機(jī)電一體化計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)要求

1、機(jī)電一體化計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)要求4.1 概述機(jī)電一體化系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)擔(dān)負(fù)著信息處理，指揮整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行等任務(wù)。信息處理是否正確、及時(shí)，直接影響到系統(tǒng)工作的質(zhì)量和效率，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展和變革最活躍的因素之一。4.1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)1. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制特點(diǎn)2. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成（1）硬件組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要由主機(jī)、外圍設(shè)備、過(guò)程輸入輸出設(shè)備、人機(jī)聯(lián)系設(shè)備和通信設(shè)備等組成?？删幊炭刂破鳎≒LC）、單回路調(diào)節(jié)器、總線式工業(yè)控制機(jī)、單片微計(jì)算機(jī)和分散計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。（2）軟件組成軟件1）系統(tǒng)軟件 2）應(yīng)用軟件4.1.2 計(jì)算機(jī)的過(guò)程輸入輸出通道1.3

2、過(guò)程通道接口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題（1）控制信息的傳遞路徑 根據(jù)控制的任務(wù)在眾多的信息源中進(jìn)行選擇，以確定該信息傳送的路徑和目的地。（2）控制信息傳送的順序 計(jì)算機(jī)控制的過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程，為確保進(jìn)程正確無(wú)誤，接口電路應(yīng)根據(jù)控制程序的要求，適時(shí)地發(fā)出一組有序的門(mén)控信號(hào)。1）觸發(fā)方式有序的門(mén)控信號(hào)的主要作用就是嚴(yán)格遵循系統(tǒng)工作時(shí)序要求，適時(shí)對(duì)系統(tǒng)中某個(gè)或某些特定部件發(fā)出開(kāi)啟或關(guān)閉（觸發(fā)）信號(hào)，這必然涉及同步觸發(fā)和異步觸發(fā)的方式。所謂同步觸發(fā)是指系統(tǒng)的許多相關(guān)部件或功能塊在同一門(mén)控信號(hào)作用下完成要求的操作，例如系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)就是確保系統(tǒng)中各相關(guān)部件或功能塊回到初始狀態(tài)的同步信號(hào)。異步觸發(fā)則指各相關(guān)部

3、件或功能塊不需在同一信號(hào)控制下完成自己的操作。接口電路中的各相關(guān)部件或功能塊，其內(nèi)部各單元在外部的同步信號(hào)作用下，要完成許多操作，這些操作可以是同步的，也可以是異步的，但必須要滿足時(shí)序要求。因此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一種復(fù)合的觸發(fā)方式，在同步觸發(fā)中隱含異步觸發(fā)，在異步觸發(fā)中隱含同步觸發(fā)，但其觸發(fā)方式和觸發(fā)時(shí)機(jī)必須遵循系統(tǒng)的工作時(shí)序。2）時(shí)序 控制邏輯的結(jié)構(gòu)有組合控制邏輯與存儲(chǔ)控制邏輯兩種類型，不管哪種類型都要嚴(yán)格遵守規(guī)定的操作步驟，每一個(gè)操作步驟又都是在一組有序的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的。所以接口電路設(shè)計(jì)，首先要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的要求標(biāo)出每個(gè)控制信號(hào)發(fā)生的時(shí)間順序和相互之間的時(shí)間差，以及與系統(tǒng)時(shí)鐘的關(guān)系，畫(huà)

4、出時(shí)序圖，然后根據(jù)時(shí)序圖來(lái)確定邏輯電路結(jié)構(gòu)。3）負(fù)載能力一旦控制邏輯確定后，系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行與器件的選擇關(guān)系密切，器件的選擇除了要考慮電平的擺幅、數(shù)值、延時(shí)外，還應(yīng)考慮器件所帶負(fù)載是否匹配。4.2 機(jī)電系統(tǒng)控制微機(jī)的選擇機(jī)電一體化技術(shù)是與元器件技術(shù)緊密結(jié)合發(fā)展起來(lái)的綜合技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的每一最新進(jìn)展，都在機(jī)電一體化產(chǎn)品上烙上了當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)展水平的時(shí)代烙印。初期的微機(jī)控制功能大多由單板機(jī)實(shí)現(xiàn)，后來(lái)隨著 PC 機(jī)功能的增強(qiáng)，價(jià)格下降，出現(xiàn)了由 PC 機(jī)擴(kuò)展而成的微機(jī)控制系統(tǒng)，為了改進(jìn)普通 PC 機(jī)在工業(yè)環(huán)境下的適應(yīng)性，出現(xiàn)了工業(yè) PC 機(jī)，同時(shí)發(fā)展起了可靠性較高的 STD 總線系統(tǒng)。為了替代

5、傳統(tǒng)的繼電邏輯器件，發(fā)展起來(lái)了工業(yè)可編程控制器（PLC）。隨著半導(dǎo)體器件集成度的提高，集成有 CPU 和基本外圍接口電路的單片機(jī)也發(fā)展起來(lái)了，成為當(dāng)前在機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用最廣的微機(jī)芯片。4.2 機(jī)電系統(tǒng)控制微機(jī)的選擇1. 單板機(jī)和單片微機(jī)控制系統(tǒng)單板機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)較早，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。但因其硬件配置不規(guī)范，通常需要自行搭制系統(tǒng)和擴(kuò)展接口，軟件的編寫(xiě)大多限制于用匯編語(yǔ)言進(jìn)行，軟件編程效率低，因此軟硬件的制作工作量較大，開(kāi)發(fā)過(guò)程中的操作和調(diào)試都比較困難，只宜于自行開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。8 位單片機(jī)在降低功耗的同時(shí)具有更高的速度，集成有先進(jìn)的模擬接口和數(shù)字信號(hào)處理器，電源功能也更加靈巧，許多與早

6、期結(jié)構(gòu)的單片機(jī)軟件兼容，但性能提高了幾倍的新型微控制器已相繼問(wèn)世，以使 8 位單片機(jī)能夠適合于各種應(yīng)用。2. 普通 PC 機(jī)組成的控制系統(tǒng)打印機(jī)接口等一套完整的外圍設(shè)備，若利用這類微機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線與接口進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，只需增加少量接口電路，就可以組成功能齊全的測(cè)控系統(tǒng)，而且在實(shí)際應(yīng)用中有多種商品化的接口板成品可供選用。由 PC 機(jī)組成的控制系統(tǒng)基本上是利用了 PC 機(jī)原有的系統(tǒng)資源，但由于PC 機(jī)本來(lái)是主要設(shè)計(jì)用作辦公自動(dòng)化用途的，所以對(duì)其操作環(huán)境有一定的限制，當(dāng)用做在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的微機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于強(qiáng)電磁干擾、電源干擾、振動(dòng)沖擊、工業(yè)油霧氣氛等必須采取防范措施。因此，PC 機(jī)宜用于組成數(shù)據(jù)

7、采集處理系統(tǒng)、多點(diǎn)模擬量控制系統(tǒng)或其他工作環(huán)境較好的微機(jī)控制系統(tǒng)，或者把 PC機(jī)選作分散控制系統(tǒng)中的上位機(jī)，遠(yuǎn)離惡劣環(huán)境對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。3. 工業(yè) PC 控制機(jī)為了克服普通 PC 機(jī)環(huán)境適應(yīng)性、抗干擾性差的弱點(diǎn)，發(fā)展起了結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)加固、元器件經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選、接插件結(jié)合部經(jīng)過(guò)強(qiáng)化設(shè)計(jì)、有良好抗干擾性、工作可靠性高并且保留了 PC 機(jī)的總線及接口標(biāo)準(zhǔn)以及其他優(yōu)點(diǎn)的一類微型計(jì)算機(jī)，稱為工業(yè) PC 控制機(jī)。通常各種工業(yè) PC 控制機(jī)都備有種類齊全的 PC 總線接口模板，包括：數(shù)字量 I/O 板，模擬量 A /D、D /A 板，模擬量輸入多路轉(zhuǎn)換板，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器板，專用控制板，通信板以及存儲(chǔ)器板等，為設(shè)

