《機(jī)電一體化技術(shù)》課件-第六章 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

第6章計(jì)算機(jī)控制技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)6.1概述6.1概述21、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)給定計(jì)算機(jī)輸出電路D/A轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象輸出+輸入電路A/D轉(zhuǎn)換反饋測(cè)量-6.1概述3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可分為三個(gè)步驟（1）實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。該步對(duì)系統(tǒng)輸出（被控對(duì)象）的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理（2）實(shí)時(shí)決策。該步對(duì)實(shí)時(shí)給定的值與被控參數(shù)的數(shù)據(jù)按已定的控制規(guī)律，進(jìn)行運(yùn)算和推理，決定控制過程（3）實(shí)時(shí)控制。該步根據(jù)決策實(shí)時(shí)地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)上述過程中，信號(hào)的輸入、運(yùn)算和輸出都在一定的時(shí)間（采樣間隙）內(nèi)完成。通過不斷地執(zhí)行上述過程，使整個(gè)系統(tǒng)能按照一定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)工作。42、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成6.1概述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件硬件運(yùn)算器控制器儲(chǔ)存器輸入設(shè)備外部組成設(shè)備輸出設(shè)備5（1）硬件組成1）主機(jī)2）輸入/輸出通道（接口）3）外圍設(shè)備4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成6.1概述串行通信操作臺(tái)（鍵盤）（顯示器）打印機(jī)計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出傳感器及變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)受控對(duì)象硬件由計(jì)算機(jī)主機(jī)、接口及外部設(shè)備組成，受控對(duì)象的被測(cè)參數(shù)經(jīng)過傳感器、變換器換成同意的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)接口送入計(jì)算機(jī)。6（1）軟件組成1）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指用來管理計(jì)算機(jī)本身的資源和便于用戶使用計(jì)算機(jī)的軟件。2）應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的具體控制問題二編制的控制和管理程序，如數(shù)據(jù)采集和濾波程序、控制程序、人機(jī)接口程序，打印顯示程序等。其中，控制程序是應(yīng)用軟件程序的核心。2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成6.1概述軟件是指用于完成操作、監(jiān)控、控制、管理、計(jì)算和自我診斷等各個(gè)功能的程序的總稱。一般將計(jì)算機(jī)控制軟件分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件兩大類。6.1概述7（1）接口功能的完備及可擴(kuò)展性3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求為滿足不同信號(hào)形式，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)配置不同的輸入輸出接口電路。（2）實(shí)時(shí)控制功能和高精度計(jì)算機(jī)應(yīng)具備完整的中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘及高速數(shù)據(jù)通道。（3）較強(qiáng)可靠性、適應(yīng)性和抗干擾能力計(jì)算機(jī)必須具有非常高的可靠性和電磁兼容性，此外控制計(jì)算機(jī)還應(yīng)對(duì)惡劣作業(yè)環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。6.1概述8（1）按控制裝置分類4、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類比較項(xiàng)目系統(tǒng)類型單片機(jī)控制系統(tǒng)基于PC的控制系統(tǒng)基于PLC的控制系統(tǒng)普通PC系統(tǒng)工業(yè)PC系統(tǒng)中小型PLC系統(tǒng)大型PLC系統(tǒng)系統(tǒng)組成自行開發(fā)按要求配置各個(gè)功能接口板卡整機(jī)已系統(tǒng)化，外設(shè)需另行設(shè)置按要求選擇主機(jī)和擴(kuò)展單元系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單的處理功能和控制功能數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大具備完整的控制功能邏輯控制為主復(fù)雜多點(diǎn)控制程序語(yǔ)言匯編語(yǔ)言為主，也可使用高級(jí)語(yǔ)言匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言為主梯形圖支持多種高級(jí)語(yǔ)言人機(jī)界面較差好很好一般好執(zhí)行速度快很快很快一般很快抗干擾能力較差一般好很好很好環(huán)境適應(yīng)性較差差一般很好很好應(yīng)用場(chǎng)合智能儀表/簡(jiǎn)單控制實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的信號(hào)采集和控制較大規(guī)模工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制一般規(guī)模工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制大規(guī)模工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制開發(fā)周期較長(zhǎng)一般一般短短成本低較高高中很高6.1概述9（2）按控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用方式分類1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(DPS)計(jì)算機(jī)操作指導(dǎo)參數(shù)數(shù)據(jù)測(cè)量值人調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器多路開關(guān)傳感器生產(chǎn)過程6.1概述102）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC)計(jì)算機(jī)顯示打印執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器控制臺(tái)傳感器生產(chǎn)過程D/A轉(zhuǎn)換器報(bào)警測(cè)量值控制量6.1概述113）監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC)計(jì)算機(jī)模擬調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器多路開關(guān)測(cè)量元件受控對(duì)象多路D/A轉(zhuǎn)換器6.1概述124）分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(DCS)裝置控制級(jí)裝置控制級(jí)受控對(duì)象企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)工廠生產(chǎn)管理級(jí)車間控制管理級(jí)車間控制管理級(jí)…6.2MCS-51系列單片機(jī)13單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型：普林斯頓結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)1、MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS-51系列單片機(jī)按存儲(chǔ)器配置形式可分為三種類型：①無ROM型：片內(nèi)沒有配置程序存儲(chǔ)器，需外接EPROM②ROM型：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為ROM③EPROM型：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為EPROM6.2MCS-51系列單片機(jī)141、MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS-51系列單片機(jī)包括中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、64位總線擴(kuò)展控制接口、可編程I/O接口、可編程全雙工串行接口和中斷系統(tǒng)8051CPU程序存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷系統(tǒng)可編程I/O接口可編程全雙工串行接口64位總線擴(kuò)展控制接口P0P1P2P3T0T1外部時(shí)鐘源TXDRXDINT0INT16.2MCS-51系列單片機(jī)152、MCS-51單片機(jī)引腳名稱及功能（1）電源及時(shí)鐘電路引腳VCC（40腳）：電源引腳GND(20腳)：接地引腳XYAL1（19腳）：時(shí)鐘信號(hào)輸入腳XTAL2（18腳）：時(shí)鐘信號(hào)輸出腳（2）輸入/輸出引腳MCS-51有4組8位I/O口：P0\P1\P2\P3引腳P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7第二功能串行輸入口（RXD）串行輸出口（TXD）外部中斷0（INT0)外部中斷1（INT1)定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部輸入口（T0）定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部輸入口（T1）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通（WR）外部存儲(chǔ)器讀選通(RD)6.2MCS-51系列單片機(jī)16

