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计算机控制技术实验指导书

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常熟理工学院电气与自动化工程学院 计算机控制技术 实验指导书

2014年3月 1

实验一 模/数转换实验 一、实验目的 1、了解模/数转换的基本原理； 2、熟悉A/D转换芯片ADC0809的性能； 3、掌握ADC0809与单片机的接口方法及C语言编程方法。

二、实验器材 1、PC机一台； 2、QTH-2008XS下载式单片机实验仪一台；Zigbee模块、ADC/I/O模块、ZYMCU02主机模块、显示与键盘模块 3、万用表一块； 4、单片机程序下载器一块； 5、导线若干。

三、实验原理及步骤 1.实验原理 在工业控制中，被控制或被测量对象的有关参量往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量，这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到计算机进行处理，模数转换器（A/D）就是实现这些功能的设备。 ADC0809是CMOS工艺、采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28引脚、双列直插式封装，由地址锁存与译码器、8路模拟开关、8位逐次A/D转换器和三态锁存输出缓冲器组成。实验仪中ADC0809芯片与单片机接口电路如图1-1所示。 工作过程：由ADDA、ADDB、ADDC三根地址线上的数值决定8路模拟输入中的1路进入8位A/D转换器；在地址锁存允许ALE引脚和启动信号START引脚加一个正脉冲，启动A/D转换；转换结束时，ADC0809的转换结束信号EOC引脚发出一个正脉冲，A/D转换值由三态锁存输出缓冲器暂存；在单片机发来输出允许控制信号OE后，三态门打开，A/D转换值经D7～D0进入单片机端口，完成一次A/D转换全过程。 2

P1.0P1.1P1.3P1.4P1.6P3.1P3.0P1.2P1.5P1.7P3.2ALEP3.7P3.5P3.6AT89S51D0D6D5D4D3D2D1D7EOCALESTARTOEABCCLKADC0809IN1GNDREF+VccVccVinREF-P0[0„]LED显示器LED4[H...A]P2[0...7]LED4[8...1]8

8

图1-1 实验仪中ADC0809芯片与单片机接口电路 2.实验内容及步骤 （1）硬件连线 在实验台上从左向右依次排列Zigbee模块、ADC/I/O模块、ZYMCU02主机模块、显示与键盘模块，参照图1-1，按下表所示连接线路。 Zigbee模块 ADC/I/O模块8位并行AD ZYMCU02主机模块 显示与键盘模块 Vin IN1 ADD_A P3.5 ADD_B P3.6 ADD_C P3.7 ST P3.0 OC P3.2 OE P3.1 CLK1 ALE P0[0..7] LED4-[H..A] P2[0..7] LED4-[8..1] OUT[8..1] P1[0..7] 以上四个模块的电源接口分别与主台体上的电源接口一一对应连接，并注意共地，模块中有+5V、+15V、-15V电源，上电前注意检查连线。特别提醒下载程序前P1端口不要接线，如果需要接线，程序下载完毕后再连线。 3

（2）用C语言编写程序段，将电压信号发生器产生的模拟量转换成数字量，并利用提供的显示程序，将采集的数字量以十六进制形式在LED上显示，调节电位器观察显示值的变化。 （3）将万用表接在电压信号发生器电压输出端，通过万用表观察并记录当输入电压（Vin）为0V、0.5V、1V、1.5V、2V、2.5V、3V时，LED的显示结果。将实验数据填入下表。 输入电压 0 V 0.5V 1V 1.5V 2V 2.5 V 3V 理论计算 结 果 LED显示 结 果

四、实验报告要求 1、实验报告书写的程序完整清晰。 2、思考题： （1）实验前事先用C语言编写程序段，与提供的显示程序段配合使用形成完整的程序，实现ADC0809通道1持续地采样显示。 （2）在A/D实验中比较理论计算结果和LED显示输出结果，并分析原因。 4

