第4章 机电一体化系统微机控制系统及接口技术

机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术第4章微机控制系统及接口技术4.1控制系统概述4.2单片机4.3工业控制计算机4.4可编程控制器（PLC）4.5微机接口技术思考题回目录机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术4.1控制系统概述4.1.1工业微机的特点4.1.2常见工业微机4.1.3微机的应用领域及选用4.1.4微机控制系统的设计思路机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术4.1.1工业微机的特点机电一体化系统中，计算机担负着信息处理、指挥整个系统运行等任务。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此计算机技术己成为机电一体化技术中发展和变革最活跃的因素。机电一体化系统中使用的计算机跟通用微型机有一定的区别，主要表现在：(1)从信息输入/输出观点看，它的输入信号和输出信号的处理要比通用微型机复杂得多，因为输入机电一体化系统中计算机的大量数据来自各种类型的传感器、开关和按钮等，输出信号还要送到分布在各处的执行机构上去。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术(2)从数据在计算机内的运行来看，一般机电一体化系统中计算机的运算数据要简单得多，通常只有逻辑运算和简单的数学运算；而通用微型机常用于复杂的科学计算和管理，其数据运算和处理要复杂得多。(3)从运行环境来看，通用微型机一般在实验室环境中使用，而机电一体化系统中的计算机一般要运行在生产现场，其运行环境要恶劣得多。因此，机电一体化系统中的计算机必须具备下列特征：(1)具有很强的控制功能；(2)具有丰富的I/O接口；(3)运行速度快，能适应实时控制的需要；(4)抗干扰能力强，环境适应性强。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术4.1.2常见工业微机满足上述要求的计算机主要有单片机、工业控制机和可编程控制器等，它们在机电一体化系统中获得了广泛的应用。这三种计算机各有特点，性能上也有一定的差异，表4-1列出了它们的性能对比。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术表4-1机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术4.1.3微机的应用领域及选用微机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型应用领域。(1)工业控制和机电产品的机电一体化。如生产系统自动化、机床自动化、数控与数显、测温及控温、可编程序控制器(PLC)、纺织机械、电动机控制、工业机器人、智能传感器、智能定时器等。(2)交通和能源设备的机电一体化。如汽车发动机点火控制、汽车变速器控制、交通灯控制、炉温控制等。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术(3)家用电器的机电一体化。如洗衣机、电冰箱、微波炉、录像机、摄像机、电饭锅、电风扇、照相机、电视机、立体声音响设备等。(4)商用产品的机电一体化。如电子秤、自动售货(票)机、电子收款机、银行自动化系统等。(5)仪器、仪表的机电一体化。如三坐标测量仪、医疗电子设备、测长仪、测温仪、测速仪、机电测试设备等。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术(6)办公自动化设备的机电一体化。如复印机、打印机、传真机、绘图仪、印刷机等。(7)信息处理自动化设备。如语音处理、语音识别、语音分析、语言合成设备、图像分析、图像识别设备，气象资料分析处理、地震波分析处理设备等。(8)导航与控制。如导弹控制、鱼雷制导、航空航天系统、智能武器装置等。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。(1)生产系统自动化、机床自动化、数控机床一般应用8位或16位微机系统，特别是控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、多板机微机系统。(2)像家用电器、商用产品，计算机一般装在产品内，故应采用单片机或微处理器。然而，这类产品处理速度不高、处理数据量也不大、处理过程又不太复杂，故主要采用4位或8位微机。(3)在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合，如智能机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用16位和32位微机。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术(4)对一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电一体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等，多采用8位机。总之，4位机常用于较简单、规模较小的系统(或产品)，16位和32位机及64位机主要用于较复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。由于单片机的迅速发展，它的功能更强、性能更完善，逐渐满足各种应用领域的要求，应用范围不断扩大，不但用于简单小系统，而且不断被复杂大系统所采用。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术4.1.4微机控制系统的设计思路在设计中，首先遇到的问题有以下几种：1)专用与通用的抉择。专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。在开发新产品时，如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，也只有专用控制系统才能做到。专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。实质上，这就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。2)硬件与软件的权衡。无论是采用通用控制系统还是专用控制系统，都存在硬件和软件的权衡问题。有些功能，例如运算与判断处理等，适宜用软件来实现。而在其余大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组成。通常要根据经济性和可取性的标准权衡决定。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术在用分立元件组成硬件的情况下，就可以考虑是否采用软件，能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情况下，则最好采用硬件。这是因为与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件更为可靠。