计算机控制技术实验指导书研究生部分V60剖析.docx
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计算机控制技术实验指导书研究生部分V60剖析
计算机控制系统
实验指导书
编者赵文龙彭洁
南昌航空大学
信息工程学院
前言
计算机由于具有强大的算术运算、逻辑判断、记忆等信息加工能力，使得它一诞生就被应用到控制领域。
随着计算机科学技术的发展，使60年代控制理论得到应用，而现代控制理论的发展，又为计算机控制的发展奠定了广阔的理论基础。
特别是微电子技术的发展给计算机控制提供了物质基础。
现在在工业生产等领域中，计算机控制正广泛深入地的得到应用，并取得了可喜的经济效益和社会效益。
本实验指导书是《计算机控制系统》课程的配套教材。
是理工科院校电类专业研究生学习《计算机控制系统》及自动化专业本科生《计算机控制系统》课程的实验教程，也是研究生《计算机控制系统》的实验教程（主要掌握12位A/D和12位D/A）。
通过实验可使学生进一步了解和掌握计算机控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法以及控制算法的编程实现，学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术，提高应用计算机的能力及水平。
本书分为三章，第一章硬件资源，主要介绍实验的硬件组成。
第二章软件使用，主要介绍系统软件的操作以及计算机和实验箱的通讯设置。
第三章单片机实验部分，主要介绍围绕单片机控制系统开展的各个实验的电路组成，实验原理、实验步骤和控制程序。
在编写过程中，承蒙王长坤、吴国辉、邱玉兰老师的帮助和支持。
在此，向他们表示衷心的感谢。
由于时间仓促，且编者水平有限，书中难免有不足之处，敬请读者批评指正。
编者
2016年10月
目录
第一章硬件资源…………………………………………………………………………1
第二章软件使用………………………………………………………………10
第三章单片机系统实验………………………………………………………………24
实验一基于定时器定时中断的扫描显示与异步通信实验……………………24
实验二12位D／A转换实验……………………………………………………………34
实验三12位A／D转换实验……………………………………………………………40
实验四数字PID控制实验……………………………………………………………51
实验五数字PID参数整定及控制算法改进实验……………………………………56
第一章硬件资源
一、基于8位A/D、D/A的单片机控制系统实验的硬件原理图
基于8位A/D、D/A的单片机控制系统实验的硬件原理图如图1-1所示。
二、基于12位A/D、D/A的单片机控制系统实验的硬件原理图
基于12位A/D、D/A的单片机控制系统实验的硬件原理图如图1-2到如图1-7所示。
其中图1-2是单片机模块原理图，图1-3是12位A/D模块原理图，图1-4是D/A模块原理图，图1-5是显示模块原理图，图1-6是电源及信号转接模块原理图，图1-7是被控对象模块原理图。
图1-1基于8位A/D、D/A的单片机控制系统实验的硬件原理图
图1-2单片机模块原理图
图1-312位A/D模块原理图
图1-4D/A模块原理图
图1-5显示模块原理图
图1-6电源及信号转接模块原理图
1-7被控对象模块原理图
第二章软件使用
第1节KeilC软件使用
本书后文的所有教学项目例程都是在KeilC51软件下开发和调试的，因此有必要对KeilC51的使用进行简要介绍。
KeilC51是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编、PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用。
2.1.1启动KeilC51软件
下面介绍KeilC51软件（以版本6.12为例）的使用方法，启动KeilC51时的屏幕如图2-1所示。
图2-1启动KeilC51时的屏幕
几秒钟后出现编辑界面，屏幕如图2-2所示。
图2-2进入KeilC51时的编辑界面
2.1.2简单程序的调试
下面通过简单的编程、调试操作和演示，引导读者学习和掌握KeilC51软件的基本使用方法和基本调试技巧。
（1）、单击“Project”菜单准备建立一个新工程，在弹出的下拉菜单中选中“NewProject”选项（见图2-3）。
