基于PID算法的四轮小车定点停车控制系统设计

沈阳航空航天大学课程设计（论文）题目智能温湿度PID控制系统设计班级34070203学号2013040702128学生姓名李晓龙指导教师刘洋目录0.前言..............................................................................................................11.PID控制理论................................................................................................12.方案设计........................................................................................................23、硬件电路的工作原理.................................................................................33.1、DHT11温湿度传感器模块.....................................................................33.2、编码器模块设计......................................................................................63.3、键盘识别模块..........................................................................................73.4．L298N电机驱动模块.............................................................................73.5．核心处理器单片机STC89C52...............................................................94.软件编程设计..............................................................................................114.1．主程序设计............................................................................................114.2．DHT11模块...........................................................................................124.3．L298N驱动电机模块...........................................................................134.4.LCD1602液晶显示模块..........................................................................144.5.PID模块..................................................................................................145.系统调试与结果分析..................................................................................16参考文献.........................................................................................................17附录Ⅰ程序清单...........................................................................................18心得与体会.....................................................................................................26沈阳航空航天大学课程设计论文智能PID温湿度控制系统设计第1页智能PID温湿度控制系统设计李晓龙沈阳航空航天大学自动化学院摘要：本设计内容控制系统为STC89C52，单片机利用DHT11温湿度传感器采集温湿度反馈，采用PID调速方法，根据测量湿度与目标湿度差值计算直流风扇的PWM与加湿器是否开关，进而降低或者升高系统温湿度使之最终平衡到目标温湿度，实现温湿度闭环调控。同时本系统支持LCD1602液晶实时显示温湿度，键盘设置目标温湿度等功能。关键词：PID控制；温湿度；PWM调速0.前言系统的温湿度定值控制在生物、医疗、农业、制造业等领域具有重要应用，市场前景广阔。本课题就是利用PID算法对系统温湿度控制系统的设计，这是对计算机控制课程的主要应用，也是对微型计算机、电路、传感器、电机学的具体应用。本课程旨在理论与实践相结合，应用与学习兼顾。课题要求如下：系统由温湿度传感器、单片机主控芯片、控制模块组成；采用PID温控算法进行温度控制，调整PID参数；当湿度低于给定值，开启加湿器，当湿度高于给定值，开启风扇，用PID算法控制风扇的转速；系统稳定时，温度的偏差在0.5摄氏度以内，湿度的偏差5%RH；LCD实时显示温湿度数值；通过键盘设置需要的温湿度，且可以通过键盘进行增减温湿度数值；1.PID控制理论PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。这个理论和应用的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例（proportion）、积分（integral）、导数（derivative））控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制沈阳航空航天大学课程设计论文智能PID温湿度控制系统设计第2页器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t）与输出u(t）的关系为：dttdeTDdtteTItekptu/)(*)(/1)()(式中积分的上下限分别是0和t。因此它的传递函数为：]*)*/(11[)(/)()s(sTDsTIkpsEsUG其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。2.方案设计在设计中，STC89C52作为控制器，其与DHT11温湿度传感器通信获取温湿度数据，将获取的温湿度与设定温湿度做差值，进而判断控制直流风扇与加湿器通断，且运用PID算法计算直流电机PWM控制风扇转速，使系统温湿度最终保稳定恒定值。同时本系统应用独立键盘，支持目标温湿度的加减按键设置；应用LCD1602实时显示温湿度值和操作界面。恒温湿度控制电路原理框图见图2。图2恒温湿度控制电路原理框图STC89C52单片机LCD1602液晶显示独立键盘L298N电机驱动直流电机DHT11温湿度传感器加湿器继电器沈阳航空航天大学课程设计论文智能PID温湿度控制系统设计第3页3、硬件电路的工作原理3.1、DHT11温湿度传感器模块（1）DHT11产品概述图3-1带外部集成电路的DHT11温湿度传感器图3-1所示为DHT11温湿度传感器，DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。精度湿度+-5%RH，温度+-2℃，量程湿度20-90%RH，温度0~50℃。其外部电路图如下。（2）DHT11外部电路图3-2DHT11外部电路图（3）DHT11引脚DHT11共4个引脚：1Pin为VDD，3.3-5.5VDC；2Pin为DATA，单线双向串行数据端；3Pin为NC空脚，暂无用途；4Pin为GND接地。其外部电路见图3-2。沈阳航空航天大学课程设计论文智能PID温湿度控制系统设计第4页（4）串行接口(单线双向)DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。通讯过程如图3-3所示。图3-3DHT11与单片机的通讯过程总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。通讯初始化要求如图3-7所示。沈阳航空航天大学课程设计论文智能PID温湿度控制系统设计第5页图3-4通讯初始化总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。数字0信号表示方法如图3-5所示。数字0与数字1的信号都是高电平，区别是二者高电平的时长不同。0信号高电平时长为26us-28us。1信号高电平时长为70us。图3-5数字0信号的表示方法数字1信号表示方法如图3-6所示。图3-6数字1信号的表示方法沈阳航空航天大学课程设计论文智能PID温湿度控制系统设计第6页3.2、编码器模块设计本系统显示采用了工业字符型液晶模块1602，可显示2行16个字符，能方便显示英文字母大小写、阿拉伯数字、常用符号等。通过自定义还可显示简单的汉字。（1）LCD1602引脚表3-11602液晶引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第一脚：接地电源VSS。第二脚：5V正电源为VDD。第三脚：VL为液晶显示器对比度调整的端口，对比度的强弱由接电源的不同决定，对比度的调整可以通过一个10k的电位器。第四脚：RS是寄存器选择，高水平的数据寄存器，低选择指