PID数字调节器的设计（LCD显示）课程设计



智仪表综合训练设计说明书









题 目：PID数字调节器设计(LCD显示)
学生姓名：
学 号：
专 业：测控技术仪器
班 级：2009
指导教师：(教授)




摘
目前程控制系统中部分采PID 数字调节器设计PID数字调节器硬件采 AT89C52单片机作控单元 ADC0832实现AD转换 LCD1602显示四独立键进行PID参数设定硬件转换电路实现电压放软件定时器T0采样数字滤波标度变换限幅防积分饱PID调节PWM输出等时文中出PID数字调节器硬件电路设计软件流程相关调试程序等




关键词 PID数字调节器LCD1602显示AD转换PWM输出


















目 录
第章 PID数字调节器概述 1
第二章 总体设计方案 2
第三章 调节器硬件设计 3
31 单片机选型 3
32 IV转换电路 3
33 ADC0832芯片简介 5
331ADC0832芯片说明 5
332 ADc0832单片机连接 6
34 LCD显示模块 7
341 1602字符型LCD简介 7
342 引脚功介绍 7
第四章 PID数字调节器软件设计 8
41 PID数字调节器软件实现 8
42 AD采样数字滤波模块 8
421 AD采样部分 9
422 数字滤波部分 9
43标度变换模块 11
44 键盘模块 12
45 PID控制模块 12
46 PWM输出模块 14
第五章 系统仿真调试 16
第六章 总结 17
参考文献 18
附录A 19
硬件原理图 19
附录B 20
源程序 20



第章 PID数字调节器概述
着工业动化断发展生产程求越越高促生产实践中断探求新控制方案控制方案选择中控制规律选择尤重PID 调节具原理简单方便适应性强鲁棒性强特点广泛应
PID控制器（例积分微分控制器）例单元 P积分单元 I 微分单元 D 组成通KpTiTd三参数进行设定
PID参数系统影响：
（1）例增益Kp 时反映控制系统偏差信号系统旦出现偏差例环节立产生调节作系统偏差快速减趋势变化例增益Kp 越PID 控制器调节速度越快Kp 太例增益会加调节程超调量降低系统稳定性甚造成系统稳定
（2）积分环节消系统稳态误差积分作强弱取决积分时间常数 Ti 越积分作越强反积分作弱积分作引入会系统稳定性降动态响应变慢
（3）微分环节引入改善控制系统响应速度稳定性微分作具超前控制作微分作改善系统动态性微分作强弱取决微分时间 Td Td 越微分作越强反越弱
数字PID 调节器模拟信号( 包括电流电压) 通AD 转换变数字信号 微处理器（设计采单片机）数字信号通定算法进行定处理
然处理数字信号通PWM输出








第二章 总体设计方案
PID调节器变送器传4～20mA电流信号硬件滤波电路(RC)进行滤波接250欧姆电阻转换1～5V送入ADC0832进行转化AD转换信号送入单片机进行PID运算然PWM输出（0～5V）时LCD1602进行显示外四独立键（K1功键K2确定键K3加法键K4减法键）进行操作实现PID参数设定总体流程图图21示

图21 总体流程图




















第三章 调节器硬件设计
31 单片机选型
AT89C5251系列单片机型号ATMEL公司生产低电压高性CMOS 8位单片机片含8k bytes反复擦写Flash读程序存储器256 bytes机存取数存储（RAM）器件采ATMEL公司高密度非易失性存储技术生产兼容标准MCS51指令系统片置通8位中央处理器Flash存储单元功强AT89C52单片机实现较复杂系统控制应场合
AT89C5240引脚32外部双输入输出（IO）端口时含2外中断口316位编程定时计数器2全双工串行通信口2读写口线AT89C52常规方法进行编程线编程(S系列支持线编程)通微处理器Flash存储器结合起特反复擦写Flash存储器效降低开发成脚图图31示

图31 AT89C52脚图
32 IV转换电路
电流输出传感器接口时候变送器输出420mA电流信号转换成电压信号简单加250欧姆电阻仅IV转换取样电阻然简单部分电压损失首先实际意义零点信号时候会零点电流流取样电阻果420mA输入电流转换5V电压分析零点时候恰1V1V单片机资源足够时候单片机软件减掉样电压会剩514V5V单片机A／D输入电压单片机供电电压电压通常5V处理种简单输入转换电路时较麻烦达A／D转换位数会导致芯片成增加解决面问题设计图32示电路