图2-3在KeilC51中建立一个新工程
（2）、选择要保存的路径，输入工程文件的名字，比如保存到d:
\STCproject目录下，项目名为P_STCproject，单击“保存”按钮即可，见图2-4。
图2-4将新工程保存到指定目录
（3）、系统弹出一个对话框要求选择单片机的型号，可以根据所使用的单片机来选择。
KeilC51几乎支持所有的MCS-51内核的单片机，虽然这里没有STC的单片机选项，但是选中Atmel中的89C52即可默认是STC89C52RC单片机。
如图2-5所示，选择89C52之后，
右边栏是对这个单片机的基本的说明，然后单击“确定”按钮。
图2-5单片机的选型（4）、完成上一步骤后界面如图2-6所示，到目前为止，在建好的项目中还没有编写一句程序，下面开始编写第一个程序。
图2-6KeilC51中的一个空项目界面
（5）、在图2-7中，单击“File”菜单再在下拉菜单中单击“New”选项；
图2-7准备新建一个文件
新建文件后屏幕如图2-8所示
图2-8新建文件界面
此时光标在编辑窗口中闪烁，这时可以键入用户编写的源程序了，此处建议保存该空白文件及其类型，单击菜单上的“File”，在下拉菜单中选中“Saveas”项者单击，屏幕如图2-9所示，在“文件名”栏右侧的编辑框中，键入欲使用的文件名，同时，必须键入正确的扩展名。
注意，如果用Ｃ语言编写程序则扩展名为.c；如果用汇编语言编写程序，则扩展名必须为.asm。
然后，单击“保存”按钮。
图2-9保存新建文件及其类型界面（6）、回到编辑界面后，单击“Target1”前面的“＋”号，然后在“SourceGroup1”上单击右键弹出如图2-10所示菜单项；
图2-10在KeilC51中的一个空项目里加入文件
然后单击“AddFiletoGroup‘SourceGroup1’”屏幕如图2-11所示
图2-11C源程序被加入空项目里
选中Text1.c，然后单击“Add”屏幕如图2-12所示，
图2-12C源程序被加入空项目后的界面
此时‘SourceGroup1’文件夹中多了一个子项“Text1.c”，子项的多少与所增加的源程序的多少相同。
（7）、在光标闪烁的代码编辑区输入如下C语言源程序；#include#includevoidmain（void）{SCON=0x52;//串口方式1,允许接收TMOD=0x20;//定时器T1工作在方式2TH1=0xF3;//选定波特率TR1=1;//启动定时器，此行及以上3行为printf函数所必须printf（"HelloIamKEIL.\n"）;printf（"Iwillbeyourfriend.\n"）;while
（1）;}在输入上述程序时，Keilc51会自动识别关键字，并以不同的颜色提示用户加以注意，这样会使用户少犯错误，有利于提高编程效率。
程序输入完毕后，如图2-13所示
图2-13C源程序在项目中被编辑的效果
（8）、在图6-13所示界面中，单击“Project”菜单，再在下拉菜单中单击“BuiltTarget”选项（或者使用快捷键F7），编译成功后，再单击“Debug”菜单，在下拉菜单中单击“Start/stopDebugSession”选项（或者使用快捷键Ctrl+F5），界面如图2-14所示
图2-14C源程序在执行Ctrl+F5后的效果
（9）、键调试程序，在图2-14中，单击“Debug”菜单，在下拉菜单中单击“go”选项（或者使用快捷键F5），然后再单击“Debug”菜单，在下拉菜单中单击“StopRuning”选项（或者使用快捷键Esc）；再单击“View”菜单，在下拉菜单中单击“SerialWindows#1”选项，就可以看到程序运行后的结果，其结果如图2-15所示
图2-15C源程序最后的执行结果
至此，在KeilC51中做了一个完整工程的全过程，但这只是纯软件的开发过程，必须在KeilC51中进行进一步设置才能将已编译好的程序下载到STC单片机中供其运行。
（10）、单击“Project”菜单，再在下拉菜单中单击“optionsforTarget‘Target1’”选项，在图2-16所示对话框中，在“Output”选项卡中选中“CreateHEXFile”前的复选框，再编译一次程序，在项目目录中就会产生HEX代码，本例会产生P_STCproject.hex供下载器软件使用。
下载器软件会把程序下载到STC89C52RC单片机中。
图2-16HEX代码产生的设置
第2节STC单片机的烧写