6.2MCS-51系列單片機(jī)173、MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)物理上設(shè)有4個(gè)存儲(chǔ)器空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器片外程序存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于片內(nèi)、片外程序存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一尋址方式，故實(shí)際上有3個(gè)邏輯空間：

片內(nèi)、片外統(tǒng)一尋址的64KB程序存儲(chǔ)器地址空間

片內(nèi)256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間

片外64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間6.2MCS-51系列單片機(jī)183、MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

000H0003H000BH0013H001BH0023H002BH復(fù)位后PC初始地址外部中斷0的入口地址定時(shí)器0溢出中斷入口地址外部中斷1的入口地址定時(shí)器1溢出中斷入口地址串行口中斷入口地址定時(shí)器2溢出中斷入口地址（8052）特有6.2MCS-51系列單片機(jī)193、MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用于存放運(yùn)算中間結(jié)果、數(shù)據(jù)緩沖、標(biāo)志位及待調(diào)試的程序。分為片內(nèi)256B的RAM和片外最大可擴(kuò)充64KB的RAM兩部分。1）00H-7FH單元：低128B的片區(qū)RAM區(qū)。00H-1FH共32個(gè)單元通常作為工作寄存區(qū)，共分4個(gè)組，每組由8個(gè)單元組成通用寄存器（R0-R7）。特殊功能寄存器SFR數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可位尋地址區(qū)3區(qū)(R0-R7)2區(qū)(R0-R7)1區(qū)(R0-R7)0區(qū)(R0-R7)字節(jié)尋址/位只可字節(jié)尋址全部可位尋址4組通用寄存器R0-R7，其中R0、R1可位尋址00H-1FH

6.2MCS-51系列單片機(jī)202）高128B的RAM：特殊功能寄存器。符號(hào)地址含義Acc0E0H累加器B0F0H寄存器BPSW0D0H程序狀態(tài)寄存器SP81H堆棧指針DPTR82H,83H數(shù)據(jù)指針寄存器，16位，分為高8位（DPH）和低8位（DPL)IE0A8H中斷允許控制寄存器IP0B8H中斷優(yōu)先級(jí)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電源控制與波特率選擇寄存器SCON98H串口通信控制寄存器SBUF99H串口數(shù)據(jù)緩沖寄存器TCON88H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器TMOD89H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式控制寄存器TL08AH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0低8位TH08CH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0高8位TL18BH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1低8位TH18DH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1高8位6.2MCS-51系列單片機(jī)214、MCS-51單片機(jī)編程基礎(chǔ)（1）程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言MCS-51系列單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言主要有3種：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言（C51）

