第四章 微机控制系统选择与接口设计ch
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机电一体化教程课件-微机控制系统的选择及接口设计
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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。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。这实质上就是通过接口 设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。
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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， 却适宜用软件来实现。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靠 性的标准权衡决定。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。
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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。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。 它反映了系统输入内部状态和输出之间的数量和逻辑 关系。这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据， 即由数学模型推出控制算法。所谓计算机控制，就是 按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正 确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统 的成败。
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。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。这实质上就是通过接口 设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。
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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， 却适宜用软件来实现。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靠 性的标准权衡决定。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。
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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。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。 它反映了系统输入内部状态和输出之间的数量和逻辑 关系。这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据， 即由数学模型推出控制算法。所谓计算机控制，就是 按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正 确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统 的成败。
讲微机控制系统选择与接口设计
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控制系统的具体要求：通过编程器预先把程序写入到存 储器中，然后执行此程序，完成控制任务。当系统或被 控对象改变时，只需相应变化输入／输出接口及被控对 象的连线，重新编程，即可形成一个新的控制系统。
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PLC的设计者向用户提供 简单、易学、易记的汇编 语言，PLC用逻辑梯形图 进行编程的简易助记符作 为第一语言。这种语言由 一组含义明确、功能强、 为数不多的指令组成，每 条指令由助记符表示。
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（4）对应于上述逻辑控制图绘制PLC梯形图。首先将 外部输入信号连接到 PLC的输入口的接线端，即及PLC 的输入继电器线圈连接，通常将这些输入信号源画在梯 形图的左边。再将PLC的输出信号及外部执行元件相连， 并将其画在梯形图的右边。然后根据加工工艺流程和图 有触点继电器逻辑控制电路应用PLC的内部继电器、定 时器／计数器等单元绘制梯形图，如右图所示。
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图4-40 几种常用光电耦合 器结构原理图
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2.光电隔离电路应用 采用光电耦合器可以将微机及前向、后向通道以及 其他相关部分切断及电路的联系，从而有效地防止 干扰信号进入微机，其基本配置如下图所示。
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二、信息转换电路设计 1.弱电转强电电路 微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经过功率 放大后，才能驱动各类执行元件，如下图所示的几种电 路：
讲微机控制系统选择与接口设计
2. 动态显示
动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫 描)。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮 一次。
显示器的亮度及导通电流有关，也和点亮时间及 间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可 实现亮度较高较稳定的显示；
