机电一体化计算机接口设计要求

1、机电一体化计算机接口设计要求4.1 概述机电一体化系统中，计算机担负着信息处理，指挥整个系统运行等任务。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此计算机技术已成为机电一体化技术发展和变革最活跃的因素之一。4.1.1 计算机控制系统的组成及特点1. 计算机控制系统的控制特点2. 计算机控制系统的组成（1）硬件组成计算机控制系统的硬件主要由主机、外围设备、过程输入输出设备、人机联系设备和通信设备等组成。可编程控制器（PLC）、单回路调节器、总线式工业控制机、单片微计算机和分散计算机控制系统等。（2）软件组成软件1）系统软件 2）应用软件4.1.2 计算机的过程输入输出通道1.3

2、过程通道接口设计应考虑的问题（1）控制信息的传递路径 根据控制的任务在众多的信息源中进行选择，以确定该信息传送的路径和目的地。（2）控制信息传送的顺序 计算机控制的过程就是执行程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据控制程序的要求，适时地发出一组有序的门控信号。1）触发方式有序的门控信号的主要作用就是严格遵循系统工作时序要求，适时对系统中某个或某些特定部件发出开启或关闭（触发）信号，这必然涉及同步触发和异步触发的方式。所谓同步触发是指系统的许多相关部件或功能块在同一门控信号作用下完成要求的操作，例如系统的复位信号就是确保系统中各相关部件或功能块回到初始状态的同步信号。异步触发则指各相关部

3、件或功能块不需在同一信号控制下完成自己的操作。接口电路中的各相关部件或功能块，其内部各单元在外部的同步信号作用下，要完成许多操作，这些操作可以是同步的，也可以是异步的，但必须要满足时序要求。因此计算机控制系统是一种复合的触发方式，在同步触发中隐含异步触发，在异步触发中隐含同步触发，但其触发方式和触发时机必须遵循系统的工作时序。2）时序 控制逻辑的结构有组合控制逻辑与存储控制逻辑两种类型，不管哪种类型都要严格遵守规定的操作步骤，每一个操作步骤又都是在一组有序的控制信号驱动下实现的。所以接口电路设计，首先要根据系统运行的要求标出每个控制信号发生的时间顺序和相互之间的时间差，以及与系统时钟的关系，画

4、出时序图，然后根据时序图来确定逻辑电路结构。3）负载能力一旦控制逻辑确定后，系统能否可靠运行与器件的选择关系密切，器件的选择除了要考虑电平的摆幅、数值、延时外，还应考虑器件所带负载是否匹配。4.2 机电系统控制微机的选择机电一体化技术是与元器件技术紧密结合发展起来的综合技术，特别是计算机技术的每一最新进展，都在机电一体化产品上烙上了当时计算机发展水平的时代烙印。初期的微机控制功能大多由单板机实现，后来随着 PC 机功能的增强，价格下降，出现了由 PC 机扩展而成的微机控制系统，为了改进普通 PC 机在工业环境下的适应性，出现了工业 PC 机，同时发展起了可靠性较高的 STD 总线系统。为了替代

5、传统的继电逻辑器件，发展起来了工业可编程控制器（PLC）。随着半导体器件集成度的提高，集成有 CPU 和基本外围接口电路的单片机也发展起来了，成为当前在机电一体化产品中应用最广的微机芯片。4.2 机电系统控制微机的选择1. 单板机和单片微机控制系统单板机控制系统出现较早，结构简单，价格低廉。但因其硬件配置不规范，通常需要自行搭制系统和扩展接口，软件的编写大多限制于用汇编语言进行，软件编程效率低，因此软硬件的制作工作量较大，开发过程中的操作和调试都比较困难，只宜于自行开发简单的控制系统。8 位单片机在降低功耗的同时具有更高的速度，集成有先进的模拟接口和数字信号处理器，电源功能也更加灵巧，许多与早

6、期结构的单片机软件兼容，但性能提高了几倍的新型微控制器已相继问世，以使 8 位单片机能够适合于各种应用。2. 普通 PC 机组成的控制系统打印机接口等一套完整的外围设备，若利用这类微机系统的标准总线与接口进行系统扩展，只需增加少量接口电路，就可以组成功能齐全的测控系统，而且在实际应用中有多种商品化的接口板成品可供选用。由 PC 机组成的控制系统基本上是利用了 PC 机原有的系统资源，但由于PC 机本来是主要设计用作办公自动化用途的，所以对其操作环境有一定的限制，当用做在工业现场使用的微机控制系统时，对于强电磁干扰、电源干扰、振动冲击、工业油雾气氛等必须采取防范措施。因此，PC 机宜用于组成数据

7、采集处理系统、多点模拟量控制系统或其他工作环境较好的微机控制系统，或者把 PC机选作分散控制系统中的上位机，远离恶劣环境对下位机进行监控。3. 工业 PC 控制机为了克服普通 PC 机环境适应性、抗干扰性差的弱点，发展起了结构经过加固、元器件经过严格筛选、接插件结合部经过强化设计、有良好抗干扰性、工作可靠性高并且保留了 PC 机的总线及接口标准以及其他优点的一类微型计算机，称为工业 PC 控制机。通常各种工业 PC 控制机都备有种类齐全的 PC 总线接口模板，包括：数字量 I/O 板，模拟量 A /D、D /A 板，模拟量输入多路转换板，定时器、计数器板，专用控制板，通信板以及存储器板等，为设

