西安交大微机控制系统与应用作业

微机控制系统与应用课程作业姓名：班级：学号：微机控制系统与应用课程作业目录1 引言 (2)2 作业要求 (2)3 系统设计 (3)3.1 8051单片机 (4)3.2 物理按键 (4)3.3 晶振电路 (4)3.4 模拟信号的采集 (5)3.5 脉冲信号的采集 (5)3.6 步进电机 (5)3.7 LED显示特殊采样 (6)4 系统实现 (6)4.1 键盘启动和停止程序的实现 (6)4.2 设计A/D转换误差 (7)4.3 模拟信号采集 (7)4.4 采用数字滤波器滤除过程噪声 (8)4.5 LED显示特殊采样值 (8)4.6 步进电机驱动 (9)5 硬件逻辑连接图 (10)6 程序清单 (12)西安交通大学21 引言自动控制在现代化的进程中有着极其重要和广泛的应用。

自动控制技术的应用减轻了 人的劳动强度，提高生产效率，改进了产品的质量，改善了工作环境，减少了能量的损耗。

特别是20世纪80年代以来，控制理论的进一步发展和计算机在控制系统中的应用，使自动控制取得了辉煌成就。

单片机的应用，使嵌入式自动控制系统成为一种新的形势，大大扩大了自动控制的应用领域，使自动控制成为无处不在的一种技术。

单片机具有低廉的价格、强大的性能、快速的反应、广泛的用途以及可靠性高等优点受到了人们的欢迎，它可以被灵活的嵌入到其它的系统当中来控制系统的运行，尤其适合于实时控制。

纵观当今的家庭生活，工业生产，处处离不开单片机。

本次课程作业，要实现一个基于51单片机的模拟量的采集、转换、显示系统，并控制一个步进电机。

2 作业要求KeyboardHz200~1微机控制系统与应用课程作业1）程序由键盘功能键0启动，由功能键1停止2）以T0为采样周期对模拟信号源进行采样（模拟信号源为标准工业电压-5v～+5v）3）A/D转换的误差小于0.02v，频率计量精度优于1‰.4）用数字滤波器滤除模拟过程噪声5）驱动一台步进电机，请选用驱动器，设计接口电路并编程实现正反转；6）用LED显示特殊采样值，对模拟量是电压值，对于脉冲量是频率值，并且小数点后保留两位有效值，设计串口通讯协议并从串口输出数据。

7）给出总体设计方案（说明各部分功能）8）画出硬件逻辑连接图3 系统设计结合题目要求，得出系统的框架图如图所示：西安交通大学各部分说明如下：3.18051单片机由于单片机体积小，重量轻，可靠性高，控制能力强，系统扩展灵活，加之价格便宜，现已广泛应用于仪器仪表、智能电器、专用设备、工业测量控制和过程控制等各个方面。

本次选用8051单片机的结构特点有：1）一个8位CPU；2）一个片内振荡器及时钟电路；3）4KB的片内ROM区，有128B的片内RAM区及21个特殊功能寄存器区；4）可扩充外部存储器，其寻址范围ROM、RAM各有64KB；5）两个16位计数/定时器；6）有4个八位并行I/O，最多可用作32条可编程I/O端线；7）一个可编程全双工串行口；8）5个中断源，可设置成两个优先级；9）具有很强的位处理器功能。

3.2物理按键设置功能键0，1和2，分别将信号引到P1.3，P1.4和P1.2口，经过程序处理，程序将由键盘功能键0启动，由功能键1停止。

功能键2控制步进电机转动方向。

3.3晶振电路时钟系统在整个系统中起着重要作用，目前所有的微控制器均为时序电路，只有在一个准确的时钟信号作用下整个系统才能稳定准确的工作，在此次设计的系统中，对于8051单片机需要提供一个时钟电路，这样整个系统才能工作。