8、計(jì)制作微機(jī)控制系統(tǒng)提供了極大的方便。3. 工業(yè) PC 控制機(jī)采用工業(yè) PC 控制機(jī)組成控制系統(tǒng)，一般不需要自行開(kāi)發(fā)硬件，軟件通常都與選用的接口模板相配套，接口程序可根據(jù)隨接口板提供的示范程序非常方便地編制完成。由于工業(yè) PC 控制機(jī)選用的微處理器及元器件的檔次較高，結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理，由其組成的控制系統(tǒng)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單板機(jī)、單片機(jī)以及普通PC 機(jī)所組成的控制系統(tǒng)，但系統(tǒng)的成本也比較高，宜用于需進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理、可靠性要求高的大型工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)。Industrial PC IPC防塵與保證運(yùn)行安全的帶鎖門(mén)電源、硬盤(pán)及鍵盤(pán)的狀態(tài)指示燈RESET鍵、KEYBOARD-LOCK鍵帶可拆卸空氣過(guò)濾器的面板雙

9、冷卻風(fēng)扇建立空氣正壓力，經(jīng)過(guò)濾的空氣在機(jī)箱內(nèi)流通300W工業(yè)開(kāi)關(guān)電源可拆卸式光驅(qū)、軟驅(qū)框架防震的可調(diào)節(jié)夾鉗用于安裝特殊連接器或擴(kuò)展電纜的面板加固型金屬機(jī)箱14槽PC總線底版電源on/off鍵4. STD 總線控制系統(tǒng)STD 總線是工業(yè)控制領(lǐng)域的一種標(biāo)準(zhǔn)總線，組成系統(tǒng)時(shí)主體為積木式結(jié)構(gòu)，各種功能模板采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，具有機(jī)械強(qiáng)度高、抗振能力強(qiáng)、互換性好等特點(diǎn)，使用靈活方便，系統(tǒng)的可靠性高，宜在惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作。5. 可編程控制器可編程控制器（簡(jiǎn)稱 PLC）是在繼電器邏輯控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用微處理器技術(shù)發(fā)展起來(lái)的既有邏輯控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、分支程序、子程序等順序控制功能，又能完成數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)

10、處理、模擬量調(diào)節(jié)、操作顯示、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的新型工業(yè)控制器。可編程序控制器體積小、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠，可以直接裝入強(qiáng)電動(dòng)力箱內(nèi)使用，并且功能齊全、運(yùn)算能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單直觀，目前在工業(yè)控制過(guò)程中正逐步取代傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制系統(tǒng)、模擬控制系統(tǒng)以及用小型機(jī)實(shí)現(xiàn)的直接數(shù)字控制系統(tǒng)。PLC 電源模塊CPU模塊IO模塊底 板選擇微機(jī)類型時(shí)，應(yīng)注意的因素微機(jī)的字長(zhǎng)和運(yùn)算速度是否滿足計(jì)算精度及實(shí)時(shí)性的要求，指令系統(tǒng)的功能是否豐富，特別是輸入輸出控制指令更應(yīng)豐富，應(yīng)具備較完善的中斷系統(tǒng)、良好的人機(jī)對(duì)話能力以及計(jì)數(shù)與定時(shí)功能，最后還應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面平衡，求得較好的性能價(jià)格比。4.3 過(guò)程輸入通道接口設(shè)計(jì)

11、3.1 過(guò)程輸入通道接口的任務(wù)與特點(diǎn)在一個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品中，控制微機(jī)要對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行有效控制，使其按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，完成預(yù)定的任務(wù)，就必須隨時(shí)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，隨時(shí)檢測(cè)各種工作和運(yùn)行參數(shù)，如位置、速度、轉(zhuǎn)矩、壓力、溫度等。因此進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須選用相應(yīng)傳感器將這些物理量轉(zhuǎn)換為電量，再經(jīng)過(guò)信息采集接口的整形、放大、匹配、轉(zhuǎn)換，變成微機(jī)可以接受的信號(hào)傳遞給微機(jī)。4.3.2 模擬輸入通道1. 模擬輸入通道的結(jié)構(gòu)（1）模擬輸入通道的結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道的任務(wù)是對(duì)過(guò)程量（即模擬量）進(jìn)行變換、放大、采樣和模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字量并輸入到計(jì)算機(jī)。（2）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題模擬量輸入通道是

12、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)采集通道，從信號(hào)的傳感、變換到計(jì)算機(jī)輸入，都必須考慮。1）信號(hào)的拾取方式模擬輸入通道中，首先要將外界非電參量，如溫度、壓力、速度、位移等物理量轉(zhuǎn)換為電量，這個(gè)環(huán)節(jié)可采用敏感元件、傳感器或測(cè)量?jī)x器來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)節(jié)測(cè)量?jī)x表已系列化，它一般采用標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)，如電壓信號(hào)為 0 5 V、5 V、0 10 V、2.5 V 等范圍，而電流信號(hào)則為 4 20mA、0 10 mA 等范圍，它們經(jīng)適當(dāng)處理（如 I/V 變換、濾波）后可直接與 A /D 電路相連。2）信號(hào)的調(diào)節(jié)在模擬量輸入通道中，信號(hào)調(diào)節(jié)的任務(wù)是將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成滿足 A /D 電路要求的電平信號(hào)。在一般測(cè)量系統(tǒng)中

13、，信號(hào)調(diào)節(jié)的任務(wù)比較復(fù)雜，除小信號(hào)放大、濾波外，還應(yīng)有零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正、量程切換等信號(hào)處理電路。目前部分信號(hào)處理工作可由計(jì)算機(jī)軟件完成，從而使信號(hào)處理電路得以簡(jiǎn)化。3）模 /數(shù)轉(zhuǎn)換方式的選擇模擬量輸入通道的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換方式有 A /D 轉(zhuǎn)換電路和 V /F 變換方式，V /F 變換方式將信號(hào)電壓變換為頻率量，由計(jì)算機(jī)或計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。A /D 轉(zhuǎn)換電路一般采用專用的轉(zhuǎn)換芯片，選擇時(shí)應(yīng)從轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度及系統(tǒng)成本等方面綜合考慮。4）電源配置信號(hào)拾取時(shí)，要考慮對(duì)傳感器的供電，對(duì)于不同的信號(hào)調(diào)節(jié)電路中的芯片，一般會(huì)提出對(duì)電源的要求，必須很好地解決電源問(wèn)

14、題。模擬輸入通道與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)系較緊，而且傳感器輸出信號(hào)較弱，電源配置時(shí)要充分考慮干擾的隔離與抑制。5）抗干擾措施由于傳感器拾取的信號(hào)來(lái)自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，受干擾的因素很多，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)采用可靠的抗干擾措施，如隔離、濾波等。2. 模擬多路轉(zhuǎn)換器及其與 CPU 的接口模擬多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開(kāi)關(guān)。在分時(shí)檢測(cè)時(shí)，利用多路開(kāi)關(guān)可將各個(gè)輸入信號(hào)依次地或隨機(jī)地連接到公用放大器或 A /D 轉(zhuǎn)換器上。為了提高過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)精度，對(duì)多路開(kāi)關(guān)提出了較高的要求，例如接通電阻要很小、開(kāi)路電阻要很大、切換速度要快、壽命長(zhǎng)、工作可靠等。（1）多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的類型多路開(kāi)關(guān)有兩類：一類是機(jī)械觸點(diǎn)式，如干簧繼電器、水銀繼電器和機(jī)械振子

