微機(jī)原理及應(yīng)用 第13章　微型計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用學(xué)習(xí)資料

PAGEPAGE5第14章微型計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用【教學(xué)目的】：介紹微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的意義,典型系統(tǒng)的組成，在控制系統(tǒng)的應(yīng)用，在稱重裝置中的應(yīng)用。【教學(xué)重點(diǎn)】：重點(diǎn)在系統(tǒng)分析和軟硬件的配置?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】：難點(diǎn)為軟硬件配置。本章將就微型計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方面舉些實(shí)例，說(shuō)明微型計(jì)算機(jī)在整系統(tǒng)中處于什么位置，起到什么作用，能在多大程度上代替人的腦力和體力勞動(dòng)，使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的程度和產(chǎn)品質(zhì)量得到什么樣的改善或提高。14.1微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的意義

這里所說(shuō)的“應(yīng)用”(application)將區(qū)別于“使用”(use)這樣的術(shù)語(yǔ)。所謂計(jì)算機(jī)的“使用”指的是在計(jì)算機(jī)本身帶有的軟硬件的支持下，按照說(shuō)明書進(jìn)行操作，以計(jì)算某些題目。而“應(yīng)用”的含義將更為廣泛，它除具有上述的“使用”的意義之外，還可以在用戶選配的外圍設(shè)備或器件(硬件)的支持下對(duì)機(jī)器、儀表、裝置以及整個(gè)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)控制。在用戶自編應(yīng)用程序的支持下，一方面既可以利用計(jì)算機(jī)來(lái)積累資料，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)以達(dá)到“自學(xué)”實(shí)踐中的規(guī)律，從而作為改進(jìn)今后控制方法的依據(jù)。另一方面，更可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，隨時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，隨時(shí)“指導(dǎo)”下一步的控制規(guī)律?？偠灾?，“使用”是對(duì)計(jì)算機(jī)本身的硬件毫無(wú)增減，在軟件上也是只在對(duì)計(jì)算機(jī)配備好的軟件略加增減。“應(yīng)用”則既可以是對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件作相當(dāng)大的增加(如檢測(cè)通道、執(zhí)行通道及相應(yīng)的接口)或者是在原有軟件(操作系統(tǒng)，監(jiān)控程序)的支持下設(shè)計(jì)出完全滿足用戶需要的應(yīng)用軟件。這就是，“應(yīng)用”必須是有硬件和/或軟件的增減，以滿足用戶的需要。微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用一般可分成3種類型：1.檢測(cè)控制型這種類型用于對(duì)控制對(duì)象作某些判斷然后再去控制其執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它不需要作復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的計(jì)算工作，但它必須有檢測(cè)控制對(duì)象的某些現(xiàn)象的傳感器件，并且還得將由此而得到的模擬量(連續(xù)的電壓或電流量)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量(變?yōu)榱炕拿}沖量)。稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/Dconvertor)。作為一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如果把計(jì)算機(jī)比作人的“頭腦”(電腦)的話，則傳感器就相當(dāng)于“耳目”，執(zhí)行機(jī)構(gòu)則為行動(dòng)的“手腳”。