單片機原理與應(yīng)用-08單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計

8.1多路巡回檢測系統(tǒng)設(shè)計8.2單片機控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)接口技術(shù)8.3RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)與接口電路8.4單片機控制系統(tǒng)設(shè)計

第八章單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計8.1多路巡回檢測系統(tǒng)設(shè)計

在單片機多路巡回檢測系統(tǒng)中包含兩個方面的含義。其一是在指定的時間檢測外部信號的有或無，包括開關(guān)信號和模擬信號；其二是對模擬信號進行量化采集與處理。本節(jié)主要介紹多路模擬信號的巡回采集和量化處理。8.1.1多路巡回檢測系統(tǒng)8.1.2集成化多路模擬輸入數(shù)據(jù)

采集系統(tǒng)MN71508.1.3多路巡回檢測系統(tǒng)設(shè)計8.1.1多路巡回檢測系統(tǒng)

多路巡回檢測系統(tǒng)用來對多路模擬信號進行巡回采集，其結(jié)果送單片機或其它計算機處理。常用的結(jié)構(gòu)形式有三種，一種是共享采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換電路，另一種是共享A/D轉(zhuǎn)換電路，第三種是并行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。1．共享采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換電路共享采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換電路是指多路模擬信號共用一套采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換電路，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖8.1所示。

圖8.1共享S/H和A/D結(jié)構(gòu)多路開關(guān)IN0IN1...INn1主機S/HA/DI/O控制邏輯

多路模擬量信號在主機的控制下依次或者有選擇地通過多路開關(guān)，送入采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果再經(jīng)I/O接口電路送主機。這種結(jié)構(gòu)電路簡單，使用器件少，成本低。

2．共享A/D轉(zhuǎn)換電路為了提高多路巡回檢測系統(tǒng)的采集速度，可以在每一路模擬信號的輸入端設(shè)置一個采樣保持器。采樣保持器輸出的信號經(jīng)多路開關(guān)送A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果再經(jīng)I/O接口電路送主機，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖8.2所示。這種結(jié)構(gòu)為每一路模擬量輸入端增添了一個采樣保持器，使硬件成本增加，但提高了速度，因而應(yīng)用較廣。圖8.2共享A/D結(jié)構(gòu)IN1S/H多路開關(guān)主機A/DI/O...INn-1S/HIN0S/H....控制邏輯3．并行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)并行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是在每一路模擬信號輸入端都設(shè)有采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，在主機的控制下可對多路模擬信號同時采樣，進行A/D轉(zhuǎn)換，然后由主機依次讀取。這種結(jié)構(gòu)使用的器件多，成本高，但一致性好，適合于多點實時檢測系統(tǒng)。

對于采樣頻率高的實時處理系統(tǒng)，還可在每一路中設(shè)置一個微處理器。由各路中的微處理器控制本路中的數(shù)據(jù)采集，并進行預(yù)處理，然后傳送給主機。這種結(jié)構(gòu)常稱為分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖8.3并行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)…控制邏輯主機IN0IN1INn-1S/HA/DI/O接口...S/HA/DI/O接口S/HA/DI/O接口8.1.2集成化多路模擬輸入數(shù)據(jù)

采集系統(tǒng)MN7150

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，多路模擬信號輸入通道的集成化程度也在不斷地提高。于是把輸入通道中的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、放大器、采樣保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片中，構(gòu)成一個完整的多路模擬信號采集系統(tǒng)。下面以MN1750為例，說明集成化多路模擬輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、性能和使用。1．MN1750內(nèi)部組成

MN1750是一種功能比較齊全的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，有62個引腳，內(nèi)部組成如圖8.4所示，包含一個有±35V過壓保護的多路開關(guān)的通道地址鎖存器/計數(shù)器，一個輸入阻抗高達108Ω、增益可設(shè)定為1~1000的測量放大器，一個帶保持電容器、最大采樣時間為10μs的高速采樣保持器，一個±10V參考電壓，一個12位A/D轉(zhuǎn)換器，3個4位三態(tài)輸出緩沖器以及定時控制邏輯電路等。MN1750可提供兩種模擬信號輸入形式，一種是MN1750-8，提供8路差動輸入通道；另一種是MN1750-16，提供16路單端輸入通道。兩種器件的信號輸入/輸出率不低于50000通道/秒。Status...多路開關(guān)Ch0Ch1Ch15AmpInputGainSettingRaesistorExternalHoldCapaciter放大T/HT/HOutBipolarInputMuxEnable定時控制邏輯A1A2A4A8LoadClear多路開關(guān)地址鎖存器/計數(shù)器A1A2A4A8MuxAddressOutputStrobeRDelayMuxAddressInput+10VREF+10VREFOut+15VSupply-15VSupply+5VSupplyAnalogSignalGNDAnalogPowerGNDDigitalGNDMSBBit1～4三態(tài)緩沖器Bit5～8三態(tài)緩沖器OffsetAdjustGainAdjustEnable1～4Enable5～8三態(tài)緩沖器Bit9～12Enable9～12LSB12位A/D轉(zhuǎn)換器圖8.4MN1750內(nèi)部組成

