单片机综合实验

通信工程学院自动化系主讲人：李新波生产实习单片机实践一、工业控制简介、需求及解决办法二、步进电机的单片机控制方法三、计算机控制系统中的恒温箱控制方法四、实验说明一、工业控制简介、需求及解决办法工业控制的目的从专业上讲:就是工业生产中的各种参数为控制目的，实现各种过程控制。从社会学上来讲:在整个工业生产中,尽量减少人力的操作,而能充分利用动物以外的能源与各种资讯来进行生产工作,即称为工业自动化生产,而使工业能进行自动生产之过程称为工业自动化。工业控制的任务1.运动控制--对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行控制。基本架构组成包括：一个运动控制器用以生成轨迹点（期望输出）和闭合位置反馈环。一个驱动或放大器用以将来自运动控制器的控制信号（通常是速度或扭矩信号）转换为更高功率的电流或电压信号。一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机或电机用以输出运动。一个反馈传感器如光电编码器、旋转变压器或霍尔效应设备等用以反馈执行器的位置到位置控制器，以实现和位置控制环的闭合。工业控制的任务2.过程控制--指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。组成结构如下图：工业控制的任务1.检测（模拟量输入）-->AD转换2.检测（开关量输入）-->数字量输入（DI，需隔离）3.控制（动态模拟量输出）-->DA转换4.控制（开关量输出）-->数字量输出（DO，继电器驱动、步进电机驱动等）工业控制的主要实现方案1.工业计算机+板卡（AD、DA、DI、DO、运动控制卡等）+各种传感器+执行器；2.PLC（自带AD、DA、DI、DO模块）+传感器+执行器；3.自动调节仪表（自带AD、DA、DI、DO接口）+传感器+执行器；4.专用控制仪表（应具备AD、DA、DI隔离、DO驱动、逻辑控制等功能）+传感器+执行器。

由微处理器实现。二、电机的单片机驱动及控制方法直流电机的结构定子（静止部分）：产生磁场和作为电机的机械支撑。包括：主磁极、换向极、机座、电刷装置。转子或电枢（转动部分）：产生感应电动势和电磁转矩，实现能量转换。包括：电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇等。直流电机的工作原理直流电机的驱动方案可关断晶闸管（ＧＴＯ）：用于大功率和超大功率领域功率晶体管（ＧＴＲ）和绝缘栅极双晶体管（ＩＧＢＴ）：用于大、中功率领域功率场效应管（ＭＯＳＦＥＴ）：用于中、小功率领域集成驱动芯片：L298驱动电路：单管、半桥、全桥经典H桥原理常见H桥驱动电路步进电机步进电机是一种可以替代位置伺服系统的低成本驱动方案，是一种特殊的直流电机。步进电机的主要优势在于它们无需位置反馈就能实现精确的位置控制，从而大大降低了位置控制系统的成本。伺服系统固有的“零跟踪”误差易于连接到数字控制器固有的高扭矩/位置增益，可实现优异的保持扭矩即使未通电，电机也能提供有限的保持扭矩热量由定子产生，因此易于散热同步运行可实现精确的开环速度控制2023/1/14吉林大学通信工程学院Page17步进电机的工作原理2023/1/14吉林大学通信工程学院Page181）不通电状态2023/1/14吉林大学通信工程学院Page192）单四拍工作状态2023/1/14吉林大学通信工程学院Page203）双四拍工作状态2023/1/14吉林大学通信工程学院Page214）单、双八拍工作方式2023/1/14吉林大学通信工程学院Page22步进电机的单片机驱动电路2023/1/14吉林大学通信工程学院Page23八位达林顿管驱动电路ULN2803、ULN28042023/1/14吉林大学通信工程学院Page24三、计算机控制系统中的恒温箱控制办法2023/1/14吉林大学通信工程学院Page261、ADC08092023/1/14吉林大学通信工程学院Page27ADC0809的逻辑结构2023/1/14吉林大学通信工程学院Page28系统总线2023/1/14吉林大学通信工程学院Page29构造系统总线2023/1/14吉林大学通信工程学院Page30MCS-51与ADC0809的接口2023/1/14吉林大学通信工程学院Page312、执行器—固态继电器固态继电器（SolidStateRelay,缩写SSR）是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。优点：（1）高寿命，高可靠：固态继电器没有机械零部件，由固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。（3）快速转换：固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微秒。（4）电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。2023/1/14吉林大学通信工程学院Page32固态继电器（恒温）的控制方法1.PWM信号以一定频率驱动固态继电器，为1时继电器输出导通，电热丝得220V市电；为0时电热丝不加热。2.改变PWM信号的占空比，可动态调整电热丝的加热效果。2023/1/14吉林大学通信工程学院Page333.控制器—51单片机主要任务：AD采样–需并行总线完成对AD0809操作；离散PID计算–内部运算得到输出占空比，PID参数需整定；占空比输出控制–单片机内部定时器操作，定时器中断中完成输出操作。