15、式繼電器；另一類是電子式開(kāi)關(guān)，如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管及集成電路開(kāi)關(guān)等。（2）多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的連接方式1）單端接法將所有輸入信號(hào)源一端接至同一個(gè)信號(hào)地。然后將信號(hào)地與模擬地相連。這種接法抑制共模干擾能力較弱，適合于高電平信號(hào)場(chǎng)合。2）差分接法 模擬量雙端輸入、雙端輸出接到放大器上，這種接法的共模干擾抑制能力強(qiáng)，一般用于低電平輸入、現(xiàn)場(chǎng)干擾較嚴(yán)重、信號(hào)源和多路開(kāi)關(guān)距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，或者輸入信號(hào)有各自獨(dú)立的參考電壓的場(chǎng)合。3）偽差分接法 和單端接法不同點(diǎn)是模擬地和信號(hào)地接成一點(diǎn)，而且應(yīng)該是所有信號(hào)的真正地，也是各輸入信號(hào)唯一參考地，這種方法可抑制信號(hào)源和多路開(kāi)關(guān)所具有的共模干擾，適用于信號(hào)源距離較近的場(chǎng)合。

16、（3）集成多路轉(zhuǎn)換器常用的 CMOS 集成多路轉(zhuǎn)換器有單端和差分兩種類型，一般情況下，它們分別用于單端接法和差分接法應(yīng)用場(chǎng)合。單端集成多路轉(zhuǎn)換器有 16 通道和 8 通道兩種芯片，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。差分集成多路轉(zhuǎn)換器也有 4 通道和 8 通道兩種。典型 8 通道差分多路轉(zhuǎn)換器有 AD7510、MAX307、DG407 等。（4）集成多路轉(zhuǎn)換器與單片機(jī) 8031 的接口3.采樣保持器采樣保持器又叫做采樣保持放大器（SHA），它的原理如右 所示。它由模擬開(kāi)關(guān) S

17、、保持電容 C 和緩沖放大器組成。LF198 具有采樣速度高，保持電壓下降速度慢及精度高等特點(diǎn)。采用的電源電壓為5 18 V，輸入模擬電壓最大等于電源電壓。LF198 的模擬開(kāi)關(guān)采用脈沖控制，邏輯控制輸入端用于控制采樣或保持，可與各種類型的控制信號(hào)和邏輯電平兼容。4. A /D 轉(zhuǎn)換及與 CPU 的接口（2）ADC0809 接口設(shè)計(jì)ADC0809 是一種 8 路模擬輸入、8 位數(shù)字輸出的逐次比較式 A /D 轉(zhuǎn)換器。1）主要技術(shù)性能精度：0.4% ；量程：0 5 V；轉(zhuǎn)換速度：100 s/次（典型值）；時(shí)鐘范圍：50 800 kHz（典型值 640 kHz)4.3.3 開(kāi)關(guān)（數(shù)字）量輸入通道1

18、. 開(kāi)關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式2. 開(kāi)關(guān)量形式及變換過(guò)程開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）大致可分為三種形式：機(jī)械有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量、電子無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量和非電量開(kāi)關(guān)量。不同的開(kāi)關(guān)量要采用不同的變換方法。典型的開(kāi)關(guān)量輸入通道通常由以下幾部分組成：1）信號(hào)變換器 將過(guò)程的非電量開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換為電壓或電流的雙值邏輯值。2）整形電路 將混有毛刺之類干擾的輸入雙值邏輯信號(hào)或其信號(hào)前后沿不合要求的輸入信號(hào)整形為接近理想狀態(tài)的方波或矩形波，而后再根據(jù)系統(tǒng)要求變換為相應(yīng)形狀的脈沖信號(hào)。3）電平變換電路 將輸入的雙值邏輯電平轉(zhuǎn)換為與 CPU 兼容的邏輯電平。4）總線緩沖區(qū) 暫存數(shù)字量信息并實(shí)現(xiàn)與 CPU 數(shù)據(jù)總線的連接。5）接口電路 協(xié)調(diào)通道

19、的同步工作，向 CPU 傳遞狀態(tài)信息并控制開(kāi)關(guān)量到 CPU 的輸入。（1）機(jī)械有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量（2）無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量通過(guò)采用磁、光、聲等方式反映過(guò)程狀態(tài)，在許多控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。這種非電量開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）需要通過(guò)電量轉(zhuǎn)換后才能以電的形式輸出。實(shí)現(xiàn)非電量開(kāi)關(guān)量（數(shù)字量）的信號(hào)變換電路由非電量 /電量變換、放大（或檢波）電路、光電隔離電路等組成。非電量 /電量變換一般采用磁敏、光敏、聲敏等元件，它將磁、光、聲的變化以電壓或電流形式輸出。由于敏感元件輸出信號(hào)較弱，輸出電信號(hào)不一定是邏輯量（例如可能是交流電壓），因此對(duì)信號(hào)要進(jìn)行放大和檢波后才能變成具有一定驅(qū)動(dòng)能力的邏輯電信號(hào)。隔離電路根據(jù)控制系統(tǒng)工作環(huán)

20、境及信號(hào)拾取方式?jīng)Q定是否采用。對(duì)于精度和穩(wěn)定性要求較高的使用場(chǎng)合，可考慮采用精密儀器或傳感器（例如磁性編碼器、光學(xué)編碼器、感應(yīng)同步器等）。3. 整形與電平變換各種過(guò)程開(kāi)關(guān)量經(jīng)信號(hào)變換后轉(zhuǎn)換成邏輯電信號(hào)或脈沖信號(hào)，但這種信號(hào)在脈沖寬度、脈沖波形形狀、脈沖前后沿陡度及信號(hào)電平可能不很理想，通常需進(jìn)行波形整形及電平變換才能輸入到計(jì)算機(jī)。4. 開(kāi)關(guān)量輸入通道與 CPU 的接口根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能要求，CPU 對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的處理形式主要有三種：開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、脈寬測(cè)量和脈沖計(jì)數(shù)。（1）開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)及其接口開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)是指計(jì)算機(jī)在適當(dāng)時(shí)刻將外部開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)讀入到計(jì)算機(jī)。 （2）脈寬測(cè)量接口電路脈寬測(cè)

21、量指對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入的某個(gè)狀態(tài)（“1”或“0”）的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于單片機(jī)，可利用定時(shí)器及外部中斷來(lái)測(cè)量脈沖寬度。（3）脈沖計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)通常用來(lái)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，主要用于測(cè)頻率、測(cè)轉(zhuǎn)速或用于 V/f方式的 A /D 轉(zhuǎn)換。4.4 過(guò)程輸出通道接口設(shè)計(jì)1 過(guò)程輸出通道接口的任務(wù)與特點(diǎn)控制微機(jī)通過(guò)信息采集接口檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，發(fā)出有關(guān)控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件去調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。根據(jù)執(zhí)行元件的需要不同控制接口的任務(wù)也不同，例如對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器，控制信號(hào)為 0 5 V 電壓或 4 20 mA 電流信號(hào)，則控制