在實際使用時，通過外接電阻可使放大器的增益設(shè)定在1~1000范圍之內(nèi)，采集信號的量程在±10mV到±10V之間可變。模擬信號的選擇由送入多路開關(guān)地址鎖存器中的地址決定。該地址鎖存器又具有計數(shù)功能，在順序采集時可自動指示下一輸入通道。輸出分為三組，每組4位，由三個三態(tài)輸出緩沖器控制。2．引腳功能

MN1750共有62個引腳，排列成矩形，頂視有點處為1，逆時針排序，其定義如書中表8.1所示，功能如下：

（1）數(shù)字信號引腳功能MuxEnable：內(nèi)部多路開關(guān)允許。為1時，允許內(nèi)部多路開關(guān)工作；為0時，禁止內(nèi)部多路開關(guān)工作。

Status(E.O.C)：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。為0時，表示正在進行信號采樣；為1時，表示正在進行A/D轉(zhuǎn)換；由1變?yōu)?時，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。Strobe：啟動信號，低電平有效。當(dāng)Strobe由1變?yōu)?時，其下降沿更新通道地址，啟動信號采樣與轉(zhuǎn)換。MuxAddressInput：在隨機尋址方式下輸入通道地址。MuxAddressOut：多路開關(guān)地址鎖存器/計數(shù)器輸出，表示正在進行采集的通道地址。load：尋址方式選擇。0表示隨機尋址方式，1表示順序?qū)ぶ贩绞?。clear：清0信號，低電平有效，使多路開關(guān)地址鎖存器/計數(shù)器清0，強制選擇Ch0。Enable(Bit9～12)：數(shù)據(jù)輸出允許，低電平有效，使Bit9～12經(jīng)三態(tài)緩沖器輸出。Enable(Bit5～8)：數(shù)據(jù)輸出允許，低電平有效，使Bit5～8經(jīng)三態(tài)緩沖器輸出。Enable(Bit1～4)：數(shù)據(jù)輸出允許，低電平有效，使Bit1～4經(jīng)三態(tài)緩沖器輸出。（2）模擬信號引腳功能RDelay：當(dāng)內(nèi)部放大器設(shè)置為高增益時，外接電阻增大采樣保持器的時間。GainAdjust：增益調(diào)節(jié)，用來外接20kΩ的增益調(diào)節(jié)電位器。OffsetAdjust：偏移量調(diào)節(jié)，用來外接20KΩ的偏移量調(diào)節(jié)電位器。BipolarInput：單/雙極性工作方式選擇。若選擇單極性工作（0~+10V）方式，該引腳聯(lián)接T/HOutput端；若選擇雙極性工作（±10V）方式，該引腳聯(lián)接+10VRefereceOut端。

+10VRefereceOut：與BipolarInput配合使用，若選擇雙極性工作（±10V）方式，該相腳聯(lián)接到BipolarInput端；若選擇單極性工作（0~+10V）方式，該引腳斷開；若用來驅(qū)動外部負(fù)載，應(yīng)加緩沖器/驅(qū)動器。

ExternalHoldCapacitor：外接聚炳烯或聚四氟乙烯保持電容，以改善T/H的下降率。

Track/HoldOutput：采樣保持器輸出。與BipolarInput配合使用，若選擇單極性工作（0~+10V）方式，該引腳聯(lián)接到BipolarInput端。

GainSettingResistor：外接增益控制電阻或電位器（R=20kΩ/（G-1）），該兩引腳斷開時，G=1。

InstruAmpInput：用于擴展外部多路開關(guān)。對于MN1750-16，常把InstruAmp(-)Input接到模擬信號的公共端。

3．工作方式為了滿足不同的工作需要，MN1750備用三種工作方式，即隨機尋址方式、順序?qū)ぶ贩绞胶晚樞驅(qū)ぶ愤B續(xù)轉(zhuǎn)換方式。（1）隨機尋址方式隨機尋址方式是指通道地址隨機給出。當(dāng)引腳設(shè)置為低電平時選擇隨機尋址方式，4位地址碼由MuxAddressInput的A8、A4、A2、A1輸入，經(jīng)譯碼選中多路開關(guān)中的某一路。的下降沿啟動一次采樣與轉(zhuǎn)換周期。在這種方式下，由于作用于控制邏輯電路，而不是直接驅(qū)動地址鎖存器，故需輸入地址在下降沿之后保持50ns。LoadStrobe+Strobe+Strobe+（2）順序?qū)ぶ贩绞巾樞驅(qū)ぶ贩绞绞怯傻刂锋i存器/計數(shù)器依次計數(shù)提供通道地址。當(dāng)引腳設(shè)置為高電平時選擇順序?qū)ぶ贩绞?。?nèi)部地址鎖存器/計數(shù)器處于計數(shù)狀態(tài)，每轉(zhuǎn)換完一次計數(shù)器加1，指示下一通道地址。在這種工作方式下，使通道地址加1，并啟動一次采樣與轉(zhuǎn)換周期。初始地址可隨機輸入，也可由清0開始，也可由隨機尋址方式轉(zhuǎn)入順序?qū)ぶ贩绞?。?）順序?qū)ぶ愤B續(xù)轉(zhuǎn)換方式順序?qū)ぶ愤B續(xù)轉(zhuǎn)換方式是把輸出饋接到引腳。在順序?qū)ぶ贩绞较掠赊D(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志去啟動下一通道的采樣與轉(zhuǎn)換，依次實現(xiàn)順序?qū)ぶ愤B續(xù)轉(zhuǎn)換。LoadStrobe+Strobe+Strobe+8.1.3多路巡回檢測系統(tǒng)設(shè)計1.多路模擬信號輸入電路在設(shè)計一個多路巡回檢測系統(tǒng)時主要考慮的問題有兩個，一個巡回檢測的的路數(shù)，二是數(shù)據(jù)采集的精度。對于不同的精度要求，可選用不同的A/D轉(zhuǎn)換器，譬如8位、10位、12位甚至16位等。當(dāng)檢測路數(shù)較多時可選用不同的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，甚至還可以使用多路開關(guān)級聯(lián)，以致構(gòu)成64路、128路或256路的模擬輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)，以滿足多路巡回檢測的需要。例如圖8.5所示是由兩個8路輸入、一路輸出的多路開關(guān)與ADC0809構(gòu)成的8位多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件聯(lián)接示意圖。兩個多路開關(guān)提供16路輸入通道，再加上ADC0809的另外6路輸入，一共可構(gòu)成22路的模擬輸入多路采集系統(tǒng)。