32 IV转换电路
原理：单片机输入前配置运算放器组成缓处理电路 增加级运算放器起零点处理会变更加方便需耗单片机部资源尤单片机采A／D接口接受种零点信号零电压输入时保证AD转换位数资源够全部应信号 图中R电流取样电阻值受变送器供电电压制约前级采12V供电时R常会200Ω阻值时线路输入电路隔离作起保护单片机系统作
图32采廉价运放LM324零点处理反相输入端加入调整电压恰输入4mA时R压降运算放器 R取值更加时信号电压够部分通配置运放放倍数补足样真正4～20mA电流转换成0～5V电压
然部分仿真成功考虑选择运放廉价运放失调漂移运放供电单片机电路供电稳定性电源电压否保证足够稳定运放输入阻抗否信号分流影响运放否整信号范围放特性坦等等造成种廉价电路真正时意实际中控象水箱低液位实际特性放弃部分电路直接选250Ω电阻
33 ADC0832芯片简介
331ADC0832芯片说明
ADC0832 美国国家半导体公司生产种8 位分辨率双通道AD转换芯片体积兼容性性价高广泛应
ADC0832接口说明：
　　· CS_ 片选低电芯片
　　· CH0 模拟输入通道0作IN+
　　· CH1 模拟输入通道1作IN+
　　· GND 芯片参考0 电位（）
　　· DI 数信号输入选择通道控制
　　· DO 数信号输出转换数输出
　　· CLK 芯片时钟输入
　　· VccREF 电源输入参考电压输入（复）
般情况ADC0832单片机接口应4条数线分CSCLKDODIDO端DI端通信时未时效单片机接口双电路设计时DODI 联根数线ADC0832未工作时CS输入端应高电时芯片禁CLK DODI 电意进行AD转换时须先CS端置低电保持低电直转换完全结束时芯片开始转换工作时处理器芯片时钟输入端CLK提供时钟脉DODI端DI端输入通道功选择数信号第1时钟脉前DI端必须高电表示启动位第23时钟脉前DI端应输入2位数选择通道功功项见表33
表33 ADC0832配置位
输入形式
配置位
选择通道
CH0
CH1
CHO
CH1
差分输入
0
0
+

0
1

+
单端输入
1
0
+

1
1

+
配置位2位数10时CH0 进行单通道转换配置2位数11时CH1进行单通道转换配置2位数00时CH0作正输入端IN+CH1作负输入端IN进行输入配置2位数01时CH0作负输入端INCH1 作正输入端IN+进行输入第3时钟脉DI端输入电失输入作DODI端开始利数输出DO进行转换数读取第4时钟脉开始DO端输出转换数高位D7脉DO端输出位数直第11脉时发出低位数D0字节数输出完成正位开始输出相反字节数第11时钟脉输出D0输出8位数第19 脉时数输出完成标志着次AD转换结束CS置高电禁芯片直接转换数进行处理图34ADC0832时序图

图34 ADC0832时序图

332 ADc0832单片机连接
根ADC0832芯片原理设计中DIDO接P37信号输入输出CS片选信号接P20ADC0832单片机连接图图35

图35 ADC0832单片机连接

34 LCD显示模块
341 1602字符型LCD简介
字符型液晶显示模块种专门显示字母数字符号等点阵式LCD目前常16*116*220*240*2行等模块般1602字符型液晶显示器实物见图36示

图36 LCD 1602实物图
342 引脚功介绍
1602LCD采标准14脚（背光）16脚（带背光）接口引脚接口说明
见表37
表37引脚接口说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源
9
D2
数
2
VDD
电源正极
10
D3
数
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数
4
RS
数命令选择
12
D5
数
5
RW
读写选择
13
D6
数
6
E
信号
14
D7
数
7
D0
数
15
BLA
背光源正极
8
D1
数
16
BLK
背光源负极

图根设计实现功引脚单片机进行连接连接图见图38

图38 LCD1602单片机连接图
第四章 PID数字调节器软件设计
41 PID数字调节器软件实现
PID数字调节器首先通定时器T1定时采样定时时间10MS采样极值均值滤波法进行数字滤波限设标度变换标度变换完送单片机进行处理配合键盘进行PID参数设定PWM输出软件流程图图41
源程序见附录B