若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共 极电位只需一个8位并行口(称为扫描口)。控制各 位显示器所显示的字形也需一个共用的8位口(称
控制系统的具体要求：通过编程器预先把程序写入到存 储器中，然后执行此程序，完成控制任务。当系统或被 控对象改变时，只需相应变化输入／输出接口及被控对 象的连线，重新编程，即可形成一个新的控制系统。
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PLC的设计者向用户提供 简单、易学、易记的汇编 语言，PLC用逻辑梯形图 进行编程的简易助记符作 为第一语言。这种语言由 一组含义明确、功能强、 为数不多的指令组成，每 条指令由助记符表示。
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（4）对应于上述逻辑控制图绘制PLC梯形图。首先将 外部输入信号连接到 PLC的输入口的接线端，即及PLC 的输入继电器线圈连接，通常将这些输入信号源画在梯 形图的左边。再将PLC的输出信号及外部执行元件相连， 并将其画在梯形图的右边。然后根据加工工艺流程和图 有触点继电器逻辑控制电路应用PLC的内部继电器、定 时器／计数器等单元绘制梯形图，如右图所示。
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图4-40 几种常用光电耦合 器结构原理图
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2.光电隔离电路应用 采用光电耦合器可以将微机及前向、后向通道以及 其他相关部分切断及电路的联系，从而有效地防止 干扰信号进入微机，其基本配置如下图所示。
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二、信息转换电路设计 1.弱电转强电电路 微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经过功率 放大后，才能驱动各类执行元件，如下图所示的几种电 路：
讲微机控制系统选择与接口设计
2. 动态显示
动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫 描)。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮 一次。
显示器的亮度及导通电流有关，也和点亮时间及 间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可 实现亮度较高较稳定的显示；
若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共 极电位只需一个8位并行口(称为扫描口)。控制各 位显示器所显示的字形也需一个共用的8位口(称
机电系统设计
（l） I／O口线：PO、P1、P2、P3共四个八位口。 （2）控制口线：PSEN（片外取指控制）、ALE（地址锁存
控制）、EA（片外存储器选择）；RE－SET（复位控制）。 （3）电源及时钟：Vcc、Vss；XTAL1／XTAL2。
其应用特性： ①I／O口线不能都用作用户I／O线。除8051／8751外真
正可完全为用户使用的I／O口线只有P1口以及部分作为第 一功能使用的P3口； ②I／O目的驱动能力：P0口可驱动8个TTL门电路；P1、 P2、P3则只能驱动4个TTL门电路； ③P3口是双重功能口。
二、MCS－51系列单片机的最小应用系统及其扩展
MCS－51系统结构紧凑，硬件设计简单灵活， 构成系统的成本低及不需要特殊的开发手段等优点， 在机电一体化系统中得到广泛应用。
三、8031前向通道的接口电路举例 （l）8031与 ICL7109接口电路
ICL7109为 双积分A／D转换器
（2） 8031与0816接口电路
0816芯片为 逐次比较式 A／D转换器。
（3） 8031与LM331的接口电路 LM331实现V/F转换
四、8031后向通道的接口电路举例
所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位 显示器（扫描）。对于每一位显示器来说， 每隔一段时间点亮一次。
2．键盘显示器接口电路
（l）键盘工作原理。
行列式键盘电路原理如图所示，按键设置在 行、列线交点上，行、列线分别连接到按键 开关的两端。当行线通过上拉电阻接十5V时， 被嵌位在高电平状态。键盘中有无按键按下 是由列线送入全扫描字、行线读人行线状态 来判断的。其方法是：给列线的所有I／O线 均置成低电平，然后将行线电平状态读人累 加器A中。如果有键按下，总会有一根行线电 平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。
控制）、EA（片外存储器选择）；RE－SET（复位控制）。 （3）电源及时钟：Vcc、Vss；XTAL1／XTAL2。
其应用特性： ①I／O口线不能都用作用户I／O线。除8051／8751外真
正可完全为用户使用的I／O口线只有P1口以及部分作为第 一功能使用的P3口； ②I／O目的驱动能力：P0口可驱动8个TTL门电路；P1、 P2、P3则只能驱动4个TTL门电路； ③P3口是双重功能口。
二、MCS－51系列单片机的最小应用系统及其扩展
MCS－51系统结构紧凑，硬件设计简单灵活， 构成系统的成本低及不需要特殊的开发手段等优点， 在机电一体化系统中得到广泛应用。
三、8031前向通道的接口电路举例 （l）8031与 ICL7109接口电路
ICL7109为 双积分A／D转换器
（2） 8031与0816接口电路
0816芯片为 逐次比较式 A／D转换器。
（3） 8031与LM331的接口电路 LM331实现V/F转换
四、8031后向通道的接口电路举例
所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位 显示器（扫描）。对于每一位显示器来说， 每隔一段时间点亮一次。
2．键盘显示器接口电路
（l）键盘工作原理。
行列式键盘电路原理如图所示，按键设置在 行、列线交点上，行、列线分别连接到按键 开关的两端。当行线通过上拉电阻接十5V时， 被嵌位在高电平状态。键盘中有无按键按下 是由列线送入全扫描字、行线读人行线状态 来判断的。其方法是：给列线的所有I／O线 均置成低电平，然后将行线电平状态读人累 加器A中。如果有键按下，总会有一根行线电 平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。
第4章 控制系统及接口设计(4接口设计)