而A/D轉(zhuǎn)換器是起到使“耳目”和“頭腦”之間的匹配作用，或者說(shuō)，起到將現(xiàn)象翻譯成數(shù)字的作用，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)如果是開(kāi)關(guān)式的，則計(jì)算機(jī)只要輸出開(kāi)關(guān)量(如繼電器)即可。如執(zhí)行機(jī)構(gòu)是連續(xù)式的，則計(jì)算機(jī)要經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/Aconvertor)才能產(chǎn)生連續(xù)控制量(如電壓或電流量)。這里要指出的是：A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的必備的重要器件。其他的“手腳”和“耳目”之類的器件都是一般控制檢測(cè)裝置上通用的，只要作適當(dāng)?shù)倪x配，即可以使用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。2.數(shù)據(jù)處理型這是指輸入數(shù)據(jù)量比較多(數(shù)十，數(shù)百，甚至成千上萬(wàn)的數(shù)據(jù))，而且需要經(jīng)過(guò)一定規(guī)律進(jìn)行分類、排列(列表)、折算(如線性化)、換算(如求均值、方差等)，然后送入有關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行繁雜運(yùn)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種類型為了取得人機(jī)對(duì)話的方便，必須設(shè)有電視屏顯示器(或稱陰極射線管CRT)和完整的鍵盤輸入器(要有數(shù)字鍵及文字鍵)。為了便于多處使用而?？稍鲈O(shè)若干個(gè)帶有電傳打字機(jī)的終端機(jī)。這類系統(tǒng)，多為鍵盤輸入數(shù)據(jù)，而在顯示器上顯示結(jié)果，這就是所謂離線處理。如果數(shù)據(jù)直接由各個(gè)數(shù)據(jù)輸入端隨時(shí)輸入，然后機(jī)器連續(xù)運(yùn)算，并隨時(shí)或定時(shí)給出計(jì)算結(jié)果，則稱為在線處理。當(dāng)然后者在系統(tǒng)形成上要比前者復(fù)雜得多。3.混合型即以上二者的復(fù)合型式。一方面既有很多數(shù)據(jù)輸入，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，另一方面又要根據(jù)處理的結(jié)果去控制相應(yīng)的裝置，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)期目的。下面幾節(jié)將介紹幾個(gè)具體的例子，以使初學(xué)者有一個(gè)較完整的計(jì)算機(jī)應(yīng)用概貌。但是，我們不打算按上述三個(gè)類型分別舉例，因?yàn)檫@種分類法也不是典型的。況且，一個(gè)系統(tǒng)的存在是有其實(shí)際需要而存在的，有時(shí)不一定可以列入任何一類中去。14.2典型微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成以微型計(jì)算機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)，包括微處理器(CPU)，以及組成內(nèi)存的ROM和RAM，這是微型計(jì)算機(jī)的主要內(nèi)部設(shè)備；計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備，其中包括打印機(jī)(PR)、顯示屏(CRT)、鍵盤(KB)以及外存儲(chǔ)磁帶(CS)或軟盤硬盤。它們各自都得通過(guò)相應(yīng)的接口才能與計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線相連；以及被控制的對(duì)象，總稱為用戶。它們只有4種形式。(1)模擬量：如電流、電壓，它們來(lái)自某些量測(cè)裝置的傳感器，模擬量就是連續(xù)的量。(2)數(shù)字量：如數(shù)字式電壓表或某些傳感器所產(chǎn)生的數(shù)字量。(3)開(kāi)關(guān)量：如行程開(kāi)關(guān)或限位接點(diǎn)接通時(shí)產(chǎn)生的突變電壓。(4)脈沖量：如脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖系列(一般為電壓脈沖)。14.3微型計(jì)算機(jī)在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用一般程序控制(或順序控制)是控制裝置發(fā)出一系列控制命令，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)服從其控制而作出相應(yīng)的操作。但是執(zhí)行的效果如何，不返回去與控制命令相核對(duì)。