《机电一体化技术》课件-第六章 计算机控制技术

第6章计算机控制技术机电一体化技术6.1概述6.1概述21、计算机控制系统基本结构给定计算机输出电路D/A转换执行机构被控对象输出+输入电路A/D转换反馈测量-6.1概述3计算机控制系统的控制过程可分为三个步骤（1）实时采集数据。该步对系统输出（被控对象）的瞬时值进行检测，并输入计算机中进行处理（2）实时决策。该步对实时给定的值与被控参数的数据按已定的控制规律，进行运算和推理，决定控制过程（3）实时控制。该步根据决策实时地向执行机构发出控制指令1、计算机控制系统基本结构上述过程中，信号的输入、运算和输出都在一定的时间（采样间隙）内完成。通过不断地执行上述过程，使整个系统能按照一定的静态和动态指标工作。42、计算机控制系统的组成6.1概述计算机控制系统软件硬件运算器控制器储存器输入设备外部组成设备输出设备5（1）硬件组成1）主机2）输入/输出通道（接口）3）外围设备4）执行机构和传感器2、计算机控制系统的组成6.1概述串行通信操作台（键盘）（显示器）打印机计算机A/D转换器D/A转换器开关量输入开关量输出传感器及变送器执行机构受控对象硬件由计算机主机、接口及外部设备组成，受控对象的被测参数经过传感器、变换器换成同意的标准信号，在经过A/D转换，经接口送入计算机。6（1）软件组成1）系统软件系统软件是指用来管理计算机本身的资源和便于用户使用计算机的软件。2）应用软件应用软件是用户根据要解决的具体控制问题二编制的控制和管理程序，如数据采集和滤波程序、控制程序、人机接口程序，打印显示程序等。其中，控制程序是应用软件程序的核心。2、计算机控制系统的组成6.1概述软件是指用于完成操作、监控、控制、管理、计算和自我诊断等各个功能的程序的总称。一般将计算机控制软件分为系统软件、应用软件两大类。6.1概述7（1）接口功能的完备及可扩展性3、计算机控制系统的特点和要求为满足不同信号形式，计算机控制系统应配置不同的输入输出接口电路。（2）实时控制功能和高精度计算机应具备完整的中断系统、系统时钟及高速数据通道。（3）较强可靠性、适应性和抗干扰能力计算机必须具有非常高的可靠性和电磁兼容性，此外控制计算机还应对恶劣作业环境具有很强的适应性。6.1概述8（1）按控制装置分类4、计算机控制系统的分类比较项目系统类型单片机控制系统基于PC的控制系统基于PLC的控制系统普通PC系统工业PC系统中小型PLC系统大型PLC系统系统组成自行开发按要求配置各个功能接口板卡整机已系统化，外设需另行设置按要求选择主机和扩展单元系统功能简单的处理功能和控制功能数据处理功能强大具备完整的控制功能逻辑控制为主复杂多点控制程序语言汇编语言为主，也可使用高级语言汇编语言和高级语言高级语言为主梯形图支持多种高级语言人机界面较差好很好一般好执行速度快很快很快一般很快抗干扰能力较差一般好很好很好环境适应性较差差一般很好很好应用场合智能仪表/简单控制实验室环境的信号采集和控制较大规模工业现场控制一般规模工业现场控制大规模工业现场控制开发周期较长一般一般短短成本低较高高中很高6.1概述9（2）按控制计算机应用方式分类1）操作指导控制系统(DPS)计算机操作指导参数数据测量值人调节器执行机构A/D转换器多路开关传感器生产过程6.1概述102）直接数字控制系统（DDC)计算机显示打印执行机构A/D转换器控制台传感器生产过程D/A转换器报警测量值控制量6.1概述113）监督计算机控制系统（SCC)计算机模拟调节器执行机构A/D转换器多路开关测量元件受控对象多路D/A转换器6.1概述124）分布式计算机控制系统(DCS)装置控制级装置控制级受控对象企业经营管理级工厂生产管理级车间控制管理级车间控制管理级…6.2MCS-51系列单片机13单片机的结构有两种类型：普林斯顿结构哈佛结构1、MCS-51单片机的内部结构MCS-51系列单片机按存储器配置形式可分为三种类型：①无ROM型：片内没有配置程序存储器，需外接EPROM②ROM型：片内程序存储器为ROM③EPROM型：片内程序存储器为EPROM6.2MCS-51系列单片机141、MCS-51单片机的内部结构MCS-51系列单片机包括中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、64位总线扩展控制接口、可编程I/O接口、可编程全双工串行接口和中断系统8051CPU程序存储程序存储程序存储定时器/计数器中断系统可编程I/O接口可编程全双工串行接口64位总线扩展控制接口P0P1P2P3T0T1外部时钟源TXDRXDINT0INT16.2MCS-51系列单片机152、MCS-51单片机引脚名称及功能（1）电源及时钟电路引脚VCC（40脚）：电源引脚GND(20脚)：接地引脚XYAL1（19脚）：时钟信号输入脚XTAL2（18脚）：时钟信号输出脚（2）输入/输出引脚MCS-51有4组8位I/O口：P0\P1\P2\P3引脚P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7第二功能串行输入口（RXD）串行输出口（TXD）外部中断0（INT0)外部中断1（INT1)定时/计数器0的外部输入口（T0）定时/计数器1的外部输入口（T1）外部数据存储器写选通（WR）外部存储器读选通(RD)6.2MCS-51系列单片机16