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控制系统及接口设计-接口设计
（地址总线驱动）8212 8位并行I/O接口 8212用于数据传输，具有8位并行数据寄 存器和缓冲器，有供产生中断用的服务请 求触发器，输入负载电流小，最大为 0.25mA，三态输出，最大输出电流15mA， 输出高电平为3.65V，能直接与080A， 8085ACPU相连接，寄存器异步清零，+5V 电源，电源和输出电压-0.5-+7V，输入电 压-0.5-+5.5V，工作电流130mA。
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控制系统及接口设计-接口设计
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控制系统及接口设计-接口设计
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控制系统及接口设计-接口设计
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控制系统及接口设计-接口设计
z80CPU的存储器及I／O口扩展举例
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控制系统及接口设计-接口设计
二、I/O接口扩展
1.地址译码器的扩展
扩展I/O接口必然要解决I/O接口的端口 （寄存器）的编址和选址问题。每个通用接口 部件都包含一组寄存器，一般称这些寄存器为 I/O端口。
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控制系统及接口设计-接口设计
z80-接口设计
三、模拟量的采样与处理
模拟量输入通道可完成模拟量的采集并将它转换 成数字量送入计算机的任务。依据被控参量和控制要 求的不同，模拟量输入通道的结构形式不完全相同。 目前普遍采用的是公用运算放大器和A/D转换器的结构 形式，其组成方框图如图5-32所示。
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控制系统及接口设计-接口设计
由于与CPU一起使用的存储器不只一个，这就产生选 片问题。一般采用译码器来选片。图4-14为3-8译码器 74LSl38的引脚配置。该芯片有三个片选端G1、G2A、G2B。 当G1＝1，G2A＝0，G2B＝0时，芯片才被选通，否则输出 均为高电平。A、B、C为三位输入端。输出端的逻辑功能 如表4-6所示。
第四章 微机控制系统的选择及接口设计 机电一体化系统设计课件
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，微机应能满足具有较完善的 中断系统、足够的存储容量、完善的I/O通道和实时 时钟等要求。
2020/9/30
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பைடு நூலகம்
（1） 较完善的中断系统
微型计算机控制系统必须具有实时控制性 能。实时控制包含两个意思：一是系统正常 运行时的实时控制能力；二是在发生故障时 紧急处理的能力。
2020/9/30
3
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。所谓数学模型 就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入内部状态 和输出之间的数量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算 处理提供了依据，即由数学模型推出控制算法。所谓计算机控 制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正 确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。
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7
当控制系统比较复杂时，控制 算法也比较复杂，整个控制系统的 实现就比较困难，为设计、调试方 便，可将控制算法作某些合理的简 化，忽略某些因素的影响(如非线性 、小延时、小惯性等)，在取得初步 控制成果后，再逐步将控制算法完 善，直到获得最好的控制效果。
2020/9/30
8
3． 选择微型计算机
2020/9/30
12
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，还应考虑几个特殊要求:
1)字长
微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字 长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和 执行操作的时间。
2020/9/30
13
2）速度
速度的选择与字长的选择可一并考虑。对于同一算法、同一精度要 求，当机器的字长短时，就要采用多字节运算，完成计算和控制的时间 就会增长。为保证实时控制，就必须选用执行速度快的机器。同理，当 机器的字长足够保证精度要求时，不必用多字节运算，完成计算和控制 的时间就短，可选用执行速度较慢的机器。
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பைடு நூலகம்
（1） 较完善的中断系统
微型计算机控制系统必须具有实时控制性 能。实时控制包含两个意思：一是系统正常 运行时的实时控制能力；二是在发生故障时 紧急处理的能力。
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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。所谓数学模型 就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入内部状态 和输出之间的数量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算 处理提供了依据，即由数学模型推出控制算法。所谓计算机控 制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正 确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。
