微型计算机控制系统技术电子教案

1、计算机控制技术,教材和参考书目： 微型计算机控制技术 潘新民 王燕芳 编著 高等教育出版社,第一章 微型计算机控制系统概述,1.1 微型计算机控制系统的组成,1.1 微型计算机控制系统的组成 1、微机控制系统硬件结构 主机、I/O接口、通用外部设备、检测元件及执行机构（模拟信号和数字信号）、操作台。 2、微机控制系统软件 （1）系统软件：操作系统、诊断系统、开发系统、信息处理。 （2）应用软件：1）过程监视：巡回检测程序、数据处理程序、报 警程序、 操作面板程序、数字滤波和标度变换 程序、过程分析程序 2）过程控制计算：控 制算法程序（PID、最优 化控制、串级调节、比值调节）,事故处理程 序

2、、信息管理程序。 3）公共服务程序,1.1 微型计算机控制系统的组成,1.1智能控制的基本概念,1.2 微型计算机控制系统分类,1、操作指导控制系统 只具有输入采样通道，计算机采集过程参数、计算和输出结果，由 人工对给定值或阀门等操作; 适用于实验新的数学模型或调试新的控 制程序。 2、直接数字控制系统（DDC: Direct Digital Control） 具有输入采样通道/输出控制通道，计算机巡回检测，控制算法计 算，输出控制执行机构； 给定值由人工给定。,1.2 微型计算机控制系统分类,1.2 微型计算机控制系统分类,1.2 微型计算机控制系统分类,1.2 微型计算机控制系统分类,3、

3、计算机监督控制系统（SCC: Supervisory Computer Control） SCC计算机按照生产过程的数学模型，计算最佳给定值，使生产过程处于最优工作状态。 （1）SCC+模拟调节器：特别适用于老设备的技术改造； （2）SCC+DDC：可调整控制规律，具有双机控制功能，提高了可靠性。,1.2 微型计算机控制系统分类,1.2 微型计算机控制系统分类,1.2 微型计算机控制系统分类,4、分布控制系统（DCS: Distributed Control System 用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。 （1） 分散过程控制级：由工作站点分别完成数据采集、顺序控制或某一

4、被控制量的闭环控制（故障分散 ）；分散过程控制级收集的数据供监督控制级调用，接受监督控制级发送的信息。 （2）计算机监督控制级：对生产过程的监视与操作，确定分散过程控制级最优给定量。 （3）生产管理级：根据监督控制级提供的信息和生产任务要求，编制系统工作情况表、审核控制方案，选择数学模型，制定最优控制策略，对下一级下达命令。,1.2 微型计算机控制系统分类,5、计算机集成制造系统（CIMS: Computer Integrated Manufacturing System） CIMS是在DCS系统之后发展起来的更高一级的控制系统，是对市场信息、生产规划、销售等进行全面和统一管理的综合技术，即管

5、理加制造，它包括计算机技术、自动控制技术、制造技术、信息技术、管理技术、网络技术、系统工程等学科。 CIMS的结构采用多任务分层体系结构，其基本控制思想是采用递阶控制。 应用如柔性制造,1.2 微型计算机控制系统分类,6、现场总线控制系统（FCS: Fieldbus Control System） 现场总线控制系统的特点： （1）数字化的信息传送：信息交换全部使用数字信号； （2）分散的系统结构：智能节点； （3）方便的互操作性：产品的异构和兼容； （4）开放的互联网络：共享网络资源； 2000年1月4日通过IEC61158.36标准，该标准包括了8种类型的现场总线子集，它们分别是：基金会现场

6、总线FF(原有的技术规范IEC61158)；ControlNet；Profibus；PNet；FFHSE；SwiftNet；WordFIP；Intferbus。,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,一、微型计算机的种类 1、单片微型计算机（Single Chip Microcomputer） Atmega64,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,8088/8086CPU最小模式 MCS-51单片机结构,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,2、数字信号处理器（DSP：digital signal

7、 processor， DSP支持单时钟周期的乘-加运算. ） TMS320F240,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,FB DSP USB510 DSP仿真器 DSP的主要供应商有TI，ADI，Motorola, Lucent和Zilog等，其中TI占有最大的市场份额。,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,TI公司现在主推四大系列DSP 1）C5000系列（定点、低功耗）：C54X，C54XX，C55X 相比其它系列的主要特点是低耗，所以最适合个人与便携式上网以及无线通信应用，如手机、PDA、G

8、PS等应用。处理速度在80MIPS-400MIPS之间。C54XX和C55XX一般只具McBSP同步串口、HPI并行接口、定时器、DMA等外设。值得注意的是C55XX提供了EMIF外部存储器扩展接口，可以直接使用SDRAM，而C54XX则不能直接使用。两个系列的数字IO都只有两条。 2）C2000系列（定点、控制器）：C20X，F20X，F24X，F24XX ，C28x该系列芯片具有大量外设资源，如：A/D、定时器、各种串口（同步和异步），WATCHDOG、CAN总线/PWM发生器、数字IO脚等。是针对控制应用最佳化的DSP，在TI所有的DSP中，只有C2000有FLASH，也只有该系列有异步