实验二 数/模转换实验 一、实验目的 1、学习了解数/模转换的基本原理；2、熟悉D/A转换芯片DAC0832的性能；3、掌握DAC0832与单片机的接口方法及C语言编程方法。 二、实验器材 1、PC机一台；2、ZY12805B传感器检测技术综合实验台上的ADC/I/O模块、ZYMCU02主机模块；3、示波器一台；4、单片机程序下载器一台；5、导线若干。 三、实验原理及步骤 1.实验原理 在工业控制中，计算机处理的结果常常需要转换为模拟信号，以驱动相应的执行机构，实现对被控对象的控制。这种将数字量转换为模拟量的过程称为数/摸转换（D/A）。 DAC0832是8位数/摸转换芯片，采用CMOS工艺和R-2RT形电阻解码网络，转换结果为一对差动电流I01和I02输出，其主要性能参数为：分辨率8位，单电压+5V～+15V，参考电压+10V～-10V，转换时间1μs，满刻度误差±1LSB，数据输入电平与TTL电平兼容。引脚定义： D0~D7：8位数据输入线；ILE：数据锁存允许信号，高电平有效；CS：输入寄存器选通信号，低电平有效；WR1：输入寄存器写选通信号，低电平有效；WR2：DAC寄存器写选通信号，低电平有效；XFER：数据传送信号，低电平有效；VREF：D/A转换基准电压输入线；Rfb：反馈信号输入线，内部接反馈电阻，外部通过该引脚接运放输出端。IOUT1、IOUT2：电流输出，IOUT1随DAC寄存器内容作线性变化。IOUT1+IOUT2=常数，DAC0832为电流输出型，可通过运放将电流信号转换为单端电压信号输出，作用在执行机构上。实验仪中DAC0832芯片外围电路如图1所示。

P0.0P0.4P0.3P0.5P0.6P0.2P0.1P0.7AT89S51D0

D6D5D4D3D2D1D7CSXFERWR1WR2ILEVrefLuot1Lout2RfbVcc+15V-15VDA1R28R27R26AGNDDGND+5VDA

C0832

图1 实验仪中DAC0832芯片外围电路 5

2.实验内容及步骤 （1）硬件连线 在实验台上排列ADC/I/O模块、ZYMCU02主机模块，模块之间按下表连线。 ADC/I/O模块8位并行DA ZYMCU02主机模块 U1D[0~7] P0[0~7] DA1输出 以上模块的电源接口分别与主台体上的电源接口一一对应连接，并保持共地，注意模块中有+5V、+15V、-15V电源，上电前注意检查连线。 （2）设计程序实现数/模转换，产生方波信号并在示波器上显示出来。（一、二班同选） （3）设计程序实现数/模转换，产生锯齿波信号并在示波器上显示出来。（一班选做） （4）设计程序实现数/模转换，产生三角波信号并在示波器上显示出来。（二班选做） 四、实验报告要求 1、画出产生的信号波形，标示周期和幅值参数，相应的程序完整清晰； 2、思考题：如果要求输出平滑的正弦波电压信号，应采取什么样的硬件和软件措施。 五、实验注意事项 1、实验操作中不要带电插拔导线，应该在熟悉原理后，按照电路图连接，检查无误后，方可打开电源进行实验。 2、严禁将任何电源对地短路。 6

实验三 电动机闭环控制实验 一、实验目的 通过此实验，使学生掌握用单片机产生PWM的原理和方法，了解如何利用单片机实现转速的闭环控制，掌握PID控制算法的编写，了解PID参数的整定及对系统运行的影响。 二、实验器材 传感器检测技术综合实验台、ZigBee实验模块、转动源实验模块、光电转速传感器—光电断续器(已装在转动源实验模块上)、电脑一台（已装KEIL和STC下载软件）、导线。 三、实验原理及步骤 1.实验原理 在工业领域中，很多情况下需要对电动机的转速进行控制。图3-1是直流电动机单闭环PID控制的结构框图，MCU从按键获得转速设定值，将产生的PWM波输送给电机驱动部分，光电转速传感器将代表直流电动机速度的脉冲信号反馈给MCU，MCU在比较转速设定值和实际值的基础上，以PID控制算法来调节PWM波，从而对电动机速度进行控制，LED用于显示转速的设定值和实际值。电机驱动模块的原理图如图3-2所示。