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当控制系统比较复杂时，控制 算法也比较复杂，整个控制系统的 实现就比较困难，为设计、调试方 便，可将控制算法作某些合理的简 化，忽略某些因素的影响(如非线性 、小延时、小惯性等)，在取得初步 控制成果后，再逐步将控制算法完 善，直到获得最好的控制效果。
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3． 选择微型计算机
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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，还应考虑几个特殊要求:
1)字长
微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字 长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和 执行操作的时间。
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2）速度
速度的选择与字长的选择可一并考虑。对于同一算法、同一精度要 求，当机器的字长短时，就要采用多字节运算，完成计算和控制的时间 就会增长。为保证实时控制，就必须选用执行速度快的机器。同理，当 机器的字长足够保证精度要求时，不必用多字节运算，完成计算和控制 的时间就短，可选用执行速度较慢的机器。
微机控制系统及接口设计
3、 选择微型计算机
较完善的中断系统。 较完善的中断系统。 系统正常运行时的实时控制能力； 系统正常运行时的实时控制能力； 实时控制能力 在发生故障时紧急处理的能力。 在发生故障时紧急处理的能力。 故障时紧急处理的能力 足够的存储容量。 足够的存储容量。 内存（ ），外存 内存（RAM，ROM），外存 ， ）， 完备的输入／ 完备的输入／输出通道和实时时钟 外部过程和主机交换信息的通道。 外部过程和主机交换信息的通道。 信息包括开关量；模拟量。 信息包括开关量；模拟量。 外部设备和内存之间快速、批量交换倍息，还应有直接数据通道。 外部设备和内存之间快速、批量交换倍息，还应有直接数据通道。 实时时钟在过程控制中给出时间参数，记下某事件发生的时刻， 实时时钟在过程控制中给出时间参数，记下某事件发生的时刻，同时 使系统能按规定的时间顺序完成各种操作。 使系统能按规定的时间顺序完成各种操作。
成本、编程、 成本、编程、扩展因素
3、 选择微型计算机
（1）单片机 ）
价低、体积小， 价低、体积小，应用广 缺点是需要专用开发系统
（2）单板机 ）
价低、 价低、体积小 缺点内存小、接口电路少，机器语言编程。 缺点内存小、接口电路少，机器语言编程。
（3）微型计算机 ）
软件丰富，调试方便，内存大； 软件丰富，调试方便，内存大； 成本高、小系统资源浪费，抗扰差。 成本高、小系统资源浪费，抗扰差。
优点是硬件工作量小，可靠性高，但功能插板价格较贵， 优点是硬件工作量小，可靠性高，但功能插板价格较贵，一般只 用来组成较大的系统； 用来组成较大的系统；
②选用通用接口电路
较小的控制系统时用。通用接口电路是标准化的， 较小的控制系统时用。通用接口电路是标准化的，只要了解其外 部特性与CPU的连接力怯、编程控制方法就可进行任意扩展； 的连接力怯、 部特性与 的连接力怯 编程控制方法就可进行任意扩展；
第4章 微机控制系统及接口设计2-3
图2.1 MCS-51单片机内部结构框图
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD RXD、P3.0 TXD、P3.1 INT0、P3.2 INT1、P3.3 T0、P3.4 T1、P3.5 WR、P3.6 RD、P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS
图5-30 I/O接口地址译码扩展
30中 图 5-30 中 ， 独立编址方式的片选信号只利用地址总线 的低8 译出， 的低8位（A0～A7）译出，为了区别是访问存储器还是访问 I/O接口 IORQ信号是必须用的 同时, 接口， 信号是必须用的。 I/O 接口 ， IORQ 信号是必须用的 。 同时, 为了控制数据流向 也要使用读（RD） WR）信号。但是Z80PIO PIO和 80CTC 也要使用读 （ RD ） 、 写 （ WR ） 信号 。 但是 Z80PIO 和 Z80CTC 芯片有些特殊，没有WR信号引脚，它是利用IORQ RD WR信号引脚 IORQ、 芯片有些特殊 ， 没有 WR 信号引脚 ， 它是利用 IORQ 、 RD 和 Mi三个信号通过内部逻辑电路的组合而得到读、 写 、复位 、 三个信号通过内部逻辑电路的组合而得到读、 复位、 中断响应等控制信号的。 中断响应等控制信号的。 负载能力的扩展 2.负载能力的扩展 扩展的I/O 接口和存储器的数据线都同时要挂到CPU I/O接口和存储器的数据线都同时要挂到 CPU的 扩展的 I/O 接口和存储器的数据线都同时要挂到 CPU 的 数据总线上，各芯片的地址也都要挂到CPU的地址线上， CPU的地址线上 数据总线上，各芯片的地址也都要挂到CPU的地址线上，控 制线也一样要挂到CPU的控制总线上。 CPU的控制总线上 制线也一样要挂到CPU的控制总线上。 由表5-2 可见， MOS器件的输入电流小 ， 驱动能力也差。 由表 5 可见 ， MOS 器件的输入电流小， 驱动能力也差。 器件的输入电流小
机电一体化系统设计第4章微机控制系统的选择及接口设计OK
目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、 仪器仪表、办公室自动化产品、机器人等的机电 一体化。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片 机的应用领域。
CPU、MC与MCS的关系
微型计算机的基本硬件构成
一般由数据总线、地址总线和控制总线相连；主存储 器又叫内部存储器，目前这些存储器均是大规模集成电路 (LSI)，主要有RAM(Random Access Memory)和ROM(Read Only Memory），通常ROM存储固定程序和数据，而输入／ 输出数据和作业领域的数据由RAM存储。输入／输出装置 主要执行数据和程序的输入／输出，以及用于控制时输入 检测传感元件的信息和输出控制执行元件的信息。辅助存 储装置可作为存储器使用；操作面板或键盘也属于输入装 置，如下图所示。
确定微机控制系统总体控制的初步方案 总体方案可行性论证——总体方案技术/经济评价—
—总体方案鉴定。
最终确定微机控制系统总体控制方案
（2）确定控制算法
