第二个实现加功能键，第三个实现减功能键 ，最后一个作为确定键，再做四位的数码管显示电路，一位显示PID三个参数（可以以P、I、D显示），另三位作为数字显示，就是三个参数（比例系数，积分时间常数、微分时间常数）的设定数值，通过按键来修改这些数值。3.2 系统的性能要求1.可以人为的通过控制系统按键部分控制PID三个参数数值的改变并能保持，直至重新设定另一参数值，即能实现参数的设定。 2.能够在数码管上显示出P,I,D三个参数和参数的设定值。3.实现PID算法。4.系统的可靠性高，结构简单，易于维修。5.容易实现，成本低。 3.3 主控模块3.3.1 单片机单片机的定义单片机是一种把处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、多种I/O口等功能集成到一块芯片上的完善而小的计算机系统。单片机也被称为微控制（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机的发展过程（1） 单芯片微机的形成阶段Intel公司在1976年推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节PAM、27根I/O线和一个8位定时/计数器。特点：存储器容量小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不算强。 (2) 性能完善提高阶段1980年，Intel公司推出了MCS-51系列的单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。特点：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在MCS-51已成为公认的单片机经典种类 。（3） 微控制器化阶段1982年，又是Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。特点：片内面向测控系统电路增强，使之可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。国内人们使用最广泛的是MCS-51系列单片机。因此我们需要学好、掌握MCS51系列单片机技术。51系列的产品有很多，比如：ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列Philips公司的80C51、80C552系列华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列LG公司的GMS90/97低压高速系列Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机非51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间 ，近年来推出的非51系列的主要产品有：Intel的MCS-96系列16位单片机Microchip的PIC系列RISC单片机 TI的MSP430F系列16位低功耗单片机单片机的广泛选择 分别有 MOTOROLA公司的 MOTOROLA单片机、Microchip单片机、Scenix单片机 、NEC单片机、东芝单片机、富士通单片机、Epson单片机、Intel公司的8051单片机、Zilog单片机、美国国家半导体公司的NS单片机、三星单片机、华邦单片机。总体上看，美国著名公司的单片机技术仍处于领先的地位，特别是在高端产品方面，高性能的新颖的单片机不断的推出。而日本在单片机制造业方面也有相当的优势，在积极争夺家电产品的大客户。韩国及我国台湾省的一些公司在引进美国技术的基础上，以低价位的兼容产品抢占中国的市场。另一方面，如此琳琅满目的单片机品种，着实给单片机应用的工程师提供了巨大的选择空间。这么多种单片机能进入中国市场，这就说明了我们的应用工程师已经能够综合各类单片机的性能、价格等方面的一些因素，并结合实用对象进行选择。相对过去以剖析、复制外国产品为主的思路有了相当的改进。随着我国经济实力的不断增长，开发新产品的思路上以前那种过多注重价格因素而使新产品开发上不了档次的弱点有所改善，开始注意使用当前最先进的单片机开发高档次产品。各单片机厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争，这种竞争与推出新型的单片机以显示高技术方面的优势是相辅相成的。竞争的结果是为单片机应用工程师提供更广阔的选择空间，而最终受益的是单片机产品的消费者。由于单片机对各行各业都有用，这种电子技术的进步导致各行各业的进步，也带动了人类文明的不断进步。看单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 低功耗CMOS化微型单片机主流与多品种共存单片机的特点(1) 控制性能好、可靠性高可对I/O端口直接操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，数据在传送时受干扰的影响较小，而且不易受环境条件的影响。 (2) 体积小、价格低、易于产品化 应用系统的印制板减小、安装简单方便、接插件减少。（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品 （4）易扩展 单片机内具有计算机正常运行必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 （5）优异的性能价格比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已经开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更加使其价格低廉，其性能价格比极高。 单片机的应用领域主要的几个方面：(1) 智能仪器仪表 (2) 机电一体化产品(3) 实时工业控制(4) 家用电器目前单片机渗透到人们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说家用电器，汽车设备领域，计算机网络和通信领域，自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批又计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的应用。 对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机，会无法完成控制任务，达不到要求；选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不同。在实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机时要注意下几点：(1)单片机的基本性能参数；(2)单片机的增强功能；(3)单片机的存储介质；(4)芯片的封装形式；(5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级；(6)单片机的工作电压范围；(7)单片机的抗干扰性能好；(8)单片机开发是否支持高级语言以及编程环境要好用易学；根据上面的原则和本次系统设计的要求，我们选择了8051单片机作为主控模块的核心芯片。3.3.2 8051单片机8051单片机的特点 ：8051单片机可分为ROM型和无ROM型两种，无ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型芯片为8031），ROM型芯片又分为EPROM型（典型芯片为8751）、FLASH型（典型芯片为89C51）、掩膜ROM型（典型芯片为8051 ）、一次性可编程ROM（OTP）的芯片（典型芯片为97C51）。8051单片机的基本组成时钟电路SFR和RAM ROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系 统 总 线时钟源T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXD INT0 INT1 图 3.2 8051单片机的基本组成一个8051单片机包含下列部件 （1）一个8位微处理器CPU。 （2）片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。 （3）片内程序存储器ROM。 （4）两个定时/计数器T0、T1，可用作定时器，也可用以 对外部脉冲进行计数。 （5）四个8位可编程的并行I/O端口，每个端口既可作输 入，也可作输出。 （6）一个串行端口，用于数据的串行通信。 （7）中断控制系统。 （8）内部时钟电路。