第11章微型计算机控制系统设计

1、第10章 微型机控制系统的设计 前言前言 10.1 10.1 微机控制系统的设计方法及步骤微机控制系统的设计方法及步骤 10.2 10.2 微型计算机控制的自动装箱系统微型计算机控制的自动装箱系统 10.3 10.3 智能型智能型FR1151FR1151压力变送器压力变送器 10.4 10.4 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 通过前面各章的学习，已经掌握了微型计算机控制系统I/O接口的扩展方法，模拟量输入/输出通道的设计，常用控制程序的设计方法，数据处理及非线性补偿技术，PID控制器以及模糊控制方法等。它们是设计嵌入式系统硬件及软件的基础。有了这些基础以后，就可以进行微型计算机控制系统的

2、设计。第第10章章 微型机控制系统设计微型机控制系统设计微机控制技术第第10章章 微型机控制系统设计微型机控制系统设计10.1 10.1 微型机控制系统设计方法及步骤微型机控制系统设计方法及步骤10.2 10.2 微型计算机控制的自动装箱系统微型计算机控制的自动装箱系统10.3 10.3 智能型智能型FR1151FR1151压力变送器压力变送器10.4 10.4 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统10.1 微型机控制系统设计统设计方法及步骤骤微型机控制系统设计内容 （1）控制系统总体方案设计。包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等； （2）选择各参数检测元件及变送器； （3

3、）建立数学模型及确定控制算法； （4）选择微型机，并决定是自行设计还是购买成套设备； 微机控制技术10.1 微型机控制系统设计统设计方法及步骤骤 （5）系统硬件设计，包括接口电路、逻辑电路及操作面板； （6）系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计； （7）系统的调试及实验。 微机控制技术10.1 微型机控制系统设计统设计方法及步骤骤10.1.1 10.1.1 控制系统总体方案的确定控制系统总体方案的确定10.1.2 10.1.2 微型计算机及接口的选择微型计算机及接口的选择10.1.3 10.1.3 控制算法的选择控制算法的选择10.1.4 10.1.4 控制系统的硬件设计控制系统

4、的硬件设计10.1.5 10.1.5 控制系统软件设计控制系统软件设计10.1.6 Proteus10.1.6 Proteus虚拟软件的应用虚拟软件的应用 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定 确定微型机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案好坏，直接影响整个控制系统的投资、调节品质及实施细则。 总体方案的设计主要是根据被控对象的工艺要求确定。微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定1. 1. 确定控制系统方案确定控制系统方案 根据系统的要求，首先确定系统采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。如果是闭环控制系统，则还要求确定整个系统采用直接数字

5、控制（DDC），还是采用计算机监督控制（SCC），或者采用分布式控制。微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定2. 2. 选择检测元件选择检测元件 在确定方案的同时，必须选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的首要因素。测量各种参数的传感器，如温度、流量、压力、液位、成分、位移、重量、速度等，种类繁多，规格各异，因此，需要正确地选择测量元件。微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定3. 3. 选择执行机构选择执行机构 执行机构是微型计算机控制的重要组成部件。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况决定。常用的执行机构有以下4种。

6、微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定 (1)电动执行机构 具有响应速度快，与计算机接口容易等优点， 因而成为计算机控制系统的主要执行机构。如DKJ或 DKZ电动执行器，专门用来把输入的420mA直流信号转换成相应的转角位移或线位移，以带动风门、挡板、阀门等动作，从而完成自动调节的任务。微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定 (2)气动调节阀具有结构简单，操作方便，使用可靠，维护容易，防火防爆等优点，目前广泛应用于石油、冶金、电力系统中。 如ZPD-01电气阀门定位器，将 420mA的直流信号转换成0.020.1MPa的标准气压信号，以便驱动薄膜调节阀，从而使阀

7、门位置能按调节信号实现正确定位。微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定 (3)由于步进电机可以直接接受数字量，而且具有速度快，精度高等优点。所以，随着计算机控制技术的发展，用步进电机做执行机构的控制系统逐年增加。如数控机床、X-Y记录仪、高射炮自动跟踪、电子望远镜和大型电子显微镜、旋转变压器、多圈电位器等，都采用步进电机。微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定 (4)液压伺服机构（如油缸和油电机）将油液的压力能转换成机械能，驱动负载直线或回转运动。 液压传动的主要优点是：能方便地进行无级调速；单位重量的输出功率大，结构紧凑，惯性小，且能传送大扭矩和较大的推力；控

8、制和调节简单、方便、省力，易于实现自动控制和过载保护。微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定4. 4. 选择输入选择输入/ /输出通道及外围设备输出通道及外围设备 计算机控制系统过程通道通常应根据被控对象参数的多少来确定，并根据系统的规模及要求，配以适当的外围设备，如打印机、CRT、磁盘驱动器、绘图仪、CDROM等。 微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定5. 5. 画出整个系统原理图画出整个系统原理图 前面四部完成以后，结合工业流程图，最后要画出一个完整的控制系统原理图，其中包括各种传感器、变送器、外围设备、输入/输出通道及微型 计算机。 它是整个系统的总图，