這就是只有前饋的信息而無(wú)反饋的信息，不能形成一個(gè)閉環(huán)信息系統(tǒng)，故稱為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中采用微型計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以用軟件方法來(lái)改變控制程序。即一旦硬件針對(duì)一臺(tái)機(jī)器設(shè)計(jì)好了以后，若要改變工作的程序，只要重編控制程序，一般也只需改編控制程序中的若干條指令即可。下面就以交通管理為例簡(jiǎn)要介紹一下開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的微機(jī)控制方法。這里說(shuō)的交通管理是指十字路口的交通燈控制，這種燈光控制的要求可歸結(jié)為：(1)縱向(A向)與橫向(B向)的交通燈定時(shí)60秒交換紅綠色一次。(2)燈光有3種顏色：紅、黃、綠(R，O，G)。每次交換時(shí)要求在黃色燈停留3秒鐘。(3)一路在60秒內(nèi)過(guò)車完后超過(guò)6秒，無(wú)車?yán)^續(xù)過(guò)時(shí)，如另一路有車在等待，則自動(dòng)提前交換燈色。交換過(guò)程也得先在黃燈處停留3秒。(4)在緊急車輛(如消防車、救護(hù)車等)通過(guò)時(shí)，四邊街口均顯紅燈，以便只許緊急車輛通過(guò)。其他車輛暫停行駛。緊急車輛過(guò)后自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)的燈色標(biāo)志。還可以提出更多的要求。不過(guò)，上述4點(diǎn)基本要求已足以說(shuō)明交通燈控制問(wèn)題對(duì)計(jì)算機(jī)提出的方式是什么。這種控制方式具有如下的特點(diǎn)：(1)這是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，即無(wú)反饋的程序控制。(2)開(kāi)關(guān)量輸入和開(kāi)關(guān)量輸出。車輛檢測(cè)傳感器(A1，A2及B1，B2)是光電開(kāi)關(guān)式的，所以送入計(jì)算機(jī)的信息是開(kāi)關(guān)量。計(jì)算機(jī)控制交通燈的通斷是通過(guò)繼電器的，所以也是開(kāi)關(guān)量輸出。(3)有中斷響應(yīng)功能。即一路的車輛能夠申請(qǐng)另一路中斷其綠燈而讓其通行。不過(guò)這是有條件的，即必須是被請(qǐng)求的一路已有6秒鐘無(wú)車通過(guò)，才會(huì)響應(yīng)。(4)有非屏蔽中斷響應(yīng)功能。緊急車輛檢測(cè)傳感器(J)檢測(cè)到有緊急車輛要通過(guò)時(shí)，立即發(fā)出緊急中斷信號(hào)(也是開(kāi)關(guān)量)。這種中斷請(qǐng)求不必等到被請(qǐng)求的一路已無(wú)車通過(guò)，而是無(wú)條件地停止其車輛通過(guò)。這就叫做非屏蔽中斷。這是最高優(yōu)先級(jí)的中斷形式。14.4以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的閉環(huán)控制系統(tǒng)我們知道，一個(gè)需要溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的對(duì)象(如保溫箱、冶煉電爐、恒溫室、人工氣候箱)的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是一般反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)的一種形式。它的主要特征就是有反饋通道溝通了系統(tǒng)輸入和輸出的關(guān)系。這類輸出為溫度T℃。經(jīng)過(guò)檢測(cè)傳感器它就變成了電壓eO而反饋回去與給定電壓eI(即輸入)進(jìn)行比較。它們之間的差值Δe經(jīng)放大后去控制執(zhí)行元件，從而改變載熱介質(zhì)(水或氣或電流)的流量而去調(diào)節(jié)對(duì)象的溫度，使得eO非常接近于給定值eI。亦即輸出量溫度T℃隨時(shí)得到調(diào)節(jié)而非常接近于給定的溫度值。為了更具體一些，我們可以認(rèn)為執(zhí)行元件是一個(gè)電動(dòng)閥門D。放大裝置是晶體管放大器及兩個(gè)繼電器K開(kāi)及K關(guān)。它們可以使電動(dòng)閥門D開(kāi)大或關(guān)小。檢測(cè)裝置WT如果是鉑電阻溫度傳感器，比較環(huán)節(jié)則為一個(gè)電橋測(cè)量電路。它可以將傳感器來(lái)的電信號(hào)eO與給定電信號(hào)eI相比較后變成誤差信號(hào)ΔeO經(jīng)過(guò)這樣具體化后，發(fā)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)MC(microcomputer)在系統(tǒng)中相當(dāng)于一個(gè)比較環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在我們就來(lái)分析一下微型計(jì)算機(jī)在此系統(tǒng)中的作用和控制動(dòng)作的過(guò)程。