6.2MCS-51系列单片机173、MCS-51单片机存储器结构MCS-51单片机物理上设有4个存储器空间：片内程序存储器片外程序存储器片内数据存储器片外数据存储器。由于片内、片外程序存储器采用统一寻址方式，故实际上有3个逻辑空间：

片内、片外统一寻址的64KB程序存储器地址空间

片内256B数据存储器地址空间

片外64KB数据存储器地址空间6.2MCS-51系列单片机183、MCS-51单片机存储器结构

000H0003H000BH0013H001BH0023H002BH复位后PC初始地址外部中断0的入口地址定时器0溢出中断入口地址外部中断1的入口地址定时器1溢出中断入口地址串行口中断入口地址定时器2溢出中断入口地址（8052）特有6.2MCS-51系列单片机193、MCS-51单片机存储器结构（2）数据存储器地址空间

数据存储器主要用于存放运算中间结果、数据缓冲、标志位及待调试的程序。分为片内256B的RAM和片外最大可扩充64KB的RAM两部分。1）00H-7FH单元：低128B的片区RAM区。00H-1FH共32个单元通常作为工作寄存区，共分4个组，每组由8个单元组成通用寄存器（R0-R7）。特殊功能寄存器SFR数据缓冲区可位寻地址区3区(R0-R7)2区(R0-R7)1区(R0-R7)0区(R0-R7)字节寻址/位只可字节寻址全部可位寻址4组通用寄存器R0-R7，其中R0、R1可位寻址00H-1FH

6.2MCS-51系列单片机202）高128B的RAM：特殊功能寄存器。符号地址含义Acc0E0H累加器B0F0H寄存器BPSW0D0H程序状态寄存器SP81H堆栈指针DPTR82H,83H数据指针寄存器，16位，分为高8位（DPH）和低8位（DPL)IE0A8H中断允许控制寄存器IP0B8H中断优先级控制寄存器P080HI/O端口0寄存器P190HI/O端口1寄存器P20A0HI/O端口2寄存器P30B0HI/O端口3寄存器PCON87H电源控制与波特率选择寄存器SCON98H串口通信控制寄存器SBUF99H串口数据缓冲寄存器TCON88H定时器/计数器控制寄存器TMOD89H定时器/计数器工作模式控制寄存器TL08AH定时器/计数器0低8位TH08CH定时器/计数器0高8位TL18BH定时器/计数器1低8位TH18DH定时器/计数器1高8位6.2MCS-51系列单片机214、MCS-51单片机编程基础（1）程序设计语言MCS-51系列单片机的程序设计语言主要有3种：机器语言、汇编语言和高级语言（C51）

