机电一体化系统的微机控制的选择与设计课件

第四章机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计微机控制系统；8086/8088微机的硬件结构特点；单片机的结构特点及其最小应用系统；数字显示器及键盘的接口电路；微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计。常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口14．1微机控制系统控制系统的设计就是选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式的问题。4．1．1微机控制系统专用与通用、硬件与软件的抉择和权衡在设计中，首先遇到的问题有以下几种。1)专用与通用的抉择专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。23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，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。实质，这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。52)硬件与软件的权衡。例如运算与判断处理等，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，叉可用软件来实现。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。在设计控制系统时，对于提高包括环境适应性和抗干扰能力在内的可靠性时必须特别注意采取必要的措施。64．1．2微机控制系统的设计思路1、确定系统整体控制方案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。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。其次考虑执行元件采用何种方式，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，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。73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，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入/输出通道和实时时钟等要求。1)较完善的中断系统。微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。实时控制包含两个意思：一是系统正常运行时的实时控制能力；二是在发生故障时紧急处理的能力。出现异常或紧急情况时应报警和处理92)足够的存储容量。由于微型计算机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器。微型计算机系统通常有32～64KB以上的内存，一般配备磁盘(硬盘或软盘)作为外存储器，系统程序和应用程序可保存在磁盘内，运行时由操作系统从磁盘调入内存。系统机亦可扩充2～8KB以上的只读存储器，调试成功的应用程序同样可以存入只读存储器内，这样使用方便、可靠性高。3)完备的输入／输出通道和实时时钟。开关量输入／输出通道；模拟量输入/输出通道；同时具有开关量输入／输出通道和模拟量输入/输出通道10选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求：1)字长。微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据的精度、寻址能力、指令的数目和执行操作的时间。对于通常的顺序控制、程序控制可选用1位微处理器。对于计算量小，计算精度和速度要求不高的系统可选用4位机(如计算器、家用电器及简单控制等)。对于计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用8位机(如线切割机床等普通机床控制、温度控制等)。对于计算精度高、处理速度快的系统可选用16位机(如控制算法复杂的生产过程控制、要求高速运行的机床控制、特别大量的数据处理等)。11单片机是在一个双列直插式集成电路中包括了数字计算机的四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM和I／O接口)，具有价格低、体积小等特点，可满足很多场合的应用。其缺点是需要开发系统对其软硬件进行开发。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。

单板机也具有价格较低、体积较小的特点，适合于生产现场使用，便于维护和管理。其缺点是内存容量较小，接口电路少；另外使用机器语言编程，编程和调试比较困难。13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，程序编制和调试都很方便。系统机内存容量大且有软(硬)磁盘等大容量的外存储器，通常都有数据通道，可实现内外存储器之间的快速批量信息交换。其缺点是成本较高，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。4系统总体设计

在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决微机、被控制对象和操作者三者之间可靠的、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。设计中主要考虑硬件和软件功能的分配和协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。14

(1)接口设计通常有下述三种方法可供选用。1)选用功能接口板。在功能接口板上，有多组并(串)行数字量输入／输出通道，或多组模拟量输入／输出通道。采用选配功能插板扩展接口方案的最大优点是硬件工作量小，可靠性高，但功能插板价格较贵，一般只用来组成较大的系统。2)选用通用接口电路。在组成一个较小的控制系统时，有时采用通用接口电路来扩展接口。由于通用接口电路是标准化的，只要了解其外部特性与CPU的连接方法、编程控制方法就可进行任意扩展。15如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。若要采用直接存储器存取方式，则要增加直接存储器存取(DMA)控制器作为辅助电路加到接口。(2)通道设计输入/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，各部分需要什么样元器件等。17转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能接受的逻辑信号1819模拟量输出通道21(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。操作员控制台一般应有下列一些功能：①有一组或几组数据输入键(数字键或拨码开关等)，用于输入或更新给定值、更改控制器参数或其它必要的数据；②有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，起动、停止或完成某种指定的功能；③有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各状态参数及故障指示等；22④控制板上应有一个“急停”按钮，用于在出现事故时停止系统运行，转入故障处理。应当指出，控制台上每一数字信号或控制信号都与系统的工作息息相关，设计时必须明确这些转换开关、按钮、键盘、数字显示器和状态、故障指示灯等的作用和意义，仔细设计控制台硬件及其相应的控制台管理程序．使设计的操作控制台既方便操作又安全可靠，即使操作失误也不会引起严重后果。235软件设计微机控制系统的软件主要分两大类，即系统软件和应用软件。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要用户设计，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。应用软件都要由用户自行编写，所以软件设计主要是应用软件设计。控制系统对应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和通用性。对于工业控制系统来说由于是实时控制系统，所以要求应用软件能够在对象允许的时间间隔内进行控制、运算和处理。25应用软件的最大特点是具有较强的针对性，即每个应用程序都是根据一个具体系统的要求设计。1)模块化程序设计法。在微机控制系统中，大体上可以分为数据处理和过程控制两大基本类型。数据处理主要是数据的采集、数字滤波、标度变换以及数值计算等。过程控制程序主要是使微机按照指定的方法(如PID或直接数字控制)进行计算，然后再输出，以便控制生产过程。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫做模块化程序设计法。264．1．3微型计算机的系统构成及种类1微型计算机的系统构成人们常用“微机”这个术语。该术语是三个概念的统称，即微处理机(微处理器)、微型计算机、微型计算机系统的统称。微处理机(Microprocessor)简称μP或CPU。它是一个大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)器件.器件中有数据通道，多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。控制逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可叭执行机器语言描述的系统指令，是完成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。29微型计算机(Microcomputer)简称MC或μc,它是以微处理机(CPU)为中心，加上只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、输入/输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机。将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统(Microcomputersystem)简称MCS.图4.1为微处理机、微型计算机、微型计算机系统的相互关系。微型计算机的基本硬件构成如图4.2所示3031322．微型计算机的种类微型计算机可以按组装形式、微处理机位数、微处理机的用途范围来进行分类。(1)按组装形式分类按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。单片机在一块集成电路芯片(LSI)上装有CPU、ROM、RAM以及输入/输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机(SCM——SingleChipMicrocomputer)简称单片机，例如Intel公司的MCS48系列、51系列、96系列等。其外观如图4.3所示。3334特点:集成度高、功能强、通用性好;具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点使用:它很容易使各种机电、家电产品智能化、小型化、过程控制自动化，在不显著增加机电一体化系统(或产品)的体积、能耗及成本的情况下，大大增加其功能、提高其性能随着单片机性能的提高和功能的增强,目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机器人等机电一体化产品上.35