2．用MN7150構(gòu)成多路巡回檢測系統(tǒng)由于MN1750內(nèi)部設(shè)有12位的A/D轉(zhuǎn)換電路、16路通道轉(zhuǎn)換開關(guān)，因此用來構(gòu)成多路巡回檢測系統(tǒng)極為方便。圖8.6所示是由一塊MN1750構(gòu)成的16路單極性/8路雙極性巡回檢測系統(tǒng)。中央處理器選用80C51單片機，EPROM27256用來存放系統(tǒng)程序，RAM62128用來存放采集到的數(shù)據(jù)，MuxAddressInput由P1.3~P1.3提供，由P1.4產(chǎn)生，由P1.5產(chǎn)生，由P1.6產(chǎn)生。轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志可由CPU檢測，也可作為中斷請求信號送80C51的。

StrobeStatusINT0A0A1362128D0D7WEOE……A0A1427256D0D7OE……CE74LS373G74LS139≥1≥1.Bit4～1Bit12～5Enable1-4Enable5-8Enable9-12MuxADDInputLoadClearStrobeBipolarInputT/HOutputCh0Ch1Ch15......StatusMuxEnable4+5VP2.6P2.0…P0口PSENWERDP1.3～P1.0P1.4P1.5P1.6P1.7P3.2P2.7ALE80C51CE4EA圖8.6由MN7150構(gòu)成多路巡回檢測系統(tǒng)

采用順序?qū)ぶ贩绞匠绦蛟O(shè)計如下：

發(fā)Strobe,啟動轉(zhuǎn)換

ORG2000H

MOVR7，#10H；設(shè)置計數(shù)初值

MOVR0，#40H；緩沖區(qū)起始地址送R0

MOVP1，#0E0H；選擇隨機尋址方式，地址為0000B

START：CLRP1.6

SETBP1.6；WAIT：JNBP1.7，WAIT；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

MOVDPTR，#7FFFH

MOVXA，@DPTR；讀高4位

MOV@R0，A

INCR0

MOVDPTR，#3FFFH

MOVXA，@DPTR；讀低8位

MOV@R0，A

INCR0

DECR7

MOVP1，#0F1H；轉(zhuǎn)為順序?qū)ぶ贩绞?/p>

START1：CLRP1.6

SETBP1.6；

WAIT1：JNBP1.7，WAIT1

MOVDPTR，#7FFFH

MOVXA，@DPTR

MOV@R0，A

INCR0

MOVDPTR，#3FFFH

MOVXA，@DPTR

MOV@R0，A

INCR0

DJNZR7，START1

……

END

執(zhí)行機構(gòu)接口是指聯(lián)接在輸出通道的外部，用來對計算機輸出的控制信號進行電壓或電流變換，以驅(qū)動受控部件。在工業(yè)控制中，常用的控制設(shè)備有繼電器、步進電機、直流電機等。這些設(shè)備工作時，不但要求一定的電壓，而且還要求一定的驅(qū)動電流。為了解決這一問題，就要配置相應(yīng)的電路，這就是執(zhí)行機構(gòu)接口電路。8.2單片機控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)接口技術(shù)8.2.1繼電器接口電路8.2.2步進電機驅(qū)動控制電路8.2.3直流電機驅(qū)動控制電路