41 软件流程图

42 AD采样数字滤波模块
421 AD采样部分
设计中ADC0832进行操作时前3脉初始化通道选择第4脉开始数进行输出高低读次低高读次确认数准确程序流程图图42示


图42 ADC0832子程序流程图
422 数字滤波部分
谓数字滤波计算机中通软件某种算法输入信号进行滑加工等处理减少干扰信号中重提高信号真实性常数字滤波方法算术均值滤波法限幅滤波法滑动均滤波法阶滞滤波法中值滤波法等种常方法做简介绍
1算术均值滤波法：连续取 N 采样值进行算术均运算
优点：适般具机干扰信号进行滤波样信号特点均值信号某数值范围附波动
缺点：测量速度较慢求数计算速度较快实时控制适
2限幅滤波法：根验判断确定两次采样允许偏差值（设 A ）
次检测新值时判断：果次值次值差 次值差 >A 次值效 放弃次值 次值代次值
优点：效克服偶然素引起脉干扰
缺点：法抑制种周期性干扰滑度差）
3滑动均滤波法：连续取 N 采样值成队列队列长度固定 N次采样新数放入队尾 扔掉原队首次数 队列中 N 数进行算术均运算 获新滤波结果
优点：周期性干扰良抑制作滑度高适高频振荡系统
缺点：灵敏度低偶然出现脉性干扰抑制作较差易消脉干扰引起采样值偏差适脉干扰较严重场合
4阶滞滤波法：取 a01次滤波结果 （ 1a ） * 次采样值 +a*
次滤波结果
优点：周期性干扰具良抑制作适波动频率较高场合
缺点：相位滞灵敏度低滞程度取决 a 值消滤波频率高采样频率 12 干扰信号
5中值滤波法：连续采样 N 次（ N 取奇数35） N 次采样值排列取
中间值次效值
优点：效克服偶然素引起波动干扰温度液位变化缓慢测参数良滤波效果
缺点：流量速度等快速变化参数宜
6极值均值滤波法：测参数采样N次序排列首尾舍掉数数剩余进行均种方法掉脉干扰采样进行滑加工快慢系统中削弱干扰提高控制质量
综述考虑通调节器适应性强选极值均值滤波法
设计中定时器T1进行采样采样进行数字滤波程序流程图图43示

43采样滤波流程图
43标度变换模块
计算机控制系统种物理参数量纲温度℃压力采Pa流量mn 等参数AD转换变成数字量信息输出数字量然代表参数值定等原带量纲参数值必须转换成原参数真实值进行显示印需标度变换
线性标度变换公式
（41）
Y实际测量值Ymin仪表测量限Ymax仪表测量限NxY应数字量Nmin仪表测量限应数字量Nmax仪表测量限应数字量
ADC08328AD转换器420mA电流信号转化15V电压信号AD应数字量51255计算公式：
（42）
进行显示时15v电压应设计液位0500mm
（43）
DA数字量显示实际物理量应关系
（44）
式中Y液位实际测量值Ymin液位测量限Ymax液位测量测量限VxAD转换器接收电压值NxAD转换器应数字量(Ymin Ymax设)
44 键盘模块
PID调节器采4独立建K1接P14K2接P15K3接P16K4接P17K1功键实现SvKpKiKd四种模式选择K2确认键键时进行相应参数设置设置完键确认保存相应数K3加计数键K4减计数键程序流程图44示

44键盘流程图
45 PID控制模块
模拟系统中PID算法表达式：
（45）
式中p(t)—调节器输出信号
e(t)—调节器偏差信号等定值测量值差
kp—调节器例系数
Ti—调节器积分时间
TD—调节器微分时间
计算机控制种采样控制根采样时刻偏差计算控制量计算机控制系统中必须首先式（45）进行离散化处理数字形式差分方程代连续系统微分方程离散化PID表达式
(46)
式中 △tT—采样周期必须T足够保证系统定精度
E(k)—第k次采样时偏差值
E(k1)—第（k1）次采样时偏差值
k—采样序号k012 …
p(k)—第k次采样时调节器输出
位置型PID算法仅计算烦琐保存E(i)占存采增量型PID算法

（47）
式（47）知计算第k次输出值p(k)需知道p(k1) E(k) E(k1) E(k2)种算法需保留3历史数占存少误动作影响实现动手动扰动切换
PID算法程序流程图图45源程序见附录B

45 PID算法程序流程图
46 PWM输出模块
脉宽度调制(PWM)种模拟信号电进行数字编码方法需进行数模转换信号保持数字形式噪声影响降设计中通定时器T1
配合改变占空实现电压输出程序流程图图46

图46 PWM程序流程图
























第五章 系统仿真调试
设计中软件硬件介绍见三四章针变送部分设计图51仿真原理图进行仿真仿真原理：AD输入端输入0～5V电压电压表进行显示便LCD显示值较验证转换正确否标度变换公式计算AD应数字量转化电压量仿真程中实现应关系验证AD转化正确实际中显示应水位水位电压转化关系
（Y液位实际测量值Ymin液位测量限Ymax液位测量测量限）样AD转换数字量实际液位联系起部分需实际中进行调试AD仿真原理图51仿真程序见附录B

