第3章微机控制系统选择及接口设计(精简)

1、第第3 3章章 微机控制系统的选择及接口设计第一节第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡第二节第二节 微机控制系统的设计思路微机控制系统的设计思路第三节第三节 微机控制系统的构成与种类微机控制系统的构成与种类 第四节第四节 微机控制系统的软件与程序设计语言微机控制系统的软件与程序设计语言 第五节第五节 微机应用领域及其选用要点微机应用领域及其选用要点第六节第六节 8086/8088 8086/8088CPUCPU的硬件结构特点的硬件结构特点 第七节第七节 Z80CPUZ80CPU的硬件结构特点、存储器及输入输出扩展接口的硬件结构特点、存储器及输入输出扩展接

2、口 第八节第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统单片机的硬件结构特点及其最小应用系统 第九节第九节 数字显示器及键盘的接口电路数字显示器及键盘的接口电路 第十节第十节 微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计 第十一节第十一节 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器( (PLC)PLC)的构成及应用举例的构成及应用举例 第十二节第十二节 常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口 由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控制器，因此，其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、控制形式和动作控制方式的问题。这不仅需要微机控

3、制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要一定的生活和生产工艺知识。通常由机电一体化系统设计人员首先提出总的设计要求，然后由各专业人员通力协作。第一节第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡 专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。在开发新产品时，如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，也只有专用控制系统才能做到。专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。 对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进

4、，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。这实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。1. 专用与通用的抉择 无论是采用通用控制系统还是专用控制系统，都存在硬件和软件的权衡问题。有些功能，例如运算与判断处理等，却适宜用软件来实现。而在其余大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。 在用分立元件组成硬件的情况下，就可以考虑是否

5、采用软件，能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情况下，则最好采用硬件。这是因为与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件更为可靠。而在利用LSI芯片组成电路时，不仅价廉，而且可靠性高，处理速度快，因而采用硬件更为有利。2. 硬件与软件的权衡 第二节第二节 微机控制系统的设计思路微机控制系统的设计思路 首先应了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的整体方案。通常，先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制，当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。其次其次考虑执行元件采用何种方式考虑执行元

6、件采用何种方式，是电动、气动还是液动，比较其方案的优缺点，择优而选。第三要考虑是否有特殊控制要求第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统应采取哪些措施。第四第四是考虑微是考虑微机在整个控制系统中的作用机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入输出通道、配备哪些外围设备。最后应初步估算其成本最后应初步估算其成本。通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附以说明，以此作为下一步设计的基础和依据。1确定系统整体控制方案 2确定控制算法 对任何一个具体微机控制系统进行分析、综合或

7、设计，首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算法。所谓数学模型就是系统动态特性所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。的数学表达式。它反映了系统输入内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据，即由数学模型推出这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据，即由数学模型推出控制算法控制算法。所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。 当控制系统比较复杂时，控制算法也比较复杂，整个控制系统的实现就比较困难，为设计、调试方便，可将控制算法作某些合理的简化，忽略某些因素的影响(如非线性、小延时、

8、小惯性等)，在取得初步控制成果后，再逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。3选择微型计算机 对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的。从控制的角度出发，微机应能满足：（1）具有较完善的中断系统、（2）足够的存储容量、（3）完善的I/O通道和实时时钟等要求。 选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易以及扩充输入输出接口是否方便等因素，从而确定是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。 单片机:价格低、体积小,但需要开发系统对其软硬件进行开发。 单板机:价格较低、体积较小，但内存容量较小，接口电路少 微型计算机系统:微型计算机系统有丰富的系统软件，可用 高级语言、汇编语言编程，程序编制

9、和调试都很方便。 但成本较高，当用来控制一个小系统时，往往不能充 分利用系统机的全部功能，抗干扰能力差。 系统总体设计主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计系统总体设计主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计，其主要依据是上述的整体方案初框图、设计要求及所选用的微机类型。通过设计要画出系统的具体构成框图。 一个正在运行的完整的微型计算机控制系统，需要在微机、被控制一个正在运行的完整的微型计算机控制系统，需要在微机、被控制对象和操作者之间适时地、不断地交换数据信息和控制信息。在总体设对象和操作者之间适时地、不断地交换数据信息和控制信息。在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决三者之间可