繼電器是工業(yè)控制和電信通訊中經(jīng)常使用的一種器件，其組成原理如圖8.7所示，由電磁線圈和觸點開關(guān)構(gòu)成。當(dāng)控制電流流過線圈時產(chǎn)生磁場，使觸點開關(guān)K吸合或者斷開，以控制外界的高電壓或者大電流。由于繼電器線圈是一種感性負(fù)載，因此電路電流斷開時會產(chǎn)生很高的反沖電壓。為了保護輸出電路，須在電磁線圈兩端并聯(lián)一個阻尼二極管。按照觸點開關(guān)K的結(jié)構(gòu)，繼電器可分為兩類，一類是常開繼電器，輸入端有控制電流輸入時，開關(guān)吸合。另一類是常閉繼電器，輸入端有控制電流輸入時，開關(guān)斷開。在實際產(chǎn)品中，也有把兩種開關(guān)制作在同一繼電器中，控制電流輸入時，一個開關(guān)吸合，另一個開關(guān)斷開。為了防止電磁線圈對整個系統(tǒng)的干擾，常需配置光電隔離器。圖8.8所示是單片機控制繼電器的接口原理圖，通過P1口輸出控制信號（低電平），經(jīng)驅(qū)動器7406送光電耦合器，然后再經(jīng)驅(qū)動電路送繼電器的輸入端，控制觸點開關(guān)的吸合或者斷開。8.2.1繼電器接口電路K輸入輸出圖8.7繼電器示意圖7406圖8.8繼電器控制電路+12V+5V+12V+5V80C51P1.0P1.5

步進電機的種類很多，有三相、四相及五相等，性能各不相同。但是，工作原理基本相同。下面僅以三相步進電機為例說明其工作原理和驅(qū)動電路。1．三相步進電機工作原理在三相步進電機的轉(zhuǎn)子上均勻地分布著40個齒，齒間夾角為9°(360○/40)；定子上有6個大齒，相距180°的兩個大齒為一相，因此共有A、B、C三相。每個大齒上有若干個與轉(zhuǎn)子上一樣的小齒，定子的每一相都有勵磁繞組。三相步進電相的運行方式有兩種，一種是三相三拍，另一種是三相六拍。8.2.2步進電機驅(qū)動控制電路

(1)三相三拍運行方式三相三拍運行方式是指定子上A、B、C三相繞組依次分別通入脈沖電流（即一相通電，另外兩相不通電），從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。譬如先是A相通電，B相、C相不通電，下一脈沖到來時B相通電，C相、A相不通電，就使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一步。如果使A、B、C三相繞組按A→B→C→A的順序依次通電，則步進電機不斷地按順時針的方向旋轉(zhuǎn)。每通電一次旋轉(zhuǎn)3°，每通電三次走完一個齒距，因此稱為三相三拍。每一次通電轉(zhuǎn)動的固定角稱為步距角，常用α表示。顯然三相三拍運行時，步距角α=3°。如果某一次通電后，下一控制脈沖停發(fā)，則轉(zhuǎn)子齒與某相對齊后停止旋轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)稱為定位狀態(tài)。一般把電機順時針旋轉(zhuǎn)稱為正轉(zhuǎn)。三相繞組按上述順序通電時，電機正轉(zhuǎn)；如果通電順序改為A→C→B→A，稱為倒序通電，電機逆時針旋轉(zhuǎn)，稱為反轉(zhuǎn)。顯然只要改變?nèi)嗬@組的通電順序，就能控制電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。三相三拍各相繞組的電流波形如圖8.9所示。圖中每2個時鐘周期輸出一個電流脈沖，這種方式為單相通電方式。也可采用雙相通電方式，其順序為AB→BC→CA→AB或AC→CB→BA→AC。雙相通電，電機輸出功率增大。ΦA(chǔ)BC圖8.9三相三拍波形圖ΦA(chǔ)C圖8.10三相六拍波形圖B(2)三相六拍運行方式三相六拍運行方式是使定子的A、B、C三相繞組按A→AB→B→BC→C→CA→A的順序依次通電，步進電機順時針旋轉(zhuǎn)，即正轉(zhuǎn)，步距角僅為1.5°。如果使三相繞組倒序通電，即A→AC→C→CB→B→BA→A，步進電機逆時針旋轉(zhuǎn)，即反轉(zhuǎn)。三相六拍各繞組電流波形如圖8.10所示，走完一個齒距，需要六拍。圖8.9(2)

2．驅(qū)動控制電路步進電機的驅(qū)動控制電路主要用來為步進電機提供圖8.9(2)或圖8.10所示的電流。在使用計算機控制之后，可由計算機來提供。圖8.11所示是單片機與步進電機的聯(lián)接，由P1.0~P1.2輸出上述波形信號，經(jīng)放大后送光電耦合器，再送功率驅(qū)動器，由功率驅(qū)動器向步進電機提供一定的驅(qū)動電流。在實際應(yīng)用中，只要單片機依次向P1口輸出如表8.2和表8.3所示的代碼，就可以得到如圖8.9和圖8.10所示的波形信號。表8.2和表8.3所示代碼稱為步進電機驅(qū)動代碼。單片機輸出波形信號脈沖的寬度可由延時子程序來確定。改變延時時間，就可以改變驅(qū)動脈沖的頻率，也就改變了步進電機的轉(zhuǎn)速。顯然，方便，靈活。圖8.11單片機驅(qū)動控制邏輯電路步進電機80C51放大光電耦合放大光電耦合放大光電耦合功率驅(qū)動器P1.0P1.2P1.2