22、輸出接口必須進(jìn)行數(shù) /模轉(zhuǎn)換；對(duì)于交流接觸器等大功率執(zhí)行件，必須進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)。由于機(jī)電系統(tǒng)中執(zhí)行元件多為大功率設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)，電熱器，電磁鐵等，這些設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)、電源干擾往往會(huì)影響微機(jī)的正常工作，所以抗干擾設(shè)計(jì)同樣是控制輸出接口設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的重要內(nèi)容。2 模擬輸出通道模擬量輸出通道的任務(wù)是把微型機(jī)輸出的數(shù)字量變換成模擬量，這個(gè)任務(wù)主要由 D /A 轉(zhuǎn)換器來(lái)完成，對(duì)于模擬量輸出通道，要求可靠性高，滿足一定的精度，還必須具有保持的功能。1. 結(jié)構(gòu)形式2. D /A 轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)的一般性問(wèn)題模擬量輸出通道不論采用何種形式，都要取決于數(shù) /模轉(zhuǎn)換器和與 CPU 的接口。在 D /A 轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計(jì)

23、中，主要考慮的問(wèn)題是 D /A 轉(zhuǎn)換芯片的選擇、數(shù)字量碼的輸入及模擬量的極性輸出、參考電壓電流源、模擬電量輸出的調(diào)整與分配等。（1）D /A 轉(zhuǎn)換芯片的選擇原則選擇 D /A 轉(zhuǎn)換芯片時(shí)，主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。在性能上必須滿足 D /A 轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求，在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性上滿足接口方便、外圍電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等要求。D /A 轉(zhuǎn)換器主要的特性1）數(shù)字輸入特性 包括接收數(shù)碼制、數(shù)據(jù)格式及邏輯電平等。D /A 轉(zhuǎn)換器一般只能接收二進(jìn)制數(shù)碼，當(dāng)輸入數(shù)字代碼為偏置碼或補(bǔ)碼等雙極性數(shù)碼時(shí)，應(yīng)外接適當(dāng)偏置電路才能實(shí)現(xiàn)。D /A 轉(zhuǎn)換器一般采用并行碼和串行碼兩種數(shù)據(jù)形式，采用的邏輯電平多為 TT

24、L 或低壓 CMOS 電平。2）模擬量輸出特性 指 D /A 轉(zhuǎn)換器的輸出電量特性（電壓還是電流），多數(shù) D /A 轉(zhuǎn)換器采用電流輸出。對(duì)于輸出特性具有電流源性質(zhì)的 D /A 轉(zhuǎn)換器，用輸出電壓允許范圍來(lái)表示由輸出電路（包括簡(jiǎn)單電阻或運(yùn)算放大器）造成輸出電壓的可變動(dòng)范圍，只要輸出端電壓在輸出電壓允許范圍內(nèi)，輸出電流與輸入數(shù)字間保持正確的轉(zhuǎn)換關(guān)系，而與輸出電壓的大小無(wú)關(guān)，對(duì)于輸出特性為非電流源特性的 D /A 轉(zhuǎn)換器，無(wú)輸出電壓允許范圍指標(biāo)，電流輸出端應(yīng)保持公共端電流或虛地，否則將破壞其轉(zhuǎn)換關(guān)系。3）鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制 D /A 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入數(shù)字量是否具有鎖存功能，將直接影響與 CPU 的接口設(shè)

25、計(jì)。若無(wú)鎖存功能，通過(guò) CPU 數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)字量時(shí)，必須外加鎖存器。同時(shí)有些 D /A 轉(zhuǎn)換器對(duì)鎖存的數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換為模擬量要施加控制，即施加外部轉(zhuǎn)換控制信號(hào)才能轉(zhuǎn)換和輸出，這種 D /A 轉(zhuǎn)換器在分時(shí)控制多路 D /A 轉(zhuǎn)換器時(shí)，可實(shí)現(xiàn)多路 D /A 轉(zhuǎn)換的同步輸出。4）參考源 參考電壓源是影響輸出結(jié)果的模擬參量，它是重要的接口電路。對(duì)于內(nèi)部帶有參考電壓源的 D /A 轉(zhuǎn)換芯片不僅能保證有較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡(jiǎn)化接口電路。MOV DPTR , #4200HMOV A , #DATAMOVX DPTR , A其它高位轉(zhuǎn)換器就不再舉例了。3 開(kāi)關(guān)量輸出通道1.結(jié)構(gòu)形式2. 開(kāi)關(guān)量輸出通道與

26、 CPU 的接口1）對(duì)于單片機(jī)，由于本身帶有具有鎖存功能的 I/O 口，因此可以直接利用其 I/O 口作為輸出而無(wú)需另加接口電路。例如利用 8031 的 P1 口作為輸出。2）采用通用集成可編程 I/O 接口芯片、可編程芯片的最大特點(diǎn)，就是在不增加任何硬件的條件下，通過(guò)改變程序內(nèi)容就可達(dá)到改變芯片功能的目的。可編程并行接口芯片一般有兩個(gè)以上具有鎖存或緩沖功能的數(shù)據(jù)端口，一個(gè)以上的控制寄存器和中斷邏輯電路，因此使用非常方便。這類芯片主要有：8155、8255、Z80 -PIO 等。3）采用通用邏輯芯片：采用 TTL 或 CMOS 邏輯芯片實(shí)現(xiàn)。3. 功率接口技術(shù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量經(jīng)鎖存輸出后，要

27、進(jìn)行隔離和放大后加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。開(kāi)關(guān)量輸出通道控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大都屬于脈沖型功率元件或開(kāi)關(guān)型功率元件，不同的功率元件需要不同的功放電路。（1）直流電磁式繼電器、接觸器功率接口（2）交流電磁式接觸器功率接口（3）晶閘管觸發(fā)電路4.5 計(jì)算機(jī)控制機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 計(jì)算機(jī)控制機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟1. 確定系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)之前首先應(yīng)該詳細(xì)了解控制對(duì)象和控制要求，提出系統(tǒng)整體方案。主要包括：系統(tǒng)構(gòu)成形式是采用開(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控制；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)還是液壓驅(qū)動(dòng)或其他方式的驅(qū)動(dòng)；微機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用是計(jì)算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理。通過(guò)考慮這些整體方案畫(huà)出系統(tǒng)組成框圖，以此作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。2. 建

28、立數(shù)學(xué)模型，確定控制算法對(duì)任何一個(gè)具體的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它反映了系統(tǒng)輸入、內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的關(guān)系，它為計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理提供了依據(jù)，由它推出控制算法?？刂扑惴ㄕ_與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，因此正確地確定控制算法是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要工作之一。3. 選擇微處理器和外圍接口選擇微處理器和外圍接口時(shí)，一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：（1）字長(zhǎng)微處理器的字長(zhǎng)定義為并行數(shù)據(jù)總線的線數(shù)，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，精度越高，但價(jià)格相應(yīng)提高。2）速度運(yùn)算速度直接影響系統(tǒng)快速性，若系統(tǒng)要求響應(yīng)快，就必須選擇速度高的計(jì)算機(jī)。（3）內(nèi)存容量?jī)?nèi)存容量取決于控制算法的復(fù)雜程度。若控制