9、要求简单、清晰、明了。微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定 需要说明的是，在确定系统总体方案时，对系统的软件、硬件功能要做统一的综合考虑。因为一种功能往往既能由硬件实现，也可用软件实现。到底采用什么方式比较合适，要根据实时性要求及整个系统的性能/价格比，加以综合平衡后确定。一般而言，使用硬件完成速度比较快，可节省CPU的机时，但系统比较复杂，而且价格比较贵。用软件实现则比较经济，但要占用更多的机时。微机控制技术 10.1.1 控制系统总统总体方案的确定 一般的原则是，在机时允许的情况下，尽量采用软件。如果系统控制回路比较多，或者某些软件设计比较困难时，则可考虑用硬件完成。总之

10、，一个控制系统中，哪些部分用硬件实现，哪些部件用软件完成，都要根据具体情况反复进行分析、比较后确定。在确定系统的总体方案时，要与搞工艺的部门互相配合，并征求现场操作人员的意见后再行设计。微机控制技术10.1.2 微型机及接口的选择选择 在总体方案确定之后，首要的任务是选择一台合适的微型机。正如第一章所讲的，微型机的种类繁多，选择合适的微型机是微型机控制系统设计的关键。 微型机系统设计通常有两种作法。 1. 1.选用现成的微型机系统选用现成的微型机系统微机控制技术10.1.2 微型机及接口的选择选择 （1）工业控制机如果系统的任务比较大，需要的外设比较多，如打印机、CRT等，而且设计时间要求比较

11、紧，不妨选用一台现成的工业控制机，如工业PC、STD总线工业控制机等。这些机器不仅提供了具有多种装置的主机系统板，而且还配备了各种接口板，如多通道模拟量输入/输出板，开关量输入/输出板，CRT图形显示板，扩展用RS-232-C，RS-422和RS-485总线接口板，EPROM智能编程板等。微机控制技术10.1.2 微型机及接口的选择选择这些系统模块一般采用PC总线和STD总线。它们具有很强的硬件功能和灵活的I/O扩展能力，不但可以构成独立的工业控制机，而且具有较强的开发能力。这些机器不仅可使用汇编语言，而且可使用高级语言，如BASIC语言、C语言等。在工业PC中，还配有专用的组合软件，给微型计

12、算机控制系统的软件设计带来了极大的方便。微机控制技术10.1.2 微型机及接口的选择选择 （2）单片机系统 目前，有一些由单片机组成的小系统可供选择。它们大都具有单片机、存储器及I/O接口、LED显示器和小键盘，通常使用汇编语言，再配以各类I/O接口板，即可组成简单的控制系统。 这种机器的特点是价格便宜，常用于小系统或顺序控制系统。 微机控制技术10.1.2 微型机及接口的选择选择2.2.利用单片机芯片自行设计利用单片机芯片自行设计 选择合适的单片机芯片，针对被控对象的具体任务，自行开发和设计一个单片机系统,是目前微型机系统设计中经常使用的方法。 这种方法具有针对性强、投资少、系统简单、灵活等

13、特点。特别是对于批量生产，更有其独特的优点。 微机控制技术10.1.3 控制算法的选择控制算法的选择 当控制系统的总体方案及机型选定之后，采用什么样的控制算法才能使系统达到要求，这是非常关键的问题。微机控制技术10.1.3 控制算法的选择控制算法的选择1. 直接数字控制 当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制，如最少拍随动系统，最少拍无波纹系统，以及大林算法等；设计数字控制器，并求出差分方程。 计算机的主要任务就是按此差分方程计算出控制量，并输出，进而实现控制。 微机控制技术10.1.3 控制算法的选择控制算法的选择2. 数字化PID控制 由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均

14、可求出数学模型；有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID控制。 在PID控制算法中，以位置型和增量型两种PID为基础，根据系统的要求，可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计 尽管微型计算机集成度高，内部包含I/O控制线、ROM、RAM和定时器，但在组成控制系统时，扩展接口仍是设计者经常遇到的任务。 扩展接口有两种方案： 一种是购置成品接口板，如A/D转换接口板、D/A转换接口板、开关量I/O接口板（带光电隔离器

15、或不带光电隔离器）、实时时钟板、步进电机控制板、可控硅控制板等。扩展的接口板数量及品种视系统而论。这主要适用于工业PC和STD总线工业控制机系统。 另一种方案是根据系统的实际需要，选用合适的芯片进行设计，这主要包括以下几方面的内容。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计1. 1. 存储器扩展存储器扩展 微型机系统要扩展的存储器主要有用来存放程序的EPROM，存放数据的E2PROM，存放随机采样数据的RAM。用户可根据需要进行选择。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计2. 模拟量输入通道的扩展 模拟量输入通道的扩展主要有下面两个问题。（1）数据采集通道的结构形式 一般微