10、靠的、适时进行信计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。其中硬件与软件功能的分配与协调要根据经济性和可靠性标准进行权衡，可靠性问题主要是制定可靠性设计方案，采取可行的可靠性措施。4. 系统总体设计（1） 接口设计 接口设计包括两个方面的内容： * 扩展接口； * 确定通过各接口电路输入输出端的输入输出信号，选定各信号输入输出时采用何种控制方式。（2） 通道设计

11、：输入输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要有输入输出通道。一个系统中可能要有开关量的输入输出通道、数字量的输入输出通道或模拟量的输入输出通道。在总体设计中就应确定本系统应设置什么通道，每个通道由几部分组成，各部分选用什么样元器件等。 开关量、数字量的输入输出比较简单开关量、数字量的输入输出比较简单。开关量输入要解决电平转换、去抖动及抗干扰等问题。开关量输出要解决功率驱动问题等。开关量和数字量的输入输出都要通过前面设计的接口电路。 模拟量输入输出通道比较复杂模拟量输入输出通道比较复杂。模拟量输入通道主要由信号处理装置(标度变换、滤波、隔离、电平转换、线性化处理等)、采样

12、单元、采样保持器和放大器、AD转换器等组成。模拟量输出通道主要由DA转换器、放大器等组成。（3） 操作控制台设计 微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台，这个控制台一般都不能用微机所带的键盘代替，因为现场操作人员不了解计算机的硬件和软件，假若操作失误可能发生事故，所以一般要单独设计一个操作员控制台。 微机控制系统的软件主要分两大类，即系统软件系统软件和应用软件和应用软件。系统软件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系统，通常这些软件一般不需用户设计，对用户来说，基本上只须了解其大致原理和使用方法就行了。而应用软件都要由用户自行编写，所以软件设计主要是

13、应用软件设计。（4） 软件设计第十节第十节 微机应用系统的输入输出微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计控制的可靠性设计 微机应用系统的输入输出是通过硬件电路和软件共同完成的。对其硬件电路的要求是： 能够可靠地传递控制信息能够可靠地传递控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息； 能够进行相应的信息转换能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入输出信息的转换要求，如D/A、A/D转换，并行数字量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配，电量与非电量之间的转换，弱电与强电的转换以及功率的匹配等；应具有较应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠

14、性。 1.光电隔离电路 为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示.一、光电隔离电路设计光电隔离电路的作用主要有以下几个方面：光电隔离电路的作用主要有以下几个方面： （1）可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，又由于光电耦合又由于光电耦合器输入与输出端之间绝缘电阻非常大器输入与输

15、出端之间绝缘电阻非常大(一般为一般为10111013)，寄生电寄生电容很小容很小(一般为一般为0.52pF)，因此，干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。 （2）可以进行电平转换可以进行电平转换。如上图a所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为12V。 （3）提高驱动能力提高驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件，如达林顿晶体管输出和晶闸管输出型光电耦合器件，不但具有隔离功能，而且还具有较强的驱动负载能力。微机输出信号通过这种光电耦合器件后，就能直接驱动负载。图a为普通型信号隔离用光电耦合器件。图b为高速型光电耦合器件的结构形式。图c为达林顿管输出光电耦合器件。图d为晶

16、闸管输出型光电耦合器件。通常使用的光电耦合器 2. 光电耦合隔离电路应用 采用光电耦合器可以将微机与前向、后向通道以及其他相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机，其基本配置如下图所示。 8155、8255输出口的放出及吸入电流均较大，故可直接用高电平来推动晶体管驱动发光二极管。由于 8155、8255在上电复位时，端口初置为输入状态，即高阻抗状态，为不使开机输出额外的信息，晶体管基极应拉成低电平，如下图a 所示。如要输出较大电流以驱动输出设备，如继电器、电磁离合器等，则应接成达林顿型，如图b 所示。为了进一步提高普通型光耦合器的光耦合速度，可采用下图c电路。在较恶劣环境中的前

