微型计算机控制系统的设计

第十章 微型计算机控制系统的 设计实践o1 微 机 控 制 系 统 设 计 的 基 本 要 求 和 特 点o2 微 机 控 制 系 统 的 设 计 方 法 及 步 骤o3 微 机 控 制 系 统 设 计 举 例 1 微 机 控 制 系 统 设 计 的 基 本 要 求 和 特 点1）. 设计的基本要求（ 1） 系 统 操 作 性 能 要 好 （ 2） 通 用 性 好 、 便 于 扩 充（ 3） 可 靠 性 要 高 采 用 双 机 系 统 。 采 用 集 散 控 制 系 统 。 2）. 设计特点 在 进 行 微 机 控 制 系 统 设 计 时 ， 系 统 设 计 人员 必 须 把 系 统 要 执 行 的 任 务 和 应 具 备 的 功 能 合理 地 分 配 给 硬 件 和 软 件 来 实 现 ， 做 到 合 理 权 衡硬 件 、 软 件 的 配 置 ， 并 尽 量 节 省 机 器 时 间 和 内存 空 间 。 硬 件 设 计 主 要 采 用 大 规 模 集 成 电 路 。 2 微 机 控 制 系 统 的 设 计 方 法 及 步 骤1）. 确定系统整体控制方案第 一 ： 要 从 系 统 构 成 上 考 虑 ， 是 采 用 开 环 控制 还 是 闭 环 控 制 。第 二 ： 考 虑 执 行 机 构 采 用 什 么 方 案 ， 是 采 用电 机 驱 动 、 液 压 驱 动 还 是 其 他 方 式 驱 动 ， 比较 各 种 方 案 ， 择 优 而 用 。第 三 ： 考 虑 是 否 有 特 殊 控 制 要 求 。 2）. 确定控制算法（ 1） 确 定 算 法 能 否 满 足 控 制 速 度 、 精 度 和 系统 稳 定 性 的 要 求 。（ 2） 确 定 某 些 情 况 下 要 进 行 修 改 与 补 充 。（ 3） 确 定 为 设 计 、 调 试 方 便 ， 可 将 控 制 算 法作 合 理 的 简 化 ， 逐 步 将 控 制 算 法 完 善 ， 直 到 获得 最 好 的 控 制 效 果 。 3）. 选择微型计算机和外围设备（ 1） 较 完 善 的 中 断 系 统 （ 2） 足 够 的 存 储 容 量（ 3） 完 备 的 输 入 输 出 通 道 和 实 时 时 钟（ 4） 字 长（ 5） 速 度（ 6） 指 令 种 类 和 数 量（ 7） 寻 址 范 围 和 寻 址 方 式 （ 8） 内 部 存 储 器 的 种 类 和 数 量 4）. 系统总体设计（ 1） 估 计 内 存 容 量 、 进 行 内 存 分 配（ 2） 过 程 通 道 和 中 断 处 理 方 式 的 确 定（ 3） 系 统 总 线 的 选 择 （ 4） 操 作 台 的 控 制 5）. 硬件和软件的具体设计（ 1） 硬 件 设 计 ： 根 据 系 统 总 体 框 图 ， 设 计出 系 统 电 气 原 理 图 ， 再 按 照 电 气 原 理 图 着手 元 件 的 选 购 和 开 始 施 工 设 计 工 作 。 （ 2） 软 件 设 计 ： 实 时 性 针 对 性 灵活 性 和 通 用 性 可 靠 性 。 6）. 系统联调 系 统 联 调 是 要 把 已 调 好 的 各 程 序 功 能块 按 照 总 体 设 计 要 求 连 成 一 个 完 整 的 程 序 。程 序 调 试 完 成 后 ， 还 要 进 行 在 线 仿 真 ， 然后 进 行 试 运 行 。 经 过 一 段 考 机 和 试 运 行 后 ，即 可 投 入 正 式 运 行 。 图6-1 控制系统设计步骤流程图控 制 对 象 的 功 能 和 工 作 过 程 分 析估 算 及 分 配 I/O口 ,存 储 器容 量 及 外 围 设 备 画 系 统 工 艺 流 程 图 I/O口 的 具 体 分 配 画 系 统 程 序 框 图 系 统 部 件 的 详 细 设 计 编 制 源 程 序 部 件 芯 片 老 化筛 选 和 测 试 汇 编 布 线 及 安 装 形 成 目 标 程 序 系 统 试 运 行调 试 硬 件 调 试 和 仿 真 完 成 否 ?硬 件 错 否 ? 完 成 否 ? 写 入 EPROM结 束 设 计 硬 件 设 计 软 件 设 计 是 是是否 否否 开 始 3 微 机 控 制 系 统 设 计 举 例 o 1 ） 硬件电路o 3） 控制系统程序设计 电 阻 炉 炉 温 控 制 系 统 原 理 图 1） 硬 件 电 路 变 送 器 键 盘 与 显 示 T0T1 P1.3 P1.2P1.1 P1.0 P2.4P2.3P 2.2P2.1P 2.0ALE P0P SEN WRRDEA P 3.3 8031 74LS373 2732 8155CE OCD 7 0 ALECEIO/M A7 0A7 0 1/2 WRRDA0A1A2 红绿 红 AB C CLKD7 0 OEALESTART IN0 EOC . . . . . . . . . . 光耦 驱动器 MC14528 220V 加 热 丝 LM311 74LS00TIL117 . . . . . . . 过 零 信 号 发 生 器 ACD0809 . 热 电 偶 1. 