2)单板机。如图4.4所示，将微型计算机的基本体系CPU、一定容量的ROM和RAM、输入/输出端口(I／O电路)以及一些辅助电路分别作成LSI芯片，并将它们配置在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直接连接起来，这样的计算机就叫做单板微型计算机，简称单板机。例如TP801是以8位微处理器(如Z80)为核心组装的8位单板机，SDK86是以16位微处理器(Intdel8086／8088)为中央处理器组装的16位单板机。3637在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字显示器，可完成一些简单的数据处理和编辑功能。用单板机实现机电产品的机电一体化成本较低，在简易数控机械设备、检测设备、工业机器人等领域中得到了广泛应用。

3)微型计算机系统根据需要，将微型计算机、ROM、RAM、I／O接口电路、电源等组装在不同的印制电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件，就构成了一个完整的微型计算机系统。38如目前国内使用较多的IBM—PC(如IBMPCXT、80286，80386、80486、80586、PII、PⅢ、PⅣ等)：CROMEMCO公司的SystemI、Ⅱ、Ⅲ等都是多板微型计算机系统，如图4.5所示。39(2)按微处理机位数分类按微处理机位数可将微型计算机分为位片、4位、8位、16位、32位和64位等机种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数，即可同时传送数据的总线宽度。(3)按用途分类可以将微型计算机分为控制用和数据处理用微型计算机。对单片机来说，可分为通用型和专用型40工业控制计算机简介工业控制计算机系统硬件组成的一般形式用在工业环境、适应工业要求的计算机系统，是处理来自检测传感装置的输入，并把处理结果输出到执行机构来控制生产过程，同时可对生产进行监督、管理的计算机系统。简称“工业控制机”或“工控机”典型的工业计算机测控系统如图所示，工业控制机系统由两大部分组成，即系统总线左面部分的计算机基本系统及系统总线右面部分的过程输入／输出(I／O)子系统4142工业控制机分类

1．可编程序控制器(PLC)PLC是从早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的。它的低端即为继电器逻辑控制的代用品，高端实际上是一种高性能的计算机实用控制系统。PLC是以微处理器为主的工业控制器，以扫描方式采集来自工业现场的信号。PLC的典型结构如图所示。PLC主要功能有：条件控制即逻辑运算功能，定时控制，计数控制，步进控制，A／D、D／A转换。数据处理和级间通讯等。PLC的特点是：工作可靠，可与工业现场信号直接连接，积木式组合，编程操作容易，易于安装及维修等。43442．单回路调节器单回路调节器的基本构成方案如图所示。它要处理数字和模拟两种基本信号外部接口衔接器(PeripheralInterfaceAdapter，简称PIA)45单回路调节器多用于过程控制系统，其控制算法多采用PID算法，可取代模拟控制仪表单回路调节器的主要特点是：(1)实现了仪表和计算机一体化；(2)具有丰富的运算和控制功能；(3)有专用的系统组态器；(4)人一机接口灵活；(5)便于级间通信；(6)有继电保护和自诊断功能。目前，单回路调节器在控制算法上实现了自适应、自校正、自学习、自诊断和智能控制等控制方式。单回路调节器性能的提高，加速了仪表的更新换代。目前，单回路调节器已成功地应用到各种过程控制领域。463．总线式工业控制机

总线式工业控制机是依赖于某种标准总线，按工业化标准设计，由包括主机在内的各种I／O接口功能模板组成的计算机。例如，PC总线工业控制计算机、STD总线工业控制计算机以及Q—BUs、Multibus、VMEbus、PCL总线等。总线式工业控制机的典型结构如图所示。总线式工业控制机与通用的商业化计算机比较具有如下特点：(1)取消，计算机系统母板；(2)采用开放式总线结构；(3)各种I／O功能模板可直接插在总线槽上：(4)选用工业化电源；(5)可按控制系统的要求配置相应的模板；(6)便于实现最小系统。4748

