微机控制课设

目录一．课题背景 (2)二．系统总体控制方案设计 (2)（1）确定控制任务 (2)（2）分配及协调软件和硬件的功能 (2)三．控制算法的设计 (3)四．硬件设计 (4)（1）初步设计系统构架 (4)（2）器件选取，电路分析及选择。

(5)五．软件设计 (8)（1）．软件设计流程图 (8)（2）.详细源程序 (10)六．调试和仿真 (16)七．课程设计总结 (18)八．参考文献 (18)一．课题背景近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统质检技术的日益更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，但仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构、软硬结合，来加以完善。

计算机在人们的日常生活中是比较常见的电子产品之一。

可是它还在发展之中，以后必将出现功能更强大的计算机，基于这样的理念，本次设计是用STC89S51单片机、LCD显示器、控制按键为元件来设计的计算器。

利用此设计熟悉单片机微控制器及C语言编程，对其片资源及各个I/O端口的功能和基本用途的了解。

掌握应用程序开发环境，常用的LCD显示器的使用方法和一般键盘的使用方法。

二．系统总体控制方案设计（1）确定控制任务在本次的项目设计中，主要完成如下的设计任务：1.简要阐述单片机技术发展的国内外现状及LCD动态显示和矩阵键盘基本原理；2.掌握51单片机系列某种产品的最小电路及外围扩展电路的设计方法；3.了解单片机数据转换及工作过程；4.完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定；5.用软件完成原理电路图的绘制；（2）分配及协调软件和硬件的功能计算器一般由运算器、控制器、存储器、键盘、显示器、电源和一些可选外围设备及电子配件通过人工货机器设备组成。

低档计算器的运算器、控制器由数字逻辑电路实现简单的串行运算，其随机存储器只有一、二个单元，供累加存储用。

高档的计算器由微处理器和只读存储器实现各种复杂的运算程序，有较多的随机存储单元以存放输入的程序和数据。

键盘是计算器的输入部件，一般采用接触式或传感式。

为减小计算器的尺寸，一键常有多种显示功能。

显示器是计算器的输出部件，有发光二极管显示器和液晶显示器等。

除显示计算结果外，还常有溢出指示、错误指示等。

计算器电源采用交流转换器或电池等，计算器都采用CMOS工艺制作的大规模集成电路，并在内部装有定时不操作自动断电的电路。

计算器可选用的外围设备有微型打印机等。

在计算器的设计上我们主要的编程软件是Keil，硬件方面我们主要用的是AT89C52单片机，矩阵键盘和LCD液晶显示屏。

我们在Keil上面编写好程序，再用单片机作为运算器矩阵键盘输入数据通过单片机的处理在LCD显示屏上显示出来处理的结果。

从而实现简单的计算器的功能。

为了设计方便我们的硬件主要由Proteus实现。

KEIL软件介绍：Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。

目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。

ABS文件由OH51转换成标准的Hex 文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。

通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。

硬件仿真Proteus简介：Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。

它运行于Windows 操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

②支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

③提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。

④具有强大的原理图绘制功能。

Proteus能很好的对硬件电路进行仿真测试，采用Proteus 仿真软件进行虚拟单片机实验，具有比较明显的优势，涉及到的实验实习内容全面、硬件投入少、实验过程中损耗小、与工程实践最为接近等。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

三．控制算法的设计PID控制算法的概念：在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

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u(t)=kp*e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt+ 式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]其中kp 为比例系数； TI 为积分时间常数； TD 为微分时间常数PID 控制算法原理图上图中signal constaint 是非线性优化模块。

原始值设置KP=0.5,Ki=0.05,Kd=2,经过非线性优化模块的优化后的值为Kp=1.000,Ki=2.500,Kd=1.500。

仿真波形为四．硬件设计（1）初步设计系统构架在Altium Designer 软件下建立的电路原理图。

（2）器件选取，电路分析及选择。

AT89C52 ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机．片内含8K byTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 byTES 。

的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052 产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU ）和FLASH由存储单元，功能强大AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。

与Mcs-51产品指令和引脚完全兼容。

8字节可重擦写FLASH闪速存储器，1000 次擦写周期全静态操作：0HZ-24MHZ三级加密程序存储器256X8字节内部RAM32个可编程I/0口线3个16 位定时／计数器8个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式。

AT89C52的内部结构图：功能特性：AT89C52 提供以下标准功能：8字节FLASH闪速存储器，256字竹内部RAM , 32个I/O 口线，3个16 位定时／计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89c52可降至OHz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。

空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时／计数器．串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

时钟和复位电路模块：时钟采用外部晶振，频率为11.0592MHz显示模块：1602 液晶的控制管脚都接到了单片机管脚上，在功能设置指令中可以将液晶设为8 位数据接口和4 位数据接口，液晶电源正端接5V，负端接地，背光正端接5V，负端接地。