16、型机控制系统是多通道系统。因此，选用何种结构形式采集数据，是进行模拟量输入通道设计首先要考虑的问题。 多数系统都采用共享A/D和S/H形式，如图10-2所示。微机控制技术 图图10-2 分时采样、分时转换型多路模拟量输入分时采样、分时转换型多路模拟量输入通道通道微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计 在这一系统中，被测参数经多路开关一个一个地被切换到S/H和A/D转换器进行转换。由于各参数是串行输入的，所以转换时间比较长，但它最大的优点是节省硬件开销，这是目前微型机系统中应用最多的一种模拟量输入通道结构形式。 但是，当被测参数为几个相关量时，则需选用多路S/H，共享A/D形式，如图

17、10-3所示，微机控制技术 图图10-3 同时采样、分时转换型多路模拟量输入同时采样、分时转换型多路模拟量输入通道通道微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计 该电路与图10-2相比，每个模拟量输入通道增加一个S/H，其目的是可以采样同一时刻的各个参数，以便进行比较。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计(2) A/D 转换器的选择 设计时一定要根据被控对象的实际要求选择 A/D转换器。在满足系统要求的前提下，尽量选用位数比较低的A/D转换器。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计3. 输出通道的扩展输出通道的扩展 模拟量输出通道是微型机控制系统与执行机构（或

18、控制设备）连接的纽带和桥梁。设计时，要根据被控对象的通道数及执行机构的类型进行选择。 对于那些可直接接受数字量的执行机构，可由微型机直接输出数字量，如步进电机或开关、继电器系统等。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计 对于那些需要接收模拟量的执行机构（如电动、气动执行机构、液压伺服机构阀等），则需要用D/A转换器把数字量变成模拟量后，再带动执行机构。 和输入通道一样，输出通道的设计也有两个方面的问题需要考虑。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计（1）输出通道的连接方式 模拟量输出通道除了可靠性和精度外，还必须使输出具有保持功能，以保证被控对象可靠地工作。保持器的主要

19、作用是在新的信号到来之前，使本次控制信号保持不变。 保持器有两种，一种是数字保持器(锁存器），一种是模拟保持器。 因此，模拟量输出通道有两种结构形式。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计 每个通道设置一个D/A转换器形式 这种结构形式，如图10-4所示。 在图10-4中，每一个通道设置一个D/A转换器，这是一种数字保持的方案。其优点是可靠性高、速度快，即使某一路出现故障，也不会影响其他通路的工作。但它使用D/A转换器数量较多。微机控制技术图图10-4 每通道一个个D/A转换转换器原理框图图微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计 多通道共享D/A转换器结构形式 此种结构

20、形式，如图10-5所示。 在这种结构中，由于共用一个D/A转换器，各通道必须分时进行工作，因而必须在每一个通道加上一个采样/保持器。这种结构形式的优点是可节省价格比较昂贵的D/A转换器，但实时性及可靠性比较差，所以只适用于通道数比较少且转换速度要求不太高的场合，或者采用高精度D/A转换器时。微机控制技术图图10-5 多通道共享D/A转换转换器结构结构形式原理图图微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计（2）D/A转换器的选择 当系统中D/A转换器的输出只作为执行机构的控制信号时，相对来讲，精度要求不高，所以一般选用8位D/A转换器即可。 但是，如果D/A转换器的输出用作显示、X-Y记

21、录、或位置控制时，由于精度要求比较高，所以需选用10位、12位或更高位数的D/A转换器。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计4开关量I/O接口设计 在微型机控制系统中，除了模拟量输入/输出通道外，经常遇到的还有开关量I/O接口。 由于开关量只有两种状态“1”或“0”，所以，每个开关量只需一位二进制数表示即可。 为了提高系统的抗干扰能力，通常采用光电隔离器把微型机与外部设备隔开，如图10-6所示。 微机控制技术 图图10-6 采用光电隔离器的采用光电隔离器的I/O接口电路接口电路微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计5 5操作面板操作面板 操作面板也叫操作台，它是人机对

22、话的纽带。操作面板根据具体情况，可大可小，大到可以是一个庞大的操作台，小到只有几个功能键和开关。在智能仪器中，操作面板都比较小，一般都需要自己设计。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计操作面板的主要功能有：（1）输送源程序到存储器，或者通过面板操作来监视程序执行情况；（2）打印、显示中间结果或最终结果；（3）根据工艺要求，修改一些检测点和控制点的参数及给定值；微机控制技术（4）设置报警状态，选择工作方式以及控制回路等；（5）完成手动自动无扰动切换；（6）进行现场手动操作；（7）完成各种画面显示。微机控制技术 10.1.4 控制系统统硬件设计设计 为了完成上述功能，操作台上必须设置

23、一些按键或开关，并通过接口与主机相连。此外，操作台上还需要报警及显示设备等。一般情况下，为便于现场操作人员操作，微型机控制系统都要设计一个操作面板。微机控制技术 10.1.5 控制系统软统软件设计设计 微型机控制系统软件分系统软件和应用软件两大类，详见表1-1。 系统软件一般不用自己设计； 应用软件一般都得自己设计。 由于设计所需要的大部分软件在前几章中已经讲述过，这里不再赘述。下边只对应用软件的设计提出几项要求。微机控制技术 10.1.5 控制系统软统软件设计设计1. 1. 控制系统对应用软件的要求控制系统对应用软件的要求（1）实时性（2）灵活性和通用性（3）可靠性微机控制技术 10.1.5

