第11章微型计算机控制系统设计

第10章微型机控制系统的设计前言10.1微机控制系统的设计方法及步骤

10.2微型计算机控制的自动装箱系统

10.3

智能型FR1151压力变送器10.4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设计。第10章微型机控制系统设计微机控制技术第10章微型机控制系统设计10.1微型机控制系统设计方法及步骤10.2微型计算机控制的自动装箱系统10.3智能型FR1151压力变送器10.4加热炉温度控制系统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）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方法及步骤

（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方法及步骤10.1.1控制系统总体方案的确定10.1.2微型计算机及接口的选择10.1.3控制算法的选择10.1.4控制系统的硬件设计10.1.5控制系统软件设计10.1.6Proteus虚拟软件的应用10.1.1控制系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控制系统总体方案的确定1.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控制系统总体方案的确定2.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控制系统总体方案的确定3.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。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定

(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4～20mA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4～20mA的直流信号转换成0.02～0.1MPa的标准气压信号，以便驱动薄膜调节阀，从而使阀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：①能方便地进行无级调速；②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；③控制和调节简单、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控制系统总体方案的确定4.选择输入/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控制系统总体方案的确定5.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，要求简单、清晰、明了。微机控制技术10.1.1控制系统总体方案的确定 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，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。

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（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 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（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2.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控制系统硬件设计 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控制系统硬件设计1.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控制系统硬件设计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10-2分时采样、分时转换型多路模拟量输入通道微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计在这一系统中，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10-3所示，微机控制技术

图10-3同时采样、分时转换型多路模拟量输入通道微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计该电路与图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控制系统硬件设计(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控制系统硬件设计3.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控制系统硬件设计 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控制系统硬件设计（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控制系统硬件设计

①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10-4每通道一个D/A转换器原理框图微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计

②多通道共享D/A转换器结构形式此种结构形式，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10-5多通道共享D/A转换器结构形式原理图微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计（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控制系统硬件设计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10-6采用光电隔离器的I/O接口电路微机控制技术10.1.4控制系统硬件设计5．操作面板操作面板也叫操作台，它是人机对话的纽带。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控制系统硬件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控制系统硬件设计为了完成上述功能，操作台上必须设置一些按键或开关，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控制系统软件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控制系统软件设计1.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控制系统软件设计（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控制系统软件设计（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控制系统软件设计 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控制系统软件设计（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控制系统软件设计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控制系统软件设计

（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）将各个模块连结成一个完整的程序。微机控制技术10.1.6PRODEUS仿真软件简介

1.PRODEUS仿真软件功能图10.7Proteus的功能分布图10.1.6PRODEUS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可执行文件原理图图10.8Proteus设计流程

10.2微型计算机控制的自动装箱系统在工业生产中，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微型计算机控制的自动装箱系统10.2.1自动装箱控制系统的原理10.2.2控制系统硬件设计10.2.3控制系统软件设计10.2.1自动装箱控制系统的原理

图10.9产品自动装箱系统的原理图微机控制技术10.2.1自动装箱控制系统的原理如图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自动装箱控制系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自动装箱控制系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PARTS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自动装箱控制系统的原理

（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自动装箱控制系统的原理

（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自动装箱控制系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。微机控制技术10.2.2控制系统硬件设计针对上述任务，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EPROM2764。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控制系统硬件设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控制系统硬件设计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10.10包装系统控制原理图

微机控制技术10.2.2控制系统硬件设计键盘输出信号D，C，B，A（BCD码）分别接到8255A的A口PA3～PA0，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10.11编码键盘原理图

微机控制技术10.2.2控制系统硬件设计当键未按下时，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，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控制系统硬件设计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控制系统硬件设计为了提高抗干扰能力，系统采用了光电隔离技术。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控制系统硬件设计如图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控制系统硬件设计 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10.12电机控制电路微机控制技术10.2.3控制系统软件设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控制系统软件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控制系统软件设计本程序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控制系统软件设计 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00H～03H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控制系统软件设计 一旦此标志单元为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10.13包装控制系统主程序框图图10.14输入给定值中断服务程序