9、串口可以和PC的UART相连。,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,3）C6000系列：C62XX，C67XX，C64X该系列以高性能著称，最适合宽带网络和数字影像应用。32bit，其中：C62XX和C64X是定点系列，C67XX是浮点系列。该系列提供EMIF扩展存储器接口。该系列只提供BGA封装，只能制作多层PCB。且功耗较大。同为浮点系列的C3X中的VC33现在虽非主流产品，但也仍在广泛使用，但其速度较低，最高在150MIPS。 3、混合信号处理器（MSP） 丰富的片上外围模块 MSP430 系列单片机的各成 员都集成 了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（ WDT ）、模拟比较器

10、A 、定时器 A （ Timer_A ）、定时器 B （Timer_B ）、串口 0 、1（ USART0 、1 ）、硬件乘法器、 液晶驱动器、 10 位 /12 位 ADC 、IIC总线直接数据存取（ DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 16 （ P1P6 ）、基本定时器（ Basic Timer ）等的一些外围模块的不同组合。,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电 压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器； 16 位定时器 （ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕获 / 比较功能，大量的捕获 / 比较寄存器

11、，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器 件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实 现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达 6*8 条 I/O 口线； P0 、 P1 、 P2 端口能够接收外部上升沿或下降 沿的中断输入； 12/14 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速 率，最高可达 200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直 接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件 IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输 速度，而采用直接数据传输（ DMA ）模块。 MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单

12、片解决方案提供了极 大的方便。,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,4、可编程逻辑控制器（PLC: Programmable Logical Control）,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,S7-200系列PLC是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大类扩展模块。 （1）输入/输出扩展模块 S7-200 CPU上已经集 成了一定数量的数字量I/O点，但如用户需要多于CPU单元I/O点时，必须对系统做必要的扩展。CPU221无I/O扩展能力，CPU 222最多可连接2个扩展模块

13、（数字量或模拟量），而CPU224和CPU226最多可连接7个扩展模块。 S7-200 PLC系列目前总共提供共5大类扩展模块：数字量输入扩展板EM221（8路扩展输入）；数字量输出扩展板EM222（8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,模拟量输入扩展板EM231，每个EM231可扩展3路模拟量输入 通道，A/D转换时间为25s，12位；模拟量输入和输出混合扩 展模板EM235，每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模 拟量输出通道，其中A/D转换时间为25s，D/A转换时 间100s，位数均为

14、12位。 基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单 元左侧的扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要+5VDC工作 电源，此电源由基本单元通过总线连接器提供，扩展单元的 24VDC输入点和输出点电源，可由基本单元的24VDC电源供 电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,（2）热电偶/热电阻扩展模块 热电偶、热电阻模块（EM231）是 为CPU222，CPU224，CPU226设计的，S7-200与多种热 电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通过模块上的DIP开关 来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障 的方向。 （3

15、）通讯扩展模块 除了CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过 通讯扩展模块连接成更大的网络。S7-200系列目前有两种通讯 扩展模块：PROFIBUS-DP扩展从站模块（EM277）和AS-I 接口扩展模块（CP243-2）。,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,S7-200 扩展模块 CTS7-200 数字量模块 CTS7 221-1BF22-0XA0 EM 221数字量输入模块, 8输入,24VDC CTS7 221-1BH22-0XA0 EM 221数字量输入模块, 16输入,24VDC CTS7 221-1BL22-0XA0 EM 221数字量输入模块, 32输入,24VDC

16、CTS7 222-1BF22-0XA0 EM 222数字量输出模块, 8输出,24VDC CTS7 222-1HF22-0XA0 EM 222数字量输出模块, 8输出,继电器 CTS7 222-1BH22-0XA0 EM 222数字量输出模块, 16输出,24VDC,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,CTS7 222-1HH22-0XA0 EM 222数字量输出模块, 16输出,继电器 CTS7 222-1BL22-0XA0 EM 222数字量输出模块, 32输出, 24VDC CTS7 223-1BF22-0XA0 EM 223数字量输入/输出模块, 4输入/4输出, 24VDC C

17、TS7 223-1HF22-0XA0 EM 223数字量输入/输出模块, 4输入 24VDC/4输出 继电器 CTS7 223-1BH22-0XA0 EM 223数字量输入/输出模块, 8输入/8输出, 24VDC CTS7 223-1PH22-0XA0 EM 223数字量输入/输出模块, 8输入 24VDC/8输出 继电器,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,CTS7-200 模拟量模块 CTS7 231-0HC22-0XA0 EM 231模拟量输入模块, 4 输入 CTS7 231-0HF22-0XA0 EM 231模拟量输入模块, 8 输入 CTS7 231-7HC22-0XA0

18、EM 231模拟量输入模块, 4 输入, 高速 CTS7 232-0HB22-0XA0 EM 232模拟量输出模块, 2 输出 CTS7 232-0HF21-0XA0 EM 232模拟量输出模块, 4输出 CTS7 235-0KD22-0XA0 EM 235模拟量输入/输出模块 4输入/1输出,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,CTS7-200 温度模块 CTS7 231-7PD22-0XA0 EM 231 热电偶输入模块, 4输入 CTS7 231-7PF22-0XA0 EM 231 热电偶输入模块, 8输入 CTS7 231-7TF22-0XA0 EM 231 热电偶输入模块, 4