图51 系统仿真原理图



第六章 总结
五周课程设计认真完成务五周时间非常紧迫首先必须处理考研课设关系确实件容易事情时常感受肩压力课程设计前学专业课运件必事情刚开始感觉手组讨思路清晰许总体方案总体器件选择定认识次见老师解决掉许疑问感觉进步
首先总体原理图绘制组统装DXP画原理图刚开始没学软件感觉难组长培训软件基操作掌握接分完务攻部分设计部分变送部分网查资料proteus仿真成功接总体程序调试需接口问题组回次协作总体设计进展问题组配合问题解决感受深点社会合作社会合作促进发展承认事实
外次课设软件发展锻炼总说课设紧张学















参考文献
1潘新民微型计算机控制技术[M]电子工业出版社198803
2李文涛程控制[M]科学出版社2012
3李楠楠璩柏青种新型PID调节器硬件电路设计[J]2007 23
4王燕芳潘新民微型计算机控制技术[M]电子工业出版社20061
5姚永STC89C51RC+系列单片机器件手册[J]宏晶科技200711
6董永祥智仪器设计发展[J]山西电子技术20061
7郝长胜C语言程序设计[M]蒙古学出版社200512
8赵茂泰智仪器原理应[M]电子工业出版社20047
9潘永雄新编单片机原理应[M]西安电子科技学出版社200702
10蔡杏山Protel 99 SE 电路设计[M]民邮电出版社200707
11雷力鸣单片机数字调节器中应[M]西南动化研究 1997 3
12基单片机实现单回路智调节器设计





















附录A
硬件原理图

附录B
源程序
#include LCD1602部分
#include
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define delay4us() {_nop_()_nop_()_nop_()_nop_()}
#define A 0
#define B 500
sbit RS P1^0
sbit RW P1^1
sbit E P1^2
sbit CS P2^3
sbit CLK P2^4
sbit DIO P2^5
sbit enter P1^5 确定键
uchar ZKB10
uchar Display_Buffer[] 0000
void init_sys(void) *系统初始化函数*
void PWMOUT(void)
void button(void)
void Set_Disp_Pos(uchar pos)
void L1602_char(uchar rowuchar colchar sign)
void L1602_string(uchar rowuchar coluchar *p)
int yewei_PID(void)
unsigned char d
extern unsigned int iyewei_Feedback
extern unsigned int iyewei 前测液位值
*************************************************
void DelayMS(uint ms)
{
uchar i
while(ms)
{
for(i0i<120i++)
}
}
*************************************************
bit LCD_Busy_Check(void)
{
bit result
RS 0
RW 1
E 1
delay4us()
result (bit)(P0&0x80)
E 0
return result
}
*************************************************
void LCD_Write_Command(uchar cmd)
{
while(LCD_Busy_Check())
RS 0
RW 0
E 0
_nop_()
_nop_()
P0 cmd
delay4us()
E 1
delay4us()
E 0
}
*************************************************
void Set_Disp_Pos(uchar pos)
{
LCD_Write_Command(pos | 0x80)
}
*************************************************
void LCD_Write_Data(uchar dat)
{
while(LCD_Busy_Check())
RS 1
RW 0
E 0
P0 dat
delay4us()
E 1
delay4us()
E 0
}
*************************************************
void LCD_Initialise(void)
{
LCD_Write_Command(0x38) DelayMS(1)
LCD_Write_Command(0x0c) DelayMS(1)
LCD_Write_Command(0x06) DelayMS(1)
LCD_Write_Command(0x01) DelayMS(1)
}
*************************************************
void L1602_char(uchar rowuchar colchar sign)
{
uchar a
if(row 1)a 0x80
if(row 2)a 0xc0
a a + col 1
LCD_Write_Command(a)
LCD_Write_Data(sign)
}
*************** 显 示 字 符 串 ******************
void L1602_string(uchar rowuchar coluchar *p)
{
uchar ab0
if(row 1)a 0x80
if(row 2)a 0xc0
a a + col 1
while(1)
{
LCD_Write_Command(a++)
b++
if((*p ＇＼0＇)||(b 16))break
LCD_Write_Data(*p)
p++
}
}
*
AD 采 样 函 数
*
uchar Get_AD_Result(void)
{
uchar idat10dat20
CS 0 芯片开始转换工作
CLK 0
DIO 1 _nop_() _nop_() DIO1起始信号
CLK 1 _nop_() _nop_()
CLK 0DIO 1 _nop_() _nop_() 1
CLK 1 _nop_() _nop_()
CLK 0DIO 1 _nop_() _nop_() 2
CLK 1DIO 1 _nop_() _nop_()
CLK 0DIO 1 _nop_() _nop_() 3 (11)选择通道1
for(i0i<8i++)
{
CLK 1 _nop_() _nop_()
CLK 0 _nop_() _nop_() 输出转换数高位（411）转换完成
dat1 dat1 << 1 | DIO
}
for(i0i<8i++)
{
dat2 dat2 << ((uchar)(DIO)< CLK 1 _nop_() _nop_()
CLK 0 _nop_() _nop_()
}
CS 1
return (dat1 dat2) dat10
}
*************************************