目前，这类工业控制机应用较为广泛，如在过程控制、电力传动、数控机床等方面STD总线工控机及PC总线工业控制机都有成功的经验。4．分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统也称为集散型计算机控制系统，简称为集散控制系统。它是利用算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。集散控制系统采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理组成。它是一个以通信网络为纽带，采用集中显示操作管理，控制相对分散的多级计算机网系统结构，具有配置灵活、组态方便等优点。典型的具有三层结构模式的集散型控制系统如图所示。4950集散型控制系统目前已广泛地应用于大型工业生产过程控制及监测系统中。特别是在大型钢铁厂、电站、机械及石油化工类企业中都有成功的应用的实例。514．28086／8088微机的硬件结构特点在PC系列微机中，应用较广泛的是Intel公司的86系列。而8086／8088是Intel系列的16位/准16位微机，是86系列微机(包括Pentium和PentiumPro高性能奔腾)发展的基础。8086与8088的内部结构类似，都由算术逻辑单元ALU、累加器、专用和通用寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时器控制电路等组成。

4·2·18086／8088CPU的主要结构特点1)8086／8088的内部体系结构。其内部的运算器、寄存器及内部数据总线都为16位，其外部数据总线则不同：8086为16位、8088为8位。522)指令系统功能强。8086有100多条指令，能完成数据传送、算术运算(包括乘法除法)、循环移位、字符串操作、控制传送和处理器管理等工作。算术运算可以按字或字节带符号或无符号、二进制或十进制的方式进行运算。3)多种寻址方式适用于高级语言中的数组和记录等数据结构。4)20位地址线。寻址范围可达1048576字节(即1M字节)的存储空间。5)16位I／O端口地址线。可寻址64K端口地址。536)中断功能强。可处理内部软件中断和外部中断请求，中断源允许达256个。7)具有管理DMA操作和多处理器工作的能力。4·2．28086／8088CPU的最大与最小工作模式8086／8088CPU的这两种模式是由CPU内部的硬件结构决定的。当CPU的引脚MN／MX接到+5V时，8086／8088工作于最小模式MN／MX接地，8086／8088则工作于最大模式。54所谓最小工作模式是指单处理器系统，即系统中只有8086或8088一个微处理器。在这种系统中，8086／8088提供所有的总线控制信号，因此，系统中的总线控制逻辑电路被减到最少。最大工作模式是相对于最小模式而言的。其特征是系统中可以包括两个或多个微处理器，即允许多个处理器一起工作，系统的控制信号由总线控制器提供。在8086／8088最大工作模式系统中，主处理器为8086／8088，其它处理器称为协处理器。与8086／8088配合的协处理器有两个，一个是数值协处理器8087，一个是输入输出协处理器8089。558087是一种专用于数值运算的处理器，能实现多种类型的数值操作，比如高精度的整数和浮点运算，也可以进行超越函数(如三角函数、对数函数)的计算。

8089有一套专门用于输入／输出操作的指令系统，它可以直接为输入／输出设备服务，使8086／8088不再承担这类工作。所以，在系统中加入8089后，会明显提高主处理器的效率，尤其是在输入／输出频繁的场合。

4．2．38086／8088引脚的功能定义8086／8088CPU是一个具有40根引脚、双列直插式结构LSI芯片。图4．6为8086／8088CPU的引脚功能定义。561、地址/数据复用线2、地址/状态复用线3、高8位总线允许/状态保持请求/保持响应数据发送/接受信号57其引脚可以分成五种类型：①只传送固定信息的引脚。如引脚32为读信号面，其传递的信息是固定的。②电平的高低代表不同信息的引脚。如引脚33为MN／MX，其高电平为最小工作模式，低电平为最大工作模式。③在最大和最小工作模式下有不同定义的引脚；④每一个引脚可传送两种信息即在不同时刻传送不同信息的引脚。一般称这类引脚为分时复用引脚，如AD。～AD15，是地址和数据的分时复用线，A代表地址，D代表数据。⑤输入和输出分别传送不同信息的引脚。如引脚31为RQ／GT0，输入时传送总线请求，输出时传送总线请求允许信号。58ADl5～ADo(AddressDataBus)(地址／数据总线)输入／输出、三态、分时复用。每个周期开始时(T1)用作地址总线，输出存储器或I／O口地址，然后8086内部的一个多路开关将它转换成数据总线Dl5～D0，用来传输数据，直到总线周期结束。在DMA方式，这些信号线悬空。A19／S6、A18／S5、A17／S4、A16／A3(Address／Status)(地址／状态线)三态输出、分时输出地址和状态。S6始终为低电平，即恒等于零；S5表明中断允许标志位的状态，S5=1时表明CPU可以响应中断的请求，S5=0时表明禁止屏蔽中断。S4和S3用于表示当前访问存储器所用的段存储器，S4和S3的编码状态见表4．15960BHE/S7(BusHighEnable／status)(高8位总线允许／状态)输出、三态、低电平有效。在T1时，它用于把数据的高8位送到数据总线D15～D8。连接到高8位数据总线上的字长为8位的外设，通常用BHE实现选通功能。在T2、T3、TW和T4时输出S7，S7是高电平有效。在“保持响应”时，此引线处于高阻抗状态。BHE和A0组合可以表示数据总线上传送的信息是字还是字节，且可指示字节在哪个8位数据线上传送(见表4．2)。61HOLD(HoldRequest)(保持请求)输入、高电平有效。它是总线上的其它主控设备请求使用总线的信号。

HLDA(HoldAcknowledge)(保持响应)输出。若8086同意让出总线，则向发出HOLD信号的主设备发出此保持响应HLDA信号。DT/R(DataTransmit／Receive)(数据发送／接收信号)输出、三态。它控制双向驱动器的数据传输方向。当它为低电平时，CPU接收数据；当它为高电平时，CPU发送数据。INTR(InterruptRequest)(中断请求)输入、高电平有效。CPU在每条指令的最后一个时钟周期对它进行取样，然后决定是否进入中断响应周期。在中断响应周期中，CPU接收中断源发来的中断向量，借助设置在存储器中的中断向量表，查到相应的中断服务程序的入口地址。