微机控制技术图10.15系统内存单元分配微机控制技术10.2.3控制系统软件设计 ORG0000H AJMPMAIN ORG0003H AJMPINT0LED1 EQU 22H ；零件计数单元（百位）LED2 EQU 23H ；（十位）LED3 EQU 24H ；（个位）BOX1 EQU 25H ；包装箱计数单元（百位）BOX2 EQU 26H ；（十位）BOX3 EQU 27H ；（个位）BOXES EQU 28H ；包装箱给定值首地址根据图10.11～图10.13所示可编写出该系统控制程序如下：微机控制技术10.2.3控制系统软件设计PARTS： EQU 2BH ；零件给定值首地址PRECNT EQU 2EH ；给定值次数计数单元LEDADD1 EQU 8400H ；百位数显示位地址LEDADD2 EQU 8800H ；十位数显示位地址LEDADD3 EQU 8C00H ；个位数显示位地址BUFF EQU 2FH ；缓冲单元 ORG0100H；控制主程序微机控制技术10.2.3控制系统软件设计MAIN： MOVSP，#50H ；设堆栈指针 MOVR0，#22H ；8031数据区首地址 MOV A，#00H MOV R1，#0DH ；计数器初值CLRZERO: MOV @R0，A ；清计数、给定值单元 INC R0 DJNZ R1，CLRZERO MOV 20H，#00H ；清控制单元 MOV 21H，#00H MOV DPTR，#8003H ；8255初始化微机控制技术10.2.3控制系统软件设计

MOV A，#98H ；8255控制字 MOVX @DPTR，A SETB IT0 ；设置边沿触发方式 SETB EX0 ；设置中断方式0 SETB EA ；开中断 MOV R0，#BOXESMOV DPTR，#LEDADD1 ；保护显示位地址 PUSH DPH PUSH DPL微机控制技术10.2.3控制系统软件设计WAIT：MOVA，PRECNT ；等待设置给定参数 CJNE A，#06H，WAIT ；判是否输入完给定值WORK：SETB00H ；设置启动传送带电机位 SETB 03H ；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，#8002H MOVX @DPTR，A微机控制技术10.2.3控制系统软件设计LOOP1：MOVX A，@DPTR JNB ACC7，LOOP1 ；判包装箱是否到位 MOV LED1，#00H ；清零件计数单元 MOV LED2，#00HMOV LED3，#00H LCALL DISPLAY ；显示零件数 CLR 00H ；停包装箱传送带电机位 SETB 01H ；设置启动零件传送电机位 MOVA，20H ；启动零件传送电机 MOV DPTR，#8002H MOVX@DPTR，A微机控制技术10.2.3控制系统软件设计LOOP2：MOV DPTR，#8002H MOVX A，@DPTR JNB ACC6，LOOP2 ；判是否有零件 JNB ACC4，STOP ；判是否按下停止键 LCALL PARTADD1 ；零件加1 LCALL DISPLAY ；显示已装入的零件数 LCALL PARTCOMP ；与给定值比较 JB 08H，STOPM；已装满 AJMP LOOP2 ；未装满，继续等待装入微机控制技术10.2.3控制系统软件设计STOPM：LCALL BOXADD1 ；包装箱数加1 LCALL BOXCOMP ；看是否已装够箱数 JB 09H，FINISH ；如果箱数已装够，则结束 LJMP WORK ；否则将继续换新箱包装FINISH：CLR00H ；全装完，不用重新设参数， ；即可继续包装 CLR 01H MOVA，20H MOVX@DPTR，A MOV BOX1，#00H ；包装箱计数单元清零 MOV BOX2，#00H MOV BOX3，#00H微机控制技术10.2.3控制系统软件设计LOOP3：MOVDPTR，#8002H ；判是否重新启动 MOVXA，@DPTR JB ACC5，LOOP3 LJMP WORK ；再进行下一轮包装；停止键处理程序STOP：CLR 00H ；停传送带电机 CLR 01H MOV A，20H MOVX@DPTR，A LJMP 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控制系统软件设计；中断服务子程序，设置给定值INT0：MOV DPTR，#8000H ；读入给定值 MOVXA，@DPTR MOV @R0，A MOV DPTR，#8001H ；送8255B口 MOVX@DPTR，A POP 2FH ；保护断点 POP 30H POP DPL ；取出显示位地址 POP DPH MOVX@DPTR，A ；显示给定值 微机控制技术10.2.3控制系统软件设计 MOV A，DPH ADD A，#04H ；求下一个显示位地址 MOV DPH，A PUSH DPH ；保护下一位显示地址 PUSH DPL PUSH 30H ；恢复断点 PUSH 2FH INC R0 ；计算下一给定值地址 INC PRECNT ；设置参数计数 RETI微机控制技术10.2.3控制系统软件设计；显示零件数子程序