8、计制作微机控制系统提供了极大的方便。3. 工业 PC 控制机采用工业 PC 控制机组成控制系统，一般不需要自行开发硬件，软件通常都与选用的接口模板相配套，接口程序可根据随接口板提供的示范程序非常方便地编制完成。由于工业 PC 控制机选用的微处理器及元器件的档次较高，结构经过强化处理，由其组成的控制系统的性能远远高于单板机、单片机以及普通PC 机所组成的控制系统，但系统的成本也比较高，宜用于需进行大量数据处理、可靠性要求高的大型工业测控系统。Industrial PC IPC防尘与保证运行安全的带锁门电源、硬盘及键盘的状态指示灯RESET键、KEYBOARD-LOCK键带可拆卸空气过滤器的面板双

9、冷却风扇建立空气正压力，经过滤的空气在机箱内流通300W工业开关电源可拆卸式光驱、软驱框架防震的可调节夹钳用于安装特殊连接器或扩展电缆的面板加固型金属机箱14槽PC总线底版电源on/off键4. STD 总线控制系统STD 总线是工业控制领域的一种标准总线，组成系统时主体为积木式结构，各种功能模板采用统一的标准尺寸，具有机械强度高、抗振能力强、互换性好等特点，使用灵活方便，系统的可靠性高，宜在恶劣的工业环境中工作。5. 可编程控制器可编程控制器（简称 PLC）是在继电器逻辑控制系统基础上，利用微处理器技术发展起来的既有逻辑控制、计时、计数、分支程序、子程序等顺序控制功能，又能完成数字运算、数据

10、处理、模拟量调节、操作显示、联网通信等功能的新型工业控制器。可编程序控制器体积小、抗干扰能力强、运行可靠，可以直接装入强电动力箱内使用，并且功能齐全、运算能力强、编程简单直观，目前在工业控制过程中正逐步取代传统的继电器逻辑控制系统、模拟控制系统以及用小型机实现的直接数字控制系统。PLC 电源模块CPU模块IO模块底 板选择微机类型时，应注意的因素微机的字长和运算速度是否满足计算精度及实时性的要求，指令系统的功能是否丰富，特别是输入输出控制指令更应丰富，应具备较完善的中断系统、良好的人机对话能力以及计数与定时功能，最后还应根据经济性进行全面平衡，求得较好的性能价格比。4.3 过程输入通道接口设计

11、3.1 过程输入通道接口的任务与特点在一个机电一体化产品中，控制微机要对机械装置进行有效控制，使其按预定的规律运行，完成预定的任务，就必须随时对机械系统的运行状态进行监控，随时检测各种工作和运行参数，如位置、速度、转矩、压力、温度等。因此进行系统设计时，必须选用相应传感器将这些物理量转换为电量，再经过信息采集接口的整形、放大、匹配、转换，变成微机可以接受的信号传递给微机。4.3.2 模拟输入通道1. 模拟输入通道的结构（1）模拟输入通道的结构模拟量输入通道的任务是对过程量（即模拟量）进行变换、放大、采样和模 /数转换，使其变为二进制数字量并输入到计算机。（2）设计时应考虑的问题模拟量输入通道是

12、计算机控制系统的信号采集通道，从信号的传感、变换到计算机输入，都必须考虑。1）信号的拾取方式模拟输入通道中，首先要将外界非电参量，如温度、压力、速度、位移等物理量转换为电量，这个环节可采用敏感元件、传感器或测量仪器来实现。目前应用在现场的调节测量仪表已系列化，它一般采用标准化输出信号，如电压信号为 0 5 V、5 V、0 10 V、2.5 V 等范围，而电流信号则为 4 20mA、0 10 mA 等范围，它们经适当处理（如 I/V 变换、滤波）后可直接与 A /D 电路相连。2）信号的调节在模拟量输入通道中，信号调节的任务是将传感器信号转换成满足 A /D 电路要求的电平信号。在一般测量系统中

13、，信号调节的任务比较复杂，除小信号放大、滤波外，还应有零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等信号处理电路。目前部分信号处理工作可由计算机软件完成，从而使信号处理电路得以简化。3）模 /数转换方式的选择模拟量输入通道的模 /数转换方式有 A /D 转换电路和 V /F 变换方式，V /F 变换方式将信号电压变换为频率量，由计算机或计数电路计数来实现模拟量转化为数字量。A /D 转换电路一般采用专用的转换芯片，选择时应从转换精度、转换速度及系统成本等方面综合考虑。4）电源配置信号拾取时，要考虑对传感器的供电，对于不同的信号调节电路中的芯片，一般会提出对电源的要求，必须很好地解决电源问

14、题。模拟输入通道与生产现场联系较紧，而且传感器输出信号较弱，电源配置时要充分考虑干扰的隔离与抑制。5）抗干扰措施由于传感器拾取的信号来自生产现场，受干扰的因素很多，在设计过程中应采用可靠的抗干扰措施，如隔离、滤波等。2. 模拟多路转换器及其与 CPU 的接口模拟多路转换器又称多路开关。在分时检测时，利用多路开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或 A /D 转换器上。为了提高过程参数的检测精度，对多路开关提出了较高的要求，例如接通电阻要很小、开路电阻要很大、切换速度要快、寿命长、工作可靠等。（1）多路转换开关的类型多路开关有两类：一类是机械触点式，如干簧继电器、水银继电器和机械振子