24、 控制系统软统软件设计设计（1）实时性 由于工业过程控制系统是实时控制系统，所以对应用软件的执行速度都有一定的要求，即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。换言之，要求整个应用软件必须在一个采样周期内处理完毕。所以一般都采用汇编语言编写应用软件。但是，对于那些计算工作量比较大的系统，也可以采用高级语言和汇编语言混合使用的办法。微机控制技术 10.1.5 控制系统软统软件设计设计（2）灵活性和通用性 在应用程序设计中，为了节省内存和具有较强的适应能力，通常要求有一定的灵活性和通用性。 为此，可以采用模块结构，尽量将共用的程序编写成子程序，如算术和逻辑运算程序、A/D与D/A转

25、换程序、延时程序、PID运算程序、数字滤波程序、标度变换程序、报警程序等。微机控制技术 10.1.5 控制系统软统软件设计设计 设计人员的任务就是把这些具有一定功能的子程序（或中断服务程序）进行排列组合，使其成为一个完成特定任务的应用程序。微机控制技术 10.1.5 控制系统软统软件设计设计（3）可靠性 在微型计算机控制系统中，系统的可靠性是至关重要的，它是系统正常运行的基本保障。计算机系统的可靠性一方面取决于其硬件组成，另一方面也取决于其软件结构。为保证系统软件的可靠性，通常设计一个诊断程序，定期对系统进行诊断；也可以设计软件陷阱，防止程序失控。近年来广泛采用的watchdog方法，便是增加

26、系统软件可靠性的有效方法之一。 有关这方面的详细内容，可参见参考文献1。 微机控制技术 10.1.5 控制系统软统软件设计设计3软件开发过程软件开发大体包括以下几个方面。 （1）划分功能模块及安排程序结构。例如，根据系统的任务，将程序大致划分成数据采集模块、数据处理模块、非线性补偿模块、报警处理模块、标度变换模块、数字控制计算模块、控制器输出模块、故障诊断模块等，并规定每个模块的任务及其相互间的关系。 微机控制技术 10.1.5 控制系统软统软件设计设计 （2）画出各程序模块详细流程图。 （3）选择合适的语言（如高级语言或汇编语言）编写程序。编写时尽量采用现有子程序，以提高程序设计速度。 （4

27、）将各个模块连结成一个完整的程序。微机控制技术10.1.6 PRODEUS仿真软件简介1. PRODEUSPRODEUS仿真软件功能仿真软件功能 ASF高高 级图形级图形 分分析模块析模块 CPU仿仿 真模型真模型 VSM 高级布高级布 线线/编辑编辑 AR动态动态 器件库器件库 混合混合 模型模型 仿仿真器真器 原理图原理图 输入输入 系系统统ISIS Proteus 软件软件 图图10.7 Pr10.7 Proteus oteus 的的功能分布功能分布图图10.1.6 PRODEUS仿真软件简介 1.智能原理图输入系统SIS，系统设计与仿真的基本平台。 2.高级PCB布线编辑软件ARES

28、在Proteus中，从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB设计一气呵成，真正实现了从概念到产品的完整设计。 3. Proteus产生的文件 .EXE .DBK .BMP .DSN .PWI 可可执执行文件行文件原理原理图图 图图10.8 Proteus 10.8 Proteus 设计流程设计流程 10.2 微型计计算机控制的自动动装箱系统统 在工业生产中，常常需要对产品进行计数、包装。如果用人工完成不但麻烦，而且效率低，劳动强度大。随着微型计算机控制的普及，特别是单片机的应用，给该类系统的设计带来了极大的方便。在这一节里，将介绍单片机控制包装系统的设计方法，主要讲述顺序控制系统的设计方法以

29、及电机控制的应用。该系统可用于诸如啤酒、饮料等连续包装生产线上。微机控制技术10.2 微型计计算机控制的自动动装箱系统统 10.2.1 10.2.1 自动装箱控制系统的原理自动装箱控制系统的原理 10.2.2 10.2.2 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 10.2.3 10.2.3 控制系统软件设计控制系统软件设计10.2.1 自动动装箱控制系统统的原理 图图10.9 10.9 产品自动装箱系统的原理图产品自动装箱系统的原理图微机控制技术10.2.1 自动动装箱控制系统统的原理 如图10.9所示，系统有两个传送带，即包装箱传送带1和产品传送带2。包装箱传送带1用来传送产品包装箱，其功能是把已

