【正文】 riety of modern control technology is frequent, but did not weaken the application of the PID controller . On the contrary, the emergence of new technologies for the development of the PID control technology played an important role in promoting .On the one hand , among the variety of new control ideas continue to be applied to the PID controller design or use of thought control to design a new controller with PID structure , the PID control technology has injected new vitality . On the other hand , the development of some of the new control technology requirements for more accurate PID control , thereby stimulating the development of PID controller design and parameter tuning technology . This paper based on the design of a PID controller in 8051 , including the power supply , display , button and reset circuit crystal oscillator circuit , the A / D and D / A conversion circuit , and finally the simulation on Proteus and Keil simulation platform . Keywords: PID controller。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或者當(dāng)使用者得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)很難采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)用 PID 控制技術(shù)是最方便的。 PID 控制的思想逐漸明確，氣動(dòng)反饋放大器被發(fā)明 ,儀表工業(yè)的重心被放在實(shí)際 PID 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。 1974 年英國(guó)倫敦大學(xué) 教授 是國(guó)外最早取得應(yīng)用成果的，他先利用模糊控制語句組的模糊控制器，用于鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行控制； 我國(guó)的模糊控制理論和研究工作是在 1979 年開始的，如對(duì)模糊控制系中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 3 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理算法、自學(xué)習(xí)或自組織模糊控制器以及模糊控制器的穩(wěn)定性方面的研究； 80 年代末對(duì)模糊控制器和 PID 控制器的關(guān)系進(jìn)行研究， 1985 年，徐承偉提出模糊控制器輸出與被控對(duì)象之間存在積分作用； 1987 年胡家耀在這基礎(chǔ)上提出 FuzzyPI 調(diào)節(jié)器，用于退火爐燃燒過程中； 1988 年，河北廊坊市工具廠李利民、王金奎研制的高溫 鹽浴爐微機(jī)控制系統(tǒng)以磁性調(diào)壓器作為執(zhí)行元件，采用 MPID 調(diào)解方式，當(dāng)爐溫在 11001300攝氏度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)誤差小于 20 度； 1989 年，武漢鋁廠鄭恭恒、沈協(xié)和用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)爐溫控制，采 BangBang和 PID 相結(jié)合的算法，達(dá)到升溫速度快，超調(diào)量小的升溫效果； 1997 年，吉林工業(yè)大學(xué)呂俊偉、王文成、黃海東研制的模糊 PI 開關(guān)混合控制器用于滲炭爐溫度控制系統(tǒng)，縮短了升溫時(shí)間，大大提高了控制精度最大超調(diào)量小于 1 度； DESBOROUGH 和 MILLER 在 2020 年的一次統(tǒng)計(jì)報(bào)告中指出，目前在美國(guó)有超過 11600 個(gè)有 PID 控制器結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器在工業(yè)控制中應(yīng)用，有一些復(fù)雜的控制律其基本控制也用的 PID 控制算法，有大部分的反饋回路都是用的 PID 控制算法。在一些情況下針對(duì)特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 PID控制器控制得很好，但仍不可否認(rèn) PID也有其固有的缺點(diǎn)：PID 在控制非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時(shí)，工作地不是太好。針對(duì)這些問題，長(zhǎng)期以來， 人們一直在尋求 PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。 論文研究的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 在對(duì) PID 控制的發(fā)展現(xiàn)狀、 PID 控制器的特點(diǎn)和單片機(jī)的結(jié)構(gòu)等知識(shí)的閱讀和了解，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的 PID 控制器。 PID 控制，實(shí)際中有 PI和 PD 控制。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例加上微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 7 的動(dòng)態(tài)特性。大量工程實(shí)踐表明，線性組合不一定是最好的組合方式，能否 在非線性領(lǐng)域找到更加合適的組合方式是值得去探索的。 加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。 影響 Kp Ti Td 穩(wěn)態(tài)性能 可以減少靜差，但不能消除 消除靜差，但不能太大 配合比例控制，可以減少靜差 動(dòng)態(tài)性能 加快系統(tǒng)速度，但會(huì)引起震蕩 太小會(huì)不穩(wěn)定，太大會(huì)影響性能 太大和太小都會(huì)引起超調(diào)量大，過度時(shí)間長(zhǎng) PID 控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件 。而 Fisher Control、 Yokogawa、 Eurotherra 等公司紛紛在各自的工業(yè)控制器系列中也結(jié)合了不同的 PID 參數(shù)自動(dòng)整定算法。 PID 控制參數(shù)的整定方法 概念 確定調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間 TI和微分時(shí)間 TD。不同的 PID 參數(shù)組合，有時(shí)會(huì)得到十分相近的控制結(jié)果。 ，成本低。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出。 國(guó)內(nèi)人們使用最廣泛的是 MCS51 系列單片機(jī)。相對(duì)過去以剖析、復(fù)制外國(guó)產(chǎn)品為主的思路有了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。 （ 3） 低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 （ 4） 易擴(kuò)展 單片機(jī)內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行必需的部 件。