15、式继电器；另一类是电子式开关，如晶体管、场效应管及集成电路开关等。（2）多路转换开关的连接方式1）单端接法将所有输入信号源一端接至同一个信号地。然后将信号地与模拟地相连。这种接法抑制共模干扰能力较弱，适合于高电平信号场合。2）差分接法 模拟量双端输入、双端输出接到放大器上，这种接法的共模干扰抑制能力强，一般用于低电平输入、现场干扰较严重、信号源和多路开关距离较远的场合，或者输入信号有各自独立的参考电压的场合。3）伪差分接法 和单端接法不同点是模拟地和信号地接成一点，而且应该是所有信号的真正地，也是各输入信号唯一参考地，这种方法可抑制信号源和多路开关所具有的共模干扰，适用于信号源距离较近的场合。

16、（3）集成多路转换器常用的 CMOS 集成多路转换器有单端和差分两种类型，一般情况下，它们分别用于单端接法和差分接法应用场合。单端集成多路转换器有 16 通道和 8 通道两种芯片，典型 16 通道芯片有AD7506、MAX306、DG406 等，典 型 8 通 道 芯 片 有 AD7501、MAX354、CD4051、DG408 等。差分集成多路转换器也有 4 通道和 8 通道两种。典型 8 通道差分多路转换器有 AD7510、MAX307、DG407 等。（4）集成多路转换器与单片机 8031 的接口3.采样保持器采样保持器又叫做采样保持放大器（SHA），它的原理如右 所示。它由模拟开关 S

17、、保持电容 C 和缓冲放大器组成。LF198 具有采样速度高，保持电压下降速度慢及精度高等特点。采用的电源电压为5 18 V，输入模拟电压最大等于电源电压。LF198 的模拟开关采用脉冲控制，逻辑控制输入端用于控制采样或保持，可与各种类型的控制信号和逻辑电平兼容。4. A /D 转换及与 CPU 的接口（2）ADC0809 接口设计ADC0809 是一种 8 路模拟输入、8 位数字输出的逐次比较式 A /D 转换器。1）主要技术性能精度：0.4% ；量程：0 5 V；转换速度：100 s/次（典型值）；时钟范围：50 800 kHz（典型值 640 kHz)4.3.3 开关（数字）量输入通道1

18、. 开关量输入通道的结构形式2. 开关量形式及变换过程开关量（数字量）大致可分为三种形式：机械有触点开关量、电子无触点开关量和非电量开关量。不同的开关量要采用不同的变换方法。典型的开关量输入通道通常由以下几部分组成：1）信号变换器 将过程的非电量开关量转换为电压或电流的双值逻辑值。2）整形电路 将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或其信号前后沿不合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波或矩形波，而后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。3）电平变换电路 将输入的双值逻辑电平转换为与 CPU 兼容的逻辑电平。4）总线缓冲区 暂存数字量信息并实现与 CPU 数据总线的连接。5）接口电路 协调通道

19、的同步工作，向 CPU 传递状态信息并控制开关量到 CPU 的输入。（1）机械有触点开关量（2）无触点开关量通过采用磁、光、声等方式反映过程状态，在许多控制领域中得到广泛应用。这种非电量开关量（数字量）需要通过电量转换后才能以电的形式输出。实现非电量开关量（数字量）的信号变换电路由非电量 /电量变换、放大（或检波）电路、光电隔离电路等组成。非电量 /电量变换一般采用磁敏、光敏、声敏等元件，它将磁、光、声的变化以电压或电流形式输出。由于敏感元件输出信号较弱，输出电信号不一定是逻辑量（例如可能是交流电压），因此对信号要进行放大和检波后才能变成具有一定驱动能力的逻辑电信号。隔离电路根据控制系统工作环

20、境及信号拾取方式决定是否采用。对于精度和稳定性要求较高的使用场合，可考虑采用精密仪器或传感器（例如磁性编码器、光学编码器、感应同步器等）。3. 整形与电平变换各种过程开关量经信号变换后转换成逻辑电信号或脉冲信号，但这种信号在脉冲宽度、脉冲波形形状、脉冲前后沿陡度及信号电平可能不很理想，通常需进行波形整形及电平变换才能输入到计算机。4. 开关量输入通道与 CPU 的接口根据计算机控制系统的功能要求，CPU 对开关量输入信号的处理形式主要有三种：开关状态检测、脉宽测量和脉冲计数。（1）开关状态检测及其接口开关状态检测是指计算机在适当时刻将外部开关量的状态读入到计算机。 （2）脉宽测量接口电路脉宽测

21、量指对开关量输入的某个状态（“1”或“0”）的持续时间进行测量。对于单片机，可利用定时器及外部中断来测量脉冲宽度。（3）脉冲计数脉冲计数通常用来测量单位时间内的脉冲数，主要用于测频率、测转速或用于 V/f方式的 A /D 转换。4.4 过程输出通道接口设计1 过程输出通道接口的任务与特点控制微机通过信息采集接口检测机械系统的状态，经过运算处理，发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大，驱动执行元件去调节机械系统的运行状态，使其按设计要求运行。根据执行元件的需要不同控制接口的任务也不同，例如对于交流电动机变频调速器，控制信号为 0 5 V 电压或 4 20 mA 电流信号，则控制

