微機(jī)控制技術(shù)(課件)

微機(jī)控制技術(shù)輔助教學(xué)軟件開始結(jié)束目錄

微機(jī)控制系統(tǒng)概述

輸入輸出接口技術(shù)輸入輸出過程通道

順序控制系統(tǒng)與數(shù)字程序控制系統(tǒng)

過程控制與數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章微機(jī)控制系統(tǒng)概述微機(jī)控制的概念微機(jī)控制系統(tǒng)的組成微機(jī)控制系統(tǒng)的類型微機(jī)控制的概念自動控制就是利用控制裝置自動地使機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程的某一物理量按預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)該控制目的所需裝置構(gòu)成了一個自動控制系統(tǒng)。一個自動控制系統(tǒng)例子：電熱恒溫箱自動控制系統(tǒng)。見圖1.1。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2所示。若將上系統(tǒng)中的控制器與比較器用微機(jī)的軟硬件代替，則成為一個微機(jī)控制系統(tǒng)。見圖1.2。電熱恒溫箱微機(jī)控制系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)見圖1.3、圖1.4、圖1.5。微機(jī)控制系統(tǒng)的組成由主機(jī)、總線與I/O接口、通用外部設(shè)備、輸入輸出過程通道、操作臺、通信網(wǎng)絡(luò)、軟件幾部分構(gòu)成。采用總線結(jié)構(gòu)形式，各部分通過總線連接，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要取舍、根據(jù)規(guī)模與要求配置，如圖1.6所示。

微機(jī)控制系統(tǒng)的類型

微機(jī)控制系統(tǒng)與所控制的生產(chǎn)過程密切相關(guān)，不同的被控對象和不同的控制要求，應(yīng)具有不同的控制方案，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)類型?，F(xiàn)從應(yīng)用特點(diǎn)、控制方式特點(diǎn)、控制目的出發(fā)，介紹幾種典型應(yīng)用類型：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）：計(jì)算機(jī)只對系統(tǒng)過程參數(shù)進(jìn)行收集（巡回檢測）、加工處理與統(tǒng)計(jì)、存貯（記錄）、實(shí)時分析，然后輸出數(shù)據(jù)（顯示、打印），但輸出的數(shù)據(jù)不直接用來控制生產(chǎn)對象，操作人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的操作。作用：1）代替大量的常規(guī)顯示與記錄儀表，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視。2）對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中、加工處理、分析，以有利于指導(dǎo)生產(chǎn)過程控制的方式表示出來，起指導(dǎo)作用。3）能得到大量數(shù)據(jù)，利于建立理想的數(shù)學(xué)模型。為開環(huán)系統(tǒng)、非實(shí)時控制（人工操作）。用于數(shù)據(jù)采集、電力調(diào)度等。如圖1.7所示。

微機(jī)控制系統(tǒng)的類型直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）：微機(jī)對一個或多個被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，檢測結(jié)果與給定值比較，再按一定的控制規(guī)律對偏差進(jìn)行運(yùn)算，然后將結(jié)果直接輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對被控對象進(jìn)行控制。在這里微機(jī)系統(tǒng)代替了模擬控制器與比較器，稱為數(shù)字控制器，各種控制規(guī)律（控制方法）如PID控制、串級控制等可以用不同的控制算法描述，進(jìn)而編制出相應(yīng)的程序，計(jì)算機(jī)執(zhí)行不同的程序可以實(shí)現(xiàn)不同的控制規(guī)律與方法，靈活性大。是閉環(huán)控制、實(shí)時控制、微機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)。用于化工、機(jī)械等過程控制。如圖1.8所示。微機(jī)控制系統(tǒng)的類型監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC）：見圖1.9分布式控制系統(tǒng)（DCS）（集散控制系統(tǒng)）:是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)過程規(guī)模的擴(kuò)大、綜合控制與管理要求的提高而發(fā)展起來的以多臺DDC計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。采用分散控制、集中操作、分級管理和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則、具有網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)（主要是多層結(jié)構(gòu)）。如圖1.10所示。微機(jī)控制系統(tǒng)的類型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）:現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線，它能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下運(yùn)行，可靠性高、實(shí)時性強(qiáng)、互換性好等。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。是一種高級分布式控制系統(tǒng)。以往在企業(yè)生產(chǎn)過程中，基層的許多傳統(tǒng)測控自動化系統(tǒng)都處于“信息孤島”狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換?，F(xiàn)場總線就是為克服此出現(xiàn)的代表了今后工業(yè)控制體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種方向。第二章輸入輸出接口技術(shù)概述接口的編址方式接口的數(shù)據(jù)傳輸方式接口的擴(kuò)展接口應(yīng)用舉例概述接口是CPU與外部設(shè)備及過程通道等之間的連接。有通用、非通用、可編程（多功能）、不可編程、串行、并行等。外設(shè)、通道經(jīng)接口與總線相連，CPU、內(nèi)存則直接與總線相連（稱之為將接口與內(nèi)存、CPU掛在總線上），為總線結(jié)構(gòu)。接口的功能：1）地址譯碼和設(shè)備選擇（CPU利用其編址功能對外部設(shè)備進(jìn)行選擇）2）提供數(shù)據(jù)的寄存和緩沖，以實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)之間的速度匹配，適應(yīng)雙方的讀寫時間的需要。3）進(jìn)行定時和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。4）實(shí)現(xiàn)中斷控制邏輯，完成中斷傳輸。5）實(shí)現(xiàn)DMA控制邏輯，完成DMA傳輸。6）進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換（如串—并），進(jìn)行信號類型轉(zhuǎn)換（如電平、D—A）。接口的編址方式CPU通過地址線輸出相應(yīng)的地址信號，經(jīng)譯碼后產(chǎn)生選通信號去選通相應(yīng)的接口以選中該接口，這種接口選擇稱為接口的編址。CPU與外設(shè)或通道交換信息前，首先應(yīng)先選擇接口。有二種編址方式：（采用哪種取決于CPU類型）1）統(tǒng)一編址方式：接口的地址與內(nèi)存單元的地址統(tǒng)一安排，將每一接口看作是一個內(nèi)存單元，訪問接口（稱為I/O操作或輸入/輸出操作）使用的指令與訪問內(nèi)存（稱為讀/寫操作）使用的指令一樣，擴(kuò)展接口與擴(kuò)展內(nèi)存使用的控制信號也相同。見圖2.12）獨(dú)立編址方式：接口地址與內(nèi)存地址相互獨(dú)立，訪問I/O口使用的指令與訪問內(nèi)存使用的指令不同，擴(kuò)展內(nèi)存與擴(kuò)展I/O口使用的控制信號也不完全相同。見圖2.2在接口中一般有多個寄存器或特定的電路，CPU對接口的訪問實(shí)際上是直接對這些寄存器或特定電路的存取。根據(jù)按地址訪問的原則，每一接口一般應(yīng)有多個地址對應(yīng)于這些寄存器或特定電路，它們稱為端口。接口的數(shù)據(jù)傳輸方式在CPU與外設(shè)或通道之間經(jīng)接口傳遞數(shù)據(jù)要有二個條件：1）在時間上保持同步（二者步調(diào)一致，遵循同一個同步信號）。2）允許二者能相互等待（之間要有協(xié)調(diào)的方法）。按這樣二個條件的要求，就有以下幾種傳輸方式：1）直接傳輸方式:無需協(xié)調(diào)，CPU利用讀寫指令直接對I/O口進(jìn)行操作，I/O口應(yīng)一直處于就緒狀態(tài)（外設(shè)總是準(zhǔn)備好的）。2）程序查詢方式：利用握手信號（狀態(tài)信號）進(jìn)行協(xié)調(diào)。在數(shù)據(jù)傳輸前，先查詢狀態(tài)，在外設(shè)或通道就緒情況下才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（外設(shè)并不總是準(zhǔn)備好的）。必要時，數(shù)據(jù)傳輸后，再進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)。見圖2.33）中斷方式：利用中斷實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)。通過硬件將外設(shè)或通道的狀態(tài)信號作為中斷請求信號，一旦就緒則向CPU發(fā)中斷請求，CPU響應(yīng)中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。見圖2.44）DMA方式：當(dāng)外設(shè)需要與內(nèi)存進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳送時，向DMA控制器發(fā)DMA請求，DMA控制器向CPU發(fā)BUS請求，CPU響應(yīng)，同時釋放總線。外設(shè)與內(nèi)存開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，且CPU不介入。見圖2.5接口的擴(kuò)展（接口電路的設(shè)計(jì)）在自行設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際需要，?？谛钄U(kuò)展接口及內(nèi)存，以便增加外設(shè)、通道和滿足存貯量的需要。擴(kuò)展接口與內(nèi)存的第一步是設(shè)計(jì)地址譯碼電路。譯碼電路的作用就是根據(jù)CPU由地址線給出的地址編號（地址線狀態(tài)），產(chǎn)生相應(yīng)的接口或內(nèi)存的選通信號，以選中它。譯碼電路的設(shè)計(jì)要根據(jù)需擴(kuò)充的接口數(shù)量、內(nèi)存容量進(jìn)行。常采用譯碼集成電路芯片構(gòu)成一些較復(fù)雜的譯碼電路。一種譯碼電路設(shè)計(jì)方案如圖2.6所示。一種非可編程輸入/輸出接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)方案如

