强烈推荐毕业论文设计基于单片机的PID控制器设计.docx
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强烈推荐毕业论文设计基于单片机的PID控制器设计
中国矿业大学
本科生毕业论文
专业：
自动化
论文题目：
基于单片机的PID控制器设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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日 期：
指导教师签名：
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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日期：
年月日
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
中国矿业大学毕业论文任务书
任务下达日期：
**
毕业论文日期:
**
毕业论文题目：
基于单片机的PID控制器设计
毕业论文专题题目：
毕业论文主要内容和要求：
1、基于单片机的PID控制器整体方案设计
2、硬件电路设计，包括电源、显示、按键、AD、DA转换等外围电路设计
3、软件设计，包括参数设置程序、显示程序、按键程序、PID算法程序等
4、应用PROTEUS、KeilC51软件进行设计及仿真
指导教师签字：
郑重声明
本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本论文属于原创。
本毕业论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名：
日期：
中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：
成绩：
评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任签字：
年月日
学院领导小组综合评定成绩：
学院领导小组负责人：
年月日
摘要
现代工业生产中，随着生产规模的不断壮大，人们对产品质量的要求日益提高，以及现代环境的复杂化，使工业过程控制系统已成为生产中必不可少的设备。
PID控制是最为广泛和通用的的控制方法，PID控制器以其结构简单、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。
虽然各种现代控制技术频繁的出现，但并没有削弱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推动作用。
一方面,各种新的控制思想不断被应用于PID控制器的设计之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。
本次论文以8051单片机为基础设计一个PID控制器，包括电源、显示、按键电路和复位晶振电路还有AD和DA转换电路，最后在Proteus与Keil搭建的仿真平台上进行仿真。
关键词：
PID控制器;8051单片机；PID参数；
ABSTRACT
Withthegrowingscaleofproductioninmodernindustrialproduction,productqualityincreasingthecomplexityofmodernenvironmentalandindustrialprocesscontrolsystemstheproduction.
PIDcontrolisthemostwidespreadandcommoncontrol,PIDcontrollerisitssimplestructure,goodstability,reliable,andeasytoadjustandbecomeoneoftheindustrialcontrol.Althoughavarietyofmoderncontroltechnologyisfrequent,butdidnotweakentheapplicationofthePIDcontroller.Onthecontrary,theemergenceofnewtechnologiesforthedevelopmentofthePIDcontroltechnologyplayedanimportantroleinpromoting.OntheoneoruseofthoughtcontroltodesignanewcontrollerwithPIDstructure,thePIDcontroltechnologytheotherandparametertuningtechnology.
ThispaperbasedonthedesignofaPIDcontrollerin8051,includingthepowersupply,display,buttonandresetcircuitcrystaloscillatorcircuit,theADandDAconversioncircuit,andfinallythesimulationonProteusandKeilsimulationplatform.
Keywords:
PIDcontroller;8051SCM;PIDparameters;
1绪论1
1.1概述1
1.2PID控制的发展和趋势2
1.3论文研究的内容和结构安排4
2PID控制6
2.1PID控制的特点和原理6
2.2PID控制器7
2.3PID控制的自整定9
3系统的整体设计方案12
3.1系统整体方案12
3.2系统的性能要求12
3.3主控模块13
3.3.1单片机13
3.3.28051单片机16
3.3.3单片机的引脚简介20
3.3.48051单片机的工作原理22
4电路设计23
4.1电源电路设计23
4.2按键电路设计24
4.3显示电路的设计25
4.4AD转换电路29
4.5复位电路和晶振电路34
5软件设计36
5.1Proteus软件简介36
5.2Keil软件36
5.3设计思路37
5.3.1程序设计37
5.3.2显示子程序38
5.3.3按键子程序39
5.3.4PID参数设置子程序40
5.3.5PID算法子程序40
6结束语46
参考文献47
附录48
英文原文53
中文译文59
致谢65
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（intelligentregulator），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
1.2PID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。
2PID控制
2.1PID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-stateerror）。
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（SystemwithSteady-stateError）。
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
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