目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的数字和逻 辑数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信 号，实现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可 靠性等要求提高可靠的理论依据。
• 由于采用微机作为机电一体化系统的控制器，因此， 其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、控制 形式和动作控制方式的问题。这不仅需要微机控制 理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要 一定的生活和生产工艺知识。
• 通常由机电一体化系统设计人员首先提出总的设计 要求，然后由各专业人员通力协作。
二、微机控制系统设计
（7）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；
CPU、MC与MCS的关系
微型计算机的基本硬件构成
一般由数据总线、地址总线和控制总线相连；主存储 器又叫内部存储器，目前这些存储器均是大规模集成电路 (LSI)，主要有RAM(Random Access Memory)和ROM(Read Only Memory），通常ROM存储固定程序和数据，而输入／ 输出数据和作业领域的数据由RAM存储。输入／输出装置 主要执行数据和程序的输入／输出，以及用于控制时输入 检测传感元件的信息和输出控制执行元件的信息。辅助存 储装置可作为存储器使用；操作面板或键盘也属于输入装 置，如下图所示。
确定微机控制系统总体控制的初步方案 总体方案可行性论证——总体方案技术/经济评价—
—总体方案鉴定。
最终确定微机控制系统总体控制方案
（2）确定控制算法
目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的数字和逻 辑数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信 号，实现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可 靠性等要求提高可靠的理论依据。
• 由于采用微机作为机电一体化系统的控制器，因此， 其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、控制 形式和动作控制方式的问题。这不仅需要微机控制 理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要 一定的生活和生产工艺知识。
• 通常由机电一体化系统设计人员首先提出总的设计 要求，然后由各专业人员通力协作。
二、微机控制系统设计
（7）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；
第四章 微机控制系统选择与设计
2)单板机
将微型计算机的基本体系CPU、ROM和RAM、输入／输出 端口 (I/O 电路 ) 以及一些辅助电路分别做成 LSI 芯片，并将 它们配置在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直接 连接起来，这样的计算机叫做单板微型计算机，简称单板 机。例如 TP801 是以 8位微处理器 ( 如 Z80)为核心组装的 8 位 单板机，SDK-86是以16位微处理器（Intel8086/8088)为核 心组装的16位单板机。
常 用 光 电 耦 合 器 件
图a为普通型信号隔离用光电耦合器件 图b为高速型光电耦合器件 采用光敏二级管和高速开关管 响应速度快。 图c 为达林顿管输出光电耦合器件，以光敏晶体管和放大晶体管构成达林顿管 输出。可直接用于驱动较低频率的负载。 图d 为晶闸管输出型光电耦合器件。输出部分为光控晶闸管，用在大功率的隔 离驱动场合。
对于PLC，可选择各种数字量、模拟量扩展单元及 通讯单元。
工控机的各种输入输出板卡
3）操作控制台设计（人机界面设计）
人机交互不能仅依靠微机键盘、显示器等通用设备， 容易误操作，需要专用的操作控制台，一般有以下功能： (1)工艺参数的设定(触摸屏或过程仪表） (2)设备运行状态的显示(触摸屏或过程仪表） (3)工作方式转换、系统的启动停止(按钮)、主要设备的手 动控制(按钮) (4)急停(按钮)及报警指示
本节重点学习微机控制系统的输入/输出电路设计和 信息转换电路的设计。
一、光电隔离电路设计
光电隔离电路的基本组成与工作原理
用在微机的输出端
用在微机的输入端
G-光电耦合器
光电隔离电路的作用：
（1）信号的隔离。可将输入与输出端两部分电路的 地线分开，各自使用一套电源供电。这样信息通过 光电转换，单向传递，因此，干扰信号很难从输出 端反馈到输入端，从而起到隔离作用。 （2）可以进行电平转换。如右图所示电路，通过光 电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为12V。 （3）提高驱动能力。有些光电耦合器件，如达林顿 晶体管输出型和晶闸管输出型光电耦合器件，不但 具有隔离功能，而且还具有较强的驱动负载能力。 微机输出信号通过这种光电耦合器件后，就能直接 驱动负载。
第四章 微机控制系统设计(3-2015)
b
回看
(1)空载特性： 在输出端不接负载时所得到的特性。 等截面线绕式电位器
R a b c
x
Rx x U0 Ui Ui R L 条件： RL Ui U 0 SV x ， SV L
R,L
U0
Rx , x
l
I
a
b
h b
Ui
R,L
Rx , x
RL U 0
Ui
返回目录
c
图1-1 工作原理图
返回目录
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结束放映
第十二节
常用检测传感器的性能特点、选用 及其微机接口
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1、电位器式传感器： 电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各类 电器和电子设备中。 电位器式传感器可将机械的直线位移或角位移输 入量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。 它除了用于线位移和角位移测量外，还广泛应用 于测量压力、加速度、液位等物理量常用检测传感器的性能特点、选用 及其微机接口
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1、电位器式传感器：
电位器种类很多，大量采用的是线绕式。它是用电阻系数 很大的金属导线绕在绝缘骨架上而制成，滑动触头（电刷）的 位移使输出电阻或电压发生变化。