圖2.7所示。接口的擴(kuò)展（接口電路的設(shè)計(jì)）可編程接口8255A擴(kuò)展8255A介紹:引腳圖見圖2.8

內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見圖2.98255A的工作方式：方式0：基本輸入/輸出方式1：選通輸入/輸出方式2：雙向選通輸入/輸出“方式選擇控制字”及“位設(shè)置控制字”的定義見圖2.10

方式1輸入時的信號及時序圖見

圖2.11方式1輸出時的信號及時序圖見圖2.12方式2的信號見圖2.138255A接口擴(kuò)展的一種方案見圖2.14接口應(yīng)用舉例①8255A方式0應(yīng)用：與字符打印機(jī)、紙帶穿孔機(jī)和紙帶讀入機(jī)接口。圖2.15所示

各口均為方式0，A組為輸出，C上為控制端口，B組為輸入，C下為狀態(tài)端口，采用查詢數(shù)據(jù)傳輸方式。②8255A方式1應(yīng)用：與A/D、D/A接口。如圖2.16所示

A口為方式1輸入，B口為方式0輸出，多組數(shù)據(jù)的輸入輸出：如圖2.17所示第三章輸入輸出過程通道概述模擬量輸入通道開關(guān)量輸入通道模擬量輸出通道開關(guān)量輸出通道

D/A轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)過程通道應(yīng)用舉例概述

在微機(jī)控制系統(tǒng)中，要將被控對象的各種測量參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息按要求的方式送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理后的信息也需轉(zhuǎn)換為合適的信號輸出到執(zhí)行器，由它對被控對象實(shí)施控制。所以在計(jì)算機(jī)與被控對象之間需設(shè)置信息傳遞、變換的裝置—輸入/輸出過程通道。過程通道解決二類基本問題：1）將外部傳感器信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接受的數(shù)字信號。該任務(wù)由輸入通道（前向通道）完成。2）將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為外部執(zhí)行器能接受的信號。該任務(wù)由輸出通道（后向通道）完成。根據(jù)處理信號類型的不同，過程通道分為模擬量通道、數(shù)字量（開關(guān)量）通道兩種。在模擬量輸入通道中進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換時有三步要做：采樣、量化、編碼。

模擬量輸入通道模入通道的結(jié)構(gòu)形式，取決于不同的應(yīng)用要求。1）一般結(jié)構(gòu)：各路共用所有元器件，多路模擬信號由多路開關(guān)切換。如圖3.1所示2）其它幾種結(jié)構(gòu)：采用多個單通道方案：各路所有元器件獨(dú)立，無共用元件。如圖3.1所示各路只共用部分元器件。多路開關(guān)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路選擇，分時輸入。典型的多路開關(guān)有CD4051（雙向8選1）、CD4052（雙向2個4選1）等。它們是早期產(chǎn)品，性能已不能滿足控制系統(tǒng)要求，其改進(jìn)型為：AD公司的ADG658/659。如圖3.2所示?？蓪⒍嗥m當(dāng)組合，形成多路開關(guān)群，以實(shí)現(xiàn)對大量模擬信號的切換。如圖3.3所示。模擬量輸入通道放大器：當(dāng)多路輸入信號電平相差很大時，應(yīng)采用可編程放大器（其放大倍數(shù)可通過程序改變）。當(dāng)信號需隔離時，應(yīng)采用隔離放大器。

圖3.4.a為構(gòu)成可編程放大器的原理圖之一。

其放大倍數(shù)K=1+2R2/R1（利用多路開關(guān)改變R1）

圖3.4.b為構(gòu)成可編程放大器的原理圖之二。

其放大倍數(shù)K=1+R2/R1（利用多路開關(guān)改變R2）采樣保持器原理圖見圖3.5控制信號為“1”時采樣，V0=Vi控制信號為“0”時保持，V0不變

圖3.6為采樣保持器集成電路芯片LM198、SMP04。開關(guān)量輸入通道把來自生產(chǎn)過程的開關(guān)通斷信號、高低電平信號等轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠接受的邏輯電平信號（TTL電平、CMOS電平）。

其主要功能為：電平轉(zhuǎn)換、整形、隔離、保護(hù)等。其一般結(jié)構(gòu)為圖3.7

模擬量輸出通道它是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號源。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中很多是需要由連續(xù)信號驅(qū)動（開度連續(xù)調(diào)節(jié)的閥門、速度連續(xù)變化的電機(jī)等），這需要它將微機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號，并進(jìn)行放大驅(qū)動，對多路輸出應(yīng)有保持的功能，以實(shí)現(xiàn)分時輸出。

有二種結(jié)構(gòu)：如圖3.8.