19、输入，带PID CTS7 231-7PE22-0XA0 EM 231 热电偶输入模块, 8输入，带PID CTS7 231-7PB22-0XA0 EM 231 热电阻输入模块, 2输入 CTS7231-7PC22-0XA0 EM 231 热电阻输入模块, 4输入,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,5、STD总线工业控制机 （1）小板结构模块化设计；（2）标准化及兼容性； （3）面向I/O设计；（4）高可靠性,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,二、微型计算机控制系统的发展趋势 1、推广成熟的先进技术 （1）PLC向集成化方向发展：PLC与

20、PC集成、PLC与DCS集成 （具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统HCS， ）、PLC与 PID集成等，并强化了通讯能力和网络化。PLC与PC集成，即将 计算机、PLC及操作人员的人机接口结合在一起，使PLC能利 用计算机丰富的软件资源，而计算机能和PLC的模块交互存取数 据。以PC机为基础的控制容易编程和维护，开放的体系结构提供 灵活性，最终降低成本和提高生产率。 （2）智能化调节器： 3）新型的DCS：如面向测控管一体化设计的DCS系统； 新型的FCS：现场总线转向Ethernet (工业以太网)。,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,2、研究开发智能控制系统 人工神经网络（

21、ANNs： Artificial Neural Networks ） 目前在神经网络研究方法最富有成果的研究工作包括：多层网络 BP算法，Hopfield网络模型，自适应共振理 论，自组织特征映射理论等。 智能控制： （1）分级递阶智能控制系统； （2）模糊控制系统； （3）专家控制系统； （4）学习控制系统 如：神经自校正控制、神经PID控制器 、神经模型参考自适应控制、神经内模控制 、遗传算法与神经控制等。,第二章 模拟I/O通道接口技术,2.1多路开关及采样/保持器,2.1多路开关及采样/保持器 1、信号的分时采样： 多路信号需要多路开关；采样信号不失真原信号，遵守香浓定理。 香浓定理：

22、 (1)多路开关: n:1, 反多路开关 1:n ; (2)单向多路开关, 双向多路开关，多路输入/多路输出； 例如: CD4051、CD4052，CD4067、CD4097，AD7501、AD7502，8816 多路开关的扩展？,2.1多路开关及采样/保持器,2.1多路开关及采样/保持器,2.1多路开关及采样/保持器,2.1多路开关及采样/保持器,2.1多路开关及采样/保持器,2.1多路开关及采样/保持器,2.1多路开关及采样/保持器,2.1多路开关及采样/保持器,2.1多路开关及采样/保持器,2、采样/保持器（Sample/Hold）： 两种工作方式：采样方式，保持方式； 作用： （1）输

23、入通道中，隔离作用，保持信号不变； （2）同步系统中，采样同一瞬间的多个模拟量； （3）输出通道中，开关或保持器。 例如：LF198/298/398, AD582, AD346,2.1多路开关及采样/保持器,2.1多路开关及采样/保持器,2.2 模拟量输出通道接口技术,一、D/A的种类 1、输出 输出电流型：如DAC0832，AD7522； 输出电压型（单/双极性输出）：如AD558，AD7224； 2、并/串行 串行D/A如DAC80； 二、D/A转换原理 控制解码网络的位开关，改变解码网络的输出总电流。 对于二进制码，输出模拟电压为： D/A转换器由参考电源、数字开关控制、模拟转换、数字接

24、口及放大器组成。,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,三、D/A转换器及其接口技术 1、DAC0832：8位，输出电流型，两级输入数据缓冲 器；内无精密电源； 2、AD558：8位，输出电压型（两种输出范围），一级输入数据缓冲器，内有精密参考电源； 3、AD7226：8位，4个8位D/A，一级输入数据缓冲器 4、DAC1210：12位，输出电流型，两级输入数据缓冲器； 5、串行,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,DAC0832单极性电压输出 DAC0832双极性电压输出,2

25、.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,AD558电压输出范围：0-+2.56v，0-+10v。 电压输出量程的选择：,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.2 模拟量输出通道接口技术,2.3 模拟量输入通道接口技术,一、A/D种类 1、单一A/D：ADC0801，AD673 2、含多路开关A/D：ADC0809，AD7581 3、多功能A/D：AD36

26、3 内置多路开关,数据放大器,S/H和A/D。 4、串行A/D：MAX195 TLC549 二、A/D转换原理 查V/F变换型A/D AD753 AD754 AD670 1、计数器式A/D： 2、逐次逼近型A/D：如8位的ADC0809，10位的AD753，12位的AD754，AD670 3、双积分式A/D： 4、V/F变换型A/D：,2.3 模拟量输入通道接口技术,AD7574,2.3 模拟量输入通道接口技术,AD0809,2.3 模拟量输入通道接口技术,2.3 模拟量输入通道接口技术,2.3 模拟量输入通道接口技术,三、A/D接口技术 1、硬件接口 例：ADC0809的CLOCK，STAR