29、算法復(fù)雜，計(jì)算量大，所需處理的數(shù)據(jù)多，就要選擇內(nèi)存容量大的計(jì)算機(jī)。（4）中斷能力計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的中斷能力，不僅解決主機(jī)與外設(shè)并行交換信息，而且解決故障處理、多機(jī)連接等，因而要選擇中斷能力強(qiáng)的計(jì)算機(jī)。（5）外圍接口主要考慮 A /D 和 D /A 的轉(zhuǎn)換精度問(wèn)題。A /D 和 D /A 轉(zhuǎn)換器位數(shù)越多，精度越高，但價(jià)格相應(yīng)提高。4. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（1）估計(jì)內(nèi)存存儲(chǔ)容量，進(jìn)行內(nèi)存分配（2）過(guò)程通道和中斷處理方式的確定（3）系統(tǒng)總線的選擇系統(tǒng)總線的選擇對(duì)通用性很有意義，應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)總線，同時(shí)應(yīng)著重考慮總線的性能及負(fù)載能力。5. 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是：1）根據(jù)系統(tǒng)的總體框圖，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)電氣原理

30、圖。2）按照電氣原理圖著手元件的選購(gòu)和開(kāi)始設(shè)計(jì)工作。硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)器件應(yīng)加以選擇和篩選，在布線和安排時(shí)，要注意制作技術(shù)和裝配技術(shù)，以免電氣干擾。6. 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的軟件分成系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件是為用戶使用、維護(hù)、管理微型計(jì)算機(jī)提供方便的各種程序的總稱。應(yīng)用軟件是用戶為完成特定功能而編寫(xiě)的各種程序的總稱。7. 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)在軟件和硬件分別調(diào)試通過(guò)后，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)。它分為在實(shí)驗(yàn)室模擬裝置上調(diào)試和工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)兩個(gè)過(guò)程，在試驗(yàn)中不斷完善，最后調(diào)試出一個(gè)性能良好的控制系統(tǒng)。一、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可劃分

31、為兩部分: 一部分是與單片機(jī)直接接口的數(shù)字電路范圍的電路芯片的設(shè)計(jì)。如存儲(chǔ)器和并行接口的擴(kuò)展, 定時(shí)系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)擴(kuò)展, 一般的外部設(shè)備的接口, 甚至于A/D、 D/A芯片的接口。另一部分是與模擬電路相關(guān)的電路設(shè)計(jì), 包括信號(hào)整形、變換、隔離和選用傳感器; 輸出通道中的隔離和驅(qū)動(dòng)以及執(zhí)行元件的選用。(1)從應(yīng)用系統(tǒng)的總線觀念出發(fā), 各局部系統(tǒng)和通道接口設(shè)計(jì)與單片機(jī)要做到全局一盤(pán)棋。例如, 芯片間的時(shí)間是否匹配, 電平是否兼容, 能否實(shí)現(xiàn)總線隔離緩沖等, 避免“拼盤(pán)”戰(zhàn)術(shù)。 (2)盡可能選用符合單片機(jī)用法的典型電路。 (3)盡可能采用新技術(shù), 選用新的元件及芯片。 (4)抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的重

32、要內(nèi)容, 如看門(mén)狗電路、 去耦濾波、通道隔離、合理的印制板布線等。 (5)當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展的各類接口芯片較多時(shí), 要充分考慮到總線驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)負(fù)載超過(guò)允許范圍時(shí), 為了保證系統(tǒng)可靠工作, 必須加總線驅(qū)動(dòng)器。(6)可用印制板輔助設(shè)計(jì)軟件, 如PROTEL 進(jìn)行印制板的設(shè)計(jì)。二、應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)(1)采用模塊程序設(shè)計(jì)。(2) 采用自頂向下的程序設(shè)計(jì)。 (3) 外部設(shè)備和外部事件盡量采用中斷方式與CPU聯(lián)絡(luò), 這樣, 既便于系統(tǒng)模塊化, 也可提高程序效率。 (4) 近幾年推出的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng), 有些是支持高級(jí)語(yǔ)言的, 如C51與PL/M96的編程和在線跟蹤調(diào)試。 (5) 目前已有一些實(shí)用子程序發(fā)表, 程序設(shè)計(jì)

33、時(shí)可適當(dāng)使用, 其中包括運(yùn)行子程序和控制算法程序等。 (6)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到軟件抗干擾措施。三、應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)步驟1. 確定設(shè)計(jì)方案(1) 了解用戶的需求, 確定設(shè)計(jì)規(guī)模和總體框架。(2) 摸清軟硬件技術(shù)難度, 明確技術(shù)主攻問(wèn)題。 (3) 針對(duì)主攻問(wèn)題開(kāi)展調(diào)研工作, 查找中外有關(guān)資料, 確定初步方案。 (4) 單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)是軟硬件結(jié)合的技術(shù), 方案設(shè)計(jì)要權(quán)衡任務(wù)的軟硬件分工。有時(shí)硬件設(shè)計(jì)會(huì)影響到軟件程序結(jié)構(gòu)。 如果系統(tǒng)中增加某個(gè)硬件接口芯片, 而給系統(tǒng)程序的模塊化帶來(lái)了可能和方便, 那么這個(gè)硬件開(kāi)銷是值得的。在無(wú)礙大局的情況下, 以軟件代替硬件正是計(jì)算機(jī)技術(shù)的長(zhǎng)處。 (5) 盡量

34、采納可借鑒的成熟技術(shù), 減少重復(fù)性勞動(dòng)。2硬件設(shè)計(jì)（1）單片機(jī)電路設(shè)計(jì)（2）擴(kuò)展電路和輸入/輸出通道設(shè)計(jì)（3）控制面板設(shè)計(jì)3軟件設(shè)計(jì) 采用模塊化程序設(shè)計(jì)、自頂向下的程序設(shè)計(jì)方法。4軟硬件調(diào)試 (1) 程序的錄入、 編輯和交叉匯編功能。 (2) 提供仿真RAM、仿真單片機(jī)。 (3) 支持用戶匯編語(yǔ)言（有的同時(shí)支持高級(jí)語(yǔ)言）源文件跟蹤調(diào)試。 (4) 目前一般的開(kāi)發(fā)裝置都有與通用微機(jī)的連機(jī)接口, 可以利用微機(jī)環(huán)境進(jìn)行調(diào)試。 (5) EPROM的寫(xiě)入功能。5EPROM固化所有開(kāi)發(fā)裝置調(diào)試通過(guò)的程序, 最終要脫機(jī)運(yùn)行, 即將仿真ROM中運(yùn)行的程序固化到EPROM脫機(jī)運(yùn)行。但在開(kāi)發(fā)裝置上運(yùn)行正常的程序,

35、固化后脫機(jī)運(yùn)行并不一定同樣正常。若脫機(jī)運(yùn)行有問(wèn)題, 需分析原因, 如是否總線驅(qū)動(dòng)功能不夠, 或是對(duì)接口芯片操作的時(shí)間不匹配等。經(jīng)修改的程序需再次寫(xiě)入。 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)1 技術(shù)指標(biāo) 烘干箱的具體指標(biāo)如下： (1) 烘干箱由2 kW電爐加熱，最高溫度為500。 (2) 烘干箱溫度可預(yù)置，烘干過(guò)程恒溫控制，溫度控制誤差2。 (3) 預(yù)置時(shí)顯示設(shè)定溫度，烘干時(shí)顯示實(shí)時(shí)溫度，顯示精確到1。 (4) 溫度超出預(yù)置溫度5時(shí)發(fā)聲報(bào)警。 (5) 對(duì)升降溫過(guò)程的線性沒(méi)有要求。 2 控制方案 產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不同，因而所采用的控制算法也不同。就溫度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性來(lái)講，基本上都

