機電系統(tǒng)設(shè)計_04

1、第四章 微機控制系統(tǒng)及接口設(shè)計,4-1 專用與通用、硬件與軟件的權(quán)衡與選擇 4-2 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路 4-3 微型計算機的系統(tǒng)構(gòu)成及種類 4-4 微型計算機軟件與程序設(shè)計語言 4-5 微型計算的應(yīng)用領(lǐng)域及選用要點 4-6 8086/8088CPU微機的硬件結(jié)構(gòu)特點 4-7 Z80微機的結(jié)構(gòu)特點及擴展接口 4-8 單片機的結(jié)構(gòu)特點及最小應(yīng)用系統(tǒng) 4-9 數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路 4-10 可編程邏輯控制器 4-11 微機應(yīng)用系統(tǒng)輸入/輸出控制的可靠性設(shè)計 4-12 常用檢測傳感器的性能特點選用及接口,第四章 微機控制系統(tǒng)及接口設(shè)計 4-1概述 一、專用與通用、硬件與軟件的權(quán)衡與抉擇 （1

2、）專用與通用的抉擇 專用功能單一，效率高，硬件成本低 通用適應(yīng)性好，模塊化程度高， 功能齊全，易擴展，成本高 （2）硬件與軟件的權(quán)衡 分立元件軟件硬件（專用集成塊）,二、控制系統(tǒng)的一般設(shè)計思路 （1）確定系統(tǒng)整體控制方案 微機 通用靈活 模塊化設(shè)計 嵌入式系統(tǒng) DSP 單片機 專用快速 制造成本低 PLC 可靠單一 功能擴展快 組合控制系統(tǒng) 組態(tài)系統(tǒng) 現(xiàn)場總線系統(tǒng),（2）確定控制算法 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定控制算法如： PID調(diào)節(jié)的控制算法(一般控制系統(tǒng)) 逐點比較法，位置插補法，數(shù)字積分法 (機床控制) 最優(yōu)控制，模糊控制，隨機控制，自適應(yīng)控制 （現(xiàn)代控制方法）,（3）選擇微型計算機 較完

3、善的中斷系統(tǒng)，足夠的存儲容量、完善的1O通道和實時時鐘 各種總線，接口，插槽,（4）系統(tǒng)總體設(shè)計 接口設(shè)計 選用功能接口板 選用通用接口電路 用集成電路自行設(shè)計接口電路 通道設(shè)計 AD DA DI DO 操作控制臺設(shè)計 輸入、轉(zhuǎn)換、顯示、急停,（5）軟件設(shè)計 程序模塊化設(shè)計方法 程序結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法 系統(tǒng)調(diào)試,4-2微型計算機的系統(tǒng)構(gòu)成與種類。 一、微型計算機的系統(tǒng)構(gòu)成 二、微型計算機的種類 （1）單板機 已經(jīng)不用 （2）單片機 專用為多，發(fā)展很快 DSP嵌入式系統(tǒng)等 （3）微型計算機系統(tǒng) 通用，廣泛， 一般采用模塊化設(shè)計，用于開發(fā)系統(tǒng),三、微機軟件與程序設(shè)計語言 1程序設(shè)計語言 機器語言（ma

4、chine language） 匯編語言（assembly language）、 高級語言（high level language）。 2操作系統(tǒng) 3程序庫,四、微機的應(yīng)用領(lǐng)域及選用要點 （1）應(yīng)用領(lǐng)域 工業(yè)控制和機電產(chǎn)品的機電一體化。生產(chǎn)系統(tǒng)自動化、機床自動化、數(shù)控與數(shù)顯、測溫及控溫、可編程邏輯控制器（PLC）、縫紉機、編織機、升降機、紡織機械、電機控制、工業(yè)機器人、智能傳感器、智能走時器等。 交通與能源設(shè)備的機電一體化。汽車發(fā)動機點火控制、汽車變速器控制、交通燈控制、爐溫控制等。,家用電器的機電一體化。洗衣機、電冰箱、微波爐、錄像機、攝像機、電飯鍋、電風扇、照相機、電視機、立體聲音響設(shè)備等

5、。 商用產(chǎn)品機電一體化。電子秤、自動售貨（票）機、電子收款機、銀行自動化系統(tǒng)等。 儀器、儀表機電一體化。三坐標測量儀、醫(yī)療電子設(shè)備、測長儀、測溫儀、測速儀、機電測試設(shè)備等。,辦公自動化設(shè)備的機電一體化。復(fù)印機、打印機、傳真機、繪圖儀、印刷機等。 信息處理自動化設(shè)備。語音處理、語音識別、語音分析、語言合成設(shè)備；圖像分析、圖像識別設(shè)備；氣象資料分析處理、地震波分析處理設(shè)備。 導(dǎo)航與控制。導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)、航空航天系統(tǒng)、智能武器裝置等。,例：運動控制器 固高公司GT400四軸運動控制卡性能： 四軸步進或伺服馬達控制 高性能DSPFPGA結(jié)構(gòu) 6路編碼器輸入 4路脈沖輸出最高1MHZ，部分軸占空比可