其他还可完成的任务：驱动1602显示AD采样值、计算得到的占空比数值；将AD采样值通过串口发送至电脑，可形成曲线，用于参数整定。四、实验说明2023/1/14吉林大学通信工程学院Page35板上提供资源最小系统SST89E58RD晶振、复位电路2023/1/14吉林大学通信工程学院Page362023/1/14吉林大学通信工程学院Page372023/1/14吉林大学通信工程学院Page38板上提供的硬件资源2023/1/14吉林大学通信工程学院Page39模数转换单元2023/1/14吉林大学通信工程学院Page40驱动单元2023/1/14吉林大学通信工程学院Page41实验一步进电机驱动实验连线：将P1.2P1.3P1.4P1.5接入到驱动器的ABCD上；将驱动器的A`B`C`D`接入到步进点击单元的ABCD上扩展：调速；编写并测试“双四拍”以及“单双八拍”2023/1/14吉林大学通信工程学院Page42实验二直流电机驱动实验连线：将P1.7接入到直流电机单元的MT-上；将霍尔元件的输入口H-OUT接到驱动单元上扩展：调速；2023/1/14吉林大学通信工程学院Page43实验三1602显示实验连线：将138译码器的Y3端接入到LCD模块的CS端；用跳线帽或杜邦线将LCD模块的+5V插孔和BG+短接；将1602正确插入。扩展：编写程序显示学号姓名；2023/1/14吉林大学通信工程学院Page44实验四ADC0809实验连线：将138译码器的Y4端接入到AD转换模块的CS端；将LCD模块的第三个插孔接入到AD模块的IN7通道；将PA口的四个端口接入到驱动模块。五、其他说明2023/1/14吉林大学通信工程学院Page461、C51中的绝对地址访问（1）使用C51运行库中预定义宏

C51编译器提供了一组宏定义来对51系列单片机的code、data、pdata和xdata空间进行绝对寻址。规定只能以无符号数方式访问，定义了8个宏定义，其函数原型如下：#defineCBYTE((unsignedcharvolatile*)0x50000L)#defineDBYTE((unsignedcharvolatile*)0x40000L)#definePBYTE((unsignedcharvolatile*)0x30000L)#defineXBYTE((unsignedcharvolatile*)0x20000L)#defineCWORD((unsignedintvolatile*)0x50000L)#defineDWORD((unsignedintvolatile*)0x40000L)#definePWORD((unsignedintvolatile*)0x30000L)#defineXWORD((unsignedintvolatile*)0x20000L)2023/1/14吉林大学通信工程学院Page47宏名含义CBYTE以字节形式对code区寻址DBYTE以字节形式对data区寻址PBYTE以字节形式对pdata区寻址XBYTE以字节形式对xdata区寻址CWORD以字形式对code区寻址DWORD以字形式对data区寻址PWORD以字形式对pdata区寻址XWORD以字形式对xdata区寻址这些函数原型放在absacc.h文件中。使用时须用预处理命令把该头文件包含到文件中，形式为：#include<absacc.h>。2023/1/14吉林大学通信工程学院Page48例：#include<absacc.h>/*将绝对地址头文件包含在文件中*/#include<reg52.h>/*将寄存器头文件包含在文件中*/voidmain(void){unsignedcharvar1;unsignedintvar2;var1=XBYTE[0x0005];/*XBYTE[0x0005]访问片外RAM的0005字节单元*/var2=XWORD[0x0002];/*XWORD[0x0002]访问片外RAM的000字单元*/while(1);}2023/1/14吉林大学通信工程学院Page49（2）C51扩展关键字_at_使用_at_对指定的存储器空间的绝对地址进行访问，格式如下：