17、向通道，为了减少通道及电源的干扰，V/F转换器 (LM331)的频率输出可采用光耦合器隔离方法，使V/F转换器与微机无电路联系，如右下图a 、b 所示。VT 1.弱电转强电电路 微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经过功率放大后，才能驱动各类执行元件，如下图所示的几种电路。图a表示微机输出的开关量信号通过功率放大后，能够驱动有关小功率的直流电磁铁YA，如果是交流电磁铁，或大功率的直流电磁铁，就需使用继电器K作进一步的功率放大，如图b所示。利用继电器K也可以驱动小功率的交流电动机，如图c所示。对于大功率的交流电动机，还需增加交流接触器KM才能驱动，如图d所示。二、信息转换电路设计 2. 数字

18、脉冲转换 在控制系统中，应用微机很容易实现数字脉冲的转换工作。事实上，只要CPU定时地向某个I/O端口的某一二进制位输出高低电平相间的逻辑信号，就可产生一个脉冲序列。步进电动机控制经常用到数字脉冲转换，例如下图所示的三相步进电动机驱动接口电路。该电路中电动机的每相驱动电路都单独有光隔离和放大电路，并连接到微机并行输出端口的一个二进制位上。脉冲信号经光隔离电路耦合、各相放大电路放大后，控制步进电动机按照一定方向转动。 3. 数模(D/A)、模数(A/D)转换 微机应用系统I/O控制回路中，还常用到D/A、A/D转换。例如下图所示的采用直流伺服电动机的控制回路中，就增加了D/A转换环节。控制输出时

19、，微机每次都将运算后得到的以数字形式的控制参数输出到数模转换电路中进行转换，转换后的模拟电压信号仍为弱电信号，还需经过线性功率放大电路放大，然后控制电动机运行。机械系统的位置反馈信号可以是数字量信号，也可能是模拟量信号，视测量传感元件不同而异.若位置反馈量是模拟量,则在位置反馈回路中应设置模数转换装置。在位置信号进入微机前，完成模数转换工作。 4. 电量转非电量 I/O控制回路中还有一种电量到非电量的转换。例如，开关量的电液转换元件是电磁阀， 在电液伺服控制电路中，需要数模（D/A）转换后的模拟信号，而且，也要经过适当放大后，才能驱动电液伺服阀中的电磁元件。这种控制的流程框图如下图所示。第十一

20、节第十一节 可编可编程序逻辑控制器程序逻辑控制器( (PLCPLC) )构构成及应用举例成及应用举例一、一、 PLCPLC的构成及工作原理的构成及工作原理 可编程序控制器(PLC)是在工业环境中使用的数字操作的电子系统。它使用可编程存储器储存用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入输出来控制各种机电一体化系统。由于它具有程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于编程、使用操作方便、便于维修、价格低廉等特点，具有广泛的应用前景。 PLC实质上是一台面向用户的专用数字控制计算机。下图为PLC的硬件结构框图，PLC通过

21、输入输出接口与被控对象工作机相连接。控制系统的具体要求，通过编程器预先把程序写入到存储器中，然后执行此程序，完成控制任务。当系统或被控对象改变时，只需相应变化输入输出接口与被控对象的连线，重新编程，即可形成一个新的控制系统。 PLC的设计者向用户提供了简单明了、易学、易记的汇编语言，几乎所有的PLC都把用逻辑梯形图进行编程的简易助记符作为第一语言。这种语言由一组含义明确、功能强、为数不多的指令组成，每条指令由助记符表示。 PLC主要是利用逻辑运算以实现各种开关量的控制。首先扫描输入量(如继电器触点、限位开关、按钮等)，然后把这些输入量与程序规定的条件相比较，从而使输出接通或断开。实际上，PLC