6、調(diào)。 4路DA輸出10V，16位精度 8路AD輸入10V，12位精度 24路專用數(shù)字輸入/輸出 32路通用輸入/輸出 1路RS232串行口 大量板上內(nèi)存，方便用戶在Windows下使用,微機系統(tǒng)特點： 通用 硬件模塊化設(shè)計，方便系統(tǒng)設(shè)計 方案組成靈活 軟件多渠道開發(fā) 高級語言 多樣化 標準庫 系統(tǒng)支持,可實現(xiàn)各種控制方式 面板、鍵盤、屏幕、網(wǎng)絡(luò) 容易修改 成本較高 不緊湊 先期開發(fā)的基礎(chǔ) 實驗研究 實驗室、車間的設(shè)備,4-4 單片機的硬件結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用 單片機（SingleChip microcomputer）的典型結(jié)構(gòu)如圖4-22所示，目前常用的MCS-48、51、96系列。其中MCS5l系

7、列單片機是目前8位微機中性能價格比最佳、應(yīng)用較多的系列產(chǎn)品。,一、MCS51系列單片機的硬件結(jié)構(gòu)特點 MCS51系列單片機有8031、8051、8751和8951四種產(chǎn)品，其硬件設(shè)計簡單靈活。 8031片內(nèi)無ROM和EPROM。 8051片內(nèi)有4k字節(jié)的ROM。 8751片內(nèi)有4k字節(jié)的EPROM。 采用紫外光線的方式抹去原有程序進行改寫 8951片內(nèi)有4k字節(jié)的EEPROM。 采用電清除的方式抹去原有程序進行改寫,MCS51系列單片機的引腳如圖所示，其引腳功能可分為三大部分： （l） IO口線：PO、P1、P2、P3共四個八位口。 （2）控制口線：PSEN（片外取指控制）、ALE（地址鎖存控

8、制）、EA（片外存儲器選擇）；RESET（復(fù)位控制）。 （3）電源及時鐘：Vcc、Vss；XTAL1XTAL2。 其應(yīng)用特性： IO口線不能都用作用戶IO線。除80518751外真正可完全為用戶使用的IO口線只有P1口以及部分作為第一功能使用的P3口； IO目的驅(qū)動能力：P0口可驅(qū)動8個TTL門電路；P1、P2、P3則只能驅(qū)動4個TTL門電路； P3口是雙重功能口。,二、MCS51系列單片機的最小應(yīng)用系統(tǒng)及其擴展 MCS51系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，硬件設(shè)計簡單靈活，構(gòu)成系統(tǒng)的成本低及不需要特殊的開發(fā)手段等優(yōu)點，在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。,三、8031前向通道的接口電路舉例 （l）8031與 ICL

9、7109接口電路 ICL7109為 雙積分AD轉(zhuǎn)換器,（2） 8031與0816接口電路 0816芯片為 逐次比較式 AD轉(zhuǎn)換器。,（3） 8031與LM331的接口電路 LM331實現(xiàn)V/F轉(zhuǎn)換,四、8031后向通道的接口電路舉例 根據(jù)8031單片機的輸出信號形式與被控對象的特點，后向通道的結(jié)構(gòu)形式如圖4-33所示。,（1） 8031與AD7520接口電路。 圖4-34為采用雙緩沖器的接口方法,五、數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路 1數(shù)字顯示器的結(jié)構(gòu)及工作原理 發(fā)光二級管（LED）,點亮顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示某一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。,所謂

10、動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描）。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。,2鍵盤顯示器接口電路 （l）鍵盤工作原理。 行列式鍵盤電路原理如圖所示，按鍵設(shè)置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。當行線通過上拉電阻接十5V時，被嵌位在高電平狀態(tài)。鍵盤中有無按鍵按下是由列線送入全掃描字、行線讀人行線狀態(tài)來判斷的。其方法是：給列線的所有IO線均置成低電平，然后將行線電平狀態(tài)讀人累加器A中。如果有鍵按下，總會有一根行線電平被拉至低電平，從而使行輸入不全為1。,（2）鍵盤工作方式。單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU工作的一個內(nèi)容之一。CPU在忙于各項工作任務(wù)時，如何兼

11、顧鍵盤掃描，即既保證不失時機的響應(yīng)鍵操作，又不過多占用CPU時間。因此，要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)中CPU的忙、閑情況，選擇好鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式有編程掃描方式、定時掃描方式和中斷掃描方式三種。,應(yīng)用： 如小型機器人 ATmega128 控制處理器， (高檔8位單片機,兼容8051) 控制LM629 與上位機通訊。 LM629 內(nèi)部集成PID控制器 直接與增量式編碼器相連 編程進行位置或速度控制。 L293D 電機驅(qū)動專用芯片,單片機系統(tǒng)特點： 通用 硬件專門設(shè)計，系統(tǒng)小、專用 方案組成靈活、簡便 軟件以匯編為主 成本低 緊湊 智能儀表，專用設(shè)備,如小型機器人 ATmega128 控制處理器， (高檔8位單片機,兼容8051) 控制LM629 與上位機通訊。 LM629 內(nèi)部集成PID控制器 直接與增量式編碼器相連 編程進行位置或速度控制。 L293D 電機驅(qū)