1.打开STC单片机的烧写软件，如图2-17所示。
这个界面中已经给出了操作步骤：
选择单片机型号（选择STC89C52RC即可）→点击OpenFile按钮出现open.hexorbinfile窗口，如图2-18所示→选择已经编译成功的shiyan.hex文件，点击打开按钮，出现图2-19的界面→选择使用的微机串口→选择倍速、增益等（使用STC89C52RC单片机采用默认选项即可）→点击Download/下载→出现图2-20的界面后给单片机上电→开始烧写，烧写进行中如图2-21所示，烧写完成如图2-22所示。
图2-17STC单片机烧写界面
图2-18选择hex文件
图2-19打开hex文件
图2-20开始上电
图2-21烧写进行中
图2-22烧写成功
第三章
基于12位A/D、D/A的单片机控制系统实验
本套实验系统一共提供了6个围绕单片机系统开展的实验：
基于定时器定时中断的扫描显示与异步通信实验、12位D/A转换实验、12位A/D转换实验、数字滞后-超前校正实验、数字PID控制实验、数字PID参数整定及控制算法改进实验、模糊控制实验。
该单片机系统如图1-1到图1-7所示。
本系统算法完全开放，系统结构组合灵活，可以自行修改和添加新的实验。
实验一 基于定时器定时中断的扫描显示与异步通信实验
一、实验目的
1.掌握单片机内部定时器的使用和C51编程方法；
2.掌握异步通信的工作原理和C51编程方法；
3.掌握扫描显示的工作原理和C51编程方法。
二、实验仪器
1.51SKJXSJ单板实验板1块（附12V1A的AC/DC开关型电源模块1个，RS232标准串行通信电缆1根），做步骤9、步骤10和步骤11时还要实验盒1个。
2.带DB9串口的台式PC机1台（装有KeilμVision3编译软件、STC-ISPV29Beta5下载软件、DOSBOX软件）。
3.如果不用截屏，还要具有照相功能的手机或数码照相机（自备）。
实验一图1扫描显示电路原理图
实验一图2单片机部分原理图
三、实验内容
利用定时器定时中断，在中断服务程序中完成八段数码管的显示，在主程序中实现有限范围的秒的加、减计数，并且根据加、减计数值更新显示缓冲区的数据，秒的加法计数从-100~100周期性计数，秒的减法计数从100~-100周期性计数。
秒加法计数值在左边4位数码管显示，秒加法计数值在右边4位数码管显示。
通过改变SW3SW2SW1拨码开关位置改变时间常数，从而可以改变扫描显示周期，并且关注没有闪烁感的最大扫描显示周期是多少？
规定每次秒计数值更新时，要把秒的加、减计数值通过异步串行通信口COM1发送给PC机进行显示，PC机运行shiyan1a.exe，则PC机屏幕上会显示当前通信数据的帧信息图和具体数据，包括空闲、1个起始位、8个数据位、1个停止位、空闲、1个起始位、8个数据位、1个停止位、空闲，其中8个数据位是从D0开始，到D7结束。
为了提高通信效率，采用最简单的2字节报文包通信方式，命名秒的加计数值为奇字节，秒的减计数值为偶字节。
在秒计数值更新时发送奇字节，利用奇字节发送结束申请串行中断，在串行中断服务程序中发送偶字节，并且偶字节发送结束不申请串行中断。
规定波特率为19200bps，当晶体频率11.0592MHz时，用定时器T1产生波特率为
方式1和方式3波特率=
（T1溢出率）/32（1-1）
注意定时器T1应禁止溢出中断。
T1的溢出率又和它的工作方式有关，为确保波特率准确，选择T1工作在方式2——即8位时间常数自动重装，波特率的计算公式为
19200=
fosc/[32*12（256-（TH1））]（1-2）
则计算结果为（TH1）=253=0xfd。
要实现STC89C52与PC机串行通信，还要求电平转换，转换后的电平要符合RS232标准，因此需要扩展电平转换电路，如图实验一图3所示。
实验一图3TTL与RS232电平转换电路
四、实验电路连线和实验原理
本实验连线实验板无需另外接线，扫描显示电路原理图如图实验一图1所示，单片机部分原理图如图实验一图2所示，RS232通信电平转换电路原理图如图实验一图3所示，只须将通信线接到PC机的COM1口。
地址译码采用线选法译码，显示段码端口地址由写信号/WR和地址线A15，显示位码端口地址由写信号/WR和地址线A14，其余地址线无效，我们假设为1。
故显示段码端口地址为0111,1111,1111,1111B，即0x7FFF，进行写操作，即可输出显示段码，锁存于U4这个8位锁存器中。