單片機向P1口輸出驅(qū)動代碼由程序進行。在實際編程中，表8.2或表8.3所示代碼存入存儲器，構(gòu)成控制表。只要CPU執(zhí)行傳送指令，把表中的數(shù)據(jù)依次取出，送P1口就可以了。每輸出一個代碼，步進電機旋轉(zhuǎn)一步，連續(xù)循環(huán)輸出，步進電機連續(xù)運行；倒序輸出，步進電機反向運行；停止輸出，步進電機停止運行。改變數(shù)據(jù)輸出的速度，可改變輸出脈沖的頻率，即改變了步進電機運行的速度。若設(shè)R0為控制表指針，R1用來計數(shù)，正向驅(qū)動子程序如下：拍相1231

拍相1234561ABC100010001100

ABC100110010011001101100表8.2三相三拍驅(qū)動代碼

表8.3三相六拍驅(qū)動代碼

ORG

MOVP1，#00H；P1口清0START1：MOVR0，表首地址；R0←控制表首地址

MOVR1，#06H

LOOP1：MOVP1，@R0；輸出驅(qū)動代碼

ACALLDEL；調(diào)用延時子程序

INCR0

DJNZR1，LOOP1

RET

END

反向驅(qū)動子程序如下：

ORG

MOVP1，#00H

START2：MOVR0，表首地址+5；R0←表首地址+5

MOVR1，#06H

LOOP2：MOVP1，@R0；輸出驅(qū)動代碼

ACALLDEL；調(diào)用延時子程序

DECR0

DJNZR1，LOOP2

RET

END

步進電機功率驅(qū)動電路的設(shè)計方式有多種，圖8.12所示僅是其中的一種，由晶體管T1和T2構(gòu)成功率驅(qū)動器。圖8.12步進電機驅(qū)動電路7407LALBLCP1.0P1.1P1.280C5115ΩT1光電耦合T2T1光電耦合T2T1光電耦合T2+24V15Ω15Ω8.2.3直流電機驅(qū)動控制電路

直流電機具有優(yōu)良的調(diào)整特性，即調(diào)整平滑，方便，范圍廣，且過載能力強，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實現(xiàn)無極快速啟動、制動、調(diào)速和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動控制中的許多特殊要求。因此，在許多寬調(diào)整場合中占有特殊的地位。1．直流電機調(diào)整控制原理直流電機可采用電壓調(diào)速和脈寬調(diào)速。電壓調(diào)速是通過升高或者降低電樞電壓來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。脈寬調(diào)整是通過改變電樞通電的時間來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。對于小型直流電機常采用脈寬調(diào)速，其通電時間長轉(zhuǎn)速升高，通電時間短轉(zhuǎn)速降低，控制曲線如圖8.13所示。改變通電的方向，可改變電機轉(zhuǎn)動的方向。tτ脈沖信號轉(zhuǎn)速最大值Vmax最小值Vmin平均值Vd圖8.13脈寬調(diào)速控制曲線

設(shè)t為通電時間，τ為脈沖周期，則稱為占空比。改變占空比，即可調(diào)整小型直流電機的轉(zhuǎn)速。用Vmax表示直流電機全通電時的最大轉(zhuǎn)速，Vd表示平均轉(zhuǎn)速，則：平均轉(zhuǎn)速Vd≈Vmax·D

平均轉(zhuǎn)速Vd與占空比的函數(shù)曲線如圖8.14所示，近似于直線關(guān)系。圖8.14占空比與平均速度的關(guān)系VdVmaxD圖8.13(2)

圖8.15直流電機驅(qū)動控制電路

7406

80C51P1.0P1.1&&+5VK1+5VK2K3+5VK4+5V+24V74LS0474LS002．驅(qū)動控制電路小型直流電機驅(qū)動控制電路主要用來提供如圖8.13(2)所示占空比的可調(diào)脈沖信號和換向控制。在控制精度要求不高的情況下，可用繼電器來實現(xiàn)，其電路聯(lián)接如圖8.15所示。單片機由P1.0和P1.1輸出控制脈沖信號，控制狀態(tài)如表8.4所示，可實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、滑行和剎車。P1.1P1.0K1K2K3K4

狀

態(tài)

101001正

轉(zhuǎn)

010110反

轉(zhuǎn)

110101剎

車

000000滑

行

控制直流電機正轉(zhuǎn)的程序如下：LOOP：MOVA，#02H

MOVP1，A；輸出高電平

ACALLDELY1；調(diào)用延時子程序1

MOVA，#00H

MOVP1，A；輸出低電平

ACALLDELY2；調(diào)用延時子程序2

AJMPLOOP

改變延時子程序1的延時時間，可改變正脈沖寬度，改變延時子程序2的延時時間，可改變低電平的寬度和脈沖周期，這樣可控制電機的轉(zhuǎn)速。在對控制響應(yīng)要求較高時，可用晶體管開關(guān)電路控制電流的通斷。表8.4直流電機控制狀態(tài)表8.3RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)與接口電路8.3.1RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)8.3.2接口電路8.3.1RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）1962年公布，1969年最后一次修訂而成的標(biāo)準(zhǔn)，主要用于串行異步通訊。用RS-232C總線傳送數(shù)據(jù)，簡單，可靠，又可提高設(shè)備的通用性。

RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)定義了25個信號，采用25針插座聯(lián)接，其引腳序號與作用如表8.5所示。序號作

