微型计算机控制技术实验报告.doc

1.2信号的采样与保持实验目的1熟悉信号的采样和保持过程2学习和掌握香农 (采样) 定理3学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号实验设备PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51 系统板一块实验内容1编写程序，实现信号通过 A/D 转换器转换成数字量送到控制计算机，计算机再把数字量送到 D/A 转换器输出。2编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。实验原理1采样与保持（）香农 (采样) 定理：若对于一个具有有限频谱 (|W|Wmax)的连续信号 f (t)进行采样，当 采样频率满足 Ws2Wmax 时，则采样函数 f*(t) 能无失真地恢复到原来的连续信号 f(t)。 Wmax 为信号的最高频率，Ws 为采样频率。（）实验线路图：本实验中，我们将具体来验证香农定理。可设计如下的实验线路图，图中 画“o”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。图1.2-1中，用 P1.7 来模拟 1定时器的输出，通过“OUT1”排针引出，方波周期定时器时常2，“IRQ7”表示 51 的外部中断 1，用作采样中断。 这里，正弦波单元的“OUT”端输出周期性的正弦波信号，通过模数转换单元的“IN7”端输入,系统用定时器作为基准时钟 (初始化为 10ms)，定时采集“IN7”端的信号，转换结束 产生采样中断，在中断服务程序中读入转换完的数字量，送到数模转换单元，在“OUT1” 端输出相应的模拟信号。由于数模转换器有输出锁存能力，所以它具有零阶保持器的作用。采样周期 T= TK 10ms，TK 的范围为 01 FFH，通过修改 TK 就可以灵活地改变采样周期，后 面实验的采样周期设置也是如此。7.（）参考程序流程：基于上面的实验线路，可以设计如下的参考程序流程。（）直线插值法参考程序：/*文件名：ACC1-2-2.C功能描述：定时100ms采样，利用当前的采样值和上次的采样值进行直线差值，并送D/A输出*/#include #include /*宏定义*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ADC_7 XBYTE0x0600/定义模数转换IO地址#define DAC_1 XBYTE0x0640/定义D/A第一路的IO地/*全局变量定义*/sbit str = P17;uchar data ad10;/声明变量，用于存储转换结果uint data time;/声明变量，用于定时uchar data t0_h,t0_l;/用于存储定时器0的初值uchar TK;/声明采样周期变量uchar TC;/TK的变量uchar KK;/斜率变量char UK;/当前的D/A输出值char UK_1;/上一次的输出值/*主函数*/void main(void) TMOD = 0x01;time = 10;/定时1mst0_h = (65536-500*time)/256;/计算定时器0初值t0_l = (65536-500*time)%256;t0_l = t0_l+20;/修正因初值重装而引起的定时误差TH0 = t0_h;TL0 = t0_l;IT1 = 1;/边沿触发中断EX1 = 1;/开外部中断1ET0 = 1;/开定时中断0TR0 = 1;/启动定时器TK = 100;/采样周期TK10msTC = 1;DAC_1= 0x80;/D/A清零UK = 0;/变量清零UK_1 = 0;KK = 0;EA = 1;/开总中断while(1);/*函数名：INT1功能 ：1号外部中断服务程序 参数 ：无* 返回值：无 * */void int1() interrupt 2 using 2int i;uchar j;TC-;/判采样周期到否 if(TC=0) UK_1= UK; UK = ADC_7-128;/读取A/D转换结果 DAC_1=UK_1+128;/送D/A输出 TC=TK;/采样周期变量恢? KK=0; else KK+; i=(UK-UK_1)*KK; i=i/TK;/计算差值点 j= i + UK_1; DAC_1=j+128;/送D/A输出/*函数名：Timer0功能 ：定时器0中断服务程序参数 ：无 返回值：无 */void Timer0() interrupt 1 using 1str = !str;/产生A/D启动信号TH0 = t0_h;/重新装入初值TL0 = t0_l;2信号的还原(1) 实验原理： 从香农定理可知，对于信号的采集，只要选择恰当的采样周期，就不会失去信号的主要特征。在实际应用中，一般总是取实际采样频率 Ws 比 2Wmax 大，如：Ws10Wmax。