27、T，EOC，ALE，OE； ADC0809工作时序图。补充讲解P51 图2-30 2、接口程序 （1）中断方式； （2）查询方式； （3）中断查询方式； （4）软件延时方式,2.3 模拟量输入通道接口技术,2.3 模拟量输入通道接口技术,2.3 模拟量输入通道接口技术,2.3 模拟量输入通道接口技术,2.3 模拟量输入通道接口技术,2.3 模拟量输入通道接口技术,2.3 模拟量输入通道接口技术,第3章 人机交互接口技术,3.1 键盘接口技术,3.1 键盘接口技术 一、键盘设计 1、按键的确认：高/低电平表示按键合/断； 2、重键与连击的处理：按下时间最长/最先/最后释放的键为当前键。 3、按键

28、防抖技术：讲解P69图3-2, P70图3-3 硬件防抖有滤波防抖电路、双稳态防抖电路；软件防抖技术。,3.1 键盘接口技术,二、矩阵键盘接口技术 1、程控扫描法：输出行扫描，读入列值； 2、中断扫描法：有键按下，产生中断，进入程控扫描中断服务程序。 三、键盘特殊功能设计 1、键盘锁定技术：（1）设置一个标志状态位，锁定/打开；（2）在键值锁存器上加“锁”； 2、双功能键多功能键设计：设置上、下档标志键；,3.1 键盘接口技术,3.2 LED、LCD显示接口技术,一、 LED接口技术 1、LED动态显示接口技术：分时显示，每次只有一个LED工作；教材P84 图3-13,3.2 LED、LCD显

29、示接口技术,2、LED静态显示接口技术：教材P84 图3-15,3.2 LED、LCD显示接口技术,硬件译码显示电路 动态硬件译码显示电路,3.2 LED、LCD显示接口技术,二、LCD接口技术 1、直接驱动方式：LCD数码显示电路； 2、点阵式LCD接口技术：点阵，汉字库，预置画面、通讯接口、显示器内缓冲区；,3.2 LED、LCD显示接口技术,人机接口例：HETECH人机界面 设计人机接口的几个注意事项：,第4章 常用控制程序设计,4.1 报警程序设计,4.1 报警程序设计 一、常用报警方式 查报警IC芯片语音芯片 对控制系统中的一些重要参数或系统部位设计紧急状态报警系统。常采用声、光和语

30、言报警。 如发光二极管驱动电路（OC门驱动）、 白炽灯（交流固态继电器驱动）、 声音报警（报警IC芯 片）、 语言报警（语音芯片,4.1 报警程序设计,发光二极管驱动电路（驱动电流20-30mA）,4.1 报警程序设计,二、简单报警程序 1、全软件报警程序：由程序采样、计算和比较，进行报警处理； 如锅炉的监视报警：采样水位上下限、炉膛温度上下限和蒸汽压力下限，计算，报警。,4.1 报警程序设计,2、硬件申请、软件处理报警程序： 开关量信号引起中断，进入中断服务程序处理。 如锅炉的监视报警：水位上下限、 炉膛温度上下限和蒸汽压力下限与各自给定值比较， 若超限，控制结点开关闭合，产生中断，报警处理

31、。,4.1 报警程序设计,三、越限报警程序设计 P116 4-7 为避免测量值在极限附近摆动造成频繁的报警，在上、下限附近设定一个回差带。,图 越限报警范围,4.1 报警程序设计,图 越限报警程序流程图,4.2开关量输出接口技术,开关量输出接口处理中的放大和隔离处理：TTL电平不能驱动外部设备的开启或关闭，接触器动作时的强电磁干扰信号。查几种以下器件的图片 4N25 1、光电隔离技术 电光电转换，输入电流驱动能力（加驱动器，7406，7407），输入/输出电源必须独立。,4.2开关量输出接口技术,4.2开关量输出接口技术,2、继电器输出接口技术 继电器的通电线圈通电/断电，控制触点动合或动断，

32、缺点是开关瞬间，触点易产生火花。 选择继电器应考虑：额定工作电压/电流，接点负荷，接点的数量和种类，接点吸合时间或释放时间。常用的继电器通电线圈电压有9V、12V、24V等。 继电器: 接触器,4.2开关量输出接口技术,继电器 型号：JGX-50FA(1A360V)外型尺寸：321615输出参数：额定输出电压：360Vd.c.额定输出电流：1Ad.c.输出接通电阻：570m输出漏电流：250Ad.c.瞬态电压：400Vpk输入参数：输入电压范围：3.67Vd.c.输入电流范围：7.0mAd.c.(5V时)接通电压：3.6Vd.c.关断电压：1.0Vd.c.接通时间：0.1ms关断时间：5.0m

33、s一般参数：绝缘电阻：100M介质耐电压：1000Vd.c.环境参数：工作温度：-2085贮存温度：-2085,4.2开关量输出接口技术,4.2开关量输出接口技术,3、固态继电器（Solid State Relay）输出接口技术 查几种类型 应用例 固态继电器一种带光电隔离器的无触点开关。 固态继电器种类有： （1）直流型SSR：带直流负载，如直流电动机，直流步进电机，电磁阀； （2）交流型SSR：带交流负载，如交流电动机，交流电磁阀。,4.2开关量输出接口技术,特点、用途： GJHxx-W-3P-S器件系控制电机正反转三相固态继电器。器件内部采用互锁电路，换相更为可靠。 说明： GJHxx-