1）數(shù)字量保持方案：將微機(jī)分時輸出的數(shù)字量保持在各自獨(dú)立的接口鎖存器中，并供其D/A轉(zhuǎn)換。

2）模擬量保持方案：將微機(jī)分時輸出的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后保持在各自獨(dú)立的保持器中。功率驅(qū)動：提高D/A輸出的功率驅(qū)動能力。開關(guān)量輸出通道執(zhí)行器所需的控制命令均為二態(tài)開關(guān)量（如開關(guān)、電磁閥等的閉合、打開二值狀態(tài)），并且它來自該通道。其結(jié)構(gòu)圖如圖3.9。微機(jī)送出控制命令后首先要保持控制狀態(tài)，直到下次給出新的值為止，這就需鎖存（接口即為輸出鎖存器）。從微機(jī)送出的開關(guān)或數(shù)字信號一般是不能直接驅(qū)動輸出設(shè)備或執(zhí)行器的，需驅(qū)動電路。根據(jù)不同的執(zhí)行器，需不同的驅(qū)動能力。

1）小功率驅(qū)動電路

2）中功率驅(qū)動電路如圖3.10。3）大功率驅(qū)動電路如圖3.11、圖3.12。D/A轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器工作原理：D/A轉(zhuǎn)換原理圖如圖3.13。D/A轉(zhuǎn)換器輸入/輸出特性及性能指標(biāo)：輸入特性包括有無輸入鎖存器、輸入數(shù)據(jù)碼制、形式、寬度、輸入邏輯電平等。輸出特性包括電流輸出或電壓輸出、單極性或雙極性輸出、單路或多路輸出等。主要性能指標(biāo)：1）分辨率：表達(dá)了D/A對微小輸入量的分辨能力。通常用數(shù)字量的位數(shù)表示，位數(shù)多則分辨率高。2）轉(zhuǎn)換精度：表示了轉(zhuǎn)換后實(shí)際值對于理想值的誤差。3）建立時間（穩(wěn)定時間）：衡量了D/A的時延大小。（即輸入由0變到滿量程，輸出并不能立即達(dá)到滿量程，有時延）。

D/A轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)DAC0830/0831/0832介紹:內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖如圖3.14。輸出方式：1）其輸出為電流，需電壓輸出時，可在輸出接一運(yùn)放。2）若需要雙極性輸出，則再增加一運(yùn)放。如圖3.15若Rf+Rfb=R，則VOUT1=-D.Vref/2n，當(dāng)Vref為+5V（或-5V）時，A點(diǎn)輸出單極性電壓0～+5V（或0～+5V）。圖3.16因?yàn)閂OUT2=-2RI=-2R（I1+I2）=-2R（VOUT1/R+Vref/2R）=-（Vref+2VOUT1），所以當(dāng)Vref為+5V（或-5V）時，B點(diǎn)輸出雙極性電壓-5V～+5V（或+5V～-5V）。圖3.16。

D/A轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)工作方式及與CPU的接口它的控制引腳可以和CPU的控制線、地址線相連，接受CPU的控制，使其工作在不同的工作方式。1）直通式（無緩沖）：所有控制引腳均接為有效，數(shù)據(jù)直接由數(shù)據(jù)總線到達(dá)D/A轉(zhuǎn)換器，D/A輸出隨輸入變化。2）單緩沖：由數(shù)據(jù)總線到達(dá)的數(shù)據(jù)可被鎖存在內(nèi)部的寄存器中一次。有多種實(shí)現(xiàn)方法。其中之一如圖3.17所示。3）雙緩沖：由數(shù)據(jù)總線到達(dá)的數(shù)據(jù)可被鎖存在內(nèi)部的寄存器中二次。如圖3.18。D/A轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)內(nèi)部無鎖存器的D/A與CPU的接口在D/A與CPU之間應(yīng)加設(shè)鎖存器。如圖3.19。10位、12位等D/A與CPU的接口若D/A內(nèi)部無鎖存器或有鎖存器但無法實(shí)現(xiàn)雙緩沖，則在D/A與CPU之間應(yīng)加設(shè)鎖存器實(shí)現(xiàn)雙緩沖，以解決8位以上數(shù)據(jù)分時傳送，同時到達(dá)鎖存器D/A的問題，防止輸出的閃躍。如圖3.20。DAC1210與AD667為12位D/A，見圖3.21與圖3.23其內(nèi)部有鎖存器可以實(shí)現(xiàn)雙緩沖，無需加設(shè)鎖存器，它們與CPU的接口分別見圖3.22與圖3.24。A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器工作原理常有的轉(zhuǎn)換方法有：

1）逐次逼近式：16位以下精度及速度均較高，抗干擾性差。原理圖如圖3.25。2）雙斜率積分式：速度慢，但精度高，抗干擾性好。原理圖如圖3.26。輸入/輸出特性與性能指標(biāo)有單路或多路輸入；輸出數(shù)據(jù)有不同的碼制、形式、寬度等；主要性能指標(biāo)有1）分辨率2）轉(zhuǎn)換精度3）轉(zhuǎn)換時間4）量程：能夠轉(zhuǎn)換的模擬信號范圍等。A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)ADC0808/0809介紹8位逐次逼近式、8路輸入、三態(tài)輸出緩沖器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.27。與CPU的接口如圖3.28。程序?qū)崿F(xiàn)逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換，原理圖見圖3.2910位以上A/D與CPU的接口也要解決數(shù)據(jù)經(jīng)8位數(shù)據(jù)線分時由CPU讀取的問題。AD1674是12位逐次逼近式A/D，內(nèi)部具有采樣保持器，輸入為多量程且可單極性或雙極性輸入。其主要引腳功能與控制信號真值表見圖3.30。有12位同時輸出和8位/4位分時輸出兩種輸出方式，這決定了其與CPU的接口方式。見圖3.31與圖3.32。過程通道應(yīng)用舉例本例采用多通路共享采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式。它利用多路開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)64路模擬信號的輸入轉(zhuǎn)換。利用接口8255A實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入/輸出，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由PA口輸入，通道選擇地址由PB口輸出，數(shù)據(jù)輸入采用查詢方式（也可以采用中斷方式），數(shù)據(jù)輸出采用直接方式。見圖3.33。A/D轉(zhuǎn)換器及D/A轉(zhuǎn)換器討論

幾個常用的A/D轉(zhuǎn)換器及其與CPU的接口技術(shù)5G14433A/D轉(zhuǎn)換器:雙斜率積分式、1路輸入、BCD碼分時輸出。見圖3.34。ADC0838A/D轉(zhuǎn)換器:4路差分或8路單端輸入、8位數(shù)據(jù)串行輸出。見圖3.34。第四章順序控制與數(shù)字程序控制概述順序控制系統(tǒng)

數(shù)字程序控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

概述順序控制與數(shù)字程序控制是自動控制領(lǐng)域的一個重要方面，這兩種系統(tǒng)是按控制規(guī)律進(jìn)行分類的。順序控制：以事先規(guī)定好的時間或條件為依據(jù)，使被控對象的各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)按一定的動作次序順序動作（工作），稱之為按時序或按事序規(guī)定工作的自動控制。它廣泛應(yīng)用于機(jī)床控制、自動生產(chǎn)線控制、機(jī)械手控制等。其特點(diǎn)是：為開環(huán)控制、僅有動作次序的控制、是以開關(guān)量為主的控制。例如：自動剪板機(jī)的動作過程控制就是典型的順序控制。其動作示意圖見圖4.1數(shù)字程序控制：控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機(jī)械按預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動軌跡運(yùn)動并自動完成工作的一種控制。即使被控點(diǎn)按某種軌跡運(yùn)動。它廣泛應(yīng)用于機(jī)床控制。其特點(diǎn)是：為開環(huán)控制，有坐標(biāo)位置的控制。例如：數(shù)控銑床就是典型的數(shù)字程序控制系統(tǒng)。見圖4.2