INTA(InterruptAcknowledge)(中断响应)输出、低电平有效。在中断响应周期中，INTA用作读选通信号。62RESET(复位)输入、高电平有效。它至少保持四个时钟周期的高电平，使CPU停止操作，并使内部的标志寄存器、段寄存器和指令队列复位到起始状态。READY(准备就绪)输入、高电平有效。这是被访问的存储器或I／O设备发来的回答信号，表示数据传送已准备就绪。若CPU执行存储器读／写或I／O读／写操作，而存储器或I／O设备没有准备好，则在此线上给出低电平，CPU自动插入一个或几个等待周期(Tw)，其目的是使CPU能和各种不同速度的存储器或I／0同步。63TEST(测试)输入。当CPU执行WAIT指令时，每隔5个时钟周期对TEST信号进行一次测试。如果TEST是高电平时，CPU则进入踏步状态，重复执行WAIT指令；如果TEST是低电平时，CPU执行下一条指令。S2、S1、S0(总线周期状态)输出。这三条信号线的编码表达了CPU总线的操作性质(见表4．3)。在最大模式中，CPU通过8288总线控制器利用这三个状态信息产生访问存储器和I／O的控制信号。6465RQ／GT0、RQ／GT1(RequestGrant)(请求／同意)输入／输出、双向。这两条线是在最大方式中总线的请求／同意信号，是供两个外部处理器用来请求和获得总线控制权的。这两个信号的功能和在最小方式中的HOLD／HLDA是一样的。所不同的是这两条信号线是双向的，而HOLD和HLDA是单向的。这两条线专为利用协处理器8087、I／O处理器8089(本地方式)来构成多处理器系统而设计的，这两条线可同时联系两个主控设备。RQ／GT1的优先权高于RQ／GT0LOCK(封锁)输出、三态、低电平有效。LOCK总线封锁信号，用软件设置，即在一条指令的前面加上“LOCK”前缀，在该条指令执行过程中，此信号向总线上其它主控设备表明，不允许它们占用总线。该指令执行完，它便失去作用。66QS0、QS1(指令队列状态信号)输出。用它表示8086／8088指令队列状态。如表4．4所示。674．2．48086CPU最小工作模式系统的典型配置图4．7a示出了8086系统最小工作模式下的典型配置之一。图4．7b示出了8086系统最小工作模式下的典型配置之二68内部三态门总是允许输出的69704．2．58086CPU最大工作模式系统的典型配置图4．8a示出了8086最大工作模式系统的典型配置之一，在结构上与最小模式系统的主要区别是增设了一个总线控制器8288和一个总线仲裁器8289，它们可以构成8086CPU为核心的多处理器系统。图4．8b示出了8086最大工作模式系统的典型配置之二。图中8288对CPU发出的控制信号进行变换和组合，发出对存储器和I／O端口的读／写信号和对锁存器8282、总线收发器8286的控制信号，使总线控制功能更加完善。71实现多处理器对总线资源的共享控制72由8288提前一个时钟周期发出信号，以便与较慢的存储器和外部设备配合。73由于与CPU一起使用的存储器不只一个，这就产生选片问题。一般采用译码器来选片。图4．14为3—8译码器(74LSl38)的引脚配置。该芯片有三个片选端G1、G1A和G2A当G1=1、G1A=0、G2A=0时，芯片才被选通，否则输出均为高电平。A、B、C为三位输入端。输出端的逻辑功能如表4．6所示。74754．4单片机的结构特点及其最小应用系统单片机(Single-chipMicrocomputer)的典型结构如图4．25所示，目前常用的MCS一48、5l、96系列单片机的主要性能参数见表4．15。其中MCS一51系列单片机是目前8位微机中性能价格比最佳，应用较多的系列产品。767778下面以MCS一51系列产品为例，对其结构特点和应用作简要说明。

1．MCS一51系列单片机的结构特点MCS一51系列单片机包括8051、8751和8031三种产品，其硬件设计简单灵活。8051片内有4KB的ROM。用户将已开发好的程序交给芯片制造厂商，在制造芯片时用掩膜工序将用户程序写入ROM。显然用户本身是无法将自己的程序写入8051芯片的。程序一经写入片内ROM，用户也无法改变程序。所以8051用在批量较大(1000片以上)时，经济上才合算。79

8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：·中央处理器：

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

80数据存储器(RAM)：

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

程序存储器(ROM)：

8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格定时/计数器(ROM)：

8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向

81并行输入输出(I/O)口：

8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输全双工串行口：

8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用

中断系统：

8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

时钟电路：

8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。8283MCS一51系列单片机的引脚如图4．26所示，其引脚功能可分为三大部分：(1)I／O口线P0、P1、P2、P3共四个8位口。P0、P2：电路中包含一个数据输出锁存器和两个三态数据输入缓冲器，另外还有一个数据输出的驱动和控制电路。这两组口线用来作为CPU与外部数据存储器、外部程序存储器和I/O扩展口，而不能象P1、P3直接用作输出口。

P2口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高8位输出口AB8-AB15，P0口由ALE选通作为地址总线的低8位输出口AB0-AB7。外部的程序存储器由PSEN信号选通，数据存储器则由WR和RD读写信号选通，因为216=64k，所以8051最大可外接64kB的程序存储器和数据存储器。84(3)电源及时钟Vcc、Vss、XTAL1／XTAL28051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。