机器语言：完全面向机器并能被单片机直接识别和执行的语言。

汇编语言：一种符号化语言，采用英文字符替代二进制代码，本质同机器语言一样，也是面向机器，必须翻译成二进制机器语言后才能送给机器执行。

高级语言：以C语言为例，它易于读写和掌握，针对性较强，表达方式灵活，编写程序方便快捷，移植性好，可实现结构化设计。和汇编语言一样，必须翻译成二进制机器语言后才能送给机器执行6.2MCS-51系列单片机221）C51语言程序设计

从结构上分为：顺序结构、循环结构、分支结构

①顺序结构

例：将片内RAM的30H单元存放一个0-9之间的数，用查表法获得该数的平方值并放入31H单元中voidmain(){chardatax,*p;charcodetab[10]={0,1,4,9,16,25,36,49,64,81};//平方数存放在片内程序存储器p=0x30;//指向片内RAM30H单元x=tab[*p];//访问数据p++;//指向31H单元*p=x;//保存在31H单元}（2）MCS-51高级语言程序编写基础

6.2MCS-51系列单片机23

②循环结构

例：将片内30H-39H单元单元的数据传送到片外的1000H-1009H单元中#include<absacc.h>//存储器访问#definea0x30//片内RAM首地址#defineb0x1000//片外RAM首地址voidmain(){unsignedcharI;for(i=0;i<10;i++)XBYTE[b+i]=DBYTE[a+i];//数据传送}（2）MCS-51高级语言程序编写基础

6.2MCS-51系列单片机24

③分支结构

if语句：若条件表达式为真（非0值），就执行后面相应的语句；反之若条件表达式为假（0值），就不执行后面的语句

switch语句：switch(){case常量表达式1：语句1break；case常量表达式2：语句2

break；default；}（2）MCS-51高级语言程序编写基础

6.2MCS-51系列单片机25

2）C51语言中常用的库函数C51编辑器拥有相当丰富的库函数，可简化程序设计工作。C51库函数又分为本征库函数和非本征库函数。调用本征库函数：#include<intrins.h>（2）MCS-51高级语言程序编写基础

函数名称及定义函数功能说明Externunsignedchar_crol_(unsignedcharval,unsignedcharn)将VAL循环左移n位Externunsignedint_irol_(unsignedintval,unsignedcharn)将VAL循环左移n位Externunsignedlong_lrol_(unsignedlongval,unsignedcharn)将VAL循环左移n位Externunsignedchar_crol_(unsignedcharval,unsignedcharn)将VAL循环右移n位Externunsignedint_iror_(unsignedintval,unsignedcharn)将VAL循环右移n位Externunsignedlong_lror_(unsignedlongval,unsignedcharn)将VAL循环右移n位Externunsignedchar_chkfloat_(floatual)测试并返回float的状态Externbit_testbit_(bitbitval)测试该位变量并跳转同时清除Externvoid_nop_(void)相当于插入汇编指令nop26一、PLC的硬件组成6.3可编程逻辑控制器PLC

PLC基本结构示意图中央处理器运算器控制器输出单元输入单元电源存储器系统程序用户程序外设接口IO扩展接口27一、PLC的硬件组成1.中央处理器

中央处理器（CPU）是PLC的核心部件，由微处理器和控制接口电口组成，目前PLC使用的CPU主要分为以下几种：（1）通用微处理器：8080、8086等，特点是价格便宜，通用性强（2）单片机：8051、68HC系列，特点是集成度高，体积小，可扩充性好，适用于小型机（3）位片式微处理器，例如AMD2900系列等，其特点是可以使用多个微处理器，将任务划分为多个平行处理的部分，多个微处理器同时处理，适用于高速运算的PLC6.3可编程逻辑控制器PLC