順序控制系統(tǒng)典型的順序控制系統(tǒng)組成如圖4.3所示。

該系統(tǒng)的控制過程可由自動剪板機(jī)的工作流程描述，見圖4.4。順序控制系統(tǒng)實(shí)例（自動剪板機(jī)）：行程開關(guān)信號（XK1～XK5）及控制按鈕信號（AK1～AK2）送入8255A的PA口?？刂菩盘査偷?255A的PB口。一般一臺微機(jī)可以控制多臺生產(chǎn)機(jī)械，見圖4.5。順序控制中常需要進(jìn)行邏輯運(yùn)算，它可以由程序?qū)崿F(xiàn)。

D7D6D5D3D4D2D1D0AK1AK2XK1XK2XK3XK4XK5D7D6D5D3D4D2D1D0JCT1CT2CT3CT4數(shù)字程序控制系統(tǒng)控制被控對象按給定軌跡運(yùn)動原理插補(bǔ)計(jì)算過程及插補(bǔ)計(jì)算程序插補(bǔ)計(jì)算時，每走一步，都要進(jìn)行以下幾步：①偏差判別；②坐標(biāo)進(jìn)給；③偏差與坐標(biāo)計(jì)算；④終點(diǎn)判斷。實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)比較法直線與圓弧插補(bǔ)計(jì)算的程序流程圖見圖4.6.a與4.6.b。

。計(jì)算機(jī)插補(bǔ)計(jì)算及控制走步時所需的數(shù)據(jù)可以以加工指令、加工程序的形式給出步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動與控制數(shù)字程序控制系統(tǒng)組成如圖4.7。數(shù)字程序控制系統(tǒng)實(shí)例本例對象是一臺可用于加工平面直線和圓弧形狀工件的車床（工作臺可作平面運(yùn)動），工作臺由X軸、Y軸二臺步進(jìn)電機(jī)拖動，具有單步和自動二種工作方式。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4.8。

中斷控制邏輯電路如圖4.9。中斷子程序如圖4.10。順序控制系統(tǒng)與數(shù)字程序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)順序控制的特點(diǎn)是對各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動作次序的控制，為開環(huán)控制，開關(guān)量為主的控制。數(shù)字程序控制的特點(diǎn)是對生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行坐標(biāo)位置的控制，為開環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)為主的控制。順序控制系統(tǒng)應(yīng)具有方便接收和輸出開關(guān)信號的能力，應(yīng)按工藝控制要求設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的輸入輸出電路與接口，微機(jī)執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)邏輯運(yùn)算、記憶及時序判斷的功能，完成全部自動順序工作控制任務(wù)。數(shù)字程序控制系統(tǒng)應(yīng)具有方便輸入加工指令、數(shù)據(jù)，輸出控制步進(jìn)電機(jī)信號的能力，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的輸入輸出裝置與接口，微機(jī)執(zhí)行程序完成插補(bǔ)計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制等全部自動加工過程控制任務(wù)。兩個系統(tǒng)都應(yīng)設(shè)置基本的人工干預(yù)操作開關(guān)、按鍵等。順序控制系統(tǒng)的控制程序遵循了被控對象的工作流程，基本上是以下幾步的反復(fù)：①輸入信號；②判斷；③輸出信號，產(chǎn)生時序信號的定時器可以是硬件也可以是軟件。數(shù)字程序控制系統(tǒng)的控制程序基本上包括以下幾個內(nèi)容：①數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；②插補(bǔ)計(jì)算；③控制走步，加工速度的控制可以采用硬件也可以采用軟件。過程控制的概念數(shù)字PID控制器數(shù)字PID控制器算法的改進(jìn)

數(shù)字PID控制器參數(shù)整定第五章

過程控制與數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)在自動控制應(yīng)用領(lǐng)域中，過程控制是一個基本的主要的方面,如溫度、流量、壓力等的控制，也是微機(jī)控制中的一個主要內(nèi)容。對生產(chǎn)過程中的某一或某些物理參數(shù)進(jìn)行的自動控制稱為過程控制(模擬過程控制）。模擬過程控制系統(tǒng)基本框圖：如圖5.1各個量均為連續(xù)的模擬量，是典型的閉環(huán)（反饋）系統(tǒng)。目的：自動調(diào)節(jié)被控制量以使偏差趨于零（使被控量跟蹤給定量）。稱為依一定的控制規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)（對偏差進(jìn)行某種運(yùn)算，結(jié)果為控制量）。對偏差按一定控制規(guī)律運(yùn)算的電路稱為模擬調(diào)節(jié)器過程控制的概念關(guān)于PID控制規(guī)律PID調(diào)節(jié)器其控制原理框圖為：如圖5.1

PID調(diào)節(jié)器將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制（調(diào)節(jié)）即u(t)為對e(t)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算結(jié)果的相加。在實(shí)際應(yīng)用中，常根據(jù)對象的特性要求將PID適當(dāng)組合以達(dá)到有效的控制。

比例調(diào)節(jié)器：控制規(guī)律（控制算式）Kp為比例系數(shù)

傳遞函數(shù)即時成比例地反映e(t)，e(t)一旦產(chǎn)生，立即產(chǎn)生控制作用以減小e(t)。過程控制的概念比例、積分調(diào)節(jié)器：控制規(guī)律（控制算式）TI為積分時間常數(shù)

傳遞函數(shù)

積分環(huán)節(jié)的主要作用：消除靜差，改善靜態(tài)特性。只要偏差存在，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強(qiáng)，直至偏差為零，偏差消除后其輸出將停留在新位置而不能恢復(fù)原位，因而能保持靜差為零。單純的積分過于緩慢，會使動態(tài)品質(zhì)變壞。過程控制的概念比例、微分調(diào)節(jié)器：控制規(guī)律（控制算式）TD為微分時間常數(shù)

傳遞函數(shù)微分環(huán)節(jié)的主要作用：能反應(yīng)e(t)的變化趨勢（變化速率）,并能在e(t)的值變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間，有利于減小超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定并改善動態(tài)特性。過程控制的概念比例、積分、微分調(diào)節(jié)器：控制規(guī)律（控制算式）

傳遞函數(shù)模擬PID調(diào)節(jié)器是用硬件來實(shí)現(xiàn)PID控制規(guī)律的（完成相應(yīng)的運(yùn)算）。對于微機(jī)過程控制來說，可以由機(jī)算計(jì)通過執(zhí)行程序（即用計(jì)算機(jī)軟件）來實(shí)現(xiàn)。該程序稱為數(shù)字PID控制器。過程控制的概念微機(jī)過程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)在模擬控制系統(tǒng)中，以微機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器，就構(gòu)成微機(jī)過程控制系統(tǒng)，模擬調(diào)節(jié)器也由數(shù)字控制器取代，該系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)為DDC系統(tǒng)。如圖5.2

系統(tǒng)中有數(shù)字量（離散量）、模擬量。稱為“混合系統(tǒng)”y(k)y*(t)e(k)u(k)u*(t)均在時間上不連續(xù)而y(t)、u(t)則在時間上連續(xù)將定時采樣和階段控制代替連續(xù)檢測與連續(xù)控制。數(shù)字PID控制器