(2)控制口线PSEN(片外取指控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外存储器选择)、RESET(复位控制)。P1口为8位准双向口，每一位均可单独定义为输入或输出口。P3口为准双向口，为适应引脚的第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑，在真正的应用电路中，第二功能显得更为重要

858687其应用特性为：1)I／O口线不能都用作用户I／O线。除805l／8751外真正可完全为用户使用的I／O口线只有P1口以及部分作为第一功能使用的P3口。2)I／O口的驱动能力。P0口可驱动8个TTL门电路，P1、P2、P3则只能驱动4个TTL门电路。883)P口是双重功能口，其引脚功能如下：引脚名引脚号功能Vcc40875l的编程，805l或875l的检验和正常运行时的电源，+5V。Vss40接地电平。P0口39～328位双向I／O口，也是访问外存储器的低位地址和数据总线。在编程和校验时，用于数据的输入和输出。P1口1～88位双向I／O口。在编程和校验时，用于接受低位地址字节。89P2口21～288位双向I／O口。在访问外存储器时，输出高位地址字节；在编程和检验时，它也能接受高位地址和控制信号。P3口10～178位双向I／O口。实现第二功能时，必须在相应的输出锁存器里写入“l”。RST／Vpp9从低到高(约3V)的跳变使805l复位。若Vcc降到低于规定值，而Vpp在规定值范围(约为5V)内，则Vpp将为RAM提供备用电源。90当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如下表：

8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。此外，RESET/Vpp还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。

9192ALE／PROG30提供地址锁存允许输出信号。在访问外存储器时，锁存低位地址字节。在进行EPROM编程时，接受编程脉冲输入。PSEN29程序存储允许输出信号。当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行

EA/Vpp31低电平时，8051执行外程序存储器的指令。8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器,高电平时，当PC小于4KB时,8051执行片内ROM／EPROM。而超过4kB地址则读取外部指令数据该脚也接收21V的EPROM编程电压。93XTALl18振荡器的高增益放大器输入，接晶振或外部源。XTAL219振荡器的放大器输出，或接收外振荡器信号。4个并行口P0、Pl、P2、P3提供了32根I／O线。芯片内每个口由一个锁存器(特殊功能寄存器P0到P3)、一个输出驱动器和二个输入缓冲器组成。口0和口2的输出驱动器以及口0的输入缓冲器用于访问外部存储器。此时，口0分别输出外部低位地址、读／写数据，而口2输出外部存储器高位地址。94引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外部中断)P3.3INT1(外部中断)P3.4T0(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器1外部输入)P3.6WR(外部数据存储器写脉冲)P3.7RD(外部数据存储器读脉冲)口3的每一根线可执行第二功能：952．MCS一51系列单片机的最小应用系统及其扩展单片机的应用系统构成如图4.27961)8031最小应用系统。8031内部不带ROM，需外接EPROM作外部程序存储器。97它是一片三态输出8D触发器，当OE=0时三态门导通，输出线上为8位锁存器的状态。当OE=1时输出线呈高阻抗状态。G为锁存信号输入线，G=1时锁存器输出等于D端输入，G输入端负跳变将输入信息锁存到8位锁存器中。982)8031的数据存储器的扩展在8031单片机应用系统中，最常用的静态RAM(数据存储器)芯片有6116(2k×8)和6264(8k×8)两种。993)8031输入／输出口的扩展在使用单片机的实时控制系统中，往往需要通信的外部设备或控制对象比较多，单片机本身的I／O口无法满足要求，因而需要扩展I／O口。用户可以把MCS一51的64KB数据存储器地址空间的一部分(例如0DH～FFH)作为外部I／O的地址空间，CPU像访问外部RAM单元一样读写扩展的I／O口。常用的I／O接口电路是通用的可编程并行8位接口芯片(8255A)。图4．31为8031最小应用系统的I／O扩展接口电路。1001014．5数字显示器及键盘的接口电路1．数字显示器的结构及其工作原理单片机应用系统中，常使用LED(发光二极管)、CRT显示器和LCD(液晶显示器)等作为显示器件。其中LED和LCD成本低、配置灵活、与单片机接口方便，故应用广泛。数码显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用七段显示器的结构如图4．32所示。102103七段显示块与单片机接口非常容易。只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。共阳极与共阴极的段选码互为补数。点亮显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制，三位显示器的接口逻辑，如图4．33所示。104105当显示器位数很少(仅一、二位)时，采用静态显示方法是适合的。当位数较多时，用静态显示所需的I／0口太多，一般采用动态显示方法。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描)。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。8位共阴极显示器和8155的接口逻辑如图4．34所示。106107

根据图可写出动态显示子程序如下：DATASEGMENTSEGTABLDB3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，DB7FH，6FH，77H，7CH,39H,5EH,79H．71H；共阴极LED显示模型PORTCNLDW0803H．0802H，0801H，0800H；8255A端口地址DISBUF1DB09，08，07，06，05，04,03,02,01;DISPLY1子程序待显示数NDBOADH；延时常数(DIMS)MODELDB?；存取位选模型108109DATAENDSSTACKSEGMENTDW100DUP(?)TOSLABELWORDSTACKENDSCODESEGMENTMAINPROCFARASSUMECS：CODE，DS：DATA，SS：STACK110START：MOVAX,STACK；设置堆栈段及栈指针MOVSS,AXMOVSP,OFFSETTOSPUSHDS;返回DOS断口MOVAX，0PUSHAXMOVAX,DATA；设数据段MOVDS，AX111MOVAL,80H；设8255为基本I／O，A口输出，B口输出MOVDX，PORTCNL0UTDX,ALMOVAH，0CALLDISPLYl；调用并行口动态显示子程序MAINENDPDISPLYlPROCNEAR；并行口动态显示子程序MOVBX,OFFSETDISBUFl；建立数据显示缓冲区地址指针MOVCH,80H；从最左边第一位开始显示MOVSI,OFFSETSEGTABL；建立显示码表地址指针112