30、经装满的包装箱运走，并用一只空箱来代替。为使空箱恰好对准产品传送带的末端，使传来的产品刚好落入箱中，在包装箱传送带1的中间装一光电控制器1，用以检测包装箱是否到位。产品传送带2将产品从生产车间传送到包装箱。当某一产品被送到传送带的末端，会自动落入箱内，并由检测器2转换成计数脉冲。微机控制技术10.2.1 自动动装箱控制系统统的原理 产品计数可以由硬件完成（如MCS-51系列单片机中的定时器/计数器），也可以用软件来完成。本系统采用软件计数方法。微机控制技术10.2.1 自动动装箱控制系统统的原理系统工作步骤如下： （1）用键盘设置每个包装箱所需存放的零件数量以及每批产品的箱数，并分别存放在PA

31、RTS和BOXES单元中。 （2）接通电源，使传送带1的驱动电机运转，带动包装箱前行。通过检测光电传感器1的状态，判断传送带1上的包装箱是否到位。 （3）当包装箱运行到检测器1的光源和光传感器的中间时，关断电机电源，使传送带1停止运动，等待产品装箱。微机控制技术10.2.1 自动动装箱控制系统统的原理 （4）启动传送带2的驱动电机，使产品沿传送带向前运动，并装入箱内。 （5）当产品一个一个地落下时，将产生一系列脉冲信号，用检测器2检测从检测器2来的输出脉冲，由计算机进行计数，并不断地与存放在PARTS单元中的给定值进行比较。 （6）当零件数值未达到给定值时，控制传送带2继续运动（装入产品）；直

32、到零件个数与给定值相等时，停止传送带2，不再装入零件。微机控制技术10.2.1 自动动装箱控制系统统的原理 （7）再次启动传送带1，使装满零件的箱体继续向前运动，并把存放箱子数的内存单元加1，然后再与给定的产品箱数进行比较。如果箱数不够，则带动下一个空箱到达指定位置，继续上述过程。直到产品箱数与给定值相等，停止装箱过程，等待新的操作命令。微机控制技术10.2.1 自动动装箱控制系统统的原理 只要传送带2上的零件和传送带1上的箱子足够多，这个过程可以连续不断地进行下去。这就是产品自动包装生产线的流程。必要时操作人员可以随时通过停止（STOP）键停止传送带运动，并通过键盘重新设置给定值，然后再启动

33、。微机控制技术10.2.2 控制系统统硬件设计设计 针对上述任务，采用8031单片机设计一个最小系统。为了读键盘给定值及完成检测和控制，系统中扩展一片8255A可编程接口及程序存储器EPROM 2764。其原理系统图，如图10.8所示。 如图10.10中所示，8031，74LS373，2764组成最小系统。8031通过8255A的PB口实现给定值或零件计数显示。PA口读入键盘的给定值，PC口高4位设为输入方式，用于检测光电管和START，STOP两个键的状态。PC口低4位设为输出方式；其中PC0控制传送带1的动力电机；PC1控制传送带2的动力电机。微机控制技术10.2.2 控制系统统硬件设计设

34、计 为了提高系统的可靠性及减少误操作，用PC2，PC3两条I/O线控制两个状态指示灯，V1为红色，V2为绿色；当系统出现问题，如没有设置给定值时，启动START键，则V1灯亮，提醒操作者注意，需重新设置参数后再启动。如果系统操作运行正常，则绿灯V2亮。 下面介绍给定值电路及控制电路。关于显示电路请参阅本书第3章3.2节。微机控制技术10.2.2 控制系统统硬件设计设计 1. 给定值电路 如图10.10所示，8255A为给定值输入接口。为了使系统简单，设计了一个由二极管矩阵组成的编码键盘，如图10.11所示。微机控制技术图图10.10 包装系统控制原理图包装系统控制原理图微机控制技术10.2.2

35、 控制系统统硬件设计设计 键盘输出信号D，C，B，A（BCD码）分别接到8255A的A 口PA3PA0 ，键选通信号KEYSTROBE（高电平有效），经反向器接到8031的INT0管脚。当某一个键按下时，KEYSTROBE为高电平，经反相后的下降沿向8031申请中断。8031响应后，读入BCD码值，作为给定值，并送显示。由于系统设计只有3位显示，所以最多只能给定999。输入顺序为从最高位（百位数）开始。微机控制技术图图10.11 编码键盘原理图编码键盘原理图 微机控制技术10.2.2 控制系统统硬件设计设计 当键未按下时，所有输出端均为高电平。当有键按下后该键的BCD码将出现在输出线上。例如，

36、按下“7”键时，与键“7”相连的一个二极管导通，所以D线上为低电平，A、B、C仍为高电平，因此输出编码为0111，其余依次类推。 当任何一个键按下时，四输入与非门7420产生一个高电平选通信号KEYSTROBE，此信号经反相器后向8031申请中断。微机控制技术10.2.2 控制系统统硬件设计设计 2. 控制电路 包装系统控制电路主要有两部分：一是信号检测，光电检测器1判断包装箱是否到位，光电检测器2用于装箱零件计数；再一部分就是传送带电机控制。检测部分比较简单，就不再详述。下边主要介绍一下电机控制电路 微机控制技术10.2.2 控制系统统硬件设计设计 为了提高抗干扰能力，系统采用了光电隔离技术