显示位码端口地址为1011,1111,1111,1111B，即0xBFFF，进行写操作，即可输出显示段码，锁存于U5这个8位锁存器中。
采用8段共阴数码管，则扫描显示需要锁存8位段码，选用74HC273芯片能够实现，其中段码的LSB位对应段A，段码的MSB位对应段H，则小数点不亮时数符0~9的段码如实验一表1所示。
程序中可以用如下方法定义端口：
#defineDisplaydataXBYTE[0x7FFF]//数码管段码锁存器端口地址
实验一表1小数点不亮时共阴数码管段码表
数符
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
段码
0x3f
0x06
0x5b
0x4f
0x66
0x6d
0x7d
0x07
0x7f
0x6f
可以考虑用查表的方法实现数字到段码的查表法，具体表格定义如下：
ucharcodeDisptab[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}；
涉及到符号时，+号段码为0x00；-号段码为0x40；小数点单独控制，需要小数点的位，对应段码获得后，再或上0x80即可。
为了显示两个数，其中一个-100～100，另外一个100～-100，这里包括符号位，共计需要8个数码管，则扫描显示需要1个8位锁存器锁存8位数码公共端信息，选用SN74ABT273芯片能够实现，其中位码的LSB位对8号数码管，段码的MSB位对1号数码管，编号从1到8对应功能和位码如实验一表2所示。
实验一表2编号从1到8数码管对应功能和位码
数码管编号
显示内容
二进制位码
十六进制
M
1
加法符号位
01111111B
0x7f
7
2
加法百位
10111111B
0xbf
6
3
加法十位
11011111B
0xdf
5
4
加法个位
11101111B
0xef
4
5
减法符号位
11110111B
0xf7
3
6
减法百位
11111011B
0xfb
2
7
减法十位
11111101B
0xfd
1
8
减法个位
11111110B
0xfe
0
程序中可以用如下方法定义端口
#defineDisplaybitXBYTE[0xBFFF]//数码管位码锁存器端口地址
可以考虑用查表的方法实现扫描位控到位码的查表法，具体表格定义如下。
ucharcodeDispbit[8]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}；//共阴位码表
扫描显示中经常需要考虑每位要显示一定的时间，经常使用软件延时的方法，但这种方法不好，我们采用定时器定时的方法，在中断服务程序中执行显示操作，具体方法如下。
Displaydata=dispbuf[M]；//查段码表送数显的段端口
Displaybit=Dispbit[M]；//查位码表送数显的位端口
M++；//修改下一次的显示位
当晶体频率11.0592MHz时，用定时器T0并且使用方式1定时中断，每中断一次，显示1位，如果扫描显示周期为T，则8位数码管全不显示一遍，时间为T，显示一位的时间为T/8，则T0时间常数的计算方法如下：
（1-3）
当T=5ms=0.005s时，
即时间常数高字节为0xfd，低字节位0xc0，1秒需要中断次数为
（1-4）
当T=5ms=0.005s时，n=200，T为其它数据时，采用上述方法计算时间常数和中断次数。
时间常数高字节表、低字节表和1秒对应中断次数均采用表格提供，目前定义的拨码开关SW3SW2SW1无论在什么位置，均是扫描周期5ms。
ucharcodetHtab[8]={0xfd,0xfd,0xfd,0xfd,0xfd,0xfd,0xfd,0xfd};//定时器计数初值高字节表
ucharcodetLtab[8]={0xc0,0xc0,0xc0,0xc0,0xc0,0xc0,0xc0,0xc0};//定时器计数初值低字节表
ucharcodesecondtab[8]={200,200,200,200,200,200,200,200};//1秒中断次数计数值表
实验装置异步串行通信发送的数据是秒加计数值和秒减计数值，PC机屏幕绘图的截屏如实验一图4所示。
其中K表示空闲，Q表示起始，D表示数据，T表示停止。
实验一图4数据为帧信息
五、实验步骤
1.计算时间常数和中断次数，扫描周期分别为22ms、23ms、24ms、25ms、26ms、27ms、500ms，求出时间常数和1秒对应中断次数，填入实验一表3中。