PUSHS1PUSHDXMOVAH,OMOVAL，[BX]；取待显示数ADDSI，AX；换成显示码MOVAL,[SI];表中针对9的显示码MOVDX，[PORTCNL+4]；从8255B口输出段选模型OUTDX,ALDECDX；从A口输出位选模型MOVAL,CHOUTDX,AL113CALLD1MS；延时1msANDAL，01H；8位全显示完了吗?JZDISPLY2；未完，转DISPY2POPDX；恢复原指针POPSIRETDISPLY2：INCBX；求下一位待显示数的地址SHRCH；求下一个位选码POPDX；恢复原指针POPSIJMPDISPYl114DISPLY1ENDPD1MSPROCNEAR；延时lmS子程序MOVCL,NLOP：DECCLJNZLOPRETDlMSENDPCODEENDSENDMAIN115动态扫描显示程序流程如图4．35所示，其程序清单如下：116MOVR3，#7FH；存首位位选字MOVA,R3LD0：MOVDPTR，#7F0lH；指向PA口MOVX@DPTR，A；送位选字入PA口INCDPTR；指向PB口MOVA，@R0；查段选码ADDA，#0DH；#DH为从查表指令下一个机器码至段选表首的偏移量MOVCA，@A+PC；段选码送PB口MOVX@DPTR,A117ACALLDL1；延时1msINCRO；指向显示缓冲区下一单元MOVA，R3JNBACC，0，LD1；判断八位显示完?RRA；未显示完，变为下一位位选字MOVR3，AAJMPLDO；转显示下一位LD1：RETDSEG：DB3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，“0”“1”“2”“3”“4”“5”“6”07H，7FH，6FH，77H，7CH，39H，5EH，“7”“8”“9”“A”“B”“C”“D”11879H，71H“E’’“F’’DL1：MOVR7，#02H；延时子程序DL：MOVR6，#OFFHDL6：DJNZR6，DL6DJNZR7，DLRET1192．键盘、显示器接口电路8279芯片为专用键盘显示控制芯片。1203．行列式键盘接口电路行列式键盘又叫矩阵式键盘。用I／O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。1)键盘工作原理行列式键盘电路原理如图4．37所示，按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。当行线通过上拉电阻接+5V时，被嵌位在高电平状态。键盘中有无按键按下是由列线送入全扫描字、行线读入行线状态来判断的。其方法是：将列线的所有I／O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中。如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。121122其方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下之键不在此列。如果不全为l，则所按下的键必在此列。而且是在与0电平行线相交的交点上的那个键。若有键按下，求出按下键是哪一个键并求键值求键值：键盘上的每个键都有一个键值。键值赋值的最直接办法是将行、列线按二进制顺序排列，当某一键按下时，键盘扫描程序执行到给该列置0电平，读出各行状态为非全l状态，这时的行、列数据组合成键值。如图4．37中键盘键值从左至右、从上至下依次是77、7B、7D、7E、B7、BB、BD、BE、…、E7、BD、ED、EE。这种负逻辑表示往往不够直观，因而采取行、列线加反相器或软件求反方法把键盘改成正逻辑，这时键值依次为88、84、82、81、48、44、42、41、…、18、14、12、ll。123在许多场合下，采用依次排列键值，键值与键号相一致的方法：求键值时，采用行值、列值两个寄存器(或存储器)。每扫描一行后，如无键按下，则行值寄存器加1；若有键按下，寄存器保持原值，并转至求相应的列值。此时，首先将列值读数右移，每移位一次列值寄存器加1，直到有键按下(低电平)为止。最后将行值和列值相加，即得到键值(十六进制数)。(2)键盘工作方式键盘的工作方式有编程扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种。这里仅简单介绍一下编程扫描方式。1241．程控扫描法

如图所示为4×8矩阵组成的32键盘与微型机接口电路。在图中，8255A端C为行扫描口，工作于输出方式，端口A工作于输入方式，用来读入列值。由图可知，8255A的口地址为8003H，8000H，8001H，8002H125126为了说明键的具体位置，事先按一定顺序给每一个键编一个号，如图中0、1、2、…1E、1F等，称为键值。所谓键译码就是找出每个键的键值，然后根据键值确定其是功能键还是数字键，并分别进行处理。程控扫描法是由程序控制键扫描的方法。程控扫描法的步骤：