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第十二节
常用检测传感器的性能特点、选用 及其微机接口
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第四章 微机控制系统的选择及接口设计
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节 第十一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡 微机控制系统的设计思路 微机控制系统的构成与种类 微机控制系统的软件与程序设计语言 微机应用领域及其选用要点 8086/8088CPU的硬件结构特点 Z80CPU的硬件结构特点、存储器及输入／输出扩展接口 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统 数字显示器及键盘的接口电路 微机应用系统的输入／输出控制的可靠性设计 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例
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(1)空载特性： 在输出端不接负载时所得到的特性。 等截面线绕式电位器
R a b c
x
Rx x U0 Ui Ui R L 条件： RL Ui U 0 SV x ， SV L
R,L
U0
Rx , x
l
I
a
b
h b
Ui
R,L
Rx , x
RL U 0
Ui
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c
图1-1 工作原理图
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23
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第十二节
常用检测传感器的性能特点、选用 及其微机接口
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1、电位器式传感器： 电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各类 电器和电子设备中。 电位器式传感器可将机械的直线位移或角位移输 入量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。 它除了用于线位移和角位移测量外，还广泛应用 于测量压力、加速度、液位等物理量常用检测传感器的性能特点、选用 及其微机接口
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1、电位器式传感器：
电位器种类很多，大量采用的是线绕式。它是用电阻系数 很大的金属导线绕在绝缘骨架上而制成，滑动触头（电刷）的 位移使输出电阻或电压发生变化。
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常用检测传感器的性能特点、选用 及其微机接口
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第四章 微机控制系统的选择及接口设计
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节 第十节 第十一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡 微机控制系统的设计思路 微机控制系统的构成与种类 微机控制系统的软件与程序设计语言 微机应用领域及其选用要点 8086/8088CPU的硬件结构特点 Z80CPU的硬件结构特点、存储器及输入／输出扩展接口 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统 数字显示器及键盘的接口电路 微机应用系统的输入／输出控制的可靠性设计 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例
第四章微机控制系统的选择及接口设计
由于微型计算机内存容量有限，当内存 容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存， 有时还应配备适当的外存储器，如单板机通 常都配盒式磁带机，用于在调试阶段暂存程 序和数据。单板机可配备2~8KB以上的只读存 储器，监控程序及调试成功的应用程序都写 入只读存储器，实现软件固化。
（3） 完备的输入／输出通道和实时时钟
由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控 制器。 控制系统的设计的内容：选用微机、设计接口、 控制形式和动作控制方式的问题
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。
专用控制系统的设计: 主要是选用适当的通用IC芯片以及 设计其外围电路来组成控制系统。
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。
第三节 微型计算机的系统构成及种类
1．微型计算机的系统构成
“微机”：微处理器(微处理机)、微 型计算机、微型计算机系统的统称。
微处理器(Microprocessor)简称CPU：它由 大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成 电路(VLSI)器件构成。由数据通道、寄存 器、控制逻辑和运算逻辑部件组成，有的 器件还含有时钟电路，为器件的工作提供 定时信号。
目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、 办公室自动化产品、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至 儿童玩具，均是单片机的应用领域。
2)单板机（如下图所示）
在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数 字显示器,可完成一些简单的数据处理和编辑功能。
是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。
单片机:价格低、体积小,但需要开发系统对其软硬件进行 开发。
（3） 完备的输入／输出通道和实时时钟