計(jì)算機(jī)只能對各采樣時刻的值e(i)計(jì)算得到u(k)由于前述PID算式是連續(xù)控制算式，是對連續(xù)量進(jìn)行計(jì)算的，因此計(jì)算機(jī)不能按它直接進(jìn)行運(yùn)算，只能根據(jù)離散控制算式進(jìn)行運(yùn)算。

數(shù)字PID控制器T0te(t)e(i+1)e(k)e(i)e(2)e(1)e(0)2T(i+1)TiTkTT為采樣周期，k為采樣序號

kT為采樣時刻（離散時刻）也稱為K時刻第k次采樣值y(kT)記為y(k)第k次偏差值e(kT)記為e(k)數(shù)字PID控制器

數(shù)字PID控制算法計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的控制算式是離散控制算式，根據(jù)該算式作為算法進(jìn)行編程，計(jì)算機(jī)執(zhí)行該程序完成對偏差的相應(yīng)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)某種控制規(guī)律，所以數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)實(shí)際上是算法的設(shè)計(jì)。這里采用PID控制規(guī)律的離散化設(shè)計(jì)方法得到離散PID控制算式離散的方法有很多，目的是將G(s)化為G(z)用數(shù)值逼近的方法使PID算式離散化：用差分代替微分，用矩形（或梯形）和式代替積分（稱為差分近似法，即將微分方程化成差分方程）差分近似法具體過程如下：

根據(jù)在采樣時刻有積分項(xiàng)的離散微分項(xiàng)的離散得數(shù)字PID控制器②式稱為差分方程，是PID控制規(guī)律的離散化形式，是計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的控制算式，它是對離散值e(k)進(jìn)行的PID運(yùn)算，用該式計(jì)算u(k)只需用各k時刻的e(k)。按②式計(jì)算u(k)時，需涉及到過去所有狀態(tài)e(0)e(1)……計(jì)算量大，時間長、占用內(nèi)存單元多，為此將②式化成遞推形式：用②式-③式得：數(shù)字PID控制器

②式及④式稱為位置式PID控制算式，因?yàn)樗峁┝藞?zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，即它作為控制機(jī)構(gòu)的控制量，對應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)在kT時刻應(yīng)達(dá)到的位置，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)為閥門，相當(dāng)于閥門的開度。在許多情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身具有累加或記憶功能，如步進(jìn)電機(jī)，只要給出一個增量信號即可在原來位置上前進(jìn)或后退一步，達(dá)到新的位置，這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)不需控制量的絕對值而是增量值，這時可由④式導(dǎo)出提供增量的PID算式：

⑤式為增量式控制算式，它使執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化小，故應(yīng)用廣泛。數(shù)字PID控制器

PID算法（④式、⑤式）的程序?qū)崿F(xiàn)

位置式PID數(shù)字控制器的程序流程圖：

數(shù)字PID控制器離線計(jì)算a0、a1、a2取y(k),求e(k)計(jì)算a0e(k)、計(jì)算a1e(k-1)、計(jì)算a2e(k-2)計(jì)算u(k)：加a0e(k)、減a1e(k-1)、加a2e(k-2)輸出u(k)

u(k)→u(k-1)、e(k)→(k-1)e(k-1)→e(k-2)①②③④①采樣形成偏差②完成PID運(yùn)算③輸出控制量④作下次準(zhǔn)備參數(shù)的整定十分重要，整定的好壞直接影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。主要是確定KP、KI、KD

和采樣周期T。對結(jié)構(gòu)和控制算式的形式已經(jīng)確定的控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量的好壞取決與參數(shù)的選擇。由于一般的連續(xù)生產(chǎn)過程都具有較大的時間常數(shù)，在大多數(shù)情況下，采樣周期與系統(tǒng)的時間常數(shù)相比小的多（這是PID數(shù)字化方法的前提條件），所以數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定可以利用模擬調(diào)節(jié)器的各種整定方法，并且要合理選擇并調(diào)整T。最后在實(shí)踐中加以檢驗(yàn)與修正。這種準(zhǔn)連續(xù)控制效果可以非常接近連續(xù)的PID調(diào)節(jié)。數(shù)字PID控制器參數(shù)整定采樣周期的選擇選取受到多方面因素的制約：①香農(nóng)定理要求ω≥2ωmax，即要求T小。②從控制質(zhì)量上看，要求T小，這樣與連續(xù)系統(tǒng)更接近。③從執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)較慢看，T不能過短。④從計(jì)算量、計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度、A/D、D/A轉(zhuǎn)換速度和控制更多回路等角度考慮，希望T大。它們是矛盾的，因此，實(shí)際選用T時應(yīng)綜合考慮多方面因素。數(shù)字PID控制器參數(shù)整定按模擬PID控制參數(shù)整定的方法有二種：理論設(shè)計(jì)法及實(shí)驗(yàn)確定法①理論設(shè)計(jì)法（前提是要有被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型）是通過系統(tǒng)綜合的方法予以確定PID調(diào)節(jié)參數(shù)。

②實(shí)驗(yàn)確定法常常在一般工業(yè)過程中很難確定被控對象的數(shù)學(xué)模型，這時就采用實(shí)驗(yàn)確定法來確定PID的參數(shù)。常采用的實(shí)驗(yàn)方法有：A、試湊法B、擴(kuò)充臨界比例度法C、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法D、過度過程響應(yīng)法方法數(shù)字PID控制器參數(shù)整定A、試湊法試湊法是通過仿真或?qū)嶋H運(yùn)行，觀察系統(tǒng)對典型輸入作用的響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定PID參數(shù)。在試湊時，可以參考PID參數(shù)對控制過程的影響趨勢，實(shí)行先比例、后積分、再微分的反復(fù)調(diào)整。其具體調(diào)整步驟如下：整定比例部分加入積分環(huán)節(jié)

加入微分環(huán)節(jié)

數(shù)字PID控制器參數(shù)整定B、擴(kuò)充臨界比例度法擴(kuò)充臨界比例度法是模擬控制器使用的臨界比例度法的擴(kuò)充，它用來整定數(shù)字PID控制器的參數(shù)。其整定步驟如下：（1）擇一合適的采樣周期。所謂合適的采樣周期足夠小，此采樣周期我們用Tmin表示。

（2）用上述的Tmin，僅讓控制器作純比例控制，逐漸增大比例系數(shù)Kp，直至使系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，記下此時的比例系數(shù)Kr與振蕩周期Tr。（3）選擇控制度。控制度定義為數(shù)字控制系統(tǒng)誤差平方的積分與對應(yīng)的模擬控制系統(tǒng)誤差平方的積分之比。（4）選擇控制度后，按擴(kuò)充臨界比例度法整定計(jì)算公式表求得各參數(shù)。（5）按求得的參數(shù)運(yùn)行，在運(yùn)行中觀察控制效果，用試湊法進(jìn)一步尋求更為滿意的數(shù)值。

