单片机控制系统设计
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为DCS。在生产过程复杂或受控设备较多的情况下，往往采用分级控制。它将 一个较大的复杂的集中控制系统分解为若干个较小的独立系统，分别由微型计 算机进行控制，这一级通常称为前级控制。前级控制一般采用数字程序控制、 直接数字控制方式，或者进行巡回检测。然后再在前级控制的上面设置一级监 督控制系统，用来进行全部生产过程的最佳控制和自适应控制的计算。
2．直接数字控制 直接数字控制(Direct Digital Control)简称为DDC。它是用一台计
算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，再按照 一定的调节规律（例如PID）进行计算，然后发布控制命令，由执行机构 对生产过程进行调节。
3．计算机监督控制 计算机监督控制(Supervisory Computer Control)简称为SCC。在直接
在多级控制系统中，还可在监督控制的上面增设一级生管理级，一方面对生 产过程进行调度和管理，另一方面根据控制要求指挥监督控制级的工作。
由于与中型机、大型机相比，微型计算机的功能终归有限。因此，目前主要 用于数字程序控制、直接数字控制、监督控制、分级控制中的前级控制及工业 现场的巡回检测。
5．新型控制系统 近年来，单片机的功能在不断地增强，因此已逐步形成单片机控制系统。由
外
计
围
算
设
机
备
计算机系统
信号/数据采集及输入通道
输
传
入
感
通
器
工
道
业
控
输
执
制
出
行对通机来自象道构
输出通道及执行机构
图8.20 计算机控制系统框图
1．程序控制 程序控制(Programmed Automatic Control)也称为数字程序控制
(Digital Program Control)，简称为PAC或者DPC。它是将控制对象所 要进行的一系列操作，按照其执行的顺序，编写成程序，存储到外部存储 器中，使用时输入给计算机，计算机仅作简单的运算就能对执行机构进行 控制。这种控制系统规律简单，专用性强、速度不高，常用在程序控制、 顺序控制和数值控制等场合，例如数字程序控制线切割机、数控机床、程 序控制绣花机等。
CPU，并在CPU的控制下显示/打印结果。同时
CPU把测量的结果与给定值比 较，进行PID计算，然后根据 计算结果输出脉冲信号，控制 可控硅的通导，对炉温进行调 节。整个系统构成一个闭环控
定时器或软件定时 启动A/D转换输入采样数据
显示/打印温度
制系统，从而使炉温控制在预
PID调节计算
定的范围之内。在单片机输出 通道中，为了防止干扰，一般 须加入光电偶合器。
单片机原理与应用
单片机控制系统设计
1.1 计算机控制系统概述 1.2 单片机控制系统设规程 1.3 温度控制 1.4 速度控制 1.5 定时控制 1.6 定位控制
1.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统的基本组成如图8.20所示，可分为三大部分，即现 场信号/数据采集与输入通道、计算机系统、控制信号输出通道与执行 机构。在构成工业自动控制系统时，可根据生产过程的复杂程度与精度 要求，采用不同的控制方式，一般方式有以下几种：
于单片机体积更小，而且易于屏蔽，抗干扰能力强，可在恶劣环境下工作，因 此已将自动控制技术向前推进了一大步。尤其是到上世纪90年代，人们在一块 芯片中制作多个CPU，以完成不同的功能。比如Echelon公司推出的神经元 (Neuron)芯片，内置3个CPU，一个用于前端数据采集与控制，一个用于数值 计算，另一个用于设置IP地址，负责与外部网络之间的通信。这种芯片主要用 于现场总线技术中。
1.3 温度控制
温度控制系统主要由检测回路和调节机构组成。检测回路包括传 感器和模拟信号输入通道。用于温度检测的传感器较多，有热敏电 阻、红外温度传感器以及热电偶等。由于在大多数温度控制系统中 ，比如恒温室、炼钢炉等，温度变化比较缓慢，因此可省去采样保 持器。这样，温度传感器输出的微弱信号直接送放大器放大，然后 经低通滤波器滤除干扰波，最后送A/D转换器。 对于一个大的温度 控制系统，检测点比较多时，还可选用MN7150构成多路巡回检测 系统。
