用单片机实现光照度的PID调节

天津职业技术师范大学2010届本科生毕业设计（论文）

目录

1引言 ............................................................................................................................................... 2

1.1单片机的组成及应用领域 ................................................................................................. 3 1.2有线通信技术 ..................................................................................................................... 4 1.3无线数据传输技术 ............................................................................................................. 4 1.4 PID调节技术 ...................................................................................................................... 5 1.5本章小结............................................................................................................................. 5 2光照度调节系统的设计框架和性能 ............................................................................................ 5

2.1 系统设计步骤 .................................................................................................................... 5 2.2系统功能及技术要求 ......................................................................................................... 6 2.3系统总体设计结构 ............................................................................................................. 7 2.4本章小结............................................................................................................................. 8 3硬件电路设计 ................................................................................................................................ 9

3.1以51单片机为核心的主控制器电路设计 ....................................................................... 9 3.1.1 LED数码显示的设计 ....................................................................................................... 9 3.1.2键盘的设计.................................................................................................................... 10 3.1.3看门狗电路的设计 ........................................................................................................ 10 3.2以51单片机为核心的分控制器电路设计 ..................................................................... 10

3.2.1时钟芯片的设计 .................................................................................................... 11 3.2.2驱动电路的设计 .................................................................................................... 12 3.3 RS485通信电路的设计 .................................................................................................... 13 3.4无线数传电路的设计 ....................................................................................................... 14

3.4.1无线数传电路的连接 ............................................................................................ 15 3.4.2 SRWF-1模块 .......................................................................................................... 15 3.5本章小结........................................................................................................................... 17 4软件设计...................................................................................................................................... 18

4.1人机交互程序设计 ........................................................................................................... 18

4.1.1键盘扫描程序设计 ................................................................................................ 19 4.1.2 LED数码显示程序设计 ......................................................................................... 20 4.2启停控制程序设计 ........................................................................................................... 21

4.2.1 全部启停控制程序设计 ....................................................................................... 21 4.2.2 单独启停控制程序设计 ....................................................................................... 23 4.3 光照强度PID调节程序设计 .......................................................................................... 25

4.3.1全部光照度PID调节程序设计 ............................................................................ 26 4.3.2 单独光照度PID调节程序设计 ........................................................................... 27 4.4照明定时控制程序设计 ................................................................................................... 28

4.4.1 全部定时控制程序设计 ....................................................................................... 28 4.4.2 单独定时控制程序设计 ....................................................................................... 29 4.5 RS485通信程序设计 ........................................................................................................ 30

4.5.1 主机部分通信程序设计 ....................................................................................... 31 4.5.2 从机部分通信程序设计 ....................................................................................... 32 4.6 无线数传通信程序设计 .................................................................................................. 33

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4.7 本章小结.......................................................................................................................... 34 5数字PID及其算法的改进 .......................................................................................................... 34

5.1 PID控制基本原理 ............................................................................................................ 35 5.2三个基本参数Kp，Ti，Td在实际控制中的作用研究 .................................................. 35 5.3数字PID控制算法 ........................................................................................................... 36 5.4 PID算法的改进，“饱和”作用的抑制 .......................................................................... 38 5.5 PID控制算法的单片机程序实现 .................................................................................... 38 5.6 PWM信号的单片机程序实现 ......................................................................................... 39 6仿真及总结.................................................................................................................................. 39 致 谢 ............................................................................................................................................ 42 参考文献......................................................................................................................................... 43 附录 ................................................................................................................................................ 44

A串行通信程序 ..................................................................................................................... 44 B光照度调节程序 ................................................................................................................. 49 英文文献及中文翻译 ..................................................................................................................... 53

用单片机实现光照度的PID调节

1引言

近些年来，随着我国城市建设的快速发展，楼宇照明也相应飞速发展。在楼宇的照明数量与质量两个方面均有显著的变化与提高，特别是随着人民生活水平进入小康水平，楼宇照明水平提高很快，追求人工照明光环境的舒适性、个性化、安全、节能等方面日见突出。楼宇中人工光环境对于满足人们的生活、学习、娱乐以及工作方面有着重要的意义。

照明光照度调节系统传统是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。而今出现的楼宇自控系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。由于照明控制系统在楼宇自控系统中并非独立，同时控制功能简单，因此使用上有一定的局限性。故当楼宇自控系统出现故障时，照明系统亦受到影响。随着微电子技术与数字化技术的发展，开发出了智能化水平更高的专业照明控制的独立系统，从而能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。根据使用客户的经验，不仅使照明管理与设备维修简单及降低费用外，还对环境改善、提高工作效率都有着显著的效果。 本系统是以单片机为控制器的核心，其中上位机是以AT89C51为基础，下位机是以AT89C2051为基础，再连接外围电路，通过现场总线RS485通信方式，采用数字PID算法实现照明灯具光照度的智能调节，也可以通过无线数传模块实现无线通信，从而达到照明灯具的智能控制。

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1.1单片机的组成及应用领域

单片机（单片微型计算机）就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。

单片机由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（Central Processing Unit），简称CPU，是微机的核心部件。CPU配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（Input/Output，简称I/O）接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，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。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

1. 在智能仪器仪表上的应用

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

2.在工业控制中的应用

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管芯片理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

3.在家用电器中的应用

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

4.在计算机网络和通信领域中的应用

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信

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呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

5.单片机在医用设备领域中的应用

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。 7.单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。

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用途。

1.2有线通信技术

在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。目前，有多种接口标准可用于串行通信，最常用的接口有RS-232、RS-422、RS-485。RS232是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。其后发展起来的RS-422、RS-485是平衡传送的电气标准，比起RS-232非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。但总的来说，RS-232、RS-422与RS-485最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的， EIA于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。正因为RS-485的远距离、多节点（32个）、受干扰较小、可靠性强、保密性强、可以自行定义协议以及传输线成本低的特性，使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。

1.3无线数据传输技术

有线传输的方式虽然使用非常广泛且可靠性较高，但由于各方面的局限性，

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已经在众多方面被无线传输方式所取代。无线数字传输技术日益完善，其重要性也被人们所认识，相应的基于无线数字传输的产品也随处可见。无线数字传输系统安装简便、使用效率高，可应用于各个领域，例如，无线数据传输、无线数据采集、无线抄表、工业遥控、楼宇自动化、高档玩具等等。

无线数传技术是通过单片机的串口与无线数传模块连接，将要发送的数据由无线数传模块向空中发出，然后由另一个终端设备的无线数传模块从空中接收数据，这样就实现了预期的任务。

1.4 PID调节技术

在自动控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。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；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、?）。

1.5本章小结

本章介绍了照明光照度调节系统在智能楼宇中的应用、发展以及所使用的主要专业技术。它从传统的方式逐步发展到能够实现智能化控制，使用户使用起来更加方便、舒适。本文所研究的光照度调节系统主要使用了单片机技术、有线通信技术、无线数传技术和PID调节技术。

2光照度调节系统的设计框架和性能

2.1 系统设计步骤

系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。

在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。

硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真软件上进行

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