由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控 制器。 控制系统的设计的内容：选用微机、设计接口、 控制形式和动作控制方式的问题
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。
专用控制系统的设计: 主要是选用适当的通用IC芯片以及 设计其外围电路来组成控制系统。
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。
第三节 微型计算机的系统构成及种类
1．微型计算机的系统构成
“微机”：微处理器(微处理机)、微 型计算机、微型计算机系统的统称。
微处理器(Microprocessor)简称CPU：它由 大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成 电路(VLSI)器件构成。由数据通道、寄存 器、控制逻辑和运算逻辑部件组成，有的 器件还含有时钟电路，为器件的工作提供 定时信号。
目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、 办公室自动化产品、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至 儿童玩具，均是单片机的应用领域。
2)单板机（如下图所示）
在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数 字显示器,可完成一些简单的数据处理和编辑功能。
是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。
单片机:价格低、体积小,但需要开发系统对其软硬件进行 开发。
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二、各类传感器的主要性能及优缺点
1）位移、位置传感器； 2）速度、加速度传感器； 3）力、压力和扭矩传感器； 4）温度、湿度、气敏传感器； 5）物位传感器； 6）流量传感器； 7）视觉、触觉传感器。 掌握好各类传感器的工作原理、主要性能及优缺点，是 正确选用传感器的重要依据之一。 各类传感器的主要性能及优缺点，在《机械工程测试技 术》等课程已进行了较全面的学习。
★ 主要用专用集成元件组成的控制系统——最
好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功 能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。
第三节
微机控制系统的构成及种类
1．微型计算机的系统构成 人们常用“微机”这个术语。该术语是三个概念的统称， 即微处理机(微处理器)、微型计算机、微型计算机系统的统 称。 微处理机 (Microprocessor) 简称 CPU 。它是一个大规模 集成电路 (LSI) 器件或超大规模集成电路 (VLSI) 器件，器件 中有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有 的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号。控制 逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可以执 行机器语言描述的系统指令，是完成计算机对信息的处理与 控制等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。
输入／输出装置主要执行数据和程序的输入／输出， 以及用于控制时输入检测传感元件的信息和输出控制 执行元件的信息。操作面板或键盘也属于输入装置， 如下图所示。
微机的基本构成
第十节 微机应用系统的输入／输出控制的 可靠性设计
微机控制系统以及各主要功能元件（部件）的输入/输出 信号控制功能主要由硬件和软件设计来保证。 在硬件设计中，如何提高控制系统的工作可靠性，是微机 控制系统设计的重要环节之一。主要包括： 1）能可靠地传递各类控制信息，能够输入有关运动机构的 状态信息。 2）能够进行有效的信息转换 满足微机对输入/输出信息类型的转换要求。如：A/D、 D/A转换；并行数字信号与串行数字信号的转换；电平信号 的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与弱电转换。 3）具有阻断干扰信号进入微机控制系统的能力 主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。
（3）传感器的分类
1）传感器的作用主要分为：内部信息传感器和外部信息传 感器。 内部信息传感器 —— 检测机电一体化系统等的传感器。 外部信息传感器 —— 检测作业对象和外部环境状态。 主要包括：接触式和非接触式传感器，如：温度/湿度传感 器、气压传感器、电涡流传感器、无线电接收机、红外测 温仪，激光测距机等。 2）按输出信号的性质可分为：开关型、模拟型和数字型传 感器（计数型和代码型）。
CPU、 MC与 MCS的 关系
微型计算机的基本硬件构成
一般由数据总线、地址总线和控制总线相连； 主存储器又叫内部存储器，目前这些存储器均是大规 模集成电路(LSI)，主要有RAM(Random Access Memory) 和ROM(Read Only Memory），通常ROM存储固定程序和 数据，而输入／输出数据和作业领域的数据由RAM存储。
（3）提高传感器性能的主要技术措施
1）平均技术——缩小检测误差 包括误差平均效应和数据平均处理。 误差平均效应：多个传感器同时测量，输出取总和； 数据平均处理：相同条件下重复测量多次，然后取平 均。 2）差分技术——减少非线性误差 3）稳定性处理——通过材料的时效处理，元件的筛选， 来提高传感器可靠性和寿命 4）屏蔽和隔离——提高抗外界干扰的能力
在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面 的问题。
（1）专用/通用微型计算机的选择
1）专用控制系统的构成与特点 构成：具有机械、电子有机结合的紧凑结构， 由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器 等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用 机器代码或语言。 特点：可靠性强，成本低，但适应能力较差。 应用：用于大批量生产的机电一体化产品。
（1）传感器的检测测量电路
a. 模拟型测量电路——调制、放大、解调、滤波、A/D转 换处理。 电参量：电阻、电容、电感； 电量：电压、电流。基本转换电路把电参量转换成电量。 调制：使得测量信号具有区别于其他杂散信号的特征，以 提高其抗干扰能力。 解调：与调整相反的过程，还原测量信号。