機(jī)器語(yǔ)言：完全面向機(jī)器并能被單片機(jī)直接識(shí)別和執(zhí)行的語(yǔ)言。

匯編語(yǔ)言：一種符號(hào)化語(yǔ)言，采用英文字符替代二進(jìn)制代碼，本質(zhì)同機(jī)器語(yǔ)言一樣，也是面向機(jī)器，必須翻譯成二進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言后才能送給機(jī)器執(zhí)行。

高級(jí)語(yǔ)言：以C語(yǔ)言為例，它易于讀寫和掌握，針對(duì)性較強(qiáng)，表達(dá)方式靈活，編寫程序方便快捷，移植性好，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。和匯編語(yǔ)言一樣，必須翻譯成二進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言后才能送給機(jī)器執(zhí)行6.2MCS-51系列單片機(jī)221）C51語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)上分為：順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)

①順序結(jié)構(gòu)

例：將片內(nèi)RAM的30H單元存放一個(gè)0-9之間的數(shù)，用查表法獲得該數(shù)的平方值并放入31H單元中voidmain(){chardatax,*p;charcodetab[10]={0,1,4,9,16,25,36,49,64,81};//平方數(shù)存放在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器p=0x30;//指向片內(nèi)RAM30H單元x=tab[*p];//訪問數(shù)據(jù)p++;//指向31H單元*p=x;//保存在31H單元}（2）MCS-51高級(jí)語(yǔ)言程序編寫基礎(chǔ)

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②循環(huán)結(jié)構(gòu)

例：將片內(nèi)30H-39H單元單元的數(shù)據(jù)傳送到片外的1000H-1009H單元中#include<absacc.h>//存儲(chǔ)器訪問#definea0x30//片內(nèi)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];//數(shù)據(jù)傳送}（2）MCS-51高級(jí)語(yǔ)言程序編寫基礎(chǔ)

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③分支結(jié)構(gòu)

if語(yǔ)句：若條件表達(dá)式為真（非0值），就執(zhí)行后面相應(yīng)的語(yǔ)句；反之若條件表達(dá)式為假（0值），就不執(zhí)行后面的語(yǔ)句

switch語(yǔ)句：switch(){case常量表達(dá)式1：語(yǔ)句1break；case常量表達(dá)式2：語(yǔ)句2

break；default；}（2）MCS-51高級(jí)語(yǔ)言程序編寫基礎(chǔ)

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2）C51語(yǔ)言中常用的庫(kù)函數(shù)C51編輯器擁有相當(dāng)豐富的庫(kù)函數(shù)，可簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)工作。C51庫(kù)函數(shù)又分為本征庫(kù)函數(shù)和非本征庫(kù)函數(shù)。調(diào)用本征庫(kù)函數(shù)：#include<intrins.h>（2）MCS-51高級(jí)語(yǔ)言程序編寫基礎(chǔ)

函數(shù)名稱及定義函數(shù)功能說明Externunsignedchar_crol_(unsignedcharval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)左移n位Externunsignedint_irol_(unsignedintval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)左移n位Externunsignedlong_lrol_(unsignedlongval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)左移n位Externunsignedchar_crol_(unsignedcharval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)右移n位Externunsignedint_iror_(unsignedintval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)右移n位Externunsignedlong_lror_(unsignedlongval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)右移n位Externunsignedchar_chkfloat_(floatual)測(cè)試并返回float的狀態(tài)Externbit_testbit_(bitbitval)測(cè)試該位變量并跳轉(zhuǎn)同時(shí)清除Externvoid_nop_(void)相當(dāng)于插入?yún)R編指令nop26一、PLC的硬件組成6.3可編程邏輯控制器PLC

PLC基本結(jié)構(gòu)示意圖中央處理器運(yùn)算器控制器輸出單元輸入單元電源存儲(chǔ)器系統(tǒng)程序用戶程序外設(shè)接口IO擴(kuò)展接口27一、PLC的硬件組成1.中央處理器

中央處理器（CPU）是PLC的核心部件，由微處理器和控制接口電口組成，目前PLC使用的CPU主要分為以下幾種：（1）通用微處理器：8080、8086等，特點(diǎn)是價(jià)格便宜，通用性強(qiáng)（2）單片機(jī)：8051、68HC系列，特點(diǎn)是集成度高，體積小，可擴(kuò)充性好，適用于小型機(jī)（3）位片式微處理器，例如AMD2900系列等，其特點(diǎn)是可以使用多個(gè)微處理器，將任務(wù)劃分為多個(gè)平行處理的部分，多個(gè)微處理器同時(shí)處理，適用于高速運(yùn)算的PLC6.3可編程邏輯控制器PLC