37、。电机可以采用多种方法控制，如固态继电器（SSR）、可控硅（SCR）及大功率场效应管等，详见本书第4章4.2节。本系统采用固态继电器（SSR1和SSR2），其控制电路原理如图10.12所示。微机控制技术10.2.2 控制系统统硬件设计设计 如图10.12所示，8255A的PC0控制传送带1的驱动电机，PC1控制传送带2的驱动电机。当按下启动键（START）后，使PC0输出高电平，经反相后变为低电平，交流固态继电器（SSR1）发光二极管亮，因而使得SSR1导通，交流电机通电，使传送带1带动包装箱一起运动。当包装箱行至光源与光电检测器1之间时，光被挡住，使光电传感器输出为高电平。当微型机检测到此高

38、电平后，PC0输出低电平，传送带1电机停止。并同时使传送带2电机通电（PC1输出高电平），带动零件运动，使零件落入包装箱内。 微机控制技术10.2.2 控制系统统硬件设计设计 每当零件经过检测器2的光源与光电传感器之间时，光电传感器输出高电平。当微型机检测到此信号后在计数器中加1，并送显示。然后再与给定的零件值进行比较。如果计数值小于给定值，则继续计数；一旦计数值等于给定值，则停止计数；此时关断传送带2的电源，并接通传送带1的电源，让装满零件的箱子移开，同时带动下一个空箱到位，并重复上述过程。 微机控制技术图图10.12 电机控制电路电机控制电路微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设

39、计 通过上述分析可知，本系统键盘的作用主要是输入给定值。当给定值设定后，在包装过程中就不再改动。因此为了提高实时性，系统通过中断方式（INT0）做键盘处理。对包装箱是否到位及零件计数，则采用查询方法，起主程序框图，如图10.13所示。微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计 中断服务程序主要用来设定给定值，当给定键盘有键按下时，KEYSTROBE输出高电平，经反相器后向8031申请中断。在中断服务程序中，读入该键盘给定值，一方面存入相应的给定单元（PORTS或BOXES），另一方面送去显示，以便操作者检查输入的给定值是否正确。微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计 本程序

40、输入的顺序是先输入包装箱数（3位，最大值为999，按百位、十位、个位顺序输入），然后再输入每箱装的零件数（3位，最大值为999，输入顺序同包装箱）。完成上述任务的中断服务程序流程如图10.14所示。微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计 为了设计如图10.13和10.14所示的程序，首先需设置有关内存单元。这里用8031内部RAM的20H单元的00H03H四位分别代表电机1、电机2、报警和正常运行标志单元；用21H单位的08H和09H两位作为零件及包装箱计数标志单元。当计数值等于给定值时，则此两位标志单元置1，否则为0。微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计一旦此标志单

41、元为1，则停止计数，把装满的包装箱运走并重新运来一个空箱；若包装箱数已够，则重新开始下一轮包装生产控制过程。如果计数单元超过给定值，将产生报警，告知操作人员计数有误，此时系统会自动停下来，等待操作人员处理。该系统内存单元分配如图10.15所示。 微机控制技术图图10.13 10.13 包装控制系统主程序框图包装控制系统主程序框图图图10.14 输入给定值中断服务程序输入给定值中断服务程序微机控制技术图图10.15 系统内存单元分配系统内存单元分配微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计ORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0LED1 EQU22H；零件

42、计数单元（百位）LED2EQU23H；（十位）LED3EQU24H；（个位）BOX1EQU25H；包装箱计数单元（百位）BOX2EQU26H；（十位）BOX3EQU27H；（个位）BOXES EQU28H；包装箱给定值首地址根据图根据图10.1110.11图图10.1310.13所示可编写出该系统控制程序如下：所示可编写出该系统控制程序如下：微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计PARTS： EQU2BH；零件给定值首地址PRECNTEQU2EH；给定值次数计数单元LEDADD1EQU8400H；百位数显示位地址LEDADD2EQU8800H；十位数显示位地址LEDADD3EQU8

43、C00H；个位数显示位地址BUFF EQU2FH；缓冲单元 ORG 0100H；控制主程序微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计MAIN：MOV SP，#50H；设堆栈指针 MOV R0，#22H；8031数据区首地址 MOV A，#00HMOV R1，#0DH ；计数器初值CLRZERO:MOV R0，A；清计数、给定值单元INC R0DJNZ R1，CLRZERO MOV 20H，#00H；清控制单元MOV21H，#00HMOV DPTR，#8003H；8255初始化微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计MOV A，#98H；8255控制字MOVX DPTR，ASE

44、TBIT0；设置边沿触发方式SETBEX0；设置中断方式0SETBEA；开中断MOV R0，#BOXES MOV DPTR，#LEDADD1 ；保护显示位地址PUSH DPHPUSH DPL微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计WAIT：MOV A，PRECNT ；等待设置给定参数 CJNE A，#06H，WAIT；判是否输入完给定值 WORK：SETB 00H；设置启动传送带电机位SETB03H；设置工作正常指示灯位MOV A，20H ；启动电机1和正常指示灯MOV DPTR，#8002HMOVX DPTR，A微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计LOOP1：MOVX