34、W-3P-S三相固态继电器的控制回路与负载回路之间为光电隔离，隔离电压大于2500V。 GJHxx-W-3P-S三相固态继电器的输入为4.5-32V直流恒流型，可用直流或脉动触发，也可与TTL、HTL等集成电路直接耦合。三相启动特性一致。 GJHxx-W-3P-S三相固态继电器可广泛用于工矿业自动化控制电机正反转驱动等,4.2开关量输出接口技术,4.2开关量输出接口技术,4.2开关量输出接口技术,4.2开关量输出接口技术,型号：JGX-32F国外对应型号：C76AL-1外型尺寸：574420.5输出参数：输出电压范围：050Vd.c.输出电流：10Ad.c.输出接通电阻：30m输出漏电流：10

35、Ad.c.瞬态电压：60Vpk过负载：20Ad.c.输入参数：输入电压范围：60127Va.c.输入电流：30mAa.c.接通电压：30Va.c.关断电压：60Va.c.接通时间：30ms关断时间：30ms一般参数：绝缘电阻：500M介质耐电压：1000Va.c.环境参数：工作温度：-4085贮存温度：-40105,4.2开关量输出接口技术,计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路 计算机控制三相交流电机正反转的接口及驱动电路，图中采用了4 个与非门，用二个信号通道分别控制电动机的起动、停止和正 转、反转。当改变电动机转动方向时，给出指令信号的顺序应是 “停止反转起动”或“停止正转起动”。

36、延时电路的最小延 时不小于1.5个交流电源周期。其中RD1、RD2、RD3为熔断 器。当电机允许时，可以在R1-R4位置接入限流电阻，以防止当 万一两线间的任意二只继电器均误接通时，限制产生的半周线间 短路电流不超过继电器所能承受的浪涌电流，从而避免烧毁继电 器等事故，确保安全性；但副作用是正常工作时电阻上将产生压 降和功耗。该电路建议采用额定电压为660 V或更高一点的SSR 产品,4.2开关量输出接口技术,4.2开关量输出接口技术,4、大功率场效应管开关接口技术 IRF系列,4.2开关量输出接口技术,4.2开关量输出接口技术,4.2开关量输出接口技术,5、可控硅接口技术 见教材P125 （

37、1）单向可控硅： （2）双向可控硅： 6、电磁阀接口技术 电磁阀有交流电磁阀和直流电磁阀。 常用的换向阀有两位三通、两位四通、三位四通等,4.2开关量输出接口技术,4.3 电动机控制接口技术,一、小功率直流电动机调速原理 PWM（Pulse Width Modulation）:通过改变电动机电枢电 压接通或断开时间的比值（占空比） 控制电动机速度。 电动机的平均速度：,4.3 电动机控制接口技术,二、开环脉冲宽度调速系统 1、组成 2、电动机控制接口 查L290，L291 专用接口板 （1）光电隔离器+大功率场效应管； （2）固态继电器 （3）专用接口芯片：L290，L291 （4）专用接口板

38、,4.4 脉冲宽度调速系统设计,一、带方向控制的直流电动机控制 二、控制接口电路 P133 4-32,4.4 脉冲宽度调速系统设计,三、控制软件 P135 4-33,4.5 闭环脉冲宽度调速系统,4.5 闭环脉冲宽度调速系统,4.6 步进电机控制接口技术,一、步进电机的特点 查变磁阻式步进电机，永磁式步进电机 步进电机的丢步问题 步距角计算 步进电机是数字/角度转换器或串行的数/模转换器； 具有快速启停、精确步进和直接接受数字量的特点； 常应用在工业过程控制的位置控制系统。 种类：变磁阻式步进电机，永磁式步进电机,4.6 步进电机控制接口技术,二、步进电机控制 1、脉冲序列的生成：常用0-5V

39、脉冲，采用软件延时实现；延时的长短由步进电机的工作频率决定。 2、方向控制：旋转方向与内部绕组的通电顺序有关。 例如：三相步进电机的三种工作方式 单三拍: ABCA; 双三拍: ABBCCAAB 三相六拍: AABBBCCCAA 三、步进电机与微机的接口 1、硬件接口：教材P147 图4-45 2、软件设计：1）判旋转方向； 2）按顺序传送控制脉冲； 3）判步数结束否？,4.6 步进电机控制接口技术,4.6 步进电机控制接口技术,4.6 步进电机控制接口技术,四、步进电机步数及速度的计算方法 1、步进电机步数的确定： 例如：步进电机带动10圈的多圈电位器，调节范围0-10V，若电压从2V调到2

40、.1V，电机的 行程角度为： 10：3600=（2.1-2):X; X=36, 若步距角=3, 则走12步。 2、步进电机控制速度的确定： 改变每个脉冲的时间间隔，来控制步进电机的速度； 例如：步进电机转动10圈需2S，步进电机为三相六拍，转子齿数为40，则每一步的 时间为：t=(2000/10)/(3*2*40)=833,4.6 步进电机控制接口技术,五、步进电机的变速控制 低速影响效率，高速产生丢步； 启动时，以低于响应频率的速度运行，慢慢加速，到一定速率恒速运行，快达到终点时，慢慢减速，直至步速走完。梯形状 1、改变控制方式的变速控制 如： 启动：三相六拍-恒速：三相三拍- 接近终点：三