b. 数字型测量电路——光电转换、放大整形、检测量编码。 可以采用细分的方法提高传感器分辨率：使传感器的输出 变化1/n个周期计一个数，n为细分数。
一、光电隔离电路设计
1. 光电隔离电路的基本工作原理与组成
光电隔离电路主要由光电耦合器（G）的光电转换元件组成。
Vc+5v R1 74LS04 G
输入信号 （来自微机） 输出信号 （去执行系统）
Vc+12v R2
Vc+5v R2
去微机
R1 G
来自机械系统
a)
b)
2. 光电隔离电路的作用
1）可将输入/输出两部分的供电电源和电路的地线分离。 光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（1011~1013Ω）， 寄生的电容很小（0.5~2pF），因而干扰信号很难从输出 端反馈到输入端。 2）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有 初级功率放大作用。例如图4.39a，通过光电耦合器可以 很方便地把微机的输出信号变为12V。 3）提高对负载的驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件， 如达林顿晶体管输出和晶闸管输出型光电耦合器件，不但 具有隔离功能，而且还具有较强的驱动负载能力。微机输 出信号通过这种光电耦合器件后，就能直接驱动负载。
补充：
CMOS图像传感器 CMOS是指 Complementary Metal Oxide Semiconductor， 互补金属氧化物半导体。 速度快，集成度高，功耗低， 但开口率低（有效感光面积 小），分辨率低。
CCD图像传感器 CCD是指 Charge Coupled Device，电荷 耦合器件。 开口率远高于CMOS， 但制造复杂，功耗高。
3）按传感器的用途分为：位移和位置、速度和加速度、力 和力矩、温度、湿度传感器等。 4）按传感器的基本工作原理分为：电阻式、电容式、电感 式、电磁式、光电式。 例子 各种测量传感器的基本特性参数可参看教材。
（4）传感器的基本要求
①体积小、重量轻。 ②精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高。 ③安全可靠、寿命长。 ④便于与计算机对接。 ⑤不易受被检测对象和外部环境的影响，环境适应能力 强。 ⑥现场安装处理简单、操作方便，价格便宜。
机电一体化系统设计
第四章 微机控制系统的选择与接口设计
第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡 第三节 微机控制系统的构成与种类 第十节 微机应用系统的输入／输出控制的可靠性设计 第十二节 常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口
第一节 专用与通用的抉择、硬件与 软件的权衡
微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品 的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数 字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们 之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。 常用的微机控制系统： 专用微机控制系统—— 核心部件为单片机和单板机。 通用微机控制系统—— 核心部件为可编程控制器和工 业计算机。
普通型信号隔离用光电耦合器件
高速型光电耦合器件
达林顿管输出光电耦合器件
晶闸管输出型光电耦合器件
3. 光电耦合隔离电路的应用
光电耦合隔离电路在机电控制系统中的基本配置
其 他 I/O 接 口
多通 道地 址选 择
光 电 耦 合
光 电 耦 合
地址 选择
A/D
光 电 耦 合
前 向 接 口
CPU
后 向 接 口
2）通用控制系统的构成与特点
构成：控制系统以通用微型计算机为核心， 设计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、 执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件， 组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通 用平台软件系统。 特点：适应性强，但成本高，应采取一定的 抗干扰措施等特点。 应用：适用于多品种、中小批量生产的机电 一体化产品。
光 电 耦 合
D/A或 执行 机构
第十二节 常用检测传感器的性能特点、选 用与微机接口 一、检测传感器的分类与基本要求
（1）传感器 将被检测对象的各种物理变化量转换成电信号 的一种变换器。 （2）传感器的作用
被用于检测机电一体化系统自身和作业对象、 作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统 动作提供信息。
两个概念：
标定：传感器在出厂前均要进行标定，即在明 确其输入输出关系的前提下，用国家标准计量 仪器确定输出电量与输入非电量之间的关系。 校准：用户在使用传感器前，或在使用过程中 或搁置一段时间后再使用时，必须对其性能参 数进行复测或作必要的调整与修正，以保证其 测量精度，这个复测过程就是“校准”。 校准与标定的内容基本相同，其目的也基本相 同。在使用前进行校准时，所使用的测量仪器 应至少比被校准传感器的精度高一个等级。
c. 开关型测量电路——实质是对开关信号进行功率放大。
（2）传感器信号放大转换电路
传感器信号放大转换电路主要包括： 电桥电路——测量阻抗、感抗、电容量等电参量的电量 （电压、电流等）转换。 放大电路——由运算放大器、晶体管等组成。将检测到 的微弱电信号进行放大处理（电压放大、电流放大、功率 放大等）。采用屏蔽、滤波、正确接地来提高放大信号的 质量或品质。 调制与解调电路——对传感器输出的微弱、缓慢变化信 号，由一般直流放大和信号传输电路，将产生零点漂移等 干扰信号。采用调制的方法先把直流变成某种频率的交流 信号，再经放大器放大，最后解调将交流信号还原成直流 信号。
四、传感器的测量电路及微机接口
由于传感器检测到的原始信号比较微弱，需中间 转换处理电路将信号放大成易于检测或处理的电压 或电流信号，再经调制解调、A/D转换、D/A转换等 输出能满足计算机处理的要求和匹配的检测信号。 注意：传感器的检测处理电路通常与所选用的传 感器密切相关，一般由传感器生产厂家提供选择。 控制系统设计时，选择设计是非常重要的。 主要包括检测测量电路和信号放大转换电路两部 分。