通道0驱动器通道2驱动器RAM地址锁存器RAM通道0锁存器通道2锁存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器缓冲器PC递增器程序计数器PC数据指针DPTRVCCGNDP1.0P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器通道3驱动器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时和控制逻辑指令译码器8051单片机的内部结构通道0驱动器通道2驱动器RAM地址锁存器RAM通道0锁存器通道2锁存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器缓冲器PC递增器程序计数器PC数据指针DPTRVCCGNDP1.0P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器通道3驱动器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时和控制逻辑指令译码器图3.3 单片机的内部组成8051单片机的CPUCPU就是中央处理器，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分组成。（1） 运算器运算器以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、暂存寄存器TMP和程序状态字寄存器PSW等所组成。ALU主要用于完成二进制数据的算术和逻辑运算，并通过对运算结果的判断影响程序状态字寄存器PSW中有关位的状态。 PSW: D7 D0CYACF0RS1RS0OV_P*CY：进位标志。在进行加法或减法运算时，若运算结果的最 高位有进位或借位，CY=1，否则CY=0，在执行位操作指令时，CY作为位累加器。*AC：辅助进位标志。在进行加法或减法运算时，若低半字节向高半字有进位或借位，AC=1，否则AC=0，AC还作为BCD码运算调整时的判别位。*F0：用户标志。*RS1和RS0：工作寄存器组选择，如下表所示。 表1 RE0,RE1选择RS1RS0工作寄存器组片内RAM地址00第0组00H-07H01第1组08H-0FH10第2组10H-17H11第3组18H-1FH *OV：溢出标志。当两个带符号的单字节数进行运算，结果超出-128+127的范围时，OV=1，表示有溢出，否则OV=0表示无溢出。*PSW中的D1位为保留位，对于8051来说没有意义，对于8052来说为用户标志，与F0相同。*P：奇偶校验标志。每条指令指行完毕后，都按照累加器A中“1”的 个数来决定P值，当“1”的个数为奇数时，P=1，否则P=0。（2）控制器控制器包括程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。程序计数器PC：当一条指令按PC所指向的地址从程序存储器中取出之后，PC的值就会自动增量，即指向下一条指令。堆栈指针SP：是用来指示堆栈的起始地址。80C51单片机的堆栈位于片内RAM中，而且属于“上长型”堆栈，复位后SP被初始化为07H单元，使得堆栈实际上由08H单元开始。指令译码器：当指令送入指令译码器后，由译码器对该指令进行译码，CPU根据译码器输出的电平信号使定时控制的电路产生执行该指令所需要的各种控制信号。数据指针寄存器DRTR：它是一个16位的寄存器，由高位字节DPH和低位字节DPL组成，用来存放16位数据存储器的地址，便于对片外64kB的数据RAM区进行读写操作。3.3.3 单片机的引脚简介单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 1.电源:(1) VCC - 芯片电源，接+5V； (2)VSS - 接地端； 2.时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3. 控制线:控制线共有4根， （1） ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。 (2) PSEN:外ROM读选通信号。 (3) RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 (4) EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 4. I/O线 :80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。引脚功能四个I/O口P0口有三个功能1.外部扩展存储器时，当数据总线。2.外部扩展存储器时，当地址总线。 3.不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。 P2口有两个功能1.扩展外部存储器时，当作地址总线使用； 2.做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻； P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1 VSS12345678910111213141516171819208051 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 21 22 23 24VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0 图 3.4 8051单片机的引脚图 P3口有两个功能除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的。即：编程脉冲：30脚（ALE/PROG） 编程电压（25V）：31脚（EA/Vpp） 3.3.4 8051单片机的工作原理单片机自动完成赋予它任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器是由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。 程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋予程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。4 电路设计4.1 电源电路设计本次论文的电源电路用7805稳压电源。图 4.1 7805的引脚图7805是我们最常用到的稳压芯片了，它使用方便，用一个很简单的电路就可以输入一个直流稳压电源了，它的输出电压正好为+5v，刚好符合51单片机运行所需的电压。它的三个引脚：其中1接整流器输出的正电压，2为公共地也就是负极，3是+5v电压。 图 4.2 7805稳压电源电路用7805实现的全桥整流电路如果输入端的是220V的话，那么N1：N2=1：0.04。 图 4.3 7805的整流电路 图 4.4 整流电路原理图变压器后面是由四个二极管组成的一个桥式整流电路。这个电路输入的是220v的交流电，经过全桥整流稳压后输出稳定的+5v直流电。特点是方便实用，输出电压稳定最大输出电流为1A，电路能带动一定的负载。4.2 按键电路设计一个完善的键盘控制程序应具备如下功能：(1) 检测是否有按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。(2) 有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，而且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。(3) 准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令的要求。本次论文是用四个按键控制的，第一个控制PID参数(控制输出P,I,D)，第二个实现加功能键，第三个实现减功能键 ，最后一个作为确定键。单片机控制系统中，一般可能只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。 图 4.5 系统按键电路4.3 显示电路的设计本次论文中对于显示部分，我们用四位数码管显示，一位显示PID三个参数（可以以P、I、D显示），另三位作为数字显示，就是三个参数（比例系数，积分时间常数、微分时间常数）的设定数值，通过按键来修改这些数值。数码管显示的原理数码管内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。常见数码管有10根管脚。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管； 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 图 4.6 数码管内部结构图本次设计中我们用的是四位一体的数码管，下面简单介绍一下。它的内部是4个数码管共用adp这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有4个数码管，所以它有4个公共端，加上adp，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）。引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为112脚，下图中的数字与之一一对应。 管脚顺序:从数码管的正面观看，以第一脚为起点，管脚的顺序是逆时针方向排列，12-9-8-6 公共脚-11 -7 C-4 D-2 E-1 F-10 G-5 DP-3 图 4.7 四位一体数码管的结构和引脚图 图 4.8 单片机与数码管连