41、相六拍； 2、均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制 加速时，均匀地减少延时时间间隔；减速时，增加延 时时间间隔； 通过均匀减少或增加延时时间常数； 3、采用定时器的变速控制 由定时器中断引起发出控制脉冲； 均匀改变定时器的时间常数,4.6 步进电机控制接口技术,六、步进电机的运行特性及影响因素 1、步进电机的基本特点 反应式步进电机（转子无绕组）转速只取决于脉冲频 率、转子的齿数和拍数； 2、矩角特性 步进电机的负载转矩必须小于最大静转矩，否则，带 不动负载；负载转矩一般为最大静转矩的30%-50%； 3、脉冲信号频率对步进电机运行的影响 过高的频率会使步进电机启动不了或运行时失步而停下； 4、转

42、子机械惯性的影响 从静止到起步时的惯性作用，若脉冲频率过高，步进电机可能启 动不起来； 运转时，受惯性作用，要经过几次振荡才停留在相应位置，可能 引起失步；,4.6 步进电机控制接口技术,七、使用步进电机时应注意的几个问题 1、驱动电源的优劣对步进电机控制系统的运行影响极大：功耗大小，启动力矩大小； 如采用高低压切换型驱动电路； 2、若带负载转动惯性量较大，则应在低频启动，然后再上升到工作频率，停车时也应从工作频率下降到适当频率再停车； 3、在工作中，应尽量避免由于负载突变而引起的误差； 4、若出现失步，（1）检查负载过大否； （2）电源电压正常否； （3）检查驱动电源输出波形正常否。,第5章

43、 总线接口技术,5.1 并行接口总线,功能板：A/D、D/A转换板、步进电机控制板、电机控制板、内存扩张板、串/并行通讯板、 开关量输入/输出板等。 5.1 并行接口总线 常用的有S-100总线、STD总线、MultiBus总线、PC总线。 一、STD总线 见教材P158表5-1 1、电源：模拟和逻辑双电源；为什么模拟与数字电源要分开？ 2、数据总线：8位、双向、三态；哪三态？为何需三态？ 3、地址总线：16位、单向三态；通过复用数据总线扩展；,5.1 并行接口总线,4、控制总线： （1）存储器及I/O请求： （2）外部定时控制器： （3）中断和总线控制： （4）时钟和复位： （5）优先权排队

44、线,5.1 并行接口总线,5.1 并行接口总线,二、PC总线 1、地址总线：20根；A19-A0； 2、双向数据总线：8根，D7-D0； 3、控制总线：21根； 4、辅助线 5、电源和地线,5.2 串行通讯,一、数据传送方式 1、单工方式； 2、半双工方式； 3、全双工方式 二、波特率和接收/发送时钟,5.2 串行通讯,三、异步和同步通讯 1、异步通讯：以字符为单位，字符前加一位“起始”信号，字符后加一位“检验”位，最后为 “停止”信号； 特点：不要求接受/发送方严格同步，通讯效率较低,5.2 串行通讯,2、同步通讯： 字符内和字符之间同步；接收/发送方的频率严格一致； 字符无附加位，但数据组

45、（帧）的开始和结束需加规定的码元序列，作为标志序列， 如“01111110”。 四、信号调制和解调 MODEN（Modulator-DeModulator）,调频，调幅和调相。调频原理图。 五、差错控制技术 见教材 1、差错控制方法 （1）自动重发请求；（2）前向纠错方式：（3）混合纠错 2、纠错编码 （1）奇偶校验； （2）循环容余校验：根据传送的二进制码，按一定 的规则产生一个校验用的监督码，附加在信息后，构成新的二进制码发送。,5.3 串行通讯标准总线,一、选择串行标准总线和接口芯片的原则： （1）可靠性：各个环节都必须保证高可靠性； （2）通讯速度及通讯距离：适当减低速度，可提高传送距

46、离；反之亦然； （3）通道的抗干扰能力：如采用光纤介质传输，光电隔离技术等。 二、RS232C 1、 接口方式：最常用三线连接法； 2、传送速率：最高速率20000bps； 3、传送距离：最大15米；,5.3 串行通讯标准总线,使用MODEN连接 三线连接,5.3 串行通讯标准总线,三、RS485 1、如在传送距离12米内，传送速率10Mbps；120米内，1Mbps； 2、传送距离：最大1200米；,第六章 顺序控制与数字程序控制,6.1 顺序控制,6.1 顺序控制 一、顺序控制的概念, 顺序控制就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用 下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中

47、各个执行机构自动地 有顺序地进行操作。 二、顺序控制系统的一般组成 系统控制器、输入输出电路、输入输出接口、信号检测、显示电路、 报警电路、操作台,6.1 顺序控制,6.1 顺序控制,三、顺序控制系统的类型 按顺序执行的继电器接触器控制系统 无触点逻辑控制系统 以微型计算机为核心的顺序控制系统 可编程序控制器 专用顺序控制器的设计 针对某一类被控对象的结构特点和加工工艺流程而设计的微型计算机系统的硬件和软件 采用固定连线控制的设计思想来设计硬件和软件，灵活性不够，通用性差 控制软件采用汇编语言编制，用户自行二次开发软件和调试困难,6.1 顺序控制,程控喷泉控制器 水型组合可以在现场任意选择，每