用序號作

用*1保護地14（輔信道）發(fā)送數(shù)據(jù)*2發(fā)送數(shù)據(jù)*15發(fā)送信號定時（DCE為源）*3接收數(shù)據(jù)16（輔信道）接收數(shù)據(jù)*4請求發(fā)送（RTS）17接收信號定時（DCE為源）*5允許發(fā)送（CTS或清除發(fā)送）18未定義*6數(shù)傳機（DCE）準(zhǔn)備好（DSR）19（輔信道）請求發(fā)送（RTS）*7信號地（公共地線）*20數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好（DTR）*8接收線信號檢測*21信號質(zhì)量檢測*9（保留供數(shù)傳機測試）*22振鈴指示10（保留供數(shù)傳機測試）*23數(shù)據(jù)信號速率選擇（DTE/DCE為源）11未定義*24發(fā)送信號定時（DTE為源）12（輔信道）接收信號檢測25未定義13（輔信道）允許發(fā)送（CTS）

*主信道表8.5RS-232C總線信號8.3.2接口電路1．電平轉(zhuǎn)換電路

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是按負(fù)邏輯定義的，它的1電平在-5V~-15V之間（常用-12V表示），它的0電平在+5V~+15V之間（常用+12V表示）。這樣在與單片機、微型計算機以及8251等串行通訊接口聯(lián)接時，需要進行電平轉(zhuǎn)換。常用驅(qū)換電路有MC1488和MC1489等。（1）MC1488MC1488是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口中常用的一種電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動器，也稱為發(fā)送器。它將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平信號，然后發(fā)送到外部通訊線路中去。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖8.16所示，在一塊芯片中有4個轉(zhuǎn)換驅(qū)動器，可供4路RS-232C信道使用。9131211235461081+電源-電源147TTL輸入RS-232輸出圖8.16MC1488邏輯符號圖131210954211+電源1436871TTL輸出RS-232輸入圖8.17MC1489邏輯符號圖（2）MC1489MC1489是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口中常用的另一種電平轉(zhuǎn)換電路，稱為接收器，它將RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口電平信號轉(zhuǎn)換成TTL電平信號，輸入給單片機。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖8.17所示，在一塊芯片中有4個轉(zhuǎn)換接收器，可供4路RS-232C信道使用。2．與單片機的聯(lián)接單片機與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口電路的聯(lián)接如圖8.18所示。單片機輸出的TTL電平信號送MC1488，轉(zhuǎn)換成±12V的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平，然后送入RS-232C信道。信號接收時，由MC1489接收RS-232C信道輸入的±12V信號，并轉(zhuǎn)換成TTL電平送入單片機。為了提高抗干擾能力，可在接收端并聯(lián)一個小旁路電容，以消除高頻干擾信號。80C51P3.0P3.1MC1488發(fā)送數(shù)據(jù)串行輸出MC1489串行輸入接收數(shù)據(jù)RS-232C信道圖8.18RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口電路與8031單片機的聯(lián)接

完整的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口有25條信號線，其中15條組成主信道通訊，其余為未定義或供輔信道使用。

RS-232C信號線上的總負(fù)載容量一般不超過2500pF，這就限制了RS-232C信號線路的最大長度。例如，若采用電容量約為150pF/m的多芯電纜時，最大通信線路不應(yīng)超過15m，最大數(shù)據(jù)傳輸率不應(yīng)超過2×104bps。為了提高通信線路的長度，除了RS-232C之外，還有RS-422/423，是用兩條線路之間的電壓來表示信號，因此可傳送差分信號，這樣就提高了線路的抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳送速度，使傳送速率超過2×104bps。三種標(biāo)準(zhǔn)接口信號線路的連接使用，如圖8.19所示。此外，近年來又出現(xiàn)了RS-449、RS-485等總線標(biāo)準(zhǔn)。

TTLRS-232C圖8.19RS-232、422和423的聯(lián)接…TTLMC1488MC1489單端公共地非平衡式差分傳送無公共地TTLTTL……+-RS-423平衡式差分傳送TTL……-+RS-422TTL…8.4單片機控制系統(tǒng)設(shè)計8.4.1計算機控制系統(tǒng)概述8.4.2單片機控制系統(tǒng)設(shè)規(guī)程8.4.3溫度控制8.4.4速度控制8.4.5定時控制8.4.6定位控制8.4.1計算機控制系統(tǒng)概述輸出通道及執(zhí)行機構(gòu)信號/數(shù)據(jù)采集及輸入通道