MCU按键

LED电机驱动光电转速传感器转动源

比较放大

图3-1 结构框图

图3-2 电机驱动原理图 2.实验内容及步骤 （1）硬件连线 在实验台上排列ZigBee无线收发模块、ZYMCU02主机模块、显示与键盘模块，桌面摆放转动源模块，各模块之间按下表连线。 主台体 ZigBee无线收发模块 转动源 ZYMCU02主机模块 显示与键盘模块 +24V +24V GND GND Vout +24V 7

GND GND +5V +5V GND GND 频率/转速表“+” Fout P3.2 频率/转速表“-” GND P1.0 KEY1（设置） P1.1 KEY2（加） P1.2 KEY3（减） P7.7与GND之间未标示的插针 P1.7

P0[0..7] LED4-[H..A] P2[0..7] LED4-[8..0] 说明：（1）①直流电机转速为转每分，“频率/转速表”打到“频率”档。②以上模块的电源接口分别与主台体上的电源接口一一对应连接，并保持共地，Zigbee模块的+15V、GND、+15V不需要接电源，上电前注意检查连线。 （2）P7.7与GND之间未标示的插针与图3-2电机驱动原理图中的DAC0120是相连的。 （3）用C语言编写电机转速的PID控制程序。调节给定值观察显示值的变化，并记录相关数据。 （4）用智能调节仪代替MCU控制电机转速，调节给定值观察显示值的变化，并记录相关数据。（注：智能调节仪代替MCU控制电机转速的硬件接线及使用见纸质材料） 将实验数据填入下表。 单片机PID控制 智能调节仪控制 设定值 设定值 最大峰值 最大峰值 稳态时的LED显示值 稳态时的LED显示值 转速稳态时最大变化量 转速稳态时最大变化量 四、实验报告要求 1、单片机控制直流电动机的程序流程图以及相应的程序完整清晰； 2、思考题：通过修改程序实现PID的参数可以从键盘接收。 五、实验注意事项 1、实验操作中不要带电插拔导线，应该在熟悉原理后，按照电路图连接，检查无误后，方可打开电源进行实验。 2、严禁将任何电源对地短路。

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计算机测控技术实验指导书正文

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计算机测控技术实验指导书正⽂实验⼀A/D、D/A转换应⽤实验⼀、实验⽬的1. 掌握A/D、D/A转换的实现⽅法；2. 熟悉计算机测控系统中数据输⼊/输出通道的硬件设计原理；3. 熟悉计算机测控系统中数据输⼊/输出通道A/D、D/A转换的软件实现原理。

⼆、实验设备Dofly 系列Mini80E型单⽚机开发板⼀套PC机⼀台三、实验内容1. 硬件实现（1）基本原理本实验需要⽤到Dofly 系列Mini80E型单⽚机开发板A/D、D/A模块，其实物硬件连接如图1-1所⽰。

从图中可看到，该模块由四个电位器W1、W2、W3、W4,四组-⼆引脚跳线J21，⼆引脚跳线J23、PCF8591芯⽚以及⼀个发光⼆极管LED12组成。

图1-1 A/D、D/A转换实验硬件连接图其硬件原理图如图1-2所⽰。

图1-2 A/D、D/A转换实验硬件原理图由图1-2可知，该模块数据输⼊通道A/D转换由电位器W1、W2、W3、W4，跳线J21以及PCF8591芯⽚实现。

电位器W1、W2、W3、W4分别构成了A/D转化的四个模拟量输⼊通道，它们⼀端接有电源电压VCC，通过调整各电位器的阻值便可改变各通道电压模拟量的⼤⼩。

这四个电压模拟量通过J21四组-⼆引脚跳线连接到PCF8591芯⽚的AIN0-AIN3端⼝，该芯⽚将四组模拟量A/D转化后，利⽤SCL 和SDA两条信号线将转化好的数据量传输给单⽚机，并⽤8位LED数码管分4组进⾏显⽰。