为了使串口通信波特率更精确，系统时钟使用外部22.1184MHz晶振。

4微机控制系统与应用课程作业3.4模拟信号的采集单片机对模拟信号的采集和控制一般需要放大、滤波、采样、保持、A/D转换等环节。

由于本设计采集的模拟信号源为标准工业电压-5v~+5v，所以不需要放大环节。

滤波部分根据要求采用数字滤波。

3.5脉冲信号的采集测量脉冲的周期可以转化为测量其宽度。

测量脉冲宽度可以采用门空位配合的情况下来实现。

以T1为例，门空位GATE1可以使定时器/计数器T1的启动计数受INT1的控制。

当GATE1=1，TR1=1时，只有当INT1=1时，T1才被允许计数。

利用这个功能，可以对INT1引脚上的正脉冲宽度进行测量，进而求出脉冲的频率。

3.6步进电机步进电动机是把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的特种电机。

在自动控制装置中作为执行元件。

每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，所以又称脉冲电动机、数字电动机。

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

它是数模转换器的一种形式，比其他数模转换执行机构更经济。

因此，步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。

步进电动机的重要优点是不需要反馈装置便能提供非常精确的机械位置，因此在各类开环数字式控制系统中得到广泛应用。

驱动步进电动机的脉冲需要由一定的专用驱动电路产生。

该电路需要将单片机产生的低电压信号转换成能够驱动步进电动机转动的高电压信号，并按照一定的次序施加在电动机绕组上。

西安交通大学63.7 LED 显示特殊采样把采集到的模拟信号和脉冲信号转化为数字量后，通过一定的程序处理输出到LED 上显示。

要求显示特殊采样值，对模拟量输出电压值，对脉冲量输出频率值，并且小数点后保留两位有效数字。

4 系统实现4.1 键盘启动和停止程序的实现在本系统中键盘的功能是实现程序启动与停止，其程序流程图如图所示，当启动按键按下时，先进行按键确认，确认按下启动键，则程序转到、到系统主运行程序，每执行完一个周期的主程序，判断一次程序停止按键是否按下，当确认按下停止键后，程序停止执行，返回判断程序启动键是否按下，若确定按下则重新启动信号采集显示程序。

图1键处理程序流程图微机控制系统与应用课程作业4.2设计A/D转换误差在A/D转化过程中，由于存在量化误差和系统误差，精度会有所损失。

其中量化误差对于精度的影响是可计算的，它主要决定于A/D转换器件的位数。

A/D器件的位数越高，分辨率越高，量化误差越小，能达到的精度越高。

本系统采用了截断误差表示。

根据要求A/D转换的误差小于0.02V，又因为模拟信号源为标准工业电压0～5V，所以有：q=(Vmax-Vmin)/(2n-1)=(5-0)/(2n-1)< 0.02可以得到n可取整数为8，所以本设计选用了8位的DAC0809A/D转化器。

4.3模拟信号采集本系统中采用的采样/保持器型号是LF398，它是在输入逻辑电平控制下，交替工作在“采样”或“保持”状态的电路。

在采样状态时，电路的输出跟踪输入信号；在保持状态时，电路的输出保持上次采样结束时的输入信号的电平。

本设计的A/D转换器采用ADC0809，选定采集模拟信号的器件后，为实现对各部分的控制，可以绘出模拟信号采集的程序流程图如图所示。

图 2模拟信号采集程序流程图西安交通大学84.4 采用数字滤波器滤除过程噪声过去常用模拟滤波电路实现滤波，模拟滤波的技术较为成熟，但是模拟滤波电路复杂，不仅增加了设计成本，而且还增加系统的功耗，降低了系统可靠性。

随着电子技术的发展，现在很多的场合都应用数字滤波技术。

数字滤波是一种程序滤波，通过程序运算对采样信号进行平滑处理，消除或减少噪声的影响。

与模拟滤波器比较，数字滤波具有以下优点：（1）不需要增加硬件设备，且多通道可用一个滤波程序。

（2）无阻抗匹配问题，可靠性高。

（3）可以对极低频率（0.01Hz ）的干扰信号进行滤波。

（4）滤波器的参数调整方便灵活。

由于中值滤波对于滤除变化缓慢信号中的脉冲干扰效果较好，而本系统采用的模拟信号源信号变化也较缓慢，所以本系统对模拟信号连续5次采样信号采用中值滤波法进行过程噪声滤波处理。

其程序流程如图所示。

图 3中值滤波程序流程图4.5 LED 显示特殊采样值本系统是把采集的模拟电压信号转化为数字量后，经过一定的处理输出到LED 上显示的，输出值就是模拟电压信号的实际电压值。