执行机构与加热方法和温控要求有关。常用的加热方法有燃气、燃油、
燃煤、蒸汽以及电加热等。随着加热方法的不同，执行机构也不相同。下面
仅以电热炉为例说明其控制过程。电热炉又分为电阻炉和电弧炉，但无论哪
一种一般都采用可控硅电流控制方式。如图8.21所示，是一种直接数字控
制方式。CPU只要根据需要输出脉冲，即可控制电热炉中电流的通导，从
脉冲量输出 图8.22 温度控制主流程图
1.4 速度控制
在现代自动化生产线中，对电机转速的要求越来越高，因此对 电机的测速与调速已成为微型计算机的一项重要用途。下面仅以 小型直流电机为例，说明电机速度控制的实施。
在本章第二节已经介绍了小型直流电机转速控制的思想，即改 变驱动脉冲的占空比，可实现其速度调节。但是在实际应用中， 速度控制应包含两方面的工作，一是测速，二是调速。
而达到温度控制的目的。为了提高温控精度，可采用PID调节方式，为了减
小电流导通时对电网的冲击，可控硅采用过零启动。
P1.0
光电 耦合
功率放大
脉冲 变压器
～
～
～
A
B
C
80C51
炉用变压器
图8.21 温度控制执行机构
系统程序流程图如图8.22所示，采用定时检测和调节的方式。首先由定
时器或软件定时，时间到后启动A/D转换，对温度进行检测，测量结果送
数字控制系统中，是用计算机代替模拟调节机，对生产过程进行控制。而在计 算机监督控制系统中，则是由计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳 给定值，送给模拟调节器或者DDC控制计算机，最后由模拟调节器或DDC控 制计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最佳状态。
4．分级控制系统 分级控制系统也称为分布控制系统(Distribute Control System)，简称
另外，随着人工智能和神经网络技术的发展，在计算机控制系统中出现了智 能控制和神经网络控制系统。无论是哪一种控制方式，在构成一个大的系统时 ，都要使用大量的微处理器或者单片机。
1.2 单片机控制系统设计规程
单片机控制系统的设计可分为以下几个步骤： （1）确定任务 （2）明确硬件和软件的分工 （3）选择合适的单片机进行硬件设计 （4）程序设计 （5）系统联调
2．直接数字控制 直接数字控制(Direct Digital Control)简称为DDC。它是用一台计
算机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与给定值进行比较，再按照 一定的调节规律（例如PID）进行计算，然后发布控制命令，由执行机构 对生产过程进行调节。
3．计算机监督控制 计算机监督控制(Supervisory Computer Control)简称为SCC。在直接
在多级控制系统中，还可在监督控制的上面增设一级生管理级，一方面对生 产过程进行调度和管理，另一方面根据控制要求指挥监督控制级的工作。
由于与中型机、大型机相比，微型计算机的功能终归有限。因此，目前主要 用于数字程序控制、直接数字控制、监督控制、分级控制中的前级控制及工业 现场的巡回检测。
5．新型控制系统 近年来，单片机的功能在不断地增强，因此已逐步形成单片机控制系统。由
外
计
围
算
设
机
备
计算机系统
信号/数据采集及输入通道
输
传
入
感
通
器
工
道
业
控
输
执
制
出
行对通机来自象道构
输出通道及执行机构
图8.20 计算机控制系统框图
1．程序控制 程序控制(Programmed Automatic Control)也称为数字程序控制
(Digital Program Control)，简称为PAC或者DPC。它是将控制对象所 要进行的一系列操作，按照其执行的顺序，编写成程序，存储到外部存储 器中，使用时输入给计算机，计算机仅作简单的运算就能对执行机构进行 控制。这种控制系统规律简单，专用性强、速度不高，常用在程序控制、 顺序控制和数值控制等场合，例如数字程序控制线切割机、数控机床、程 序控制绣花机等。
CPU，并在CPU的控制下显示/打印结果。同时