当然，J21可以通过4个跳冒连接4路AD，则模拟量输⼊由电位器电压给定（如上述分析）；如果需要使⽤外部电压源输⼊，可以拔掉跳冒，然后电压源接⾄J21的2、4、6、8引脚。

数据输出通道D/A转换由PCF8591芯⽚、跳线J23以及发光⼆极管LED12实现。

⾸先单⽚机通过SCL和SDA两条信号线将待转化的数字量传输给芯⽚PCF8591，D/A转换完成后则经过跳线J23将模拟电压值加到发光⼆极管上，⽽⼆极管的亮度则反映了D/A转化模拟量的⼤⼩。

计算机控制系统技术实验指导书

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计算机控制技术实验指导书（第2版）于军琪郭春燕普亮编写建筑科技大学信控学院信息技术实验中心2009年3月目录1 课程简介、实验项目及学时安排 (1)1.1课程简介 (1)1.2实验项目及学时安排 (1)2 实验仪器仪表设备简介 (2)2.1自动控制原理实验箱 (2)2.2其它实验设备 (3)3 计算机控制技术课程实验 (4)3.1实验1采样与保持实验 (4)3.2实验2数字PID控制实验 (8)3.3实验3直流电机闭环调速实验 (14)3.4实验4模拟/数字温度闭环综合控制实验 (19)3.5实验5工控机组态实验 (23)3.6实验6模/数、数/模转换试验 (30)1 课程简介、实验项目及学时安排1.1 课程简介本课程是自动化专业的主干专业课程，是以应用为主的工程技术类课程。

本课程的目的在于培养及提高学生对微机原理与接口技术的知识，了解掌握数字PID控制器的程序实现方法，为掌握计算机综合应用能力打好基础。

通过对计算机控制技术课程容的学习与教学实验仪器的结合，上机实践汇编语言文件的建立、汇编和调试，计算机控制系统搭建方法的学习，使学生达到以下要求：1.掌握汇编语言常用指令，熟悉汇编语言和c语言混合编程；2.掌握计算机的接口技术；3.掌握数字PID控制器的程序实现方法。

1.2 实验项目及学时安排计算机控制技术实验课是以认识和熟悉微机原理与接口技术和模拟验证所学理论为基础，在此基础上开展自行设计系统、确定实验方案和实验线路，进行自主实验，学习系统分析和系统设计的思维方法，培养研究系统的能力。

所安排了验证性和综合性不同属性的实验项目。

2 实验仪器仪表设备简介2.1 自动控制原理实验箱自控/计控原理实验机由以下七个模块组成： 1. 自动控制原理实验模块 2. 计算机控制原理实验模块 3. 信号源模块 4. 控制对象模块 5. 虚拟示波器模块 6. 控制对象输入显示模块 7. CPU 控制模块各模块相互交联关系框图如图2.1所示：RS232接口图2.1 各模块相互交联关系框图自动控制原理实验模块由六个模拟运算单元及元器件库组成，这些模拟运算单元的输入回路和反馈回路上配有多个各种参数的电阻、电容，因此可以完成各种自动控制模拟运算。