數(shù)字PID控制器參數(shù)整定C、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法擴(kuò)充響應(yīng)曲線法是將模擬控制器響應(yīng)曲線法推廣用來求數(shù)字PID控制器參數(shù)，具體步驟如下：（1）斷開數(shù)字控制器，通過手動給被控對象一個階躍輸入信號。（2）用儀表記錄下被控參數(shù)在此階躍輸入作用下的變化過程曲線，即對象的階躍響應(yīng)曲線。（3）在對象的響應(yīng)曲線上，過拐點(diǎn)P作切線，求出等效純滯后時間τ和等效時間常數(shù)Tm，并算出它們的比值Tm/

τ。（4）選擇控制度。（5）根據(jù)所求得的τ、Tm和Tm/τ的值，查擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定計(jì)算公式表，即可求得PID控制器的各參數(shù)。（6）投入運(yùn)行，觀察控制效果，適當(dāng)修正參數(shù)，直到滿意為止。

數(shù)字PID控制器參數(shù)整定利用計(jì)算機(jī)控制的靈活性，人們提出了各種各樣的用以提高控制質(zhì)量的PID改進(jìn)算法，這些是模擬PID無法相比的。數(shù)字PID除了實(shí)現(xiàn)PID基本算法外，還可以根據(jù)調(diào)節(jié)中出現(xiàn)的問題，用程序的手段進(jìn)行修正。根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際要求進(jìn)行某些改進(jìn)以改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，它不需要增加硬件設(shè)備，僅對基本算法進(jìn)行某種改進(jìn)，就能達(dá)到改善控制的目的，因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中改進(jìn)算法應(yīng)用十分廣泛。幾種PID改進(jìn)算法積分分離PID算法不完全微分PID算法微分先行PID算法帶有死區(qū)的PID算法數(shù)字PID控制器算法的改進(jìn)第六章微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)DDC系統(tǒng)設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)練習(xí)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的功能

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)舉例

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件及軟件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要對大量的過程參數(shù)進(jìn)行觀測、記錄與分析。這就要求對過程參數(shù)進(jìn)行檢測，然后根據(jù)獲得的結(jié)果作出相應(yīng)的處理，以便于人們對系統(tǒng)運(yùn)行情況的了解或決策。這就是所謂的數(shù)據(jù)采集與處理，所構(gòu)成的系統(tǒng)也就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。數(shù)據(jù)采集與處理是每個微機(jī)控制系統(tǒng)都應(yīng)具備的基本功能。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要需考慮以下幾個問題：1）采集的模擬量通道數(shù)：它決定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)不同的要求來選擇。2）分辨率和精度：它決定了對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心——A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)要求。

3）采樣周期

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般應(yīng)具有以下幾個方面的功能：

1）能完成數(shù)據(jù)采集：對多個輸入通道輸入的生產(chǎn)現(xiàn)場信息，能夠按順序逐個檢測（巡回檢測），或按指定對某一個通道進(jìn)行檢測（選擇檢測）。2）能夠?qū)λ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行檢查和處理。例如有效性檢查、越限檢查、數(shù)字濾波、線性化、數(shù)字量與工程量轉(zhuǎn)換等。

3）當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過上限值或下限值時，系統(tǒng)能夠產(chǎn)生聲光報(bào)警，提示操作者處理。

4）系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，可隨時接受由鍵盤輸入的命令，以達(dá)到隨時顯示、打印的目的。

5）在系統(tǒng)內(nèi)部能存儲采集數(shù)據(jù)。

6）具有實(shí)時時鐘，它除了能保證系統(tǒng)定時中斷、確定采集數(shù)據(jù)的周期外，還能為采集數(shù)據(jù)的顯示、打印提供當(dāng)前的時間和日期的時間值，作為操作人員對采集結(jié)果分析的時間參考。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件及軟件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)前面已介紹,見圖6.1程序結(jié)構(gòu)取決于采樣周期的控制方式。CPU執(zhí)行其程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)采集與處理過程的控制。1）利用軟件延時控制采樣周期：通過插入NOP指令或調(diào)用延時程序，系統(tǒng)可不具備時鐘。

見圖6.22）利用硬件定時器控制采樣周期：系統(tǒng)應(yīng)具備時鐘。見圖6.3數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)舉例這里給出一種基于8031單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：擴(kuò)展了2K片外RAM，片外ROM擴(kuò)展未畫，擴(kuò)展了接口373用于輸出通道選擇信號（通道地址），擴(kuò)展了ADC0809用于轉(zhuǎn)換并輸入模擬信號，擴(kuò)展了接口8279用于輸出顯示數(shù)據(jù)及輸入鍵盤數(shù)據(jù)。主機(jī)部分原理圖如圖6.4。通道選擇部分原理圖如圖6.5?？刂瞥绦蛞罁?jù)數(shù)據(jù)輸入采用查詢或中斷方式，采樣周期的控制方式編制，可以有多種方案。

DDC系統(tǒng)設(shè)計(jì)DDC系統(tǒng)概述

總體方案設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)控制算法選擇設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)DDC系統(tǒng)概述該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)得出的控制量直接用于調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的被控參數(shù)，一般為在線實(shí)時閉環(huán)控制系統(tǒng)，是工業(yè)生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中用得最廣泛的一種形式。無論控制對象如何多樣化，復(fù)雜化，微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括總體方案設(shè)計(jì)、控制算法設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。

總體方案設(shè)計(jì)確定控制任務(wù)：熟悉生產(chǎn)工藝流程，了解系統(tǒng)控制要求，明確系統(tǒng)任務(wù)與功能指標(biāo)?？紤]系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。確定需檢測的過程參量個數(shù)、需采用的檢測元件及檢測精度，確定輸出機(jī)構(gòu)方式、控制回路數(shù)。確定微機(jī)應(yīng)承擔(dān)的任務(wù)及應(yīng)具備的功能，并據(jù)此選擇微機(jī)。確定需設(shè)計(jì)哪些輸入輸出通道和配置什么外圍設(shè)備及操作臺功能。在此基礎(chǔ)上，畫出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，并以此作為進(jìn)一步具體設(shè)計(jì)的依據(jù)?？刂扑惴ㄟx擇設(shè)計(jì)當(dāng)控制系統(tǒng)的總體方案及微機(jī)機(jī)型確定之后，應(yīng)根據(jù)具體的對象，控制性能指標(biāo)要求、所選微機(jī)對數(shù)據(jù)的處理能力選擇設(shè)計(jì)控制算法。PID控制：不必求出控制對象的數(shù)學(xué)模型?？刂平Y(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易整定。直接數(shù)字控制：需先確定控制對象的數(shù)學(xué)模型，再將其進(jìn)行離散，之后計(jì)算機(jī)據(jù)此進(jìn)行控制。針對性強(qiáng)，調(diào)節(jié)品質(zhì)更好。其它高級控制：針對復(fù)雜的工業(yè)過程控制，它依賴高性能的微型機(jī)。硬件設(shè)計(jì)總體方案確定之后，硬件組成及各部分功能就基本確定。將硬件系統(tǒng)劃分成一些功能相對獨(dú)立的功能模塊，按照各自所需完成的任務(wù)，設(shè)計(jì)出合理線路。設(shè)計(jì)步驟：估計(jì)數(shù)據(jù)量，配置RAM。估計(jì)應(yīng)用程序大小，配置ROM。設(shè)計(jì)合理的人機(jī)接口。進(jìn)行必要的硬件功能擴(kuò)展。設(shè)計(jì)出完整的線路原理圖。設(shè)計(jì)印制電路板圖。程序設(shè)計(jì)一般設(shè)計(jì)步驟：問題定義：明確軟件所要完成的任務(wù)，確定具體實(shí)施方法。程序設(shè)計(jì)：先用程序流程圖（粗框圖）對任務(wù)做出描述，再用詳細(xì)的程序流程圖（細(xì)框圖）對它進(jìn)行擴(kuò)充和具體化，最后再編制程序。