但是如果采用插值法恢复信号，就可以降低对采样频率的要求，香农定理给出了采样频率的下 限，但是用不同的插值方法恢复信号需要的采样频率也不相同。直线插值法 (取 Ws5Wmax)。利用式 1.2 -1 在点 (X0,Y0) 和 (X1,Y1) 之间插入点 (X,Y)。Y = Y0 + K(X X0)1.2-1其中 ： x1-x0为采样间隔，y1-y0分别为x1和x0采样时刻的AD采样值。二次曲线插值法（取Ws3Wmax）。其中 ： ， （2）二次曲线插值法参考程序 ： /*文件名：ACC1-2-3.c功能描述：定时100ms采样，利用当前采样值和前两次的采样值进行二次曲线插值*/#include #include /*宏定义*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ADC_7 XBYTE0x0600/定义模数转换IO地址#define DAC_1 XBYTE0x0640/定义D/A第一路的IO地/*全局变量定义*/sbit str = P17;uchar data ad10;/声明变量，用于存储转换结果uint data time;/声明变量，用于定时uchar data t0_h,t0_l;/用于存储定时器0的初值uchar TK;/声明采样周期变量uchar TC;/TK的变量uchar KK;/斜率变量char UK;/当前的D/A输出值char UK_1;/上一次的输出值char UK_2;/上上一次的输出值/*主函数*/void main(void) TMOD = 0x01;time = 10;/定时1mst0_h = (65536-500*time)/256;/计算定时器0初值t0_l = (65536-500*time)%256;t0_l = t0_l+20;/修正因初值重装而引起的定时误差TH0 = t0_h;TL0 = t0_l;IT1 = 1;/边沿触发中断EX1 = 1;/开外部中断1ET0 = 1;/开定时中断0TR0 = 1;/启动定时器TK = 10;/采样周期TK10msTC = 1;DAC_1= 0x80;/D/A清零UK = 0;/变量清零UK_1 = 0;UK_2 = 0;KK = 0;EA = 1;/开总中断while(1);/*函数名：INT1功能 ：1号外部中断服务程序 参数 ：无* 返回值：无 * */void int1() interrupt 2 using 2int i,p;uchar j;TC-;/判采样周期到否 if(TC=0) UK_2 = UK_1; UK_1 = UK; UK= ADC_7-128;/读取A/D转换结果 DAC_1=UK_2+128;/送D/A输出 TC=TK;/采样周期变量恢? KK=0; else KK+; i=(UK-UK_2)*(KK-TK); i=i/TK/2;/计算差值点 p=(UK_1-UK_2)*(KK-TK); p=p/TK; i=(i-p)*KK; i=i/TK; p=(UK_1-UK_2)*KK; p=p/TK; j= (uchar)(p+i) + UK_2; DAC_1=j+128;/送D/A输出/*函数名：Timer0功能 ：定时器0中断服务程序参数 ：无 返回值：无 */void Timer0() interrupt 1 using 1str = !str;/产生A/D启动信号TH0 = t0_h;/重新装入初值TL0 = t0_l;实验步骤及结果1. 采样与保持(1) 按照实验线路图 1.2-1 接线，用示波器的表笔测量正弦波单元的“OUT”端，调节正 弦波单元的调幅、调频电位器及拨动开关，使得“OUT”端输出幅值为 3V，周期 1S 的正弦 波。(2) 参考流程图 1.2-2 编写零阶保持程序，汇编、链接，点击“”图标，使得系统进 入“Start/Stop Debug Session”模式。(3) 点击“”图标，运行程序，用示波器观察数模转换单元的输出，如图1.2-3所示：图1.2-3零阶保持2. 信号的还原(1) 按照线路图 1.2-1 接线，使正弦波单元输出幅值为 3V，周期 1S 的正弦波。(2) 参考流程图 1.2-3 分别编写直线插值和二次曲线插值程序，并编译、链接。(3) 点击“”图标，使得系统进入“Start/Stop Debug Session”模式。点击“”图 标，运行程序，用示波器观察数模转换单元的输出，和零阶保持程序的运行效果进行比较。 图1.2-4 直线插值法 图1.2-5 二次曲线插值法实验结果分析由上述结果可以看出：在采样频率 Ws = 10Wmax 时，用三种方法还原信号，直线插值要好于零阶保持，二次曲线插值好于直线插值。采用合理的插值算法可以降低信号的失真度，在允许的范围内可以有效地降低对采样频率的要求。(1)对于零阶保持来说：当采样频率信号频率的10倍时,即Tk1*S,Tk0 AH 信号的还原效果较好。 (2)对于直线插值来说：当采样频率信号频率的5倍时,即Tk1*1S,Tk14H 信号的还原效果较好。