36、是具有純滯后的一階環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)精度及溫控的線性性能要求較高時(shí)，多采用PID算法或達(dá)林頓算法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。 本系統(tǒng)是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。從技術(shù)指標(biāo)可以看出，系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求不高，對(duì)升降溫過(guò)程的線性也沒(méi)有要求，因此，系統(tǒng)采用最簡(jiǎn)單的通斷控制方式，即當(dāng)烘干箱溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)斷開(kāi)加熱電爐，當(dāng)溫度降到低于某值時(shí)接通電爐開(kāi)始加熱，從而保持恒溫控制。 3 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件電路包括主機(jī)、溫度檢測(cè)、溫度控制、人機(jī)對(duì)話（鍵盤(pán)/顯示/報(bào)警）4個(gè)主要部分。圖為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，圖為系統(tǒng)的硬件電路原理圖。 下面對(duì)各部分電路分述如下。 1) 主機(jī) 由于系統(tǒng)控制方案簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量也不大，因此選用8031作為控制系

37、統(tǒng)的核心，外擴(kuò)EPROM2764作為程序存儲(chǔ)器。也可視具體情況換用8051、8052、8751、8752、80C51、89C51、89C52等。其中，8051、8052、8751、8752的各個(gè)引腳輸入/輸出電平只與TTL電平兼容；89C51、89C52、80C51各引腳輸入/輸出電平既與TTL電平兼容，也與CMOS電平兼容。圖 電烤箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 電烤箱控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 8031的晶振頻率為6 MHz。 2) 溫度檢測(cè) 這部分包括溫度傳感器、變送器和A/D轉(zhuǎn)換三部分。 溫度傳感器和變送器的類型選擇與被控溫度的范圍及精度等級(jí)有關(guān)。型號(hào)為WZB003，分度號(hào)為BA2的鉑熱電阻適用于05

38、00的溫度測(cè)量范圍，可以滿足本系統(tǒng)的要求。 變送器將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成與溫度成正比的電壓，當(dāng)溫度在0500時(shí)變送器輸出04.9 V左右的電壓。 A/D轉(zhuǎn)換器件的選擇主要取決于溫度的控制精度。本系統(tǒng)要求溫度控制誤差2，采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，其最大量化誤差為=，完全能夠滿足精度要求。這里我們采用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器。電路設(shè)計(jì)好后，調(diào)整變送器的輸出，使 0500的溫度變化對(duì)應(yīng)于04.9 V的輸出，則A/D轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為00HFAH，即0250，則轉(zhuǎn)換結(jié)果乘以2正好是溫度值。用這種方法一方面可以減少標(biāo)度轉(zhuǎn)換的工作量，另一方面還可以避免標(biāo)度轉(zhuǎn)換帶來(lái)的計(jì)算誤差。 3) 溫度控制 電爐控制采用可控

39、硅來(lái)實(shí)現(xiàn)，雙向可控硅和電爐電阻絲串接在交流220 V市電回路中。單片機(jī)的口通過(guò)光電隔離器和驅(qū)動(dòng)電路送到可控硅的控制端，由口的高低電平來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通與斷開(kāi)，從而控制電阻絲的通電加熱時(shí)間。 4) 人機(jī)對(duì)話 這部分包括鍵盤(pán)、顯示和報(bào)警三部分電路。 本系統(tǒng)設(shè)有3位LED數(shù)碼顯示器，停止加熱時(shí)顯示設(shè)定溫度，啟動(dòng)加熱時(shí)顯示當(dāng)前烤箱溫度。采用串行口擴(kuò)展的靜態(tài)顯示電路作為顯示接口電路。 為使系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊，鍵盤(pán)只設(shè)置4個(gè)功能鍵，分別是啟動(dòng)、“百位+”、“十位+”和“個(gè)位+”鍵，由P1口低4位作為鍵盤(pán)接口。利用+1按鍵可以分別對(duì)預(yù)置溫度的百位、十位和個(gè)位進(jìn)行加1設(shè)置，并在LED上顯示當(dāng)前設(shè)置值。連續(xù)按動(dòng)相應(yīng)位

40、的加1鍵即可實(shí)現(xiàn)0500的溫度設(shè)置。 報(bào)警功能由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)由于意外因素導(dǎo)致烤箱溫度高于設(shè)置溫度時(shí)，口送出的低電平經(jīng)反向器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴叫報(bào)警。 5) 其它可擴(kuò)展電路 對(duì)于要求更高的系統(tǒng)，在現(xiàn)有電路的基礎(chǔ)上，讀者還可以視需要自行擴(kuò)展以下接口電路： (1) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路：連接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS12887可以獲得長(zhǎng)的采樣周期，顯示年、月、日、時(shí)、分、秒，而其片內(nèi)帶有的114 B非易失性RAM，可用來(lái)存入需長(zhǎng)期保存但有時(shí)也需變更的數(shù)據(jù)。如采樣周期、PID控制算法的系數(shù)KP、KI、KD等。 (2) “看門(mén)狗”電路：連接集成監(jiān)控芯片MAX705可實(shí)現(xiàn)對(duì)主電源VCC的監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性。 4 軟件設(shè)計(jì)

41、1. 工作流程 烤箱在上電復(fù)位后先處于停止加熱狀態(tài)，這時(shí)可以用“+1”鍵設(shè)定預(yù)置溫度，顯示器顯示預(yù)定溫度；溫度設(shè)定好后就可以按啟動(dòng)鍵啟動(dòng)系統(tǒng)工作了。溫度檢測(cè)系統(tǒng)不斷定時(shí)檢測(cè)當(dāng)前溫度，并送往顯示器顯示，達(dá)到預(yù)定值后停止加熱并顯示當(dāng)前溫度；當(dāng)溫度下降到下限（比預(yù)定值低2）時(shí)再啟動(dòng)加熱。這樣不斷重復(fù)上述過(guò)程，使溫度保持在預(yù)定溫度范圍之內(nèi)。啟動(dòng)后不能再修改預(yù)置溫度，必須按復(fù)位/停止鍵回到停止加熱狀態(tài)再重新設(shè)定預(yù)置溫度。 2. 功能模塊 根據(jù)上面對(duì)工作流程的分析，系統(tǒng)軟件可以分為以下幾個(gè)功能模塊： (1) 鍵盤(pán)管理：監(jiān)測(cè)鍵盤(pán)輸入，接收溫度預(yù)置，啟動(dòng)系統(tǒng)工作。 (2) 顯示：顯示設(shè)置溫度及當(dāng)前溫度。 (3

42、) 溫度檢測(cè)及溫度值變換：完成A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波。 (4) 溫度控制：根據(jù)檢測(cè)到的溫度控制電爐工作。 (5) 報(bào)警：當(dāng)預(yù)置溫度或當(dāng)前爐溫越限時(shí)報(bào)警。 3. 資源分配 為了便于閱讀程序，首先給出單片機(jī)資源分配情況。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的分配與定義見(jiàn)表。表 溫度控制軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分配表地址功能名稱初始化值50H51H當(dāng)前檢測(cè)溫度，高位在前TEMP1TEMP000H52H53H預(yù)置溫度，高位在前ST1ST000H54H56HBCD碼顯示緩沖區(qū)，百位、十位、個(gè)位T100，T10，T00H57H58H二進(jìn)制顯示緩沖區(qū)，高位在前BT1，BT000H59H7FH堆棧區(qū)PSW.5報(bào)警允許標(biāo)志F0=0時(shí)禁止報(bào)警；F0=