又由于采用微机控制系统与应用课程作业DAC0809A/D转换器的截断误差约为0.02V，所以能够满足小数点后保留两位有效值以及显示特殊采样值0V、2.5V、5V的要求。

串行口扩展的显示器接口工作原理是串行口用于扩展键显示器接口时，工作于方式0（输出方式），此时，它相当于一个移位寄存器，通过RXD引脚输出串行数据，移位脉冲由TXD提供。

每输出一帧数据，8051的硬件便自动使串行口控制寄存器SCON中的中断标志位TI置位，CPU 通过测试TI的状态，就可确定一个字节是否发送完毕。

信号显示模块由两个与门、三个74LS164芯片以及三个LED数码管组成，1#、2#、3#74LS164作为显示扩展接口，外接三位LED显示器，其中1#的Q7与2#的DSA、DSB端相接，2#的Q7与3#的DSA、DSB端相接。

软件设计思想是：先送出的数显示在右边的一位，后送出的数显示在左边的一位。

根据上述原理，信号LED显示程序流程图如图所示。

图 4 LED显示程序流程图4.6步进电机驱动步进电动机的重要优点是不需要反馈装置便能提供非常精确的机械位置，因此在各类开环数字式控制系统中得到广泛应用。

驱动步进电动机的脉冲需要由一定的专用驱动电路产生。

该电路需要将单片机产生的低电压信号转换成能够驱动步进电动机转动的高电压信号，并按照一定的次序施加在电动机绕组上。

本系统步进电机工作方式为四相八拍，使用ULN2803驱动器进行控制，可实现电机正反转。

5 硬件逻辑连接图10功能键设置晶振电路手动复位电路模拟信号源信号采集模块信号显示模块6 程序清单ORG 0000H ;程序入口地址ACALL MAIN1 ;程序启动程序入口AJMP MAIN2 ;信号采集程序入口ORG 0003H ;外部中断0中断入口地址AJMP INT0 ;INT0中断响应程序入口ACALL MAIN3 ;信号处理程序入口ACALL MAIN4 ;信号显示程序入口ACALL MAIN5 ;步进电机正反转控制程序入口ORG 001BH ;电机中断入口地址AJMP INT1 ;INT1中断响应程序入口ACALL MAIN6 ;信号刷新时间(1s刷新一次)程序入口ACALL MAIN7 ;程序停止程序入口12ORG 0030H ;主程序入口地址MAIN1: MOV C,P1.3 ;检查程序启动键KEY0是否按下JC MAIN1 ;启动程序键未按下ACALL D10ms ;有键按下，延时去抖动MOV C,P1.3 ;再次检查程序启动键KEY0是否按下JC MAIN1 ;启动程序键未按下RETMAIN2: MOV DPTR, #0FEF8H ; P2.0=0，且指向IN0MOV R0,#30H ;置数据区首址MOV R5,#04H ;置采集数据个数SETB IT0 ;设置INT0下降沿触发中断SETB EX0 ;开中断SETB EAMOVX ＠DPTR, A ;启动A/DSJMP $ ;等待中断INT0：MOVX A, ＠DPTR ;读转换结果MOV ＠R0, A ;存放数据INC R0 ;指向下一个存储单元DJNZ R5, NEXT ;采集未完继续CLR EX0 ;采集完，关中断RETI ;中断返回NEXT: M OVX ＠DPTR, A ;再次启动A/DRETI ;中断返回MAIN3: MOV R3,#04H ;置外循环次数SORT: MOV R4,#04H ;置内循环次数LOOP: MOV A,@R0 ;相邻数据比较，A中存本次比较的低字节内容INC R0 ;R0指向本次比较的高地址单元CLR CSUBB A,@R0 ;A中为差JC DONE ;如果(R0-1)<(R0),进行下次比较MOV A,@R0 ;否则交换(R0-1)和(R0)，A中存高字节内容DEC R0 ;R0指向低地址单元XCH A,@R0 ;高字节内容入低地址单元，低字节内容入AINC R0 ;R0指向高地址单元MOV @R0,A ;低字节内容入高地址单元DONE: DJNZ R4,LOOP ;内循环次数减1DJNZ R3,SORT ;外循环次数减1MOV A,32H ;返回中间位置数据RETMAIN4: SETB P3.3 ;P3.3=1允许TXD脚同步移位脉冲输出MOV R2,#37H ;置数据区首址MOV R1,#02H ;置输出数据个数MOV B, #05H ;求个位数MUL AB ;A×B，A中的值即为个位数MOV @R2,A ;暂存个位数INC R2 ;R2指向高地址单元MOV A, B ;取余数MOV B, #0AH ;求十分位数MUL AB ;A×B，A中的值即为十分位数MOV @R2,A ;暂存十分位数INC R2 ;R2指向高地址单元MOV A, B ;取余数MOV B, #0AH ;求百分位数MUL AB ;A×B，A中的值即为百分位数14MOV @R2,A ;暂存百分位数DL1：M OV A,@R2 ;先后取百、十分位数和个位数MOV DPTR,#SEGTBL ;设置字模表指针MOVC A,@A+DPTR ;取显示字模MOV SBUF,A ;将段码送SBUFDL2: JNB TI,DL2 ;输出段码，查询TI状态，判断1个字节的段码输出完否？CLR TI ;1个字节的段码输出完,清TI标志DEC R2 ;R2指向低地址单元DJNZ R1,DL1 ;继续显示数据RETMAIN5: MOV R0,#0H ;给R0赋初值MOV DPTR,# SEGTBL1 ;指向通电数据表首地址MOV P1,#0FFH ;电机停止MOV TMOD,#10H ;设定定时器T1的初值MOV TH1,#0HMOV TL1,#0FFHMOV 25H,#0E0H ;转速调节系数MOV 24H,#01H ;转速调节系数SETB IT1SETB EAMOV R7,#5 ;设置电机转速MOV 20H,#0SJMP $ ;等待中断CONTRA1: ;转向按键检测JB P1.2,MAIN6 ;转向键未按下，继续执行；ACALL D10ms ;有键按下，延时去抖动JB P1.2,MAIN6 ;再次检查转向键是否按下；JNB P1.2,$ ;有键按下，等待中断CPL 01H ;转向控制字01H取反INT1：CLR TR1 ;定时器T1关闭MOV A,25HMOV B,R7MUL ABMOV 27H,APUSH BMOV A,24HMOV B,R7MUL ABPOP BADD A,B ；计算定时常数MOV TH1,AMOV TL1,27HSETB TR1 ；启动定时器T1MOV A R0MOVC A,@A+DPTR ；指向通电数据表，取数据MOV P1,A ；运行JB 01H, CONTRA2 ；01H=1？是跳转至逆时针旋转程序INC R0 ；顺时针运行CJNE R0,#08,RETI ；R0≠8，中断返回MOV R0,#0 ；R0=8，开始下一次循环RETICONTRA2: ;逆时针旋转程序DEC R0 ;R0减1CJNE R0,#0FFH,REIT ;若R0！= 0FFH，中断返回MOV R0,#7SEGTBL:DB 3FH,06H,5BH,4FH, ; 0,1,2,366H,6DH,7DH,07H ; 4,5,6,7167FH,6FH,77H,7CH ; 8,9,A,b39H,5EH,79H,71H ; c,d,E,FSEGTBL1:DB 0EFH 0CFH 0DFH 9FH 0BFH 3FH 7FH 6FHMAIN6: MOV R1,#64H ;延时100次10msDL3: ACALL D10ms ;延时10msDJNZ R1,DL3 ; 100×10ms=1sRETMAIN7: MOV C,P1.4 ;检查程序停止键KEY1是否按下JC MAIN1 ;停止程序键未按下ACALL D10ms ;有键按下，延时去抖动MOV C,P1.4 ;再次检查程序停止键KEY1是否按下CLR TR1 ;电机停止JC MAIN1 ;停止程序键未按下RETD10ms: MOV R6,#14H ;延时10ms子程序，DL: MOV R7, #F8H ;机器周期为1微秒DL0: DJNZ R7,DL0 ;248×2=496机器周期DJNZ R6,DL ;496+4=500机器周期RET ;500×20=10000机器周期。