此外，液晶的偏压管脚（VO）接到一个电位器的中间抽头，电位器的两端分别接5V 和地，这样就可通过调节电位器来实现对1602 液晶对比度的调节。

经实验测试，笔者手里的1602 液晶的偏压管脚的电压调节到0.3~0.4V 时对比度效果最好，也可以将该管脚通过一个1k 的电阻下拉到地。

键盘输入模块：键盘是单片机系统中最常用的人机对话输入设备，用户通过按键向单片机输入指令和数据。

键盘控制程序需完成的任务有：检查是否有按键按下，有键按下时，如无硬件去抖动电路时，应用软件延时方法消除按键抖动；当有多个按键按下时，只响应一个按键，不管持续多长时间，仅执行一次按键功能程序。

五．软件设计（1）．软件设计流程图总流程图：N（2）.详细源程序#include"reg52.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs=P2^2;sbit en=P2^3;uchar code table[]="0123456789/*-c=+";uchar temp,num,flag_key=0,flag1=0,j,flag,fhao=0;uchar clean_flag=0;uint num1,num2,num3,a[20],b[4];delay(uint z) //延时函数{uint x,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}write_com(uchar com) //液晶写指令函数{rs=0;P0=com;delay(5);en=1;delay(5);en=0;}write_data(uchar dat) //液晶写数据函数{rs=1;P0=dat;delay(5);en=1;delay(5);en=0;}void init() //液晶初始化函数{en=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(1);write_com(0x80);}uchar keyscan() //键盘检测函数{P3=0xfe;temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay(5);temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P3;switch(temp){case 0xee:num=7; flag_key=1;break;case 0xde:num=8; flag_key=1;break;case 0xbe:num=9; flag_key=1;break;case 0x7e:num=10;flag_key=1; // 为除break;}while(temp!=0xf0){temp=P3;temp=temp&0xf0;}}}P3=0xfd;temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay(5);temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P3;switch(temp){case 0xed:num=4; flag_key=1;break;case 0xdd:num=5;flag_key=1;break;case 0xbd:num=6; flag_key=1;break;case 0x7d:num=11; flag_key=1;break;}while(temp!=0xf0){temp=P3;temp=temp&0xf0;}}}P3=0xfb;temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay(5);temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P3;switch(temp){case 0xeb:num=1; flag_key=1;break;case 0xdb:num=2;flag_key=1;break;case 0xbb:num=3; flag_key=1;break;case 0x7b:num=12;flag_key=1;break;}while(temp!=0xf0){temp=P3;temp=temp&0xf0;}}}P3=0xf7;temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay(5);temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P3;switch(temp){case 0xe7:num=13; flag_key=1;break;case 0xd7:num=0; flag_key=1;break;case 0xb7:num=14; flag_key=1;break;case 0x77:num=15; flag_key=1;break;}while(temp!=0xf0){temp=P3;temp=temp&0xf0;}}}return num; // 返回键盘所得的全局变量num }void clear() //当按键为C时，清除液晶上的显示并清除以前的数{flag_key=0;j=0;write_com(1); //给液晶发送清屏指令flag=0;flag1=0;num1=0;num2=0;}void disp() //数据的显示函数{uchar i,bai,shi,ge,qian,wan,k;if(flag_key==1){a[j]=num;j++;for(i=0;i<j;i++){write_com(0x80+i);write_data(table[a[i]]);} //前面为在液晶上显示键盘上输入的数字和运算符if(flag1==1) //进行运算结果数的分离{wan=(num3%100000)/10000; b[4]=wan;qian=(num3%10000)/1000;b[3]=qian;bai=((num3)%1000)/100;b[2]=bai;shi=((num3)%100)/10;b[1]=shi;ge=(num3)%10;b[0]=ge;if(wan!=0) k=4;elseif(qian!=0) k=3; //取出所得的数有几位，确定循环时的次数elseif(bai!=0) k=2;elseif(shi!=0) k=1;elsek=0;i=0;for(k;k>=0;k--){if(fhao==1) //根据符号标志位选择是否输出负号{write_com(0x80+0x40+i);write_data('-');i++;fhao=0;}write_com(0x80+0x40+i);i++;write_data(table[b[k]]);if(k==0) break;}}}}void main() //主函数{uchar ff;init();while(1){keyscan();if(clean_flag){while(num != 13)keyscan();clean_flag=0;}if(flag_key==1) //判断键盘是否有键按下{if(num>=0&&num<10) //判断所得的键值是数字还是负号{if(flag==0) num1=(num1*10)+num;if(flag==1) num2=(num2*10)+num;}elseif(num!=13&&num!=14) {ff=num;flag=1; }else{ if(num==13) clear();elseflag1=1;flag=0;switch(ff) //判断对相应的符号进行计算{case 10:num3=num1/num2;clean_flag=1;break;case 11:num3=num1*num2;clean_flag=1;break;case 12:if(num1>=num2){num3=num1-num2;clean_flag=1;} //判断相减结果的正负else{num3=num2-num1;clean_flag=1;fhao=1; }break;case 15:num3=num1+num2;clean_flag=1; break;}}}disp();flag_key=0;}}六．调试和仿真硬件调试：常见故障：1．逻辑错误：它是由设计错误或加工过程中的工艺错误所造成的，这类错误包括错线，开路，短路等。