工業(yè)控制對象外圍設(shè)備

計算機傳感器執(zhí)行機構(gòu)輸入通道輸出通道計算機系統(tǒng)圖8.20計算機控制系統(tǒng)框圖

計算機控制系統(tǒng)的基本組成如圖8.20所示，可分為三大部分，即現(xiàn)場信號/數(shù)據(jù)采集與輸入通道、計算機系統(tǒng)、控制信號輸出通道與執(zhí)行機構(gòu)。在構(gòu)成工業(yè)自動控制系統(tǒng)時，可根據(jù)生產(chǎn)過程的復(fù)雜程度與精度要求，采用不同的控制方式，一般方式有以下幾種：1．程序控制程序控制(ProgrammedAutomaticControl)也稱為數(shù)字程序控制(DigitalProgramControl)，簡稱為PAC或者DPC。它是將控制對象所要進行的一系列操作，按照其執(zhí)行的順序，編寫成程序，存儲到外部存儲器中，使用時輸入給計算機，計算機僅作簡單的運算就能對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。這種控制系統(tǒng)規(guī)律簡單，專用性強、速度不高，常用在程序控制、順序控制和數(shù)值控制等場合，例如數(shù)字程序控制線切割機、數(shù)控機床、程序控制繡花機等。2．直接數(shù)字控制直接數(shù)字控制(DirectDigitalControl)簡稱為DDC。它是用一臺計算機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，檢測結(jié)果與給定值進行比較，再按照一定的調(diào)節(jié)規(guī)律（例如PID）進行計算，然后發(fā)布控制命令，由執(zhí)行機構(gòu)對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)。3．計算機監(jiān)督控制計算機監(jiān)督控制(SupervisoryComputerControl)簡稱為SCC。在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，是用計算機代替模擬調(diào)節(jié)機，對生產(chǎn)過程進行控制。而在計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)中，則是由計算機按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型計算出最佳給定值，送給模擬調(diào)節(jié)器或者DDC控制計算機，最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC控制計算機控制生產(chǎn)過程，從而使生產(chǎn)過程處于最佳狀態(tài)。4．分級控制系統(tǒng)分級控制系統(tǒng)也稱為分布控制系統(tǒng)(DistributeControlSystem)，簡稱為DCS。在生產(chǎn)過程復(fù)雜或受控設(shè)備較多的情況下，往往采用分級控制。它將一個較大的復(fù)雜的集中控制系統(tǒng)分解為若干個較小的獨立系統(tǒng)，分別由微型計算機進行控制，這一級通常稱為前級控制。前級控制一般采用數(shù)字程序控制、直接數(shù)字控制方式，或者進行巡回檢測。然后再在前級控制的上面設(shè)置一級監(jiān)督控制系統(tǒng)，用來進行全部生產(chǎn)過程的最佳控制和自適應(yīng)控制的計算。

在多級控制系統(tǒng)中，還可在監(jiān)督控制的上面增設(shè)一級生管理級，一方面對生產(chǎn)過程進行調(diào)度和管理，另一方面根據(jù)控制要求指揮監(jiān)督控制級的工作。由于與中型機、大型機相比，微型計算機的功能終歸有限。因此，目前主要用于數(shù)字程序控制、直接數(shù)字控制、監(jiān)督控制、分級控制中的前級控制及工業(yè)現(xiàn)場的巡回檢測。5．新型控制系統(tǒng)近年來，單片機的功能在不斷地增強，因此已逐步形成單片機控制系統(tǒng)。由于單片機體積更小，而且易于屏蔽，抗干擾能力強，可在惡劣環(huán)境下工作，因此已將自動控制技術(shù)向前推進了一大步。尤其是到上世紀(jì)90年代，人們在一塊芯片中制作多個CPU，以完成不同的功能。比如Echelon公司推出的神經(jīng)元(Neuron)芯片，內(nèi)置3個CPU，一個用于前端數(shù)據(jù)采集與控制，一個用于數(shù)值計算，另一個用于設(shè)置IP地址，負(fù)責(zé)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的通信。這種芯片主要用于現(xiàn)場總線技術(shù)中。另外，隨著人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在計算機控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了智能控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。無論是哪一種控制方式，在構(gòu)成一個大的系統(tǒng)時，都要使用大量的微處理器或者單片機。8.4.2單片機控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計可分為以下幾個步驟：（1）確定任務(wù)（2）明確硬件和軟件的分工（3）選擇合適的單片機進行硬件設(shè)計（4）程序設(shè)計（5）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)8.4.3溫度控制

溫度控制系統(tǒng)主要由檢測回路和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。檢測回路包括傳感器和模擬信號輸入通道。用于溫度檢測的傳感器較多，有熱敏電阻、紅外溫度傳感器以及熱電偶等。由于在大多數(shù)溫度控制系統(tǒng)中，比如恒溫室、煉鋼爐等，溫度變化比較緩慢，因此可省去采樣保持器。這樣，溫度傳感器輸出的微弱信號直接送放大器放大，然后經(jīng)低通濾波器濾除干擾波，最后送A/D轉(zhuǎn)換器。對于一個大的溫度控制系統(tǒng)，檢測點比較多時，還可選用MN7150構(gòu)成多路巡回檢測系統(tǒng)。

執(zhí)行機構(gòu)與加熱方法和溫控要求有關(guān)。常用的加熱方法有燃?xì)狻⑷加?、燃煤、蒸汽以及電加熱等。隨著加熱方法的不同，執(zhí)行機構(gòu)也不相同。下面僅以電熱爐為例說明其控制過程。電熱爐又分為電阻爐和電弧爐，但無論哪一種一般都采用可控硅電流控制方式。如圖8.21所示，是一種直接數(shù)字控制方式。CPU只要根據(jù)需要輸出脈沖，即可控制電熱爐中電流的通導(dǎo)，從而達到溫度控制的目的。為了提高溫控精度，可采用PID調(diào)節(jié)方式，為了減小電流導(dǎo)通時對電網(wǎng)的沖擊，可控硅采用過零啟動。B～