48、个水型保持时间可以根据需要单独设定时间，开放型模式无需专业编程人员，用户可自行设定。广泛应用于程控喷泉或程控音控结合的喷泉工程。其他如排污、给水、灌溉、袋式脉冲除尘、电锅炉加热、路灯、霓虹灯、净水器电动阀（电磁阀）定时排泥、除砂器控制等设备控制。 主要有：SX2004-1/8MR 8 路输出 SX2004-1/16MR 16 路输出 喷泉控制柜 SSR-8Y光电隔离固态输出板： 输入DC6-24V/10mA，输出AC24-240V/3A。,6.1 顺序控制,6.1 顺序控制,时间控制器 每个时间段可以分别设定控制时间（60个时间段可设），每个时间段的输出点可选择。时间以24小时方式计时，可以设

49、定星期循环。指定每星期固定时间段工作及工作时间，可以通过通讯口设定时间点及各个参数。通常用于路灯分路控制（分时段开启，关闭）；室外霓虹灯的节假日分时段控制；喷灌设施定时段、定输出点、定时长分别控制；专用设备定时、定点分别控制等。,6.1 顺序控制,四、顺序功能流程图 1、步的概念 顺序功能流程图中最基本的组成部分，它是顺序控制条件下为完成相应的控制功能而设计的独立的控制程序或程序段。 活动步： 统在某一步处于活动状态时，该步称为活动步。 初始步： 过程的初始状态对应的步。 路径： 各功能步之间的连接顺序关系。 转换：结束某一步的操作启动下一步操作。 2、步的划分 一般来讲，步的化分，按照系统输

50、出量的变化，将系统的一个循环工作过程分解为若干步。 例如：小车运行如下：小车初始位于A处，按下开始按钮STB时，小车快速右行AB，到达B时转为慢行BC，到达C时转为快行CB，到达B时转为慢行BA,到达A处停车。（ABC三处均为行程开关）,6.1 顺序控制,在上述各分段中，系统输出量稳定，没有变化，可以将上述问题分解为四步。,6.1 顺序控制,3、功能表图的绘制,6.1 顺序控制,五、顺序的条件分支 1、选择的分支和合并 选择序列的开始称为选择分支，在选择序列的分支时，一般只允许同时选择一个序列 选择序列的结束称为选择合并，几个选择序列合并到一个公共序列时，用需要重新组合的序列相同数量的转换符号

51、和水平连线来表示。转换符号只允许标在水平连线之上。如果步5是活动的，并且转换条件m=1，则发生由步5到步12的进展。如果步8是活动的，并且n=1，则发生由步8到步12的进展。,6.1 顺序控制,2、并行分支 并行序列的开始称为并行分支，当转换的实现导致几个序列同时激活时，这些序列称为并行序列。当步3是活动的，并且e=1，则4、6、8这三步同时被激活，同时步3变为不活动。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。步4、6、8被同时激活后，每个序列中的活动步的进展将是独立的。在表示同步的水平双线之上，只允许有一个转换符号。 并行序列的结束称为并行合并， 在表示同步的水平双线之下， 只允许有一个转

52、换符号。当直 接连在双线上的所有前级步都 处于活动状态，并且转换条件 d=1时，才会发生步3、5、 7到步8的进展。即3、5、7同时变为不活动的，而步8变为活动步。,6.1 顺序控制,3、跳转与循环,6.1 顺序控制,六、梯形图实现,6.1 顺序控制,示例：一锅炉在启动引风机12s后，鼓风机自动启动。当停止鼓风机工作12s后，引风机自动停止。,6.1 顺序控制,6.1 顺序控制,顺序功能图,6.1 顺序控制,梯形图,6.1 顺序控制,六、 动作时间信息表及例 6.2基本逻辑电路的程序实现,6.3数字程序控制,数字程序控制主要用于机床控制，如数控切割机、数控绣花机等。 自动切割机是采用光电控制和

53、数字控制技术的切割设备（如光电跟踪切割机和数控切割机）。 沈阳第一机床厂数控车床 CAK系列数控车床采用多种世界知名品牌的数控系统作为控制器，该系列车床为成能型加工车床，可进行多次重复循环加工，特别适合于汽车、石油机械、军工等多种行业的机械加工，主要用于轴类、盘类的精加工和半精加工，可以加工内、外圆柱表面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体。该系列数控车床采用模块化设计，可根据用户不同的需求，配备不同的装置及附件。,6.3数字程序控制,数字程序控制： 数字程序控制主要用于机床控制，如数控切割机、数控绣花机等。 自动切割机是采用光电控制和数字控制技术的切割设备（如光电跟 踪切割机和数控