由于溫度傳感器的輸出電信號(hào)是模擬量，即連續(xù)變化的電阻。此電阻量必須經(jīng)過(guò)電橋及放大器而轉(zhuǎn)變?yōu)樵?～5V范圍內(nèi)變化的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)A/D變換器(模/數(shù)變換器)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠認(rèn)識(shí)的數(shù)字信號(hào)。這里A/D的電壓輸入為0～5V，而數(shù)字輸出為二進(jìn)制8位。即0V相當(dāng)于000000005V相當(dāng)于11111111可見(jiàn)最右邊的位(LeastSignificantBit，縮寫為L(zhǎng)SB)的1相當(dāng)于1/255×5V的電壓，即一個(gè)LSB約相當(dāng)于4mV。如溫度傳感器測(cè)定范圍為0℃～50℃時(shí)，放大器F的輸出為0～5V，則一個(gè)LSB的變化相當(dāng)于50/255＝1/5℃即約為0.2℃。A/D變換器輸出的8條線連接至輸入/輸出接口電路I/O。這里用的是PIO，即并行輸入輸出芯片。它有兩個(gè)口子，每個(gè)口子有8位。A/D來(lái)的8條線正好接至I/O的PA口的PA7，PA6，PA5，PA4，PA3，PA2，PA1及PA0的引出端。因此PA口就是輸入，這可由用戶程序來(lái)指定。I/O的另一個(gè)口子PB也有8條引出線，這里只用其兩條：PB7和PB6。PB7引至K關(guān)(包括其前面的驅(qū)動(dòng)放大器)，PB6則引至K開(kāi)。這就是說(shuō)，口子PB是作為輸出使用的，這也可以由用戶程序來(lái)指定?，F(xiàn)在可以來(lái)看看這個(gè)系統(tǒng)的控制過(guò)程了。第一步：將系統(tǒng)要求控制的過(guò)程，按照計(jì)算機(jī)運(yùn)行的基本動(dòng)作寫成程序，這個(gè)程序就是用戶程序。這個(gè)系統(tǒng)要求的控制過(guò)程可以歸納成下面幾點(diǎn)：(1)初始化：規(guī)定口子PA為輸入，口子PB為輸出。(2)給定溫度值，TI℃，折算成數(shù)字量輸入至RAM的數(shù)據(jù)區(qū)。(3)要求誤差±ΔT℃，也要折算成數(shù)字量輸入至RAM的數(shù)據(jù)區(qū)。(4)當(dāng)對(duì)象溫度T℃＞TI℃＋ΔT℃時(shí)，命令K關(guān)動(dòng)作；即PB7＝1，PB6＝0。即電動(dòng)閥關(guān)小。(5)當(dāng)對(duì)象溫度T℃＜TI℃-ΔT℃時(shí)，命令K開(kāi)動(dòng)作，即PB7＝0，PB6＝1。即電動(dòng)閥開(kāi)大。(6)當(dāng)TI℃-ΔT℃≤T℃≤TI℃+ΔT℃時(shí)，BP7＝0，PB6＝0，即電動(dòng)閥不動(dòng)。將這些要求先寫成匯編程序(用助記符)。并根據(jù)匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)手冊(cè)用機(jī)器語(yǔ)言將此匯編程序翻譯成目的程序(即用機(jī)器碼寫成的程序)。第二步：將目的程序通過(guò)鍵盤KB輸入到RAM中去。第三步：由LEG顯示器檢查每一條指令是否正確。第四步：由A/D轉(zhuǎn)換器輸入端送入一個(gè)檢驗(yàn)電壓，模擬WT及F在給定的溫度附近應(yīng)輸出的電壓值。觀察PB7及PB6是否置位和置零符合上述的要求。觀察PB7和PB6的值也可通過(guò)LED來(lái)顯示，因此時(shí)PB7及PB6還未接至外電路去，以免產(chǎn)生誤動(dòng)作。當(dāng)這些步驟都能正確通行時(shí)，稱為程序已經(jīng)“通過(guò)”。否則要加以修改，直至通過(guò)為止。最后，將WT和A/D及MC接通，K開(kāi)，K關(guān)與D接通，系統(tǒng)就可以運(yùn)行了。此系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程就是一個(gè)一般的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這就是說(shuō)MC加上A/D在此系統(tǒng)中只相當(dāng)于一個(gè)比較環(huán)節(jié)的作用，這顯然是大材小用而似乎是毫無(wú)必要了。當(dāng)然，如果用戶的要求僅此而已，是沒(méi)有必要用牛刀來(lái)殺雞的。不過(guò)，我們是想通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明微型計(jì)算機(jī)如何在系統(tǒng)中起到判斷的作用。