P1.080C51爐用變壓器A～C～光電耦合功率放大脈沖變壓器圖8.21溫度控制執(zhí)行機構(gòu)

系統(tǒng)程序流程圖如圖8.22所示，采用定時檢測和調(diào)節(jié)的方式。首先由定時器或軟件定時，時間到后啟動A/D轉(zhuǎn)換，對溫度進行檢測，測量結(jié)果送CPU，并在CPU的控制下顯示/打印結(jié)果。同時定時器或軟件定時啟動A/D轉(zhuǎn)換輸入采樣數(shù)據(jù)顯示/打印溫度PID調(diào)節(jié)計算脈沖量輸出圖8.22溫度控制主流程圖CPU把測量的結(jié)果與給定值比較，進行PID計算，然后根據(jù)計算結(jié)果輸出脈沖信號，控制可控硅的通導(dǎo)，對爐溫進行調(diào)節(jié)。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而使?fàn)t溫控制在預(yù)定的范圍之內(nèi)。在單片機輸出通道中，為了防止干擾，一般須加入光電偶合器。8.4.4速度控制

在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)線中，對電機轉(zhuǎn)速的要求越來越高，因此對電機的測速與調(diào)速已成為微型計算機的一項重要用途。下面僅以小型直流電機為例，說明電機速度控制的實施。在本章第二節(jié)已經(jīng)介紹了小型直流電機轉(zhuǎn)速控制的思想，即改變驅(qū)動脈沖的占空比，可實現(xiàn)其速度調(diào)節(jié)。但是在實際應(yīng)用中，速度控制應(yīng)包含兩方面的工作，一是測速，二是調(diào)速。1．電機測速電機測速可用光電數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器來進行。旋轉(zhuǎn)光柵盤如圖8.23所示與電機同軸安裝，電機轉(zhuǎn)動時，光柵盤同軸同速轉(zhuǎn)動。在光柵盤上有許多間隔相等的狹縫，光柵盤每轉(zhuǎn)過一個狹縫，燈光由狹縫穿過，照射到光敏元件上。于是，光敏元件感光一次，產(chǎn)生一個電脈沖信號，經(jīng)放大后，送單片機計數(shù)，從而測得電機的轉(zhuǎn)速。電脈沖放大電路可由分立元件構(gòu)成，也可選用集成電路，如圖8.24所示。增加光柵盤上的狹縫數(shù)目，可以提高測量精度。光電脈沖放大與整形電路電機圖8.23電機測速示意圖

P3.380C51輸出11C033+12VR圖8.24光電脈沖放大電路

若設(shè)NC為時間t內(nèi)記錄的脈沖數(shù)，C為光柵盤上的狹縫數(shù)，則每分鐘的轉(zhuǎn)速為

在80C51單片機中有兩個定時器/計數(shù)器T0和T1，可用其中一個定時，另一個計數(shù)。例如，某小型直流電機測速與調(diào)速主程序流程圖如圖8.25所示，其中包括定時器、計數(shù)器設(shè)置初值，P1口設(shè)置工作方式，啟動定時和計數(shù)，然后發(fā)控制電機運行的脈沖。定時器中斷服務(wù)程序流程圖如圖8.26所示。（轉(zhuǎn)/分）調(diào)用調(diào)速子程序圖8.26中斷服務(wù)程序流程圖測速中斷服務(wù)程序停止計數(shù)讀取時間值和計數(shù)值與給定值比較重新啟動定時計數(shù)中斷返回

≤允許誤差？NY后輸出低電平（即清0），再經(jīng)過τ-t時間后又輸出高電平。周而復(fù)始地進行下去，就可得到如圖8.13所示的控制脈沖。脈沖寬度通過軟件延時來實現(xiàn)，其控制信號輸出流程圖如圖8.28所示。設(shè)定定時器計數(shù)器初值及P1口工作方式啟動定時器計數(shù)器發(fā)控制電機運行脈沖圖8.25主程序流程圖2．電機調(diào)速小型直流電機的調(diào)速主要通過改變控制脈沖的占空比來進行，其硬件聯(lián)接如圖8.27所示。單片機P1口選擇位控或輸出工作方式，由其中某一位輸出脈沖信號。先從該位輸出高電平（即置1），延時t時間光電耦合器圖8.27電機驅(qū)動系統(tǒng)80C51P1.0+5V放大放大功率驅(qū)動電機

調(diào)速子程序流程圖如圖8.29所示，首先判斷需要正調(diào)還是負(fù)調(diào)。如果需要正調(diào)，則增大正脈沖的寬度，即增大正脈沖的延時時間。如果需要負(fù)調(diào)，則減小正脈沖的寬度，增大負(fù)電平的時間。調(diào)整完后返回中斷服務(wù)程序，等到中斷返回之后，單片機按照調(diào)整后的占空比輸出控制脈沖。如此繼續(xù)下去，就可使電機速度調(diào)整到預(yù)定范圍內(nèi)。P1.0設(shè)置位控方式SETBP1.0調(diào)用延時子程序1CLRP1.0調(diào)用延時子程序