43、1時(shí)允許報(bào)警F00 程序存儲(chǔ)器：EPROM2764的地址范圍為0000H1FFFH I/O口：P1.0P1.3鍵盤(pán)輸入；、P1.7報(bào)警控制和電爐控制。 A/D轉(zhuǎn)換器0809：通道0通道7的地址為7FF8H7FFFH，使用通道0。 4. 功能軟件設(shè)計(jì) 1) 鍵盤(pán)管理模塊 上電或復(fù)位后系統(tǒng)處于鍵盤(pán)管理狀態(tài)，其功能是監(jiān)測(cè)鍵盤(pán)輸入，接收溫度預(yù)置和啟動(dòng)鍵。程序設(shè)有預(yù)置溫度合法檢測(cè)報(bào)警，當(dāng)預(yù)置溫度超過(guò)500時(shí)會(huì)報(bào)警并將溫度設(shè)定在500。鍵盤(pán)管理子程序流程圖如圖所示。 圖 鍵盤(pán)管理子程序流程圖鍵盤(pán)管理子程序KIN： KIN： ACAL CHK ；預(yù)置溫度合法性檢測(cè) MOV BT1，ST1 MOV BT0，S

44、T0 ；預(yù)置溫度送顯示緩沖區(qū) LCALL DISP ；顯示預(yù)置溫度 KIN0： ACALL KEY ；讀鍵值 JZ KIN0 ；無(wú)鍵閉合和重新檢測(cè) ACALL DISP ACALL DISP ；二次調(diào)用顯示子程序延時(shí)去抖 ACALLKEY；再檢測(cè)有無(wú)鍵按下 JZKIN0；無(wú)鍵按下重新檢測(cè) ，S10 MOV A，#100；百位鍵按下 AJMP SUMS10：，S1 MOVA，#10；十位鍵按下 AJMPSUM S1： ，S0 MOVA，#01；個(gè)位鍵按下 SUM：ADD A，ST0；預(yù)置溫度按鍵+1MOVST0，AMOVA，#00H ADDCA，ST1MOVST1，A KIN1： ACALL K

45、EY；判斷閉合鍵釋放 JNZKIN1；未釋放繼續(xù)判斷 AJMPKIN；閉合鍵釋放繼續(xù)掃描鍵盤(pán) S0： ，KIN；無(wú)鍵按下重新掃描鍵盤(pán) RET；啟動(dòng)鍵按下返回 KEY： MOVA，P1；讀鍵值子程序 CPLA ANLA，#0FH RET 預(yù)置溫度合法性檢測(cè)子程序CHK(用雙字節(jié)減法比較預(yù)置溫度是否大于500(01F4H)： CHK：MOVA，#0F4H；預(yù)置溫度上限低8位送ACLRCSUBBA，ST0；低8位減，借位送CYMOVA，#01H；預(yù)置溫度上限高8位送ASUBBA，ST1；高8位帶借位減JC OUTA ；預(yù)置溫度越界，轉(zhuǎn)報(bào)警MOVA，#00H；預(yù)置溫度合法標(biāo)志RET OUTA：MOVS

46、T1，#01H；將500寫(xiě)入預(yù)置溫度數(shù)據(jù)區(qū)MOVST0，#0F4HCLRP1.6；發(fā)報(bào)警信號(hào)0.6 sACALLD0.6s SETBP1.6；停止報(bào)警RET 2) 顯示模塊 顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū)57H和58H的二進(jìn)制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成三個(gè)BCD碼，分別存入百位、十位和個(gè)位顯示緩沖區(qū)（54H、55H和56H單元），然后通過(guò)串口送出顯示。顯示子程序DISP： DISP：ACALL HTB ；將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼 MOV SCON，#00H ；置串行口為方式0 MOV R2，#03H ；顯示位數(shù)送R2 MOV R0，#T100 ；顯示緩沖區(qū)首地址送R0 LD： MOV DPTR，#TAB ；

47、指向字型碼表首地址 MOV A，R0 ；取顯示數(shù)據(jù) MOVC A，A+DPTR；查表 MOVSBUF，A；字型碼送串行口WAIT：JBC TI，NEXT；發(fā)送結(jié)束轉(zhuǎn)下一個(gè)數(shù)據(jù)并清中斷標(biāo)志 SJMP WAIT；發(fā)送未完等待NEXT： INCR0 ；修改顯示緩沖區(qū)指針 DJNZR2，LD；判3位顯示完否，未完繼續(xù) RET TAB：；字型碼表（略） BCD碼轉(zhuǎn)換子程序HTB： HTB：MOVA，BT0；取二進(jìn)制顯示數(shù)據(jù)低8位MOVB，#100 ；除100，確定百位數(shù)DIVABMOVT100，A；百位數(shù)送54H單元MOVA，#10；除10，確定十位 XCH A，B DIV A，B MOV T10，A

48、；十位數(shù)送55H單元 MOVT，B ；個(gè)位數(shù)送56H單元 MOVA，BT1 ；取二進(jìn)制顯示數(shù)據(jù)高8位 JNZ LH1 ；高位不為0轉(zhuǎn)LH1繼續(xù)高8位轉(zhuǎn)換 RET ；高位為0結(jié)束，返回LH1： MOVA，#06H ；高位不為0，低位轉(zhuǎn)換結(jié)果加256（因?yàn)闇囟葦?shù) ；據(jù)不會(huì)大于500，所以高8位最多為01H，即256） ADDA，T DAA；個(gè)位加6（十進(jìn)制加） MOVT，A；結(jié)果送回個(gè)位 MOVA，#05H ADDCA，T10 DAA；十位加5（十進(jìn)制加） MOVT10，A；結(jié)果送回十位 MOVA，#02H ADDCA，T100 DA A；百位加2（十進(jìn)制加） MOVT100，A；結(jié)果送回百位RE

49、T 3) 溫度檢測(cè)模塊 A/D轉(zhuǎn)換采用查詢方式。為提高數(shù)據(jù)采樣的可靠性，對(duì)采樣溫度進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波的算法很多，這里采用4次采樣取平均值的方法。如前所述，本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果乘2正好是溫度值，因此，4次采樣的數(shù)字量之和除以2就是檢測(cè)的當(dāng)前溫度。檢測(cè)結(jié)果高位存入50H，低位存入51H。溫度檢測(cè)子程序流程圖如圖所示。 溫度檢測(cè)子程序TIN：圖 溫度檢測(cè)子程序流程圖 溫度檢測(cè)子程序TIN：TIN： MOV TEMP1，#00H ；清檢測(cè)溫度緩沖區(qū)MOV TEMP0，#00HMOV R2，#04H ；取樣次數(shù)送R2MOV DPTR，#7FF8H ；指向A/D轉(zhuǎn)換器0通道 LTIN1： MOVX D

50、PTR，A ；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換HERE：JNB IE1，HERE ；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 MOVX A，DPTR ；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 ADDA，TEMP0；累加（雙字節(jié)加法）MOVTEMP0，AMOVA，#00HADDCA，TEMP1MOVTEMP1，ADJNZR2，LTIN1；4次采樣完否，未完繼續(xù)CLR C ；累加結(jié)果除2(雙字節(jié)除法)MOVA，TEMP1 RRCAMOVTEMP1，AMOVA，TEMP0 RRCAMOVTEMP0，ARET 4) 溫度控制模塊 將當(dāng)前溫度與預(yù)置溫度比較，當(dāng)前溫度小于預(yù)置溫度時(shí)，繼電器閉合，接通電阻絲加熱；當(dāng)前溫度大于預(yù)置溫度時(shí)，繼電器斷開(kāi)，停止加熱；當(dāng)二者相等時(shí)電爐保持原來(lái)狀態(tài)