更不用說家用電器，汽車設(shè)備領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域，自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。 （ 2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR。 （ 1） 運(yùn)算器 運(yùn)算器以算術(shù)邏輯單元 ALU為核心，加上累加器 ACC、暫存寄存器 TMP和程序狀態(tài)字寄 存器 PSW 等所組成。 表 1 RE0,RE1 選擇 RS1 RS0 工作寄存器組 片內(nèi) RAM 地址 0 0 第 0組 00H07H 0 1 第 1組 08H0FH 1 0 第 2組 10H17H 1 1 第 3組 18H1FH *OV：溢出標(biāo)志。 堆棧指針 SP：是用來指示堆棧的起始地址。 ② PROG 功 能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 4. I/O 線 : 80C51 共有 4 個(gè) 8 位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 個(gè)引腳。為使單片機(jī)能自動(dòng)完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機(jī)能識(shí)別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存 放在具有存儲(chǔ)功能的部件 —— 存儲(chǔ)器中。這個(gè)電路輸入的是 220v 的交流電，經(jīng)過全橋整流穩(wěn)壓后輸出穩(wěn) 定的 +5v 直流電。 獨(dú)立式按鍵是直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根 I/O 口線，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其它 I/O 口線的狀態(tài)。它的內(nèi)部是 4 個(gè)數(shù)碼管共用 a~dp 這 8 根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因?yàn)槔锩嬗?4 個(gè)數(shù)碼管，所以它有 4 個(gè)公共端，加上 a~dp，共有 12 個(gè)引腳，下面便是一個(gè)共陰的四位數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（共陽(yáng)的與之相反）。 （ 2）置計(jì)數(shù)初值。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 用來把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字形式，即二進(jìn)制數(shù)。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。 CLK：時(shí)鐘信號(hào)。其內(nèi)部電源輸入與參考電 壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V之間。 DI：數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。用于特定用途的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器可按其精度和速度分類。完成 A/D 轉(zhuǎn)換的器件即為 A/D 轉(zhuǎn)換器。定時(shí)器 T0 的中斷入口地址為 000BH， T1 的中斷入口地址為001BH。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。 本次論文是用四個(gè)按鍵控制的，第一個(gè)控制 PID 參數(shù) (控制輸出 P,I,D)，第二個(gè)實(shí)現(xiàn)加功能鍵，第三個(gè)實(shí)現(xiàn)減功能鍵 ，最后一個(gè)作為確定鍵。 圖 7805 穩(wěn)壓電源電路 用 7805 實(shí)現(xiàn)的全橋整流電路 如果輸入端的是 220V的話，那么 N1： N2=1： 。 P2 口有兩個(gè)功能 ， 當(dāng)作地址總線使用； I/O 口使用，其內(nèi)部有上拉電阻； 圖 8051 單片機(jī)的引腳圖 RST/VPD RXD/ TXD/ INT0/ INT1/ T0/ T1/ WR/ RD/ XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 8051 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 21 22 23 24 VCC EA/Vpp ALE/PROG PSEN 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 22 P3 口有兩個(gè)功能 除了作為 I/O 使用外（其內(nèi)部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設(shè)置，有內(nèi)部 EPROM 的單片機(jī)芯片（例如 8751），為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的。 ① EA 功能：內(nèi)外 ROM 選擇端。 3. 控制線 : 控制線共有 4 根， （ 1） ALE/PROG:地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編程脈沖?？刂齐娐吠瓿芍笓]控制工作，協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分正常工作。 *F0：用戶標(biāo)志。 （ 8）內(nèi)部時(shí)鐘電路。 8051 單片機(jī) 8051 單片機(jī)的特點(diǎn) ： 8051 單片機(jī)可分為 ROM 型和無 ROM 型兩種，無 ROM 型的芯片，必須外接 EPROM 才能應(yīng)用（典型芯片為 8031）， ROM 型芯片又分為 EPROM型（典型芯片為 8751）、 FLASH 型（典型芯片為 89C51）、掩膜 ROM 型（典型芯片為 8051 ）、一次性可編程 ROM（ OTP）的芯片（典型芯片為 97C51）。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 主要的幾個(gè)方面： (1) 智能儀器儀表 (2) 機(jī)電一 體化產(chǎn)品 (3) 實(shí)時(shí)工業(yè)控制 (4) 家用電器 目前單片機(jī)滲透到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。由于CPU、存儲(chǔ)器及 I/O 接口集成在同一芯片內(nèi)，數(shù)據(jù)在傳送時(shí)受干擾的影響較小，而且不易受環(huán)境條件的影響。另一方面，如此琳瑯滿目的單片機(jī)品種，著實(shí)給單片機(jī)應(yīng)用的工程師提供了巨大的選擇空間。 特點(diǎn)：片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)電路增強(qiáng)，使之可以方便靈活地用于復(fù)雜 的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及設(shè)備。 (2) 性能完善提高階段 1980 年， Intel 公司推出了 MCS51 系列的單片機(jī)： 8 位 CPU、 4K 字節(jié)ROM、 128 字節(jié) RAM、 4 個(gè) 8 位并口、 1 個(gè)全雙工串行口、 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。 PID 算法。這種方法不需要事先知道過程的數(shù)學(xué)模型，可直接在系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定，比較中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 11 簡(jiǎn)單。 PID 控制參數(shù)的整定方法 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)或安裝完畢后，被控對(duì)象、測(cè)量變