(1)判断是否有键按下。使所有的行输出均为低电平，然后从端口A读入列值。如无键按下，则读入值为FFH，否则不为FFH。

(2)去除键抖动。若有键按下，则延时10～20ms，再一次判断有无键按下，如果仍有键按下，则确认。127(3)求出闭合键的键值。对键盘逐行扫描。使PC0=0，然后读入列值，看其是否等于FFH，若等于FFH，说明该行无键按下。再对下一行扫描(即令PC1=0)，如果列值不等于FFH，则说明该行有键按下，求出其键值。求键值时，要采用行值、列值两个寄存器(或存储器)。每扫描一行后，如无键按下，则行值寄存器加08H；若有键按下，行值寄存器保持原值，并转至求相应的列值。此时，首先将列值读数右移，每移位一次列值寄存器加1，直到有键按下(低电平)为止。最后将行值和列值相加，即得到键值(十六进制数)。128例如，X2行Y3列键被按下，求其键值。第一次扫描X0行(PC0=0)，无键按下，行值寄存器=00H+08H；再扫描X1行，仍无键按下，再加08H，即行值寄存器=08H+08H=10H；第三次扫描X2行，此时发现有键按下(列值不等于FFH)，则行值寄存器=10H，不变，转向求列值。将列值读数逐位右移,第一次移位,无键按下,列值寄存器=00H+01H=01H；第二次移位,无键按下；第三次移位仍无键按下，列值寄存器：01H+01H+01H=03H；当第四次移位时，发现有键按下(低电平)，列值寄存器=03H，不变。将行值与列值相加，即行值寄存器+列值寄存器=10H+03H=13H故该键值为13H。129(4)键每闭合一次，CPU只作一次处理，程序需等闭合键释放后才对其进行处理。完成上述任务的程控扫描法程序流程图如图130调显示程序扫描整个键盘

有键按下吗?延时10ms

再次扫描整个键盘输出使Xi为低电平有键按下吗?此行有键按下吗?程控扫描子程序行值+08H求下一行为低电平模型各行均扫描完了吗?列数据右移1位列值+1延时计算键值键释放了吗?调查找功能键程序(BuFF)←键值有键按下吗?YNYNYYNNYYNN131DESEGSEGMENTPORTCNLDW8003H8002H8001H8000H；8255端口地址BUFFDB?；键值缓冲单元．NUMDW0643H；延时子程序常数．DESEGENDSSTACKSEGMENTDW32DUP(?)TOSLABELWORDSTACKENDSCODESEGMANTBEGINPROCFARASSUMECS：CODE，DS：DESEG，SS：STACKSTART：PUSHDS；保护：DOS端口132

SUBAX,AX PUSHAX MOVAX,DESEG；设数据段 MOVDS,AX MOVAX,STACK；设堆栈段 MOVSS,AX MOVSP,OFFSETTOS

MOVDX,PORTCNL；设8255为A口输入,C口低4位输出MOVAL,90H OUTDX,ALKEYSCAN：CALLDISUP；调显示子程序10010000133KEYPRO：CALLKEXAM；调检查是否有键按下子程序 JZKEYPRO；若无键按下，继续检查 CALLD10ms；若有键按下,延时10ms,以防抖动 CALLKEXAM；再次检查是否有键按下 JZKEYPRO；若无键按下，再次转KEYPRO，继续KEY1：MOVAH，0FEH；输出使第Xi行为低电平模型，查被按下的键 MOVBH，0；列值寄存器清零 MOVBL，0；行值寄存器清零 DECDX；输出行的扫描模型(从8255C口) MOVAL,AHKEY2:OUTDX,AL检查是否有键按下,且防抖134DECDX；DECDXINAL,DXCMPAL,0FFHJNZKEY3；有键按下，转求列值ADDBL,08H；此行无键按下，行值加8ROLAH,1；求下一行扫描模型MOVAL,AH；输出下一行扫描模型INCDXINCDX

ANDAL,10H；四行都扫描完了吗?JNZKEY2；未扫描完，继续JMPKEYSCAN；全部扫描完毕，等待下一次按键135KEY3:INCBH;此行有键按下，求列值

SHR AL,1

JCKEY3KEY4：CALLD10ms；防抖动 CALLKEXAM； JNZ KEY4；若有键按下,转KEY4,等待键释放 ADD BL，BH；计算键值DECBL MOV BUFF，BL；存键值CALLKEYPRO；转键值处理程序BEGINENDPD10msPROCNEAR；延时10ms子程序•••••D10msENDP比如列值读数136KEXAMPROCNEAR；查是否有键按下子程序PUSH DXDEC DX；从C口输出使所有行均为低电平模型MOV AL，00HOUT DX，ALDEC DX；从A口读入列值DEC DXIN AL，DXCMP AL，0FFHPOP DX；恢复DX初值(控制口)