************ 函 数 ***************
d Get_AD_Result()*5000255 * d 05V 电 压 值 *
void main(void)
{
int ecount 0
init_sys() * PWMOUT 初始化函数*
LCD_Initialise()

while(1)
{
* 标 度 变 换 实 际 液 位 值 *
iyewei (int)( ( filter()51 ) * (BA))2040 +A

button()
DelayMS(10) * 键 调 值 *
yewei_PID() * 液 位 PID 计 算 *
PWMOUT() * PWM 输 出 *
}

}
#include
#include
#define N 12 排序采泡法
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
void DelayMS(uint ms)
uchar Get_AD_Result(void)
uint cc
char filter() 采样滤波
{
char countijtemp
char value_buf[N]
int sum0
for (count0count {
value_buf[count] Get_AD_Result()
DelayMS(10)
}

for (j0j {
for (i0i {
if ( value_buf[i]>value_buf[i+1] )
{
temp value_buf[i] 实现排列
value_buf[i] value_buf[i+1]
value_buf[i+1] temp
}
}
}
for(count1count sum + value_buf[count]

return (char)(sum(N2))
}
*********************************************
void timer1(void) interrupt 3 定时器T1
{
TMOD 0x11 方式116位定时器（高4位）
TH1(655361000)256 定时器1初值定时1ms
TL1(655361000)256 T2^16a 取高8位取低8位
ET11
TR1 1 允许T1计数
EA1 开启总中断
cc++
if (cc 10)
{
Get_AD_Result()
cc 0
}
}
#include PID部分
#include
unsigned int KKp 120
unsigned int KKi 50
unsigned int KKd 0
unsigned int Err1 0
unsigned int Err2 0
unsigned int Err3 0
unsigned int pid_out_Last
unsigned int iyewei_Feedback pid计算液位值
extern unsigned int sp
float iyewei 前测液位值

int yewei_PID(void)
{
int Feedback_P 0
int Feedback_I 0
int Feedback_D 0

Err1 sp (int)iyewei 偏差定实测
Feedback_P KKp * (Err1 Err2)1000
Feedback_I KKi * Err11000
if(Feedback_I > 80)
{
Feedback_I 80
}
if (Feedback_I < 80)
{
Feedback_I 80
}
Feedback_D KKd * (Err1 Err2 * 2 + Err3)1000
Err3 Err2
Err2 Err1
iyewei_Feedback (int)( Feedback_P + Feedback_I Feedback_D + pid_out_Last)
Limit
if(iyewei_Feedback > 38)
{
iyewei_Feedback 38
}
else if (iyewei_Feedback < 0)
{
iyewei_Feedback 0
}
pid_out_Last iyewei_Feedback
return(iyewei_Feedback)
}
#include PWM部分
#define uchar unsigned char
#define V_TH0 0XFF
#define V_TL0 0XF6
#define V_TMOD 0X01
sbit pwmoutP2^0

void PWMOUT(void)
void init_sys(void) *系统初始化函数*
void DelayMs(void)
extern int iyewei_Feedback pid计算液位值
extern unsigned char ZKB1

void PWMOUT(void)
{
ZKB1iyewei_Feedback

if (ZKB1>38) ZKB10
if (ZKB1<1) ZKB138
}
void init_sys(void) *系统初始化函数*
{
TMODV_TMOD
TH0V_TH0
TL0V_TL0
TR01
ET01
EA1
}

void timer0(void) interrupt 1 using 2
{
static uchar click0 *中断次数计数器变量*
TH0V_TH0 *恢复定时器初始值*
TL0V_TL0
++click
if (click>38) click0

if (click pwmout1
else
pwmout0
}
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