实验一表3时间常数和1秒对应中断次数
扫描周期
5ms
22ms
23ms
24ms
25ms
26ms
27ms
500ms
T0定时周期
0.625ms
时间常数
0xfdc0
1秒对应
中断次数
200
2.编辑源程序，参考程序中的时间常数高字节表、低字节表和1秒对应中断次数均是5ms扫描周期的数据，利用计算好的实验一表3的数据，修改参考程序中的时间常数高字节表、低字节表和1秒对应中断次数。
3.用Keil集成开发环境建工程，然后编译该程序，得后缀名.HEX的可执行程序。
4.利用标准串行通信电缆从微机的COM1口连接到51SKJXSJ单板线路板的DB9插座，运行Ver:
2.9Beta5测试版STC-ISP.EXE，选择单片机型号：
STC89C52RC，打开你编译产生的HEX后缀名的文件，由于是晶体是24MHz，点击fullgain，点击下载按钮再MCU上电复位-冷启动（插上AC/DC开关型模块电源），这时会在下面窗口显示一些提示信息，正常在编程结束时在51SKJXSJ单板上扫描显示2个秒计数值，并且每秒钟会改变秒计时。
5.PC机上运行shiyan1a.exe。
6.给实验装置断电，依次设置SW3SW2SW1拨码开关位置，具体如实验一表4，其中首次OFF、OFF、OFF，每次设置后通电。
实验一表4SW3SW2SW1拨码开关与扫描周期的关系
查表偏移量
SW3
SW2
SW1
扫描周期（s）
有无闪烁感
7
OFF
OFF
OFF
0.5
6
OFF
OFF
ON
0.027
5
OFF
ON
OFF
0.026
4
OFF
ON
ON
0.025
3
ON
OFF
OFF
0.024
2
ON
OFF
ON
0.023
1
ON
ON
OFF
0.022
0
ON
ON
ON
0.005
7.观察实验装置数码管有无闪烁感，并且记录在实验一表4中。
8.观察PC机屏幕绘制的串行通信帧信息，用手机照两幅照片。
9.根据控制盒硬件平台（参考原理图1-2和图1-5，注意晶体是24MHz），利用8个数码管显示——即2个四位1组的数码管扫描显示，2个单独的数码管不显示，且实验一表3中的500ms改为250ms,设计程序，重做步骤2-步骤8。
10.如果改为10个数码管，2个单独的数码管仅做符号显示，2个四位1组的数码管各显示3位整数1位小数，每0.1秒进行一次加法计数和减法计数，实验一表3中扫描周期500ms改成50ms，又如何改造程序？
11.完成老师额外的要求。
六、实验报告
1.写出定量计算时间常数的方法，列写实验一表3的实验数据。
2.列写实验一表4的实验数据，没有闪烁感的最大扫描显示周期是多少？
3.贴上手机照片打印图2张，分析每幅照片通信数据帧格式。
4.绘图说明扫描显示规律。
5.画出主程序框图和定时中断服务程序框图。
七、预习要求
1.复习定时器、异步通信及中断有关知识；
2.复习扫描显示的有关软、硬件有关知识；
3.预习实验内容，看懂线路和参考程序。
4.按照控制盒的硬件原理图（重点参考原理图1-2和1-5）编写步骤9、步骤10和步骤11的程序，尤其注意单片机外接的晶体是24MHz。
八、参考程序
//SW1～SW8连P1^0～P1^7，ON位逻辑0，OFF为逻辑1
//SW3SW2SW1:
000=5ms;001=22ms;010=23ms;011=24ms;100=25ms;101=26ms;110=27ms;111=500ms
#include
#include
#defineucharunsignedchar//无符号字符型变量新表示方法定义
#defineuintunsignedint//无符号整型变量新表示方法定义
#defineDisplaydataXBYTE[0x7FFF]//数码管段码锁存器端口地址
#defineDisplaybitXBYTE[0xBFFF]//数码管位码锁存器端口地址
bitnew_cycle_flag=0;//有新采样数据位标志定义（1是有新数据）
chardispbuf[8];//显示缓冲区字符型数组定义
intAx_r1,Ax_m1,Ax;//给定量角度、反馈量角度整数定义
ucharM=0;//扫描显示位计数变量定义
ucharcounter_ms_s;//1秒中断次数计数器
ucharcodetHtab[8]={0xfd,0xfd,0xfd,0xfd,0xfd,0xfd,0xfd
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