22、输出接口必须进行数 /模转换；对于交流接触器等大功率执行件，必须进行功率驱动。由于机电系统中执行元件多为大功率设备，如电动机，电热器，电磁铁等，这些设备产生的电磁场、电源干扰往往会影响微机的正常工作，所以抗干扰设计同样是控制输出接口设计时应考虑的重要内容。2 模拟输出通道模拟量输出通道的任务是把微型机输出的数字量变换成模拟量，这个任务主要由 D /A 转换器来完成，对于模拟量输出通道，要求可靠性高，满足一定的精度，还必须具有保持的功能。1. 结构形式2. D /A 转换接口设计的一般性问题模拟量输出通道不论采用何种形式，都要取决于数 /模转换器和与 CPU 的接口。在 D /A 转换器接口设计

23、中，主要考虑的问题是 D /A 转换芯片的选择、数字量码的输入及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。（1）D /A 转换芯片的选择原则选择 D /A 转换芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足 D /A 转换的技术要求，在结构和应用特性上满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。D /A 转换器主要的特性1）数字输入特性 包括接收数码制、数据格式及逻辑电平等。D /A 转换器一般只能接收二进制数码，当输入数字代码为偏置码或补码等双极性数码时，应外接适当偏置电路才能实现。D /A 转换器一般采用并行码和串行码两种数据形式，采用的逻辑电平多为 TT

24、L 或低压 CMOS 电平。2）模拟量输出特性 指 D /A 转换器的输出电量特性（电压还是电流），多数 D /A 转换器采用电流输出。对于输出特性具有电流源性质的 D /A 转换器，用输出电压允许范围来表示由输出电路（包括简单电阻或运算放大器）造成输出电压的可变动范围，只要输出端电压在输出电压允许范围内，输出电流与输入数字间保持正确的转换关系，而与输出电压的大小无关，对于输出特性为非电流源特性的 D /A 转换器，无输出电压允许范围指标，电流输出端应保持公共端电流或虚地，否则将破坏其转换关系。3）锁存特性及转换控制 D /A 转换器对输入数字量是否具有锁存功能，将直接影响与 CPU 的接口设

25、计。若无锁存功能，通过 CPU 数据总线传送数字量时，必须外加锁存器。同时有些 D /A 转换器对锁存的数字量输入转换为模拟量要施加控制，即施加外部转换控制信号才能转换和输出，这种 D /A 转换器在分时控制多路 D /A 转换器时，可实现多路 D /A 转换的同步输出。4）参考源 参考电压源是影响输出结果的模拟参量，它是重要的接口电路。对于内部带有参考电压源的 D /A 转换芯片不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。MOV DPTR , #4200HMOV A , #DATAMOVX DPTR , A其它高位转换器就不再举例了。3 开关量输出通道1.结构形式2. 开关量输出通道与

26、 CPU 的接口1）对于单片机，由于本身带有具有锁存功能的 I/O 口，因此可以直接利用其 I/O 口作为输出而无需另加接口电路。例如利用 8031 的 P1 口作为输出。2）采用通用集成可编程 I/O 接口芯片、可编程芯片的最大特点，就是在不增加任何硬件的条件下，通过改变程序内容就可达到改变芯片功能的目的。可编程并行接口芯片一般有两个以上具有锁存或缓冲功能的数据端口，一个以上的控制寄存器和中断逻辑电路，因此使用非常方便。这类芯片主要有：8155、8255、Z80 -PIO 等。3）采用通用逻辑芯片：采用 TTL 或 CMOS 逻辑芯片实现。3. 功率接口技术计算机输出的数字量经锁存输出后，要

27、进行隔离和放大后加到执行机构上。开关量输出通道控制的执行机构大都属于脉冲型功率元件或开关型功率元件，不同的功率元件需要不同的功放电路。（1）直流电磁式继电器、接触器功率接口（2）交流电磁式接触器功率接口（3）晶闸管触发电路4.5 计算机控制机电系统的设计1 计算机控制机电系统的设计步骤1. 确定系统整体方案设计之前首先应该详细了解控制对象和控制要求，提出系统整体方案。主要包括：系统构成形式是采用开环控制还是闭环控制；执行机构是采用电机驱动还是液压驱动或其他方式的驱动；微机在整个控制系统中的作用是计算、直接控制还是数据处理。通过考虑这些整体方案画出系统组成框图，以此作为进一步设计的依据。2. 建

28、立数学模型，确定控制算法对任何一个具体的控制系统的设计，首先应建立该系统的数学模型。数学模型是系统动态特性的数学表达式，它反映了系统输入、内部状态和输出之间的关系，它为计算机进行计算处理提供了依据，由它推出控制算法。控制算法正确与否直接影响控制系统的品质，因此正确地确定控制算法是系统设计中的重要工作之一。3. 选择微处理器和外围接口选择微处理器和外围接口时，一般应考虑以下几点：（1）字长微处理器的字长定义为并行数据总线的线数，字长越长，精度越高，但价格相应提高。2）速度运算速度直接影响系统快速性，若系统要求响应快，就必须选择速度高的计算机。（3）内存容量内存容量取决于控制算法的复杂程度。若控制