28一、PLC的硬件组成2.存储器PLC的存储器分为只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)两种，主要用于存放程序、变量和各种参数。PLC的操作系统程序、用户解释程序、系统诊断程序、管理程序、键盘输入处理程序等一般均固化在ROM中。数据存储通常采用RAM,存储PLC在工作过程中经常变化的数据，包括输入/输出数据、逻辑部件数据、中间变量等。6.3可编程逻辑控制器PLC

29一、PLC的硬件组成3.输入/输出单元输入/输出单元是PLC与工业设备信号连接的重要接口，是完成电平转换的桥梁。PLC通过输入单元获取被控设备的各种参数，将各种各样的信息电平转换成PLC所能处理的标准电平，程序执行结果通过输出单元送给被控设备，驱动执行机构。输入/输出单元根据端子组织形式可分为汇点式、分组式和分隔式。汇点式输入/输出端子有一个公共端子COM。分组式输入单元的输入端子分为若干组，每组共用一个公共端子和一个电源。分隔式输入单元的输入端子相互隔离，各自使用独立电源。6.3可编程逻辑控制器PLC

30一、PLC的硬件组成4.输入/输出（I/O）扩展单元当输入/输出接口数量不能满足控制要求时，整体式PLC可以通过输入/输出扩展接口获得一定数量的输入/输出接口，模块组合式则可通过总线连接扩展输入/输出接口。此外，也可通过输入/输出接口对PLC功能进行拓展，例如模拟量输入/输出单元、温度模块、高速计数模块等。6.3可编程逻辑控制器PLC

31一、PLC的硬件组成5.电源

PLC的电源用于将外部交流电源转换成供CPU、存储器、输入输出接口电路等使用时直流电源，以保证PLC正常工作。其电源包括系统的电源和后备电源，通常为交流220V或直流24V输入，通过PLC电源单元，转换成PLC所需的不同等级的直流电源。对于箱体式PLC，电源一般封装在基本单元的机壳内部；对于模块式PLC,则采用独立的电源模块。此外，还可以使用锂电池作为备用电源，以保证外部供电中断时PLC内部信息致丢失。6.3可编程逻辑控制器PLC

32二、PLC的工作方式、特点及性能指标1.工作方式

PLC采用周期性循环扫描的工作方式，PLC工作过程主要包括CPU自检、通信处理、读取输入、执行程序和输出刷新。PLC采取扫描工作方式就是按照定义和设计、连续和重复地检测系统输入，求解目前的控制逻辑，以及修正系统输出。根据不同的PLC产品，扫描时间般为10～100ms。此外，进行I0服务的时间极短，而扫描周期的大部分时间的干扰都被挡在PLC之外，所以PLC扫描过程具有很强的抗干扰能力。6.3可编程逻辑控制器PLC

33二、PLC的工作方式、特点及性能指标1.工作方式扫描工作方式的不同是PLC与微型计算机的基本区别，还有以下区别(1)微机与外部环境连接时，需要专门的接口电路板，而PLC带有各种IO模块可供直接使用，且输入/输出线可达数百条。(2)PLC具有多种诊断能力，模块式结构，易于维修。(3)PLC可采用梯形图编程，编程语言简单直观，容易掌握。

6.3可编程逻辑控制器PLC

34二、PLC的工作方式、特点及性能指标2.PLC的主要特点（1)抗干扰能力强，可靠性高（2)功能完善，通用性强（3)简单易学、易于编程（4)设计、安装、调试周期短、维修方便（5)体积小、能耗低6.3可编程逻辑控制器PLC

35二、PLC的工作方式、特点及性能指标3.PLC的性能指标（1）IO点数（2)存储容量（3)扫描速度（4)