检测元件及变送器 检 测 元 件 选 用 镍 铬 -镍 铝 热 电 偶 ， 分 度 号 为 EU，适 用 于 0 1000 的 温 度 测 量 范 围 ， 相 应 输 出 电 压 为0mV41.32mV。 变 送 器 由 毫 伏 变 送 器 和 电 流 /电 压 变 送 器 组 成 ：毫 伏 变 送 器 用 于 把 热 电 偶 输 出 的 041.32mV变 换 成010mA范 围 内 的 电 流 ； 电 流 /电 压 变 送 器 用 于 把 毫 伏变 送 器 输 出 的 010mA电 流 变 换 成 05V范 围 内 的 电 压 。 表 温度-数字量对照表 2. 接口电路 8031的 接 口 电 路 有 ADC0809、 8155和 2732等 。本 系 统 采 用 ADC0809型 A/D转 换 器 ， 该 芯 片 为 8位逐 次 逼 近 型 A/D转 换 器 。 ADC0809为 温 度 测 量 电路 的 输 入 接 口 ； 8155用 于 键 盘 和 显 示 接 口 ； 2732作 为 8031外 部 程 序 (ROM)存 储 器 。 3. 温度控制电路如 图 双 向 可 控 硅 和 加 热 丝 串 接 在 交 流 回 路 ， 因此 可 控 硅 导 通 时 间 决 定 加 热 丝 的 加 热 功 率 。 图6-3给 出 了 可 控 硅 在 给 定 周 期 T内 具 有 不 同 导 通时 间 的 情 况 。 过 零 信 号 是 正 弦 交 流 电 压 过 零 时刻 的 同 步 脉 冲 ， 可 使 可 控 硅 在 交 流 电 压 正 弦 波过 零 后 触 发 导 通 。 过 零 同 步 脉 冲 由 过 零 触 发 电路 产 生 ， 如 图 所 示 。 输 出 功 率 与 通 断 时 间 的 关 系uuuu tttt12.5% 25% 50% 100% 过 零 触 发 电 路. . . . . . . . . . . . . . . . . .LM311 MCQ1Q2 74LS0014528 TIL117+5V +5V +12V 220V加 热 器+5VA 1 P1.3 2） 数 字 控 制 器 的 数 学 模 型 闭 环 调 节 系 统 可 近 似 看 成 一 阶 惯 性 环 节 加 一 个 延 迟环 节 。 因 此 ， 根 据 推 导 ， 可 以 得 出 ： z)e-(1ze-1)e1(K )e1)(ze1(D(z) 1-N-T/-1-T/-T/-P -T/-1-T/ 1 1 经 化 简 后 得 到 ： 1-N-1- -1 z)C-(1Cz1 Bz-AD(z) 式 中 ： A= )e1(K e1 1T/-P -T/ B=A C= 1-T/e -T/e因 为 ， D(z)=R(z)/E(z)， 得 ： E(z)BzA(R(z)z)C(1Cz1 -11-N-1 y(n)=A e(n)-B e(n-1)+C y(n-1)+(1-C) y(n-N-1) 式 中 ：y(n)n时 刻 的 输 出 值 ；e(n)n时 刻 的 偏 差 值 ；e(n-1)n-1时 刻 的 偏 差 值 ；y(n-N-1)n-N-1时 刻 的 输 出 值 。由 系 统 特 性 曲 线 确 定 出 和 1后 ， 系 数 A、 B、C则 可 分 别 求 出 。 返 回 本 节 3） 控制系统程序设计图 主程序流程图1 ）. 主程序 设 定 堆 栈 指 针 清 标 志 和 暂 存 单 元 清 显 示 缓 冲 区 T 0 初 始 化开 CPU中 断 扫 描 键 盘 温 度 显 示 T 1 中 断 程 序 清 标 志 D5H 停 止 输 出 T 1 中 断 服 务 程 序 开 始 开 始 返 回 2）. T0中断服务程 T0中 断 服 务 程 序 是 此 系 统 的 主 体 程 序 ， 用于 启 动 A/D转 换 、 读 入 采 样 数 据 、 数 字 滤 波 、越 限 温 度 报 警 和 越 限 处 理 、 大 林 算 法 计 算 和 输出 可 控 硅 的 同 步 触 发 脉 冲 等 。 在 T0中 断 服 务 程序 中 ， 要 用 到 一 系 列 子 程 序 。 如 ： 采 样 子 程 序 、数 字 滤 波 子 程 序 、 越 限 处 理 程 序 、 大 林 算 法 程序 、 标 度 变 换 程 序 和 温 度 显 示 程 序 等 。 T0中 断服 务 程 序 流 程 图 。 图 T0 中断服务程序流程图保 护 现 场采 样 炉 温数 字 滤 波U ( n )= Y max否 ？ 清 上 次 越 限 标 志U ( n )Y max否 ？U ( n )= Y min否 ？ 温 度 标 度 转 换初 始 化 T 1 从 P 1.3 输 出求 补 计 算 Y(n) 温 度 显 示(D5H)=1否 ? 恢 复 现 场 取 Ymax值 输 出下 限 报 警 置 本 次 越 限 标 志上 次 越 限 否 ? 越 限 计 数 器 加 1越 限 N 次 否 ? 清 越 限 标 志上 限 报 警 本 次 越 限 标 志 送 5FH清 零 5EH 单 元 上 限 处 理 是 是 是 是 是 是 否 否 否 否 否 否 返 回 开 始