29、算法复杂，计算量大，所需处理的数据多，就要选择内存容量大的计算机。（4）中断能力计算机控制系统的中断能力，不仅解决主机与外设并行交换信息，而且解决故障处理、多机连接等，因而要选择中断能力强的计算机。（5）外围接口主要考虑 A /D 和 D /A 的转换精度问题。A /D 和 D /A 转换器位数越多，精度越高，但价格相应提高。4. 系统总体设计（1）估计内存存储容量，进行内存分配（2）过程通道和中断处理方式的确定（3）系统总线的选择系统总线的选择对通用性很有意义，应尽可能采用标准总线，同时应着重考虑总线的性能及负载能力。5. 硬件设计硬件设计的任务是：1）根据系统的总体框图，设计出系统电气原理

30、图。2）按照电气原理图着手元件的选购和开始设计工作。硬件设计过程中，对器件应加以选择和筛选，在布线和安排时，要注意制作技术和装配技术，以免电气干扰。6. 软件设计软件设计是微机控制系统设计的重要内容之一。微型计算机控制系统中的软件分成系统软件和应用软件两大部分。系统软件是为用户使用、维护、管理微型计算机提供方便的各种程序的总称。应用软件是用户为完成特定功能而编写的各种程序的总称。7. 系统联调在软件和硬件分别调试通过后，就要对系统进行联调。它分为在实验室模拟装置上调试和工业生产现场进行试验两个过程，在试验中不断完善，最后调试出一个性能良好的控制系统。一、硬件系统的设计单片机应用系统的设计可划分

31、为两部分: 一部分是与单片机直接接口的数字电路范围的电路芯片的设计。如存储器和并行接口的扩展, 定时系统、中断系统扩展, 一般的外部设备的接口, 甚至于A/D、 D/A芯片的接口。另一部分是与模拟电路相关的电路设计, 包括信号整形、变换、隔离和选用传感器; 输出通道中的隔离和驱动以及执行元件的选用。(1)从应用系统的总线观念出发, 各局部系统和通道接口设计与单片机要做到全局一盘棋。例如, 芯片间的时间是否匹配, 电平是否兼容, 能否实现总线隔离缓冲等, 避免“拼盘”战术。 (2)尽可能选用符合单片机用法的典型电路。 (3)尽可能采用新技术, 选用新的元件及芯片。 (4)抗干扰设计是硬件设计的重

32、要内容, 如看门狗电路、 去耦滤波、通道隔离、合理的印制板布线等。 (5)当系统扩展的各类接口芯片较多时, 要充分考虑到总线驱动能力。当负载超过允许范围时, 为了保证系统可靠工作, 必须加总线驱动器。(6)可用印制板辅助设计软件, 如PROTEL 进行印制板的设计。二、应用软件设计(1)采用模块程序设计。(2) 采用自顶向下的程序设计。 (3) 外部设备和外部事件尽量采用中断方式与CPU联络, 这样, 既便于系统模块化, 也可提高程序效率。 (4) 近几年推出的单片机开发系统, 有些是支持高级语言的, 如C51与PL/M96的编程和在线跟踪调试。 (5) 目前已有一些实用子程序发表, 程序设计

33、时可适当使用, 其中包括运行子程序和控制算法程序等。 (6)系统的软件设计应充分考虑到软件抗干扰措施。三、应用系统开发步骤1. 确定设计方案(1) 了解用户的需求, 确定设计规模和总体框架。(2) 摸清软硬件技术难度, 明确技术主攻问题。 (3) 针对主攻问题开展调研工作, 查找中外有关资料, 确定初步方案。 (4) 单片机应用开发技术是软硬件结合的技术, 方案设计要权衡任务的软硬件分工。有时硬件设计会影响到软件程序结构。 如果系统中增加某个硬件接口芯片, 而给系统程序的模块化带来了可能和方便, 那么这个硬件开销是值得的。在无碍大局的情况下, 以软件代替硬件正是计算机技术的长处。 (5) 尽量

34、采纳可借鉴的成熟技术, 减少重复性劳动。2硬件设计（1）单片机电路设计（2）扩展电路和输入/输出通道设计（3）控制面板设计3软件设计 采用模块化程序设计、自顶向下的程序设计方法。4软硬件调试 (1) 程序的录入、 编辑和交叉汇编功能。 (2) 提供仿真RAM、仿真单片机。 (3) 支持用户汇编语言（有的同时支持高级语言）源文件跟踪调试。 (4) 目前一般的开发装置都有与通用微机的连机接口, 可以利用微机环境进行调试。 (5) EPROM的写入功能。5EPROM固化所有开发装置调试通过的程序, 最终要脱机运行, 即将仿真ROM中运行的程序固化到EPROM脱机运行。但在开发装置上运行正常的程序,

35、固化后脱机运行并不一定同样正常。若脱机运行有问题, 需分析原因, 如是否总线驱动功能不够, 或是对接口芯片操作的时间不匹配等。经修改的程序需再次写入。 应用系统设计实例单片机温度控制系统1 技术指标 烘干箱的具体指标如下： (1) 烘干箱由2 kW电炉加热，最高温度为500。 (2) 烘干箱温度可预置，烘干过程恒温控制，温度控制误差2。 (3) 预置时显示设定温度，烘干时显示实时温度，显示精确到1。 (4) 温度超出预置温度5时发声报警。 (5) 对升降温过程的线性没有要求。 2 控制方案 产品的工艺不同，控制温度的精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就温度控制系统的动态特性来讲，基本上都