54、切割机）。 光电跟踪切割机是将图形按比例划在图样上，图样和钢板分别放 在跟踪机和切割机上就能实现自动切割。数控切割机是由人根据 图样和数控装置的规定，编出切割程序，由计算机根据程序的要 求进行运算，使割嘴沿图样要求的轨迹运动进行切割。,6.3数字程序控制,分类： 按运动轨迹的不同，数控系统分为点位控制系统、直线控制系统和轮廓控制系统三类。 点位控制系统只控制加工点的准确定位。在变换加工点时对运动轨迹无特殊要求(不进行加工)。多用于数控钻床、冲床等。 直线控制系统不仅控制加工点的起始坐标，而且控制刀具或工作台沿直线方向的加工行程，称为直线插补，如简易数控车床等。 轮廓控制系统它能控制加工点沿零件

55、轮廓曲线连续运动，可加工出曲线、曲面、凸轮和锥面等复杂形状的零件。这种系统一般均具有直线和圆弧两种插补功能。少数系统还具有抛物线或其他高次曲线插补能力。,6.3数字程序控制,插补算法 插补定义： 是指在轮廓控制系统中，根据给定的进给速度和轮廓线形的要 求，在已知数据点之间插入中间点的方法，这种方法称为插补方 法。每种方法又可能用不同的计算方法来实现，这种具体的计算 方法称之为插补算法。插补的实质就是数据点的密化。 数控技术中按插补算法可归纳为两类： 一类称“一次插补法”，基特点是每插补运算一次，最多给每一轴进 给一个脉冲，常用的有逐点比较法和数字积分法。 数字增量（数据采样）插补算法,6.3数

56、字程序控制,另一类称“二次插补法”，它次插补功能分为粗插补和精插补两部分完成。常用的有时间分割法和扩展数字积分器法，这类算法在每个插补运算周期里输出的不是单个脉冲，而是线段。因而能显著提高进给速度，在CNC系统中得广泛采用. 粗插补 它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直线段来逼近给定的曲线，这些微小直线段的长度L相等且与给定的进给速度有关。由于粗插补在每个插补周期内之计算一次，因此每一微小直线段的长度L与进给速度F和插补周期T的关系如下： L=FT。粗插补在每个插补周期内计算出坐标位置增量值。 精插补 精插补是在粗插补算出的每一条微小直线段上再做“数据点的密化”工作，这

57、一步相当于对直线的脉冲增量插补。粗插补一般用软件来实现，精插补既可以用软件完成，也可以用硬件来完成。,6.3数字程序控制, 数字增量插补实现过程 粗插补在每个插补周期内计算出坐标位置增量值，而精插补则在 每个采样周期内采样闭环或半闭环反馈位置增量值及插补输出的 指令位置增量值。然后算出各坐标轴相应的插补指令位置和实际 反馈位置并进行比较，计算出跟随误差。根据跟随误差算出相应 轴的进给速度指令并输出给驱动装置。插补周期和采样周期可以 相等，也可以不相等，如不相等，则插补周期应是采样周期的整 数倍。,6.3数字程序控制,逐点比较法 1.逐点比较法直线插补算法 判别函数及判别条件 如图所示，对XY平

58、面第一象限直线段进行插补。直线段起点位于坐标原点O，终点位于A（Xe,Ye）。设点P（Xi，Yi）为任一动点。 若P点在直线OA上，则： XeYi XiYe = 0 若P点在直线OA上方，则 XeYi XiYe 0 若P点在直线OA下方，则： XeYi XiYe 0,6.3数字程序控制,定义F= XeYi XiYe偏差函数，则可得到如下结论： 当F=0时，加工点P落在直线上； 当F0时，加工点P落在直线上方； 当F0时，应该向+X方向发一脉冲，使刀具向+X方向前进一步，以接近该直线。 当F0做同样的处理，既都向+X方向发一脉冲。,6.3数字程序控制,迭代法偏差函数F的推导 为了减少计算量，通常

59、采用迭代法计算偏差函数F:即每走 一步，新加工点的偏差用前一点的偏差递推出来。 F0时，应向+X发出一进给脉冲，刀具从现加工点 （Xi,Yi）向+X方向前进一步，达到新加工点（Xi+1,Yi），则 新加工点的偏差值为： Fi+1,i= XeYi Xi+1Ye= XeYi (Xi+1)Ye = XeYi XiYe - Ye =F Ye F0时，应向+Y发出一进给脉冲，刀具从现加工点（Xi,Yi）向+Y方向前进一步，达到新加工点（Xi+1,Yi），则 新加工点的偏差值为： Fi+1,i= XeYi+1 XiYe= Xe(Yi+1) XiYe = XeYi XiYe +Xe =F + Xe,6.3数

60、字程序控制,插补步骤 逐点比较法的直线插补过程，每走一步要进行以下四个步骤，具体如下： 偏差判别 根据偏差值确定刀具相对加工直线的位置。 坐标进给 根据偏差判别的结果，决定控制沿哪个坐标进给一步，以接近直线。 偏差计算 计算新加工点相对直线的偏差，作为下一步偏差判别的依据。 终点判别 判断是否到达终点，未到达终点则返回第一步，继续插补，到终点，则停止本程序段的插补。终点判别可采用两种方法：一是每走一步判断Xi-Xe0及Yi-Ye0是否成立，如成立，则插补结束否则继续。二是把每个程序段中的总步数求出来，即n=|Xe | + | Ye | ，每走一步n-1，直到n=0为止。,6.3数字程序控制,6