45、 A，DPTRJNBACC7，LOOP1 ；判包装箱是否到位MOV LED1，#00H；清零件计数单元MOV LED2，#00H MOV LED3，#00HLCALL DISPLAY ；显示零件数 CLR 00H；停包装箱传送带电机位SETB01H；设置启动零件传送电机位MOV A，20H；启动零件传送电机MOV DPTR，#8002HMOVX DPTR，A微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计LOOP2：MOVDPTR，#8002H MOVX A，DPTR JNBACC6，LOOP2；判是否有零件 JNBACC4，STOP ；判是否按下停止键 LCALLPARTADD1；零件加1

46、 LCALLDISPLAY ；显示已装入的零件数 LCALLPARTCOMP；与给定值比较 JB08H，STOPM ；已装满 AJMPLOOP2 ；未装满，继续等待装入 微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计STOPM：LCALLBOXADD1；包装箱数加1LCALL BOXCOMP；看是否已装够箱数JB09H，FINISH ；如果箱数已装够，则结束LJMP WORK；否则将继续换新箱包装FINISH ：CLR 00H；全装完，不用重新设参数， ；即可继续包装 CLR01HMOV A，20HMOVX DPTR，AMOV BOX1，#00H；包装箱计数单元清零MOV BOX2，#00

47、HMOV BOX3，#00H微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计LOOP3：MOV DPTR，#8002H ；判是否重新启动MOVX A，DPTRJBACC5，LOOP3LJMP WORK；再进行下一轮包装；停止键处理程序STOP：CLR00H；停传送带电机CLR01HMOV A，20HMOVX DPTR，ALJMP MAIN；转到主程序，等待重新输入新的 ；给定值微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计；中断服务子程序，设置给定值INT0：MOV DPTR，#8000H；读入给定值MOVX A，DPTRMOV R0，AMOV DPTR，#8001H ；送8255 B口

48、MOVX DPTR，A POP2FH；保护断点POP30HPOPDPL；取出显示位地址POPDPHMOVX DPTR，A ；显示给定值微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计MOV A，DPHADDA，#04H；求下一个显示位地址MOV DPH，APUSH DPH；保护下一位显示地址PUSH DPLPUSH 30H；恢复断点PUSH 2FHINCR0；计算下一给定值地址INCPRECNT；设置参数计数RETI微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计；显示零件数子程序DISPLAY：MOV A，LED1 ；取百位数MOV DPTR，#SEGTBLMOVCA，A+DPTR ；取

49、显示码MOV DPTR，#8001H ；送显示数据到B口MOVXDPTR，AMOV DPTR，#LEDADD1 ；显示百位MOVXDPTR，AMOV A，LED2；取十位数MOV DPTR，#SEGTBLMOVC A，A+DPTRMOVDPTR，#8001H微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计MOVXDPTR，AMOV DPTR，#LEDADD2 ；显示十位MOVXDPTR，A MOV A，LED3；取个位数MOV DPTR，#SEGTBLMOVC A，A+DPTRMOV DPTR，#8001HMOVX DPTR，AMOV DPTR，#LEDADD3；显示个位MOVXDPTR，A

50、RET微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计SEGTBL: DB3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH， 7DH，07H，7FH，67HMOV R0，#LED3PARTADD1：MOV R0，#LED3；零件数加1子程序MOV A，R0ADDA，#01HDAAJB24H，ADD2MOV R0，ARET微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计ADD2：CLR24HDECR0MOVA，R0ADDA，#01HDAA MOV R0，AJB1CH,ADD3RETADD3：CLR1CHDECR0MOVA，R0ADDA，#01HDAAMOV R0，AJB14H,ADD4RET微

51、机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计ADD4：CLR 14HMOV R0，#00HRET；零件数比较子程序PARTCOMP：MOVR0，#PARTS；给定零件数地址MOV R1，#LED1；零件计数单元首地址MOV R2，#03HCOMP1：MOV A，R0MOV BUFF，R1 CJNE A，BUFF，COMP2INC R0INC R1DJNZ R2，COMP1微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计SETB08H；已装满，置装满标志RETCOMP3： CLR08HRETCOMP2： JNCCOMP3LJMPALARM；包装箱计数比较子程序BOXCOMP：RET；（略）

52、；包装箱加1子程序BOXADD1：RET；（略）；报警处理子程序微机控制技术10.2.3 控制系统软统软件设计设计ALARM：SETB02HCLR00HCLR01HCLR03HMOV A，20HMOV DPTR，#8002HMOVXDPTR，ALJMP MAIN微机控制技术10.3 智能型FR1151压压力变变送器本项目是作者研发的天津市自然科学基金项目，并获得国家发明专利，专利号为199311. 本发明的最大亮点是把压力直接转换成数字信号送到单片机处理。从而省掉价值昂贵的A/D转换器。10.3 智能型FR1151压压力变变送器10.3.1 FR115110.3.1 FR1151压力变送器的组