计算机控制实验指导书0710

计算机控制实验指导书0710

四、实验报告
1、画出被控对象模拟电路图
2、计算G(S)，A，B，C。
3、计算离散化模拟参数G，H，并与计算机计算结果比较。
4、计算希望的系统单位阶跃响应指标中的超调量σp%和调节时间Ts并与实时控制结果比较。
五、状态观测器软件流程图
（yk为当前系统输出，yk1为上一次系统输出，xk1为上一次的观测阵）
随机配备的SAC-CCT软件包设计了计算机控制技术的九个实验，所有的计算机控制技术实验都是在这套装置上进行的。
安全使用说明（使用前请您务必了解）
为有效、安全地使用实验箱，请遵守以下规定。
1.您在将实验箱盖打开后，请用箱体两边的支撑脚将箱盖撑住，避免在进行试验过程中箱盖突然下落将您的手砸伤或损坏仪器设备。
2
(1)实验模拟电路如图3—3
(2)系统闭环结构图见图3—4
(3)数字滤波器的递推公式
模拟滤波器的传递函数：GL(S) = ( T1S + 1 )/( T2S + 1 )
利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：UK=q0UK-1+q1eK+q2eK-1
其中：q0=( T-2T2)/( T+2T2)q1=q2=( T-2T2)/( T+2T2)
7.在进行炉温控制实验时，应避免炉温超过70℃长时间运等，政治路线则将降低炉体使用寿命；而且还要小心以免将手烫伤。
8.电机条应避免直流电机长时间高速旋转。
9.实验中大部分实验设备如数据通道接口板、数据通讯线、实验平台、直流电机条、温控炉等设备都是精密装置，实验中务必注意正确使用和妥加爱护。
实验一
一、实验目的
五、
（ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的累积和，uk是控制量）
计算机过程控制实验指导书

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计算机过程控制实验指导书计算机过程控制实验指导书一、实验目的1.了解计算机过程控制的基本原理和方法。

2.能进行动、静态过程控制实验。

3.掌握计算机程序的设计和实现方法。

二、实验环境1.硬件环境：计算机一台进口模拟电路板两块数字量输入板一块，板上有4个数字输入端口数字量输出板一块，板上有4个数字输出端口模拟量输入板一块，板上有4个模拟输入端口模拟量输出板一块，板上有4个模拟输出端口2.软件环境：C语言编程环境，Windows 操作系统三、实验内容1.实验一：模拟量动态过程控制实验在这个实验里，我们将运用计算机来控制一个简单的过程。

这个过程是一个单纯的箱子，一个装满水的管子和一个电动水泵。

箱子内的水倒出的管子是通过一个手动阀门来控制的。

我们需要通过在计算机上设置参数，在一定的时间段里将水流到箱子里面。

具体的实验流程如下：第一步：将装置的管道塞在一个抽象的状况里，包括启动点、流量量程、水箱容量和水泵能力。

第二步：选择合适的控制器和传感器，将它们连接到计算机上。

第三步：根据实际情况，制定合理的调度流程图和程序代码。

第四步：假设5毫秒为起始的抽样间隔，从传感器中采取实时数据。

第五步：将数据输入计算机，计算机按照设定的程序进行控制，实现流量的自动调整。

2.实验二：模拟量静态过程控制实验在这个实验里，同样涉及到了控制一个简单的过程。

这个过程是把一桶药液中的液体通过一个管子注入另一桶中。

我们需要通过以另一桶中的液体检测器作为输入，来决定药液流量的多少。

具体的实验流程如下：第一步：设置上下限。

第二步：通过给定的电路板读取输入信号，如在上述实验中，读取另一桶液体的高度。

第三步：通过传感器控制药液流量，调节控制变量。

第四步：将控制变量值输入计算机中，计算机按照设定的程序计算处理。

第五步：根据处理结果反馈指令，控制液体流量的调整，并根据设定的上下限来保持控制的稳定性。

四、实验步骤1.动态过程控制实验步骤：step1：安装设备，建立控制模型step2：连接设备到计算机上step3：设计控制程序，设置参数step4：模拟情况，校准传感器step5：启动数据采集程序step6：计算机处理数据step7：根据实际情况，调整程序参数 step8：记录结果并分析2.静态过程控制实验步骤：step1：安装设备，建立控制模型step2：连接设备到计算机上step3：设计控制程序，设置参数step4：根据设备情况，调节传感器 step5：启动数据采集程序step6：计算机处理数据step7：根据实际情况，调整程序参数 step8：记录结果并分析五、实验感想通过这次实验，我们掌握了计算机过程控制的基本原理和方法。