提倡采用模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。

一般軟件結(jié)構(gòu)為：一個主程序和若干個中斷服務(wù)子程序構(gòu)成，每個程序又可包含若干個子程序。匯編、調(diào)試、改進(jìn)、再設(shè)計(jì)。圖1.1.電熱恒溫箱控制系統(tǒng)圖1.2.自動控制系統(tǒng)與微機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖偏差給定值調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象測量裝置反饋值控制量操作量被控量微機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象測量裝置操作量被控量控制量給定值反饋值D/AA/D圖1.3.電熱恒溫箱微機(jī)控制系統(tǒng)圖1.4.溫度信號輸入通道圖1.5.控制信號輸出通道圖1.6.微機(jī)控制系統(tǒng)組成被控對象傳感器傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口接口接口接口模入開入開出模出CPU接口接口接口ROMRAM軟件外部設(shè)備運(yùn)行操作臺網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備主機(jī)總線······························圖1.7.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口接口顯示打印報(bào)警人傳感器模入開入控制儀表被控對象微機(jī)圖1.8.直接數(shù)字控制系統(tǒng)傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入通道輸出通道操作臺

顯示、打印被

控

對象微機(jī)給定值圖1.9.監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)檢測模擬/數(shù)字控制器被控對象SCC

微機(jī)給定值

控制量數(shù)學(xué)模型······圖1.10.分布式控制系統(tǒng)生產(chǎn)管理控制管理DDCDDCDDCDDC······························圖2.1.統(tǒng)一編址方式譯碼譯碼A0～A14A15A0～A14A15CBDBABWRRDRDWR至I/O口至

內(nèi)存1×······×32K0×······×32K······圖2.2.獨(dú)立編址方式譯碼譯碼A0～A7A0～A15CBDBABWRRDRDWR至I/O

口至

內(nèi)存······IO/MIO/M圖2.3.程序查詢方式查詢設(shè)備1接口1內(nèi)存CPU接口n設(shè)備nYN設(shè)備n服務(wù)設(shè)備1就緒？設(shè)備2就緒？設(shè)備n就緒？設(shè)備2服務(wù)設(shè)備1服務(wù)NYNY圖2.4.中斷方式設(shè)備1接口1內(nèi)存CPU接口n設(shè)備nINT斷點(diǎn)主程序中斷服務(wù)程序中斷申請主程序圖2.5.DMA方式設(shè)備1內(nèi)存CPU接口1接口n設(shè)備nDMA控制器BUS請求BUS響應(yīng)DMA響應(yīng)DMA請求圖2.6.一種譯碼電路方案A0A1A2E1E2E3A0A1A2E1E2E3A0A1A2E1E2E3O0O718205#O0O7O0O72#3#··················A0A1A2A3A4IO/M············圖2.7.一種非可編程接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)方案

A0A1A2A3A4A5A6A7+A0A1A2E2E3O0O7A0A1A2E1E2E3O0O71G2G2441#1A1~1A42A1~2A41Y1~1Y42Y1~2Y41G2G2448#+++·········+······3771#CLK1D~8D1Q~8Q···3778#CLKA0A1A2IO/MRDWRCBDBAB82058205GGE1圖2.8.8255A外部引腳圖8255AA0A1RDWRCSRESETD0~D7PA0~PA7PC4~PC7PC0~PC3PB0~PB7至外設(shè)

或通道VCCGND

至CPU

總

線圖2.9.8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)總線

緩沖器

A組

控制控制口

B組

控制A口C口上C口下B口D0~D7WRRDA0A1RESETCS讀寫控制邏輯DBPA0~PA7PC4~PC7PC0~PC3PB0~PB7圖2.10.“控制字”的定義D0D7D6D5D4D3D2D1標(biāo)志為“1”方式選擇00：方式001：方式110：方式2方式選擇0：方式01：方式1

A口1：輸入0：輸出A組選擇B組選擇

C口上1：輸入0：輸出

B口1：輸入0：輸出

C口下1：輸入0：輸出“方式選擇控制字”D0D7D6D5D4D3D2D1標(biāo)志為“0”1：置位0：清零位選擇000：PC0::111：PC7“位設(shè)置控制字”圖2.11.方式1輸入時的信號及時序圖PAPC4PC5PC3PC6PC7PC1PC2PC0PBD0~D7STBAIBFAINTRAIBFBSTBBINTRBD0~D7RDD0~D7選通信號輸入緩沖器滿信號中斷申請信號讀信號STBIBFINTRRD圖2.12.方式1輸出時的信號及時序圖PAPC7PC6PC3PC5PC4PC1PC2PC0PBD0~D7OBFAACKAINTRAOBFBACKBINTRBD0~D7WRD0~D7寫信號輸出緩沖器滿信號中斷申請信號外設(shè)應(yīng)答(響應(yīng))信號WROBFINTRACK圖2.13.方式2的信號PAPC3PC7PC6PC4PC5PC3~PC0PBOBFINTRAIBFRDD0~D7WRACKSTB出入·圖2.14.擴(kuò)展8255A接口電路A11CS8A0A1A2E1E2E3O0O78205A0D0~D7WRPAPBPC#A0A1D0~D7RDWRPAPBPC#CSA2A3A4A5A6A7RDWRA1A0CBDBAB············RD圖2.15.8255A方式0應(yīng)用PC6PC2PAPC5PC1PBPC0PC4DSTB

字符

打印機(jī)紙帶

穿孔機(jī)

紙帶

讀入機(jī)BUSYSTREYRDYDRWRRDD0~D7DSTB：數(shù)據(jù)選通信號BUSY：忙信號ST：啟動信號REY：就緒信號RDY：就緒信號DR：啟動信號圖2.16.8255A方式1應(yīng)用PAPC7PC4PC5PC3PBA/D開始忙單穩(wěn)采樣

保持器

S/H模入模擬信號STBAIBFAINTRAD/A模出圖2.17.多組數(shù)據(jù)輸入輸出

A0A1A2A3A4A5A6A7+A0A1A2E2E3O0O7A0A1A2E1E2E3O0O71G2G2441#1A1~1A42A1~2A41Y1~1Y42Y1~2Y41G2G2448#+++·········+······3771#CLK1D~8D1Q~8Q···3778#CLKA0A1A2A3IO/MIO/MRDWRCBDBAB82058205GGE1圖3.1.模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)多

路

開

關(guān)隔離

放大采樣

保持A/D接口控制··················過

程

參

數(shù)

檢測

信號處理

檢測

信號處理隔離

放大采樣

保持A/D接口過

程

參

數(shù)