36、是具有纯滞后的一阶环节，当系统精度及温控的线性性能要求较高时，多采用PID算法或达林顿算法来实现温度控制。 本系统是一个典型的闭环控制系统。从技术指标可以看出，系统对控制精度的要求不高，对升降温过程的线性也没有要求，因此，系统采用最简单的通断控制方式，即当烘干箱温度达到设定值时断开加热电炉，当温度降到低于某值时接通电炉开始加热，从而保持恒温控制。 3 硬件设计 系统的硬件电路包括主机、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示/报警）4个主要部分。图为系统的结构框图，图为系统的硬件电路原理图。 下面对各部分电路分述如下。 1) 主机 由于系统控制方案简单，数据量也不大，因此选用8031作为控制系

37、统的核心，外扩EPROM2764作为程序存储器。也可视具体情况换用8051、8052、8751、8752、80C51、89C51、89C52等。其中，8051、8052、8751、8752的各个引脚输入/输出电平只与TTL电平兼容；89C51、89C52、80C51各引脚输入/输出电平既与TTL电平兼容，也与CMOS电平兼容。图 电烤箱控制系统结构框图 电烤箱控制系统硬件电路原理图 8031的晶振频率为6 MHz。 2) 温度检测 这部分包括温度传感器、变送器和A/D转换三部分。 温度传感器和变送器的类型选择与被控温度的范围及精度等级有关。型号为WZB003，分度号为BA2的铂热电阻适用于05

38、00的温度测量范围，可以满足本系统的要求。 变送器将电阻信号转换成与温度成正比的电压，当温度在0500时变送器输出04.9 V左右的电压。 A/D转换器件的选择主要取决于温度的控制精度。本系统要求温度控制误差2，采用8位A/D转换器，其最大量化误差为=，完全能够满足精度要求。这里我们采用ADC0809作为A/D转换器。电路设计好后，调整变送器的输出，使 0500的温度变化对应于04.9 V的输出，则A/D转换对应的数字量为00HFAH，即0250，则转换结果乘以2正好是温度值。用这种方法一方面可以减少标度转换的工作量，另一方面还可以避免标度转换带来的计算误差。 3) 温度控制 电炉控制采用可控

39、硅来实现，双向可控硅和电炉电阻丝串接在交流220 V市电回路中。单片机的口通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，由口的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。 4) 人机对话 这部分包括键盘、显示和报警三部分电路。 本系统设有3位LED数码显示器，停止加热时显示设定温度，启动加热时显示当前烤箱温度。采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。 为使系统简单紧凑，键盘只设置4个功能键，分别是启动、“百位+”、“十位+”和“个位+”键，由P1口低4位作为键盘接口。利用+1按键可以分别对预置温度的百位、十位和个位进行加1设置，并在LED上显示当前设置值。连续按动相应位

40、的加1键即可实现0500的温度设置。 报警功能由蜂鸣器实现。当由于意外因素导致烤箱温度高于设置温度时，口送出的低电平经反向器驱动蜂鸣器鸣叫报警。 5) 其它可扩展电路 对于要求更高的系统，在现有电路的基础上，读者还可以视需要自行扩展以下接口电路： (1) 实时时钟电路：连接实时时钟芯片DS12887可以获得长的采样周期，显示年、月、日、时、分、秒，而其片内带有的114 B非易失性RAM，可用来存入需长期保存但有时也需变更的数据。如采样周期、PID控制算法的系数KP、KI、KD等。 (2) “看门狗”电路：连接集成监控芯片MAX705可实现对主电源VCC的监控，提高系统的可靠性。 4 软件设计

41、1. 工作流程 烤箱在上电复位后先处于停止加热状态，这时可以用“+1”键设定预置温度，显示器显示预定温度；温度设定好后就可以按启动键启动系统工作了。温度检测系统不断定时检测当前温度，并送往显示器显示，达到预定值后停止加热并显示当前温度；当温度下降到下限（比预定值低2）时再启动加热。这样不断重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。启动后不能再修改预置温度，必须按复位/停止键回到停止加热状态再重新设定预置温度。 2. 功能模块 根据上面对工作流程的分析，系统软件可以分为以下几个功能模块： (1) 键盘管理：监测键盘输入，接收温度预置，启动系统工作。 (2) 显示：显示设置温度及当前温度。 (3

42、) 温度检测及温度值变换：完成A/D转换及数字滤波。 (4) 温度控制：根据检测到的温度控制电炉工作。 (5) 报警：当预置温度或当前炉温越限时报警。 3. 资源分配 为了便于阅读程序，首先给出单片机资源分配情况。数据存储器的分配与定义见表。表 温度控制软件数据存储器分配表地址功能名称初始化值50H51H当前检测温度，高位在前TEMP1TEMP000H52H53H预置温度，高位在前ST1ST000H54H56HBCD码显示缓冲区，百位、十位、个位T100，T10，T00H57H58H二进制显示缓冲区，高位在前BT1，BT000H59H7FH堆栈区PSW.5报警允许标志F0=0时禁止报警；F0=