28一、PLC的硬件組成2.存儲(chǔ)器PLC的存儲(chǔ)器分為只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)兩種，主要用于存放程序、變量和各種參數(shù)。PLC的操作系統(tǒng)程序、用戶解釋程序、系統(tǒng)診斷程序、管理程序、鍵盤輸入處理程序等一般均固化在ROM中。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通常采用RAM,存儲(chǔ)PLC在工作過程中經(jīng)常變化的數(shù)據(jù)，包括輸入/輸出數(shù)據(jù)、邏輯部件數(shù)據(jù)、中間變量等。6.3可編程邏輯控制器PLC

29一、PLC的硬件組成3.輸入/輸出單元輸入/輸出單元是PLC與工業(yè)設(shè)備信號(hào)連接的重要接口，是完成電平轉(zhuǎn)換的橋梁。PLC通過輸入單元獲取被控設(shè)備的各種參數(shù)，將各種各樣的信息電平轉(zhuǎn)換成PLC所能處理的標(biāo)準(zhǔn)電平，程序執(zhí)行結(jié)果通過輸出單元送給被控設(shè)備，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輸入/輸出單元根據(jù)端子組織形式可分為匯點(diǎn)式、分組式和分隔式。匯點(diǎn)式輸入/輸出端子有一個(gè)公共端子COM。分組式輸入單元的輸入端子分為若干組，每組共用一個(gè)公共端子和一個(gè)電源。分隔式輸入單元的輸入端子相互隔離，各自使用獨(dú)立電源。6.3可編程邏輯控制器PLC

30一、PLC的硬件組成4.輸入/輸出（I/O）擴(kuò)展單元當(dāng)輸入/輸出接口數(shù)量不能滿足控制要求時(shí)，整體式PLC可以通過輸入/輸出擴(kuò)展接口獲得一定數(shù)量的輸入/輸出接口，模塊組合式則可通過總線連接擴(kuò)展輸入/輸出接口。此外，也可通過輸入/輸出接口對(duì)PLC功能進(jìn)行拓展，例如模擬量輸入/輸出單元、溫度模塊、高速計(jì)數(shù)模塊等。6.3可編程邏輯控制器PLC

31一、PLC的硬件組成5.電源

PLC的電源用于將外部交流電源轉(zhuǎn)換成供CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路等使用時(shí)直流電源，以保證PLC正常工作。其電源包括系統(tǒng)的電源和后備電源，通常為交流220V或直流24V輸入，通過PLC電源單元，轉(zhuǎn)換成PLC所需的不同等級(jí)的直流電源。對(duì)于箱體式PLC，電源一般封裝在基本單元的機(jī)殼內(nèi)部；對(duì)于模塊式PLC,則采用獨(dú)立的電源模塊。此外，還可以使用鋰電池作為備用電源，以保證外部供電中斷時(shí)PLC內(nèi)部信息致丟失。6.3可編程邏輯控制器PLC

32二、PLC的工作方式、特點(diǎn)及性能指標(biāo)1.工作方式

PLC采用周期性循環(huán)掃描的工作方式，PLC工作過程主要包括CPU自檢、通信處理、讀取輸入、執(zhí)行程序和輸出刷新。PLC采取掃描工作方式就是按照定義和設(shè)計(jì)、連續(xù)和重復(fù)地檢測(cè)系統(tǒng)輸入，求解目前的控制邏輯，以及修正系統(tǒng)輸出。根據(jù)不同的PLC產(chǎn)品，掃描時(shí)間般為10～100ms。此外，進(jìn)行I0服務(wù)的時(shí)間極短，而掃描周期的大部分時(shí)間的干擾都被擋在PLC之外，所以PLC掃描過程具有很強(qiáng)的抗干擾能力。6.3可編程邏輯控制器PLC

33二、PLC的工作方式、特點(diǎn)及性能指標(biāo)1.工作方式掃描工作方式的不同是PLC與微型計(jì)算機(jī)的基本區(qū)別，還有以下區(qū)別(1)微機(jī)與外部環(huán)境連接時(shí)，需要專門的接口電路板，而PLC帶有各種IO模塊可供直接使用，且輸入/輸出線可達(dá)數(shù)百條。(2)PLC具有多種診斷能力，模塊式結(jié)構(gòu)，易于維修。(3)PLC可采用梯形圖編程，編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單直觀，容易掌握。

6.3可編程邏輯控制器PLC

34二、PLC的工作方式、特點(diǎn)及性能指標(biāo)2.PLC的主要特點(diǎn)（1)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高（2)功能完善，通用性強(qiáng)（3)簡(jiǎn)單易學(xué)、易于編程（4)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試周期短、維修方便（5)體積小、能耗低6.3可編程邏輯控制器PLC

35二、PLC的工作方式、特點(diǎn)及性能指標(biāo)3.PLC的性能指標(biāo)（1）IO點(diǎn)數(shù)（2)存儲(chǔ)容量（3)掃描速度（4)