22、的执行过程就是顺序程序的执行过程，也就是按照一定的顺序从梯形图的第一张执行到最后一张，然后再次从第一张开始执行(见右图)。 某工厂有一零件加工自动线，其中某一工位的头道工序是钻孔，工序的动作过程如下： 起动后，夹紧装置动作，延时10s后，控制冷却油的电磁阀吸合。与此同时，钻头快进，当接近工件时，限位开关S1动作，钻头开始工进，钻削到预定深度时，限位开关S2闭合，钻头快速退回。回到原位时S3动作，钻头停止移动，钻削工序结束。 可采用PLC控制上述钻削工序的钻削过程。分以下几个步骤进行分析：二、 PLC的应用举例（1）输入信号输入信号：起动、停止信号：限位开关S1、S2、S3信号。输出信输出信号号

23、：夹紧装置夹紧信号、控制冷却油信号、快进信号、工进信号、快退信号、停止结束信号。（2）按实际加工工艺要求绘制加工过程流程图，如右图所示。 （3）根据流程图画出逻辑控制电路。这里用有触点继电器逻辑控制图是为了对准备采用PLC取代继电器逻辑控制装置的人员提供一个分析实例。 （4）对应于上述逻辑控制图绘制PLC梯形图。首先将外部输入信号连接到 PLC的输入口的接线端，即与PLC的输入继电器线圈连接，通常将这些输入信号源画在梯形图的左边。再将PLC的输出信号与外部执行元件相连，并将其画在梯形图的右边。然后根据加工工艺流程和图有触点继电器逻辑控制电路应用PLC的内部继电器、定时器计数器等单元绘制梯形图，

24、如右图所示。 （5）用PLC所提供的有关指令根据梯形图编写程序。其程序清单如右表所示。（6）程序的输入、调试、运行、验证考核，直到满足使用要求为止。第十二节第十二节 常用检测传感器的性能特点、选用常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口及其微机接口一、一、 检测传感器的分类与基本要求检测传感器的分类与基本要求 代码型传感器又称编码器，其工作原理如上图a-2所示；它输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量的值，例如图中输入量的值为1(1时，输出代码为1010，而输入量的值为K2时，输出代码为1011。代码的“1”为高电平，“0”为低电平。高、低电平可用光电元件或机械接触式元件输出。

25、通常用来检测执行元件的位置或速度，例如绝对值型光电编码器、接触式编码板等。 机电一体化系统对检测传感器的基本要求：体积小、重量轻、对整机的适应性好；精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；安全可靠、寿命长；便于与计算机连接；不易受被测对象(如电阻、磁导率)的影响，也不影响外部环境；对环境条件适应能力强；现场处理简单、操作性能好；价格低廉。二、各类传感器的主要性能及优缺点二、各类传感器的主要性能及优缺点1） 位移、位置传感器的测量方法多为电测法：常用位移传感器的类型有 电阻式、电感式、电容式、电磁式、光电式、编码式等。2） 速度、加速度传感器: 速度传感器有线速度、角速度、转速等传感器； 加

26、速度传感器有惯性加速度和振动冲击加速度传感器。3） 力、压力和扭矩传感器。4） 温度、湿度、气敏传感器：温度代表物质的冷热程度,是物质内部分子 运动剧烈程度的标志.测量温度的方法有接触式和非接触式两类，因此, 温度传感器也被分为接触式和非接触式。5） 物位传感器。6） 流量传感器。7） 视觉、触觉传感器。 各种传感器的主要性能及其优缺点参看教材表4.214.31。三、传感器的选用原则及注意事项三、传感器的选用原则及注意事项 选用传感器时，首先要根据使用要求在众多传感器中选择适合自己所需要的。有些传感器的输入/输出特性，理论上的分析较复杂，但实际应用时并非如此，因为传感器生产厂家所生产的系列产品已为用户做了那些较复杂的工作，用户只需根据使用要求按其主要性能参数，如测量范围、精度、分辨力、灵敏度等选用即可。传感器性能参数指标包含的面很宽，对于具体的某种传感器，应根据实际的需要和可能，在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求，切忌盲目追求各种特性参数均高指标，以形成较高的性能价格比。 需要说明的是，用户在