43、1时允许报警F00 程序存储器：EPROM2764的地址范围为0000H1FFFH I/O口：P1.0P1.3键盘输入；、P1.7报警控制和电炉控制。 A/D转换器0809：通道0通道7的地址为7FF8H7FFFH，使用通道0。 4. 功能软件设计 1) 键盘管理模块 上电或复位后系统处于键盘管理状态，其功能是监测键盘输入，接收温度预置和启动键。程序设有预置温度合法检测报警，当预置温度超过500时会报警并将温度设定在500。键盘管理子程序流程图如图所示。 图 键盘管理子程序流程图键盘管理子程序KIN： KIN： ACAL CHK ；预置温度合法性检测 MOV BT1，ST1 MOV BT0，S

44、T0 ；预置温度送显示缓冲区 LCALL DISP ；显示预置温度 KIN0： ACALL KEY ；读键值 JZ KIN0 ；无键闭合和重新检测 ACALL DISP ACALL DISP ；二次调用显示子程序延时去抖 ACALLKEY；再检测有无键按下 JZKIN0；无键按下重新检测 ，S10 MOV A，#100；百位键按下 AJMP SUMS10：，S1 MOVA，#10；十位键按下 AJMPSUM S1： ，S0 MOVA，#01；个位键按下 SUM：ADD A，ST0；预置温度按键+1MOVST0，AMOVA，#00H ADDCA，ST1MOVST1，A KIN1： ACALL K

45、EY；判断闭合键释放 JNZKIN1；未释放继续判断 AJMPKIN；闭合键释放继续扫描键盘 S0： ，KIN；无键按下重新扫描键盘 RET；启动键按下返回 KEY： MOVA，P1；读键值子程序 CPLA ANLA，#0FH RET 预置温度合法性检测子程序CHK(用双字节减法比较预置温度是否大于500(01F4H)： CHK：MOVA，#0F4H；预置温度上限低8位送ACLRCSUBBA，ST0；低8位减，借位送CYMOVA，#01H；预置温度上限高8位送ASUBBA，ST1；高8位带借位减JC OUTA ；预置温度越界，转报警MOVA，#00H；预置温度合法标志RET OUTA：MOVS

46、T1，#01H；将500写入预置温度数据区MOVST0，#0F4HCLRP1.6；发报警信号0.6 sACALLD0.6s SETBP1.6；停止报警RET 2) 显示模块 显示子程序的功能是将显示缓冲区57H和58H的二进制数据先转换成三个BCD码，分别存入百位、十位和个位显示缓冲区（54H、55H和56H单元），然后通过串口送出显示。显示子程序DISP： DISP：ACALL HTB ；将显示数据转换为BCD码 MOV SCON，#00H ；置串行口为方式0 MOV R2，#03H ；显示位数送R2 MOV R0，#T100 ；显示缓冲区首地址送R0 LD： MOV DPTR，#TAB ；

47、指向字型码表首地址 MOV A，R0 ；取显示数据 MOVC A，A+DPTR；查表 MOVSBUF，A；字型码送串行口WAIT：JBC TI，NEXT；发送结束转下一个数据并清中断标志 SJMP WAIT；发送未完等待NEXT： INCR0 ；修改显示缓冲区指针 DJNZR2，LD；判3位显示完否，未完继续 RET TAB：；字型码表（略） BCD码转换子程序HTB： HTB：MOVA，BT0；取二进制显示数据低8位MOVB，#100 ；除100，确定百位数DIVABMOVT100，A；百位数送54H单元MOVA，#10；除10，确定十位 XCH A，B DIV A，B MOV T10，A

48、；十位数送55H单元 MOVT，B ；个位数送56H单元 MOVA，BT1 ；取二进制显示数据高8位 JNZ LH1 ；高位不为0转LH1继续高8位转换 RET ；高位为0结束，返回LH1： MOVA，#06H ；高位不为0，低位转换结果加256（因为温度数 ；据不会大于500，所以高8位最多为01H，即256） ADDA，T DAA；个位加6（十进制加） MOVT，A；结果送回个位 MOVA，#05H ADDCA，T10 DAA；十位加5（十进制加） MOVT10，A；结果送回十位 MOVA，#02H ADDCA，T100 DA A；百位加2（十进制加） MOVT100，A；结果送回百位RE

49、T 3) 温度检测模块 A/D转换采用查询方式。为提高数据采样的可靠性，对采样温度进行数字滤波。数字滤波的算法很多，这里采用4次采样取平均值的方法。如前所述，本系统A/D转换结果乘2正好是温度值，因此，4次采样的数字量之和除以2就是检测的当前温度。检测结果高位存入50H，低位存入51H。温度检测子程序流程图如图所示。 温度检测子程序TIN：图 温度检测子程序流程图 温度检测子程序TIN：TIN： MOV TEMP1，#00H ；清检测温度缓冲区MOV TEMP0，#00HMOV R2，#04H ；取样次数送R2MOV DPTR，#7FF8H ；指向A/D转换器0通道 LTIN1： MOVX D

50、PTR，A ；启动转换HERE：JNB IE1，HERE ；等待转换结束 MOVX A，DPTR ；读转换结果 ADDA，TEMP0；累加（双字节加法）MOVTEMP0，AMOVA，#00HADDCA，TEMP1MOVTEMP1，ADJNZR2，LTIN1；4次采样完否，未完继续CLR C ；累加结果除2(双字节除法)MOVA，TEMP1 RRCAMOVTEMP1，AMOVA，TEMP0 RRCAMOVTEMP0，ARET 4) 温度控制模块 将当前温度与预置温度比较，当前温度小于预置温度时，继电器闭合，接通电阻丝加热；当前温度大于预置温度时，继电器断开，停止加热；当二者相等时电炉保持原来状态