CPU把测量的结果与给定值比 较，进行PID计算，然后根据 计算结果输出脉冲信号，控制 可控硅的通导，对炉温进行调 节。整个系统构成一个闭环控
定时器或软件定时 启动A/D转换输入采样数据
显示/打印温度
制系统，从而使炉温控制在预
PID调节计算
定的范围之内。在单片机输出 通道中，为了防止干扰，一般 须加入光电偶合器。
单片机原理与应用
单片机控制系统设计
1.1 计算机控制系统概述 1.2 单片机控制系统设规程 1.3 温度控制 1.4 速度控制 1.5 定时控制 1.6 定位控制
1.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统的基本组成如图8.20所示，可分为三大部分，即现 场信号/数据采集与输入通道、计算机系统、控制信号输出通道与执行 机构。在构成工业自动控制系统时，可根据生产过程的复杂程度与精度 要求，采用不同的控制方式，一般方式有以下几种：
于单片机体积更小，而且易于屏蔽，抗干扰能力强，可在恶劣环境下工作，因 此已将自动控制技术向前推进了一大步。尤其是到上世纪90年代，人们在一块 芯片中制作多个CPU，以完成不同的功能。比如Echelon公司推出的神经元 (Neuron)芯片，内置3个CPU，一个用于前端数据采集与控制，一个用于数值 计算，另一个用于设置IP地址，负责与外部网络之间的通信。这种芯片主要用 于现场总线技术中。
1.3 温度控制
温度控制系统主要由检测回路和调节机构组成。检测回路包括传 感器和模拟信号输入通道。用于温度检测的传感器较多，有热敏电 阻、红外温度传感器以及热电偶等。由于在大多数温度控制系统中 ，比如恒温室、炼钢炉等，温度变化比较缓慢，因此可省去采样保 持器。这样，温度传感器输出的微弱信号直接送放大器放大，然后 经低通滤波器滤除干扰波，最后送A/D转换器。 对于一个大的温度 控制系统，检测点比较多时，还可选用MN7150构成多路巡回检测 系统。
执行机构与加热方法和温控要求有关。常用的加热方法有燃气、燃油、
燃煤、蒸汽以及电加热等。随着加热方法的不同，执行机构也不相同。下面
仅以电热炉为例说明其控制过程。电热炉又分为电阻炉和电弧炉，但无论哪
一种一般都采用可控硅电流控制方式。如图8.21所示，是一种直接数字控
制方式。CPU只要根据需要输出脉冲，即可控制电热炉中电流的通导，从
脉冲量输出 图8.22 温度控制主流程图
1.4 速度控制
在现代自动化生产线中，对电机转速的要求越来越高，因此对 电机的测速与调速已成为微型计算机的一项重要用途。下面仅以 小型直流电机为例，说明电机速度控制的实施。
在本章第二节已经介绍了小型直流电机转速控制的思想，即改 变驱动脉冲的占空比，可实现其速度调节。但是在实际应用中， 速度控制应包含两方面的工作，一是测速，二是调速。
而达到温度控制的目的。为了提高温控精度，可采用PID调节方式，为了减
小电流导通时对电网的冲击，可控硅采用过零启动。
P1.0
光电 耦合
功率放大
脉冲 变压器
～
～
～
A
B
C
80C51
炉用变压器
图8.21 温度控制执行机构
系统程序流程图如图8.22所示，采用定时检测和调节的方式。首先由定
时器或软件定时，时间到后启动A/D转换，对温度进行检测，测量结果送
数字控制系统中，是用计算机代替模拟调节机，对生产过程进行控制。而在计 算机监督控制系统中，则是由计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳 给定值，送给模拟调节器或者DDC控制计算机，最后由模拟调节器或DDC控 制计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最佳状态。
4．分级控制系统 分级控制系统也称为分布控制系统(Distribute Control System)，简称
另外，随着人工智能和神经网络技术的发展，在计算机控制系统中出现了智 能控制和神经网络控制系统。无论是哪一种控制方式，在构成一个大的系统时 ，都要使用大量的微处理器或者单片机。
1.2 单片机控制系统设计规程
单片机控制系统的设计可分为以下几个步骤： （1）确定任务 （2）明确硬件和软件的分工 （3）选择合适的单片机进行硬件设计 （4）程序设计 （5）系统联调