[存储器类型]

数据类型说明符

变量名

_at_

地址常数；其中：存储器类型为data、bdata、idata、pdata等C51能识别的数据类型，如省略则按存储模式规定的默认存储器类型确定变量的存储器区域；数据类型为C51支持的数据类型。地址常数用于指定变量的绝对地址，必须位于有效的存储器空间之内；强调：使用_at_定义的变量必须为全局变量。2023/1/14吉林大学通信工程学院Page50【例】通过_at_实现绝对地址的访问。voidmain(void){

dataunsignedcharx1_at_0x40;/*在data区中定义字节变量x1,它的地址为40H*/

xdataunsignedcharx2_at_0x2000;/*在xdata区中定义字变量x2,它的地址为2000H*/

x1=0xff;

x2=0x12;

while(1);}2023/1/14吉林大学通信工程学院Page512、LCD显示模块16022行×16列2023/1/14吉林大学通信工程学院Page52

12345678910111213141516VSSVDDVORSR/WEDB0DB1ADB3DB2DB5DB4DB7DB6KLCD模块Vss:地管脚(GND)VDD:+5V电源管脚(Vcc)Vo:

液晶显示驱动电源(0V～5V)2023/1/14吉林大学通信工程学院Page53

12345678910111213141516VSSVDDVORSR/WEDB0DB1ADB3DB2DB5DB4DB7DB6KLCD模块DB0～DB7：数据线，可以用8位连接，也可以只用高4位连接，节约单片机资源，本实验中采用的是八位连接方法。2023/1/14吉林大学通信工程学院Page54

12345678910111213141516VSSVDDVORSR/WEDB0DB1ADB3DB2DB5DB4DB7DB6KLCD模块A：背光控制正电源K：背光控制地2023/1/14吉林大学通信工程学院Page55

12345678910111213141516VSSVDDVORSR/WEDB0DB1ADB3DB2DB5DB4DB7DB6KLCD模块单片机与LCD模块之间有四种基本操作：