(3)对于二次曲线插值来说：当采样频率信号频率的3倍时,即 Tk1*1S,Tk21H 信号的还原效果较好。实验心得体会通过这次实验，对TD-ACC+实验教学系统的构成、D/A转换的基本原理及51芯片的性能以及A/D转换的基本原理及ADC0809器件的性能有了初步的了解与认识，因为做实验的时候都是按照实验指导书按部就班的，与真正的理解和掌握还是有些距离的。但是这也为我们日后运用这些知识打下了基础，我觉得实验中遇到的问题，不要急于问老师或者同学，先自己想办法分析原因，想办法解决，这样对自身的提高更多吧。通过做实验，把学习的知识利用起来，也对这门课程更加有兴趣了。2.1数字脉冲分配器和步进电机调速控制实验目的1了解步进电机的工作原理。2用程序实现脉冲分配器，并对步进电机进行顺序控制。实验设备PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51 系统板一块实验原理步进电机是工业控制中的主要控制元件之一，具有快速启停、精确步进及直接接收数字量的特点。步进电机实际上是一个脉冲/角度转换器，它是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。1本实验使用 35BYJ46 型四项八拍电机，电压为 DC12V，励磁线圈及励磁顺序如下图2.1-1。参照步进电机的节拍表，DOUT0 DOUT3 输出电平和步序的对应表如下表所示 ： 表2.1-1步序DOUT3DOUT2DOUT1DOUT0对应输出值100011H200113H300102H401106H501004H61100CH710008H810019H3实验线路图：图中画“o”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。上图中，控制计算机通过程序控制“DOUT0DOUT3”对应C51的I/O 管脚 P1.4P1.7的输出步进电平，并经过驱动电路使步进电机步进。驱动电路采用ULN2803A 达林顿反相驱动器，驱动电流可达500mA，其作用是将控制计算机输出的控制脉冲进行功率放大，产生电机工作所需的激励电流。4 步进电机控制的实验程序 ：/*文件名:ACC2-1-1.C功能描述：顺序输出步进电机的步序值，使其安规定步骤步进*/#include #include /*宏定义*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*函数声明*/void td_delay(int time);/*全局变量定义*/uchar a8=0x1f,0x3f,0x2f,0x6f,0x4f,0xCf,0x8f,0x9f;/p1.4p1.7作为输出/*主函数*/void main(void) uchar i;while(1) for(i=0;i=7;i+) P1=ai;/输出步序值 td_delay(10000); /延时 /*函数名：td_delay 功能 ： 设置延时时间参数 ：time 返回值： 无*/void td_delay(int time) int i; for(i=0;i0;i-) P1=ai;/输出步序值 td_delay(10000); /延时 */3.4 扩充响应曲线法整定PID参数实验目的学习并掌握扩充响应曲线法整定 PID 参数。实验设备PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51 系统板一块实验原理及内容扩充响应曲线法：1 实验原理： 扩充响应曲线法是模拟调节器的响应曲线法的一种扩充，是一种常用的工程整定方法。其参数整定步骤如下：(1) 使数字调节器不接入系统，让系统处于手动操作状态，当系统稳定在某一值处后， 给对象一个阶跃输入。(2) 用仪表记录下被调量在阶跃输入下的整个响应曲线， 图3.4-1 阶跃输入的响应曲线图中“ ”表示对象的时间常数；“ ”表示对象的纯滞后时间常数。(4) 根据所得的 、 ，查表 3.4-2 计算出采样周期 T 和 KP、TI、TD实验设计图 3.4-4是一个 PID 闭环控制系统的实验电路原理及接线图，图中画“o”的线 需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。图中用 P1.7 来模拟 1定时器的输出，通过“OUT1”排针引出，方波周期定 时器时常2，“IRQ7”表示 51 的外部中断 1，用作采样中断，“DIN0”表示 C51 的 I/O 管脚 P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。实验中，参考程序中的参数取值范围规定为：程序流程图如下所示，图.4-2实验程序：/*文件名：ACC3-4-2.C功能描述：此程序可以作为扩充响应曲线法整定PID参数的验证程序，可把整定后的PID参数写入程序中。