而在利用LSI芯片组成电路时，不仅价廉，而且可靠性高，处理速度快，因而采用硬件更为有利。微机控制系统的设计思路：1．确定系统整体控制方案首先应了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的整体方案。通常，先从系统构成上考虑是采用开环机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术控制还是闭环控制。当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。其次考虑执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动，比较其方案的优缺点，择优而选。第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统，应采取哪些措施。第四是考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出出通道、配备哪些外围设备。最后应初步估算其成本。通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附以说明，以此作为下一步设计的基础和依据。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术2．确定控制算法对任何一个具体微机控制系统进行分析、综合或设计，首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算法。由于控制系统的控制规律不同，与此控制规律相对应的控制算法也不同。实际上控制算法是很多的。例如，机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直接数字控制系统中常用的PID调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法。另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术在系统设计时，按所设计的具体控制对象和不同的控制性能指标要求，以及所选用的微机的处理能力选定一种控制算法。在选择控制算法时．应注意控制算法对系统的性能指标有直接影响，因此应考虑所选定的算法是否能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。就是说，应根据不同的控制对象、不同的控制指标要求选择不同的控制算法。例如，要求快速跟随的系统可选用达到最少拍的直接控制算法：对于具有纯滞后的系统最好选用达林算法或施密斯补偿算法；对于随机控制系统应选用随机控制算法。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术3．选择微型计算机对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制的角度出发，微机应具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入/输出通道和实时时钟等功能。选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的被控制对象角度而言，还应考虑计算机的字长、速度、指令等要求。一般控制要求精度越高、速度越快，字长越长、计算机速度也越快；指令条数越多，程序就越短，处理速度就越快。例如，对于反应缓慢的化工生产过程的控制，可选用慢速的微处理器。对于高速运行的加工机床、连轧机的实时控制等，必须选用高速的微处理机。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易以及扩充输入/输出接口是否方便等因素，从而确定是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。一般，单片机具有价格低、体积小等优点，可满足很多场合的应用。其缺点是需要开发系统对其软硬件进行开发。微型计算机系统具有丰富的系统软件，用高级语言、汇编语言编程和调试都很方便，系统内存容量比较大，通常都有数据通道，可实现内外存储数据之间的快速批量信息交换。其缺点是成本较高，系统功能不能充分发挥，抗干扰能力差。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术4．系统总体设计系统总体设计主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计。其主要依据是上述的整体方案初框图、设计要求及所选用的微机类型。一个正在运行的完整微型计算机控制系统，需要在微机、被控制对象和操作者之间适时、不断地交换数据和控制信息。在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地远行。设计中主要考虑硬件与软件功能的分配和协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术5．软件设计微机控制系统的软件主要分为系统软件和应用软件两大类。通常用户基本上只须了解系统软件的大致原理和使用方法就行了，而应用软件则需要由用户自行编写，所以软件设计主要是应用软件设计。控制系统对应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和通用性。为此，应采用模块式结构，尽量把共用的程序编写成具有不同功能的子程序，如算术和逻辑运算程序、PID算法程序等。设计者的任务主要是把这些具有一定功能的子程序进行排列组合，使其成为一个完整特定功能的应用程序。应用软件的设计方法有两种，即模块化程序设计法和结构化程序设计法。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术6．系统调试微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。调试步骤依次为硬件调试、软件调试、系统调试。硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行；软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使其正确无误，然后固化在EPROM中；系统调试(联调)主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误后进行现场试验，直至正常运行为止。机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术4.2单片机4.2.1常用单片机简介4.2.2MCS－51系列单片机的结构特点4.2.3MCS－51系列单片机的最小应用系统及其扩展4.2.4单片机的应用机电一体化导论第4章微机控制系统及接口技术4.2.1常用单片机简介单片机具有小巧、功耗低、控制功能强的优点，其I/O线多，位指令丰富，逻辑操作能力强，特别适合于实时控制。它既可作单机控制，又可作多机控制的前沿处理机，在机电一体化系统中应用非常广泛。把它做到产品的内部，取代部分机械结构和电子元器件，可使产品缩小体积、增强功能、实现不同程度的智能化，这是其它任何计算机无法比拟的。在一块芯片上，集成了中央处理器、存储器及各种I/O接口等，即称为单片微型计算机（Sing