写命令 读状态 写显示数据 读显示数据2023/1/14吉林大学通信工程学院Page561602的命令字指令名称控制信号控制代码RSRWD7D6D5D4D3D2D1D0清屏0000000001归home位000000001*输入方式设置00000001I/DS显示状态设置0000001DCB光标画面滚动000001S/CR/**功能设置00001DNF**CGRAM地址设置0001A5A4A3A2A1A0DDRAM地址设置001A6A5A4A3A2A1A0读BF和AC01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0写数据10数据读数据11数据2023/1/14吉林大学通信工程学院Page57指令名称控制信号控制代码RSRWD7D6D5D4D3D2D1D0清屏0000000001归home位000000001*输入方式设置00000001I/DS显示状态设置0000001DCB光标画面滚动000001S/CR/**功能设置00001DNF**CGRAM地址设置0001A5A4A3A2A1A0DDRAM地址设置001A6A5A4A3A2A1A0读BF和AC01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0写数据10数据读数据11数据设光标移动方向并指定整体显示是否移动。I/D=1：增量方式I/D=0：减量方式S=1：移位S=0：不移位00000110——06H设整体显示开关（D），光标显示开关（C），光标位的字符闪耀（B）D=1;C=0;B=000001100——0cH2023/1/14吉林大学通信工程学院Page58指令名称控制信号控制代码RSRWD7D6D5D4D3D2D1D0清屏0000000001归home位000000001*输入方式设置00000001I/DS显示开关控制0000001DCB光标画面滚动000001S/CR/**功能设置00001DNF**CGRAM地址设置0001A5A4A3A2A1A0DDRAM地址设置001A6A5A4A3A2A1A0读BF和AC01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0写数据10数据读数据11数据设置DDRAM地址，为显示定位2023/1/14吉林大学通信工程学院Page59row12345……141516line100H01H02H03H04H……0dH0eH0fHline240H41H42H43H44H……4dH4eH4fH≈≈≈≈NOTICE≈≈≈≈光标定位，写入一个显示字符后，DDRAM地址会自动加1或减1，加或减由输入方式字设置；第1行DDRAM地址与第2行DDRAM地址并不连续。80H81H82H83H84H8dH8eH8fH0c0H0c1H0c2H0c3H0c4H0cdH0ceH0cfH2023/1/14吉林大学通信工程学院Page60显示数据对于常用数字、字母等显示数据为其ASCII码2023/1/14吉林大学通信工程学院Page61初始化LCD上电延时20ms功能设置延时37us显示状态设置延时37us清屏延时1.52ms输入方式设置初始化结束38h0ch01h06h2023/1/14吉林大学通信工程学院Page623、MCS-51定时器/计数器MCS-51定时器/计数器的逻辑结构2023/1/14吉林大学通信工程学院Page63定时/计数器的工作方式寄存器（TMOD，89H）GATEM0C/TM1M0GATEC/TM1D0D1D2D3D4D5D6D7定时/计数器工作方式定时器和计数器模式选择门控位定时/计数器T0定时/计数器T1定时/计数器工作方式定时器和计数器模式选择门控位TMOD2023/1/14吉林大学通信工程学院Page64定时/计数器控制寄存器（TCON，88H）TF1TF0IE1TR1IT0IT1IE0TR0定时器/计数器1的溢出标志TCOND0D1D2D3D4D5D6D7定时器/计数器0的起停控制位定时器/计数器1的起停控制位定时器/计数器0的溢出标志

TR0=1启动定时/计数器T0TR0=0定时/计数器T0停止计数

TR1=1启动定时/计数器T1

TR1=0定时/计数器T1停止计数2023/1/14吉林大学通信工程学院Page65定时器/计数器的工作方式选择2023/1/14吉林大学通信工程学院Page66定时器/计数器的工作方式

方式0定时器／计数器T0工作方式0的逻辑结构计数器的低五位计数器的高八位TH0TL02023/1/14吉林大学通信工程学院Page67在方式0下，当为计数工作方式时，计数值的范围是：1～8192（213）；当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：（213一计数初值）×晶振周期×12或（213－计数初值）×机器周期。其时间单位分别与晶振周期或机器周期相同。2023/1/14吉林大学通信工程学院Page68方式1定时器／计数器T0工作方式1的逻辑结构2023/1/14吉林大学通信工程学院Page69在方式1下，当为计数工作方式时，计数值的范围是：1～65536（216）；当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：（216一计数初值）×晶振周期×12或（216－计数初值）×机器周期。其时间单位分别与晶振周期或机器周期相同。2023/1/14吉林大学通信工程学院Page70方式2定时器／计数器0在工作方式2的逻辑结构2023/1/14吉林大学通信工程学院Page71在方式1下，当为计数工作方式时，计数值的范围是：1～256（28）；当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：（28一计数初值）×晶振周期×12或（28－计数初值）×机器周期。其时间单位分别与晶振周期或机器周期相同。2023/1/14吉林大学通信工程学院Page72方式32023/1/14吉林大学通信工程学院Pag