DISPLAY：MOVA，LED1 ；取百位数 MOV DPTR，#SEGTBL MOVC A，@A+DPTR ；取显示码 MOV DPTR，#8001H ；送显示数据到B口 MOVX @DPTR，A MOV DPTR，#LEDADD1 ；显示百位 MOVX @DPTR，A MOV A，LED2 ；取十位数 MOV DPTR，#SEGTBL MOVCA，@A+DPTR MOV DPTR，#8001H微机控制技术10.2.3控制系统软件设计

MOVX @DPTR，A MOV DPTR，#LEDADD2 ；显示十位 MOVX @DPTR，A MOV A，LED3 ；取个位数 MOV DPTR，#SEGTBL MOVCA，@A+DPTR MOV DPTR，#8001H MOVX@DPTR，A MOV DPTR，#LEDADD3 ；显示个位 MOVX @DPTR，A RET微机控制技术10.2.3控制系统软件设计

SEGTBL: DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH， 7DH，07H，7FH，67H MOVR0，#LED3 PARTADD1：MOVR0，#LED3 ；零件数加1子程序 MOV A，@R0 ADD A，#01H DA A JB 24H，ADD2 MOV@R0，A RET微机控制技术10.2.3控制系统软件设计ADD2：CLR 24H DEC R0 MOV A，@R0 ADD A，#01H DA A MOV @R0，A JB 1CH,ADD3 RETADD3：CLR 1CH DEC R0 MOV A，@R0 ADD A，#01H DA A MOV @R0，A JB 14H,ADD4 RET微机控制技术10.2.3控制系统软件设计ADD4：CLR 14H MOV R0，#00H RET；零件数比较子程序PARTCOMP：MOV R0，#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，@R0 MOV BUFF，@R1 CJNE A，BUFF，COMP2 INC R0 INC R1 DJNZ R2，COMP1微机控制技术10.2.3控制系统软件设计 SETB 08H ；已装满，置装满标志 RETCOMP3： CLR 08H RETCOMP2： JNC COMP3 LJMP ALARM；包装箱计数比较子程序BOXCOMP： RET ；（略）；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控制系统软件设计ALARM： SETB 02H CLR 00H CLR 01H CLR 03H MOV A，20H MOV DPTR，#8002H MOVX @DPTR，A LJMP MAIN微机控制技术10.3智能型FR1151压力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压力变送器10.3.1FR1151压力变送器的组成原理10.3.2FFR1151系统的硬件设计 10.3.3FFR1151系统的软件设计10.3.1FR1151压力变送器的组成原理图10.16FR1151压力变速器原理框图

10.3.1FR1151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)。10.3.1FR1151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E2PROM24C01。 （3）D/A转化器输出4~20mA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。10.3.2FFR1151系统的硬件设计1．多谐振荡器10.3.2FFR1151系统的硬件设计10.3.2FFR1151系统的硬件设计由图10.18的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间T2各为故电路的振荡周期为10.3.2FFR1151系统的硬件设计振荡频率为:两10.3.2FFR1151系统的硬件设计组实验:

图10.19C1与C2与f变化曲线

（1）判断C2带来的频率f的变化大于C1。

10.3.2FFR1151系统的硬件设计（2）将R2设计为一滑线变阻器，确定一个最佳的R2，使得f的变化范围最大。如图10.20所示。10.3.2FFR1151系统的硬件设计基准频率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8~10K。（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±0.000125~0.0001。10.3.2FFR1151系统的硬件设计2．LCD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）MGLS-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。

10.3.2FFR1151系统的硬件设计 （3）MGLS-12864与8051系列CPU的连接10.3.2FFR1151系统的硬件设计3．键盘接口电路（1）K1——加1键（2）K2——减1键（3）K3——确认键图10.23键盘处理流程图

10.3.2FFR1151系统的硬件设计图10.24显示的6幅画面10.3.2FFR1151系统的硬件设计4．D/A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4—20mA电流10.3.2FFR1151系统的硬件设计图10.25D/A转换原理电路图