53、成原理压力变送器的组成原理10.3.2 FFR115110.3.2 FFR1151系统的硬件设计系统的硬件设计10.3.3 FFR115110.3.3 FFR1151系统的软件设计系统的软件设计10.3.1 FR1151压力变送器的组成原理图图10.16 10.16 FR1151FR1151压压力变速器原力变速器原理框图理框图 10.3.1 FR1151压力变送器的组成原理1.数据采集 压力变化电容C1的变化 多谐振荡电路充、放电时间（T) 频率(f) 将方波(f)送入单片机89C51的T0计数器，利用89C51中T1作为定时器。当被测的脉冲上升沿来临时，T0开始计数，同时T1定时开始。当T1

54、时间到时，T0停止计数，然后由微型机读取计数器记录时钟脉冲，求得t时间内所记录的脉冲的个数N，再根据标度变换公式求出压力值P(C)。 10.3.1 FR1151压力变送器的组成原理2.其他电路（1）LCD 显示压力变送器的工作状态和量程。（2）E2PROM 外部数据存储器。使用的是I2C总线 串行E2PROM 24C01。（3）D/A转化器 输出420mA的电流输出 ，串行 输入。 （4）键盘可代替RF1151的手操器，用来在现场完成量程的设置与操作。 10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计 1多谐振荡器 10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计10.3.2 FFR1151系

55、统统的硬件设计设计 由图10.18的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间T2各为2lnln21211CRRVVVVCRRTTCCTCC2ln22121CRRTTT故电路的振荡周期为故电路的振荡周期为10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计2ln00ln222CRVVCRTTT2ln21121CRRTf振荡频率为振荡频率为 : :两两10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计组实验组实验: 图10.19 C1与C2与f变化曲线 （1 1）判断）判断C2C2带带来的频率来的频率f f的变的变化大于化大于C1C1。 10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计（2）将R2设计为一

56、滑线变阻器，确定一个最佳的R2，使得f的变化范围最大。如图10.20所示。 10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计基准频率 f0 的大小直接影响到量程频率的变化范围， （1）f0 越大，其频率的变化范围也大。 （2）当f0 =110KHz ，变化范围810K。 （3）单片机计数器的计数误差小于1Hz,由此可计算出这种数字传感器的精度可达0.0001250.0001。 10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计2LCD显示电路 （1）HD61202简介 HD61202是一种带有列驱动输出的液晶显示控制器，它可以与行驱动器HD61203配合使用，组成液晶显示驱动控制系统。 （2）M

57、GLS-12864液晶模块电路特点 在MGLS-12864中，两片HD61202的ADC均接高电平，RST也接高电平。/CSA，/CSB=01时选通号片；/CSA，/CSB=10时选通号片。 10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计 （3）MGLS-12864与8051系列CPU的连接10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计3键盘接口电路 （1 1） K1K1加加1 1键键（2 2） K2K2减减1 1键键（3 3） K3K3确认键确认键图图10.23 键盘处理流程图键盘处理流程图 10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计 图10.24 显示的6幅画面10.3.2 FF

58、R1151系统统的硬件设计设计4D/AD/A转换电路转换电路 （1）采用12位串行D/A转换器MAX5352 （2）MAX5253是一个输出电压的数字/模拟转换器（3）最后输出为420mA 电流GainNBVVrefout*4096/*10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计 图10.25 D/A转换原理电路图 接接单单片机，片机，模模拟拟SPISPI总线总线电压电流转电压电流转换器换器 接接执执行机行机构构10.3.2 FFR1151系统统的硬件设计设计5数据存储模块数据存储模块（1 1）采用一片采用一片24C0224C02串行串行E2PROME2PROM存储器存储器 。（2）采用的

59、是模拟I2C总线技术。 A0A0，A1A1，A2A2全全部接部接VccVcc，故故该从该从器件的器件的地址地址为为111 111 模拟模拟I2CI2C总线总线P1.6 SCLP1.6 SCLP1.5-SDA P1.5-SDA 10.3.3 FR1151系统统的软软件设计设计本系统软件采用模块化结构，根据功能划分为7个模块。它们是：主程序模块压力脉冲自动采集模块；量程的自动选择及线性化处理模块；键盘处理模块；显示模块；D/A转换模块。数据存储模块10.3.3 FR1151系统统的软软件设计设计1主程序模块10.3.3 FR1151系统统的软软件设计设计2键盘处理模块只有三个键，但功能很强。采用中

60、断处理方法。（2）键盘中断子程序10.3.3 FR1151系统统的软软件设计设计 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003HLJMP KEYBOARD ；键盘中断入口MAIN ： ；主程序KEYBOARD: CLR EX0 ；关中断 CLR EA MOV A,#0FFh MOV P1,A ；将P1口置成输入方式 MOV A,P1 ；读p1值 ANL A,#07H CJNE A,#07H,ABBB LJMP FINISH10.3.3 FR1151系统统的软软件设计设计ABBB: MOV 20H,A MOV R0,#0FFh ；延时10mS，去抖再读DL1: MOV R1,#0FF