*/#include #include #include /*宏定义*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ADC_7 XBYTE0x0600/定义模数转换IO地址#define DAC_1 XBYTE0x0640/定义D/A第一路的IO地址/*全局变量定义*/sbit str = P17;/定义A/D启动信号sbit DIN0 = P10;/声明同步信号uint data time;/声明变量，用于定时uchar data t0_h,t0_l;/用于存储定时器0的初值char TK=13.2;/声明采样周期变量,/采样周期TK*10mschar TC;/TK的变量float kp=3.3;/比例系数char ti=33;/积分系数char td=18.4;/微分系数char IBAND=32;/积分分离值char EK;/当前采样的偏差值char EK_1;/上一次采样的偏差值char AEK;/偏差的变化量char UK;/当前时刻的D/A输出int ZEK;/*主函数*/void main(void) TMOD = 0x01;time = 10;/定时10mst0_h = (65536-500*time)/256;/计算定时器0初值t0_l = (65536-500*time)%256;t0_l = t0_l+20;/修正因初值重装而引起的定时误差TH0 = t0_h;TL0 = t0_l;IT1 = 1;/边沿触发中断EX1 = 1;/开外部中断1ET0 = 1;/开定时中断0TR0 = 1;/启动定时器TC = 1;DAC_1= 0x80;/D/A清零EK=EK_1=0;/变量清零 AEK=UK=0;ZEK=0;EA = 1;/开总中断while(1);/*函数名：INT1功能 ：1号外部中断服务程序 参数 ：无* 返回值：无 * */void int1() interrupt 2 using 2float P,D,I,TEMP;DIN0 = 1;/读取输入前，先输出高电平 if(DIN0)/判同步信号到否 EK=EK_1=0;/变量清零UK=AEK=0; ZEK=0; DAC_1 =0x80;/D/A输出零TC=1; else TC-;/判采样周期到否 if(TC=0) EK = ADC_7-128;/采样当前的偏差值，并计算偏差的变化量 AEK =EK-EK_1; EK_1=EK; if(abs(EK) IBAND) I=0;/判积分分离值 else ZEK=EK+ZEK; /计算积分项 I=ZEK*TK;I=I/ti; P=EK; D=AEK*td;/计算微分项 D=D/TK; TEMP=(P+I+D)*kp;/计算比例项 if(TEMP0)/判控制量是否溢出，溢出赋极值 if(TEMP=127) UK=127; else UK=(char)TEMP; else if(TEMP-128) UK=-128; else UK=(char)TEMP; DAC_1=UK+128;/D/A输出控制量 TC=TK;/采样周期变量恢复/*函数名：Timer0功能 ：定时器0中断服务程序参数 ：无 返回值：无 */void Timer0() interrupt 1 using 1str = !str;/产生A/D启动信号TH0 = t0_h;/重新装入初值TL0 = t0_l;实验步骤(1) 参照图 3.4-5接线，调节器先不接入系统中。图中画“o”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。 (2) 调节信号源使其“OUT”输出幅值为 2V，周期 12S 的方波。(3) 用示波器测量系统输出“C”，并记录下波形。在响应曲线最大斜率处作切线，用游 标测量，作图求得滞后时间和对象时常。计算出/，查表 3.4-2，控制度选择2.0 时可求得数字调节器的 KP、TI、TD 以及采样周期 T 的初始值。(4) 按照图 3.4-4 接线，将数字调节器接入系统，将以上得到的参数 KP、TI、TD 和 T 重 新写入程序中，然后编译、链接。(5) 点击“”图标，使得系统进入“Start/Stop Debug Session”模式。(6) 点击“”图标，运行程序，用示波器测量系统输出“C”，观察数字调节器在这组参数下的控制效果，若不理想，点击“”图标，停止程序运行，按“SST51 系统板”上的“复位”键，使得系统退出“Start/Stop Debug Session”模式，进入到程序编辑模式，适当调 整参数，重新编译链接后，点击“”图标，重复步骤(6)，直到控制效果满意为止。实验结果及分析1 当系统中没有接入控制器时，用示波器输出的波形如下, 2当系统接入控制器后，输出的波形如下，PID 参数的整定根据系统未接入控制器时，示波器上所得到的波形进行测量。得到整定前的滞后时间，。根据表格3.4-2选择控制度为20可以求得t=13.2，kp=3.3，ti=33，td=18.4。将计算所得的t，kp，ti，td，重新输入到程序中。编译，链接，运行得