51、；当前温度降低到比预置温度低2时，再重新启动加热；当前温度超出报警上下限时将启动报警，并停止加热。由于电炉开始加热时，当前温度可能低于报警下限，为了防止误报，在未达到预置温度时，不允许报警，为此设置了报警允许标志F0。模块流程见图。图 温度控制流程图 温度控制子程序CONT： CONT：MOVA，TEMP0；当前温度-预置温度（双字节减）CLRCSUBBA，ST0MOVB，A；低8位相减的差值暂存BMOVA，TEMP1SUBBA，ST1 JNCLOFF ；无借位，表示当前温度预置温度，转LOFF JNBF0，LON ；当前温度预置温度，判是否达到过预置温度 MOVA，B ；若达到过预置温度，判

52、二者差值是否大于2 CLRC SUBBA，#02H，LOFF ；差值不大于2，转LOFFLON： CLR P1.7 ；开电炉 SJMPEXIT ；返回LOFF：SETBF0；设置允许报警标志SETBP1.7；关电炉EXIT：RET 在此，也可自行加入PID算法程序来实现PID控制。 5) 温度越限报警模块 报警上限温度值为预置温度+5，即当前温度上升到高于预置温度+5时报警，并停止加热；报警下限温度值为预置温度-5，即在当前温度下降到低于预置温度-5，且报警允许时报警，这是为了防止开始从较低温度加温时误报警。报警的同时也关闭电炉。图为报警子程序流程图。图 报警子程序流程图 报警子程序ALARM

53、ALARM：MOVA，TEMP0；当前温度低字节ACLRCSUBBA，ST0；（当前温度低字节-预置温度低字节）AMOVB，A ；低字节相减结果送B暂存MOVA，TEMP1 ；当前温度高字节ASUBBA，ST1 ；（当前温度高字节-预置温度高字节）A JC LA0 ；有借位，当前温度小于预置温度转LA0 SETB F0 ；当前温度预置温度，允许报警 AJMP LA1 LA0： MOV A，ST0 ；预置温度低字节A CLR C SUBB A，TEMP0；（预置温度低字节-当前温度低字节）A MOV B，A ；低字节相减结果送B暂存 MOV A，ST1 ；预置温度高字节A SUBB A，TEMP

54、1；（预置温度高字节-当前温度高字节）A LA1： XCH A，B ；高低字节互换，判断相减结果是否大于5 CLRC SUBBA，#05H ；（低字节差-5）A XCHA，B ；（低字节差-5）B，高字节差A SUBB A，#00H；（高字节差-0）A（因为5的高字节为0） JC LA2 ；相减结果小于5，不报警返回 JNBF0，LA2 ；相减结果5，判是否允许报警，不允许则返回 CLRP1.6；启动报警SETBP1.7；关电炉LCALLD0.6s；报警延时0.6 sSETBP1.6；关报警LA2：RET：（略）；延时0.6 s子程序 6) 主程序和中断服务子程序 主程序采用中断嵌套方式设计，

55、各功能模块可直接调用。主程序完成系统的初始化，温度预置及其合法性检测，预置温度的显示及定时器0设置。定时器0中断服务子程序是温度控制体系的主体，用于温度检测、控制和报警（包括启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、输出可控硅的控制脉冲等）。中断由定时器0产生，根据需要每隔15 s中断一次，即每15 s采样控制一次。但系统采用6 MHz晶振，最大定时为130 ms，为实现15 s定时，这里另行设了一个软件计数器。主程序和中断服务子程序的流程图如图所示。图 系统程序总体结构框图主程序MAIN ：（数据缓冲区的定义和初始化部分从略） ORG0000H AJMPMAIN ORG

56、000BH AJMPPT0 ORG0030H MAIN： MOVSP，#59H；设定堆栈指针 MOV TMOD，#01H；定时器0初始化 MOV TL0，#0B0H ；定时器定时时间100 ms MOVTH0，#3CH MOVR7，#150；置15 s软计数器初值 ACALLKIN；调键盘管理子程序 SETBET0；允许定时器0中断 SETBEA；开中断 SETBTR0；启动定时器0 SJMP$ 定时器0中断服务子程序PT0： PT0：MOVTL0，#0B0HMOVTH0，#3CH ；重置定时器0初值DJNZR7，BACK ；15 s到否，不到返回MOVR7，#150 ；重置软计数器初值ACA

57、LLTIN ；温度检测 MOV BT1，TEMP1 ；当前温度送显示缓冲区MOVBT0，TEMP0 ACALL DISP ；显示当前温度ACALL CONT ；温度控制LCALL ALARM ；温度越限报警 BACK：RETI一、保护器概述保护器安装在BGP系列、PBG系列及磁力起动器等矿用隔爆型高压开关内，以实现下述保护及其功能。1)数字显示当前电网电压值及负载电流值。2)监控负载电流，出现过载时，施行定时限及反时限保护；出现短路时，施行定时限速断保护；出现断续过载时，对过载能量进行计算，施行定时限保护。系统设计实例-智能型高压综合保护器3)监视保护双屏蔽电缆的屏蔽芯线、屏蔽地线。4)电量型漏电保护，对下属电网中出现的单相接地故障，