RETKEXAMENDPDISUPPROCNEAR•••••DISPENDPCODEENDSENDSTART137键值处理程序取键值是功能键？转功能键处理程序？是数字键？转换成相应的ASCII码0~9的数字？A~F的字母？显示1382．中断扫描法为了更进一步节省CPU的时间，可采用中断扫描法。这种方法的实质是，当没有键入操作时，CPU不对键盘进行扫描，以节省出大量的时间对系统进行监控和数据处理。一旦键盘输入，则向CPU申请中断。CPU响应中断后，即转到相应的中断服务程序，对键盘进行扫描，以便判别键盘上闭合键的键号，并作相应的处理。图3-7所示为中断扫描法硬件接线图。在图3—7中，当没有键按下时，所有列线均为1，经与非门输出一低电平到IRQ2(Intel8259)中断申请线，此时没有中断申请。139一旦某一个键按下以后，则高电平经过按键加到该键所在行的二极管正端，使二极管导通，同时，该列线输出为低平，使与非门74LS30输出为高电平，从而使IRQ2发生正跳变，向CPU申请中断。CPU响应后，即转到中断扫描程序，查出键号，且作相应处理。其扫描方法与程控法相同，不同的只是当有键按下时，才进行扫描。若无键按下，CPU执行主程序或处理其他事情。这样可节省大量的空扫描时间，从而提高了计算机的工作效率。140编程扫描工作方式是利用CPU在完成其它工作的空闲，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。下面以图4．38的8155扩展I／O口组成的行列式键盘为例，介绍编程扫描工作方式的工作过程与键盘扫描子程序流程。在该键盘中，键值与键号相一致，依次排列为0～31，共32个键，组成4×8的行列式键盘。在键盘扫描子程序中完成下述几个功能：1)判断键盘上有无键按下。其方法为：PA口输出全扫描字00H，读PC口状态，PC0～PC3为全l，则键盘无键按下，若不全为1，则有键按下。1411422)去键的机械抖动影响其方法为，在判断有键按下后，软件延时一段时间（10-20ms），再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键按下，否则按键抖动处理。3)求按下键的键号。a:按照行列式键盘工作原理，图中32个键的键值应对应作如下分布(PA、PC口为二进制码，X为任意值)：（按行、列线按二进制顺序排列）FEXEFDXEFBXEF7XEEFXEDFXEBFXE7FXEFEXDFDXDFBXDF7XDEFXDDFXDBFXD7FXDFEXBFDXBFBXBF7XBEFXBDFXBBFXB7FXBFEX7FDX7FBX7F7X7EFX7DFX7BFX77FX7143按顺序排列的键号，其相对应的键号如图中所示。b:按照行首键号与列号相加的办法处理，每行的行首键号依次为：0，8，16，24，列首依列线顺序为0～7．4)为保证键闭合一次，CPU仅进行一次功能操作。其方法为，等待键释放以后再将键号送入累加器A中

图4．39为键扫描了程序框图。编程扫描工作方式只有在CPU空闲时才调用键盘扫描子程序。1441454．6可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例(1)PLC的构成及工作原理可编程逻辑控制器(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、计数及算术运算和过数字或模拟输入／输出来控制各种机电一体化系统。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、价格便宜等特点，具有泛的应用前景。146PLC实质上是一台面向用户的专用数字控制计算机。图4．40为PLC的硬件结构框图，PLC通过输入／输出接口与被控对象(工作机)相连接。147PLC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(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，见图4．41所示。顺序程序是根据梯形图所表达的顺序过程用PLC指令编写的程序，顺序程序存储在PLC控制板的EPROM中，它是由PLC编程器写入EPROM中的。PLC编程器是编制顺序程序不可缺少的辅助工具。它可以用来输入顺序程序、测试或修改顺序程序以及把顺序程序写入EPROM中。顺序程序的编制流程如图4．42所示。1481494．7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：①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；②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；③应具有强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。1501．光电隔离电路设计(1)光电隔离电路为了防止强电干扰及其它干扰信号通过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，如图4．46所示。151152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，又由于光电耦合器输入与输出端之间绝缘电阻非常大(一般为1011～1012Ω

)，寄生电容很小(一般为0.5～2pF)，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。如图4．46a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。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。通常使用的光电耦合器如4．47所示。153用在100kHz以下的频率信号输出部分采用光敏二极管和高速开关管组成复合结构，具有较高的响应速度.以光敏二极管和放大晶体管构成达林顿管输出,直接用于驱动较低频率的负载输出部分为光控晶闸管,用在大功率的隔离驱动场合154(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、后向通道及其它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，其基本配置如图4．48所示。155在微机应用系统中，由于端口的性质不同，接口电路也有所不同.如803l的P3口,为准双向口，作为输入时拉成低电平，可由任何TTL或MOs电路所驱动。当外部输入信号为低电平时，P3口被拉成高电平，它与光耦合器的连接如图4.49所示。156采用这种电路可使开机复位时不因P1口强迫置成高电平而输出不需要的信号由于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157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4．52所示。为了进一步提高普通型光耦合器的光耦合速度，可采用图4．53电路。在较恶劣环境中的前向通道，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，如图4．54所示。1581591602．信息转换电路设计(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，如图4．55所示的几种电路。继电器交流接触器161(2)数字脉冲转换例如图4．56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电隔离和放大电路,并联接到微机并行输出端口的一个二进制位上。脉冲信号经光电隔离电路耦合、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。例如图4．57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。162163164(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，这种电量到非电量的转换可以采用图4．55a和b所示的办法实现，其中DT就表示液压电磁阀。另外一种电液转换元件是电液伺服阀，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图4．58所示。1651664．8常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口4．8．1检测传感器的分类和基本要求传感器是将机电一体化系统中被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部分，是整个设备的感觉器官，监视、检测着整个生产过程，以保证最稳定的工作状况，同时可用作数字显示装置。在闭环伺服系统中，传感器又用作位置环的检测反馈器件，直接影响到工作机械的运动性能、控制精度和智能水平。167按测量转换形式可分为：（一）、分类如图168169计数型——脉冲数字型（增量式光电码盘和检测光栅）代码型——编码器（绝对值型光电编码器、接触式编码板等）。输出的是代码170按功能可分为位置式、位移式、角度式、速度式、加速度式、温度式、压力式、流量式、振动式等传感器。表4.18传感器按其工作原理还可分为压电式、磁电式、光电式、热电式、电阻式、电容式、电感式传感器。171各种测量传感器的基本特性参数如表4．19所示。172173机电一体化系统对检测传感器的基本要求：①体积小、重量轻、对整机的适应性好；②精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；