51、；當(dāng)前溫度降低到比預(yù)置溫度低2時(shí)，再重新啟動(dòng)加熱；當(dāng)前溫度超出報(bào)警上下限時(shí)將啟動(dòng)報(bào)警，并停止加熱。由于電爐開(kāi)始加熱時(shí)，當(dāng)前溫度可能低于報(bào)警下限，為了防止誤報(bào)，在未達(dá)到預(yù)置溫度時(shí)，不允許報(bào)警，為此設(shè)置了報(bào)警允許標(biāo)志F0。模塊流程見(jiàn)圖。圖 溫度控制流程圖 溫度控制子程序CONT： CONT：MOVA，TEMP0；當(dāng)前溫度-預(yù)置溫度（雙字節(jié)減）CLRCSUBBA，ST0MOVB，A；低8位相減的差值暫存BMOVA，TEMP1SUBBA，ST1 JNCLOFF ；無(wú)借位，表示當(dāng)前溫度預(yù)置溫度，轉(zhuǎn)LOFF JNBF0，LON ；當(dāng)前溫度預(yù)置溫度，判是否達(dá)到過(guò)預(yù)置溫度 MOVA，B ；若達(dá)到過(guò)預(yù)置溫度，判

52、二者差值是否大于2 CLRC SUBBA，#02H，LOFF ；差值不大于2，轉(zhuǎn)LOFFLON： CLR P1.7 ；開(kāi)電爐 SJMPEXIT ；返回LOFF：SETBF0；設(shè)置允許報(bào)警標(biāo)志SETBP1.7；關(guān)電爐EXIT：RET 在此，也可自行加入PID算法程序來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制。 5) 溫度越限報(bào)警模塊 報(bào)警上限溫度值為預(yù)置溫度+5，即當(dāng)前溫度上升到高于預(yù)置溫度+5時(shí)報(bào)警，并停止加熱；報(bào)警下限溫度值為預(yù)置溫度-5，即在當(dāng)前溫度下降到低于預(yù)置溫度-5，且報(bào)警允許時(shí)報(bào)警，這是為了防止開(kāi)始從較低溫度加溫時(shí)誤報(bào)警。報(bào)警的同時(shí)也關(guān)閉電爐。圖為報(bào)警子程序流程圖。圖 報(bào)警子程序流程圖 報(bào)警子程序ALARM

53、ALARM：MOVA，TEMP0；當(dāng)前溫度低字節(jié)ACLRCSUBBA，ST0；（當(dāng)前溫度低字節(jié)-預(yù)置溫度低字節(jié)）AMOVB，A ；低字節(jié)相減結(jié)果送B暫存MOVA，TEMP1 ；當(dāng)前溫度高字節(jié)ASUBBA，ST1 ；（當(dāng)前溫度高字節(jié)-預(yù)置溫度高字節(jié)）A JC LA0 ；有借位，當(dāng)前溫度小于預(yù)置溫度轉(zhuǎn)LA0 SETB F0 ；當(dāng)前溫度預(yù)置溫度，允許報(bào)警 AJMP LA1 LA0： MOV A，ST0 ；預(yù)置溫度低字節(jié)A CLR C SUBB A，TEMP0；（預(yù)置溫度低字節(jié)-當(dāng)前溫度低字節(jié)）A MOV B，A ；低字節(jié)相減結(jié)果送B暫存 MOV A，ST1 ；預(yù)置溫度高字節(jié)A SUBB A，TEMP

54、1；（預(yù)置溫度高字節(jié)-當(dāng)前溫度高字節(jié)）A LA1： XCH A，B ；高低字節(jié)互換，判斷相減結(jié)果是否大于5 CLRC SUBBA，#05H ；（低字節(jié)差-5）A XCHA，B ；（低字節(jié)差-5）B，高字節(jié)差A(yù) SUBB A，#00H；（高字節(jié)差-0）A（因?yàn)?的高字節(jié)為0） JC LA2 ；相減結(jié)果小于5，不報(bào)警返回 JNBF0，LA2 ；相減結(jié)果5，判是否允許報(bào)警，不允許則返回 CLRP1.6；啟動(dòng)報(bào)警SETBP1.7；關(guān)電爐LCALLD0.6s；報(bào)警延時(shí)0.6 sSETBP1.6；關(guān)報(bào)警LA2：RET：（略）；延時(shí)0.6 s子程序 6) 主程序和中斷服務(wù)子程序 主程序采用中斷嵌套方式設(shè)計(jì)，

55、各功能模塊可直接調(diào)用。主程序完成系統(tǒng)的初始化，溫度預(yù)置及其合法性檢測(cè)，預(yù)置溫度的顯示及定時(shí)器0設(shè)置。定時(shí)器0中斷服務(wù)子程序是溫度控制體系的主體，用于溫度檢測(cè)、控制和報(bào)警（包括啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、讀入采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字濾波、越限溫度報(bào)警和越限處理、輸出可控硅的控制脈沖等）。中斷由定時(shí)器0產(chǎn)生，根據(jù)需要每隔15 s中斷一次，即每15 s采樣控制一次。但系統(tǒng)采用6 MHz晶振，最大定時(shí)為130 ms，為實(shí)現(xiàn)15 s定時(shí)，這里另行設(shè)了一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器。主程序和中斷服務(wù)子程序的流程圖如圖所示。圖 系統(tǒng)程序總體結(jié)構(gòu)框圖主程序MAIN ：（數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的定義和初始化部分從略） ORG0000H AJMPMAIN ORG

56、000BH AJMPPT0 ORG0030H MAIN： MOVSP，#59H；設(shè)定堆棧指針 MOV TMOD，#01H；定時(shí)器0初始化 MOV TL0，#0B0H ；定時(shí)器定時(shí)時(shí)間100 ms MOVTH0，#3CH MOVR7，#150；置15 s軟計(jì)數(shù)器初值 ACALLKIN；調(diào)鍵盤(pán)管理子程序 SETBET0；允許定時(shí)器0中斷 SETBEA；開(kāi)中斷 SETBTR0；啟動(dòng)定時(shí)器0 SJMP$ 定時(shí)器0中斷服務(wù)子程序PT0： PT0：MOVTL0，#0B0HMOVTH0，#3CH ；重置定時(shí)器0初值DJNZR7，BACK ；15 s到否，不到返回MOVR7，#150 ；重置軟計(jì)數(shù)器初值A(chǔ)CA

57、LLTIN ；溫度檢測(cè) MOV BT1，TEMP1 ；當(dāng)前溫度送顯示緩沖區(qū)MOVBT0，TEMP0 ACALL DISP ；顯示當(dāng)前溫度ACALL CONT ；溫度控制LCALL ALARM ；溫度越限報(bào)警 BACK：RETI一、保護(hù)器概述保護(hù)器安裝在BGP系列、PBG系列及磁力起動(dòng)器等礦用隔爆型高壓開(kāi)關(guān)內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)下述保護(hù)及其功能。1)數(shù)字顯示當(dāng)前電網(wǎng)電壓值及負(fù)載電流值。2)監(jiān)控負(fù)載電流，出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，施行定時(shí)限及反時(shí)限保護(hù)；出現(xiàn)短路時(shí)，施行定時(shí)限速斷保護(hù)；出現(xiàn)斷續(xù)過(guò)載時(shí)，對(duì)過(guò)載能量進(jìn)行計(jì)算，施行定時(shí)限保護(hù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例-智能型高壓綜合保護(hù)器3)監(jiān)視保護(hù)雙屏蔽電纜的屏蔽芯線、屏蔽地線。4)電量型漏電保護(hù)，對(duì)下屬電網(wǎng)中出現(xiàn)的單相接地故障，