檢測

信號處理

檢測

信號處理隔離

放大采樣

保持A/D接口圖3.2.多路開關(guān)ADG658/659譯碼······S1S8········D····A0A1A2ENADG658······S1AS4A········DA······S1BS4B········DB譯碼···A0A1ENADG659圖3.3.多路開關(guān)群S1S8DADG6581#ENA0A1A2S1S8DADG6582#ENA0A1A2A0A1A2A3圖3.4.a.改變放大倍數(shù)原理A1+_A2_+A3_+RRR2R1R2RRVi1Vi2V0A1+_A2_+A3_+RRR2R2RRVi1Vi2V0AG658·····R11R10R17A0A1A2圖3.4.b.改變放大倍數(shù)原理A+_R2R1ViV0A+_R1ViAG658······R21R20R27A0A1A2V0圖3.5.采樣保持器原理A1+A2+KV0Vi控制CH控制信號為“1”時K閉合，采樣?？刂菩盘枮椤?”時K打開，保持。圖3.6.LM198與SMP04A1_+··A2_+A3+KR1····_··V_V+1245·補(bǔ)償輸出R2CH387輸入邏輯控制邏輯參考電位6保持電容······VSSVi1S/H1Vi4S/H4V01V04······圖3.7.開入通道結(jié)構(gòu)輸入電路輸入電路接口圖3.8.模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)接口隔離功率驅(qū)動D/A執(zhí)行······BUS接

口隔離D/A多

路

開

關(guān)采樣/保持功率驅(qū)動執(zhí)行······BUS圖3.9.開出通道結(jié)構(gòu)接口隔離功率驅(qū)動執(zhí)行BUS圖3.10.中功率驅(qū)動電路及MC1413J··········J~220VDR2VR1+5V+24V27K5K3KT1····T2OBDAL···DB+VCCAOMC1413圖3.11.大功率驅(qū)動電路之一LR1R2R3C····~220VVCC圖3.12.大功率驅(qū)動電路之二T2T1DR2R1R34321R2觸發(fā)電路R1C4321L+VC4321TR1R2ACSSR圖3.13.D/A轉(zhuǎn)換原理圖············A_+········+VRV0D0D1Dn-2Dn-1K0K1Kn-2Kn-12Rn2Rn-12R22R1i0i1in-2in-1IAI0∑Rf圖3.14.DAC0830系列內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖

輸入

寄存器

DAC

寄存器

D/A

轉(zhuǎn)換器++D0VrefIOUT2IOUT1RfbAGNDVCCDGNDD7ILECSWR1WR2XFER··················LE1LE2圖3.15.DAC0832的輸出方式IOUT2RfbIOUT1Vref··+_+_+5V2R2RBVOUT2RI2II1AVOUT1Rf0832圖3.16.D/A單極與雙極性性輸出255128-5V-2.5V+2.5V+5V0DVOUT1Vref=-5VVref=+5V+5D2551280VOUT2Vref=-5VVref=+5V最高位為0最高位為1-5圖3.17.0832的單緩沖方式接口電路D0~D7CSXFERWR1WR2ILEVCCDGNDP0P2.7WR80310832+5V·圖3.18.0832的雙緩沖方式接口電路P0P2.7P2.6P2.5WRD0~D7XFERCSWR1WR2ILE08322#ILED0~D7XFERCSWR1WR208321#+5V8031·····圖3.19.內(nèi)部無鎖存器的D/A與CPU接口P0P2.7WR+DCLK377QD0~D7DAC08008051圖3.20.10位D/A與CPU接口P2.6P0P2.7WRCLKD377Q1#CLKD377Q2#CLKD377Q3#D8~D9D0~D7AD75208882228051··++圖3.21.DAC1210內(nèi)部結(jié)構(gòu)8位輸入

寄存器4位輸入

寄存器12位

DAC

寄存器12位

DAC

轉(zhuǎn)換器++DI4~DI11DI0~DI3B1/B2CSWR1XFERWR2VrefIOUT2IOUT1RfbVCCAGNDDGNDLE1LE2LE384圖3.22.DAC1210與CPU的接口P0.4~P0.7P0.0~P0.3P2.5P2.6P2.7WRDI8~DI11DI4~DI7DI0~DI3B1/B2CSXFERWR1WR2DAC1210803144圖3.23.AD667內(nèi)部結(jié)構(gòu)4BIT4BIT4BIT12位DAC寄存器12位D/A轉(zhuǎn)換器++++CSA2A1A0A3DI11~DI8DI7~DI4DI3~DI0····模出圖3.24.AD667與CPU的接口P0.3~P0.0P0.7~P0.4P2.7P2.1P2.0DI11~DI8DI7~DI4DI3~DI0CSAD6678031A2A3A0A1···圖3.25.逐次逼近式轉(zhuǎn)換原理+D/A轉(zhuǎn)換器逐次逼近式寄存器SAR置數(shù)選擇邏輯_啟動結(jié)束時鐘數(shù)字量輸出Vi比較器Vref········圖3.26.雙斜率積分式轉(zhuǎn)換原理··_+KR_+控制邏輯計(jì)數(shù)器結(jié)束開始時鐘輸出CV0零比較器積分器ViVref·t0tVOVo2Vo10t1TT1T2Vi1Vi2圖3.27.ADC0808/0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)8

路

開

關(guān)地址

鎖存

譯碼D/A控制邏輯SAR三態(tài)輸出

鎖存器IN0IN7ADDAADDBADDCALEVref（+)（）_VrefSTARTCLKEOCD0~D7OE······比較圖3.28.ADC0809與CPU的接口P0P2.0P2.1P2.2WRP2.7RDINT0P1.08031D0~D7ADDAADDBADDCALESTARTOEEOC0809···++RfbVi+_RfD0~D7CSXFERWR1WR2ILEIOUT2P0P2.7WR80310832+5VP1.0+_IOUT1Vf比較圖3.29.程序?qū)崿F(xiàn)逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換圖3.30.AD1674主要引腳功能控制信號真值表INDB0～DB11A0STSCECS12/8R/C圖3.31.AD1674與CPU接口之一·DB8～

DB11DB4～DB7DB0～DB3A0R/CCSCESTSAD167412/8P0.4～P0.7P0.0～

P0.3P2.5P2.6P2.7WRRDP1.08031圖3.32.AD1674與CPU接口之二PA0

~

PA3PBPC7PC2PC1PC0DB8~

DB11DB0

~

DB7STSCECSR/CAD1674A0~A112/8A0+5VD0~D7CS鎖

存8255P0P2譯碼···8031RDRDWRWR圖3.33.過程通道舉例D·74LS123STINOUTS/HCPQCLR·LM198PA0~PA7主

機(jī)PC7PC4(STBA)PB7PB6PB5PB4PB3PB2PB1PB0IN0EOCALEAQ+5VADC0809·A2O0O1O7E2E1A1A08205E3············8······#DA2A1A05663ADG658EN2······#DA2A1A0815ADG658EN1······#DA2A1A007ADG658ENS1S8S1S1S8S8圖3.34.5G14433與CPU接口VxQ0～Q3DS1～DS4EOCDU5G14433P1.0～P1.3P1.4～P1.78031INT0圖3.35.ADC0838與CPU接口

CH0DODICLKADC0838P1.0P1.18031P1.2P1.3CSCH7SE圖4.1.自動剪板機(jī)動作