接单片机，模拟SPI总线电压电流转换器

接执行机构10.3.2FFR1151系统的硬件设计5．数据存储模块（1）采用一片24C02串行E2PROM存储器。（2）采用的是模拟I2C总线技术。A0，A1，A2全部接Vcc，故该从器件的地址为111模拟I2C总线P1.6–SCLP1.5--SDA10.3.3FR1151系统的软件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10.3.3FR1151系统的软件设计1．主程序模块10.3.3FR1151系统的软件设计2．键盘处理模块只有三个键，但功能很强。采用中断处理方法。（2）键盘中断子程序10.3.3FR1151系统的软件设计ORG0000HLJMPMAINORG0003HLJMPKEYBOARD；键盘中断入口……MAIN：；主程序………………KEYBOARD:CLREX0；关中断 CLREAMOVA,#0FFh MOVP1,A；将P1口置成输入方式 MOVA,P1；读p1值ANLA,#07H CJNEA,#07H,ABBB LJMPFINISH10.3.3FR1151系统的软件设计ABBB:MOV20H,A MOVR0,#0FFh；延时10mS，去抖再读DL1:MOVR1,#0FFHDL2:DJNZR1,DL2 DJNZR0,DL1MOVA,#0FFhMOVP1,A MOVA,P1ANLA,#07H CJNEA,20H,FINISH；判是否有键按下20H.0~20H.2为KK1~KK3 MOV20H,A;JBKK1,KEY1；键盘分析，按下为0 LJMPK110.3.3FR1151系统的软件设计KEY1:JBKK2,KEY2 LJMPK2KEY2:JBKK3,FINISH;三个键都不是，开中断 LJMPK3FINISH:SETBEX0；开中断 SETBEA RETI；返回……；----------------------------------------------------------------K1:……；K1键的服务子程序……RETI；----------------------------------------------------------------K2:……；K2键的服务子程序……RETI；----------------------------------------------------------------K3:……；K3键的服务子程序……RETI;------------------------------------------------------------------------------10.4加热炉温度控制系统温度是工业对象中一种重要的参数，特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油、电等。但是就其控制系统本身的动态特性来说，基本上都属一阶纯滞后环节，因而在控制算法上亦基本相同。实践证明，用微型计算机对炉窑进行控制，无论在提高产品质量和数量，节约能源，还是在改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。本节主要介绍由89C51单片机组成的温度控制系统的组成原理及程序设计方法。10.4加热炉温度控制系统10.4.1温度控制系统的组成10.4.2温度控制系统的硬件设计10.4.3数字控制器的数学模型10.4.4温度控制系统的软件设计10.4.5手动后援问题10.4.1温度控制系统的组成

8座退火炉→S/H和A/D转换器→数据处理→显示→报警→控制计算→输出控制10.4.1温度控制系统的组成10.4.2温度控制系统的硬件设计

1.检测元件及温度变送器温度测量范围0～1000℃输出信号为0～41.2643mV(镍铬－镍铝热电偶)0～1010℃时对应输出为0～5V12位A/D转换器采样分辨度为1010/4096≈0.25℃/LSB2.A/D转换器及数据采样10.4.2温度控制系统的硬件设计电路特点：带采样/保持器，又A/D的STS控制，当A/D转换正在进行时，STS输出为高电平，经反相后，变为低电平，送到S/H的逻辑控制端（Logic），使S/H处于保持状态，此时即可开始A/D转换。转换后的数字量由8031的数据总线分两次读到CPU寄存器。转换结束后，STS由高电平变为低电平，反相后呈高电平，因而使S/H进入采样状态。这种方法不必单独送S/H控制信号，所以使系统运行速度加快。10.4.2温度控制系统的硬件设计3.键盘/显示接口电路锁存，静态，硬件译码中断键盘10.4.2温度控制系统的硬件设计4.报警电路Lai=1，LBi=0，绿灯Lai=0，LBi=1，红灯Lai=1，LBi=1，黄灯Lai=1，LBi=0，熄灭语音芯片

驱动器10.4.2温度控制系统的硬件设计5.译码电路控制端00选择端24=16输出端10.4.2温度控制系统的硬件设计A15A14A13A12A11A10A9A8A7～A0111100000～00 F000H111100010～01 F100H111100100～02 F200H111100110～03 F300H111101000～04 F400H111101010～05 F500H111101100～06 F600H111101110～07 F700H111110000～08 F800H111110010～09 F900H111110100～010 FA00H111110110～011 FB00H111111000～012 FC00H111111010～013 FD00H10.4.3数字控制器的数学模型10.4.3数字控制器的数学模型10.4.3数字控制器的数学模型PID控制10.4.4温度控制系统软件设计1.控制系统主程序10.4.4温度控制系统软件设计；温度控制系统主程序；微型机温度控制系统译码器地址分配PCTL8255 EQU 0F103HPC8255 EQU 0F102H；外部RAM地址分配CDATA EQU 00H ；数据采集单元首地址FDATA EQU 50H ；数字滤波后数据首地址；内部RAM地址分配ALARMAX EQU 00H ；上限报警标志位首地址ALARMIN EQU 08H ；下限报警标志位首地址10.4.4温度控制系统软件设计 ORG0000H LJMPMAIN ORG0003H LJMPINT0 ORG000BH LJMPINTT0