微机原理及应用课程设计

微机原理及应用课程设计

指导书

兰州理工大学电子信息工程系

前言

“微机原理及应用”是一门实践性和实用性都很强的课程，学习的目的在于应用。本课程设计是配合“微机原理及应用”课堂教学的一个重要的实践教学环节，在本课程设计指导书中列举了一些常用的小型设计系统，旨在起到巩固课堂和书本上所学知识，加强综合能力，提高系统设计水平，启发创新思想的效果。

全书共分两部分，第一部分是实例，书中所举实例均是在多年教学、实践的基础上开发、整理出来的。第二部分是要求学生所作的一些课程设计题目。我们希望每个学生都能自己动手独立设计完成一个典型的微机应用小系统。

本书由电工教研室多年从事“微机原理及应用”的教师编写而成。

电工教研室

2005年4月

目录

第一部分：实例

第一章：微型计算机系统的设计步骤

第二章：微型计算机系统的设计实例

第二部分：微型计算机系统设计题目

题目1：微机控制的顺序控制系统

题目2：汽车倒车测距仪

题目3：机械手专用控制器的设计

题目4：家用电热淋浴器控制器的设计

题目5：公共场所安全报警系统

题目6：微型机控制的自动钻床系统

题目7：交通灯控制系统

题目8：温度多路数据采集系统

题目9：小型自动售货机计算可控制系统

题目10：步进电机控制系统

题目11：多功能密码锁

题目12：微型计算机退火炉温度控制系统

题目13：

题目14：

第一章微型计算机系统的设计步骤

微型计算机控制系统的被控对象多种多样，设备类型、控制方式和生产过程规模各有不同，但系统设计的基本任务和步骤大致是相同的。本节主要介绍一般的微型计算机控制系统设计过程中应考虑的问题。

设计微型计算机控制系统时，首先应考虑被控系统采用微型计算机控制的必要性，应用微型机控制后对被控系统的主要性能、生产技术指标和安全性、可靠性、可维护性是否有所改善，以及在采用微型机控制后的经济效益是否显著等。在进行了上述综合分析的基础上，再决定是否选用微型机控制。

微型机控制系统的设计步骤：

1、首先要通过调研熟悉控制系统的生产过程及工艺要求，根据工艺要求确定系统应完成的任务，再提出不同的总体方案进行比较后确定出系统的总体方案。

2、确定控制算法，要测出被控对象的数学模型，根据系统品质指标确定控制算法。控制系统中要求以计算机为控制中心，通过外围和接口电路，与被控对象联系起来。

3、选择总线标准及微型计算机系统，根据被控系统对控制方式和外围设备以及计算速度进行实时控制的要求来选择微型计算机机型。

4、根据系统的总体方案和所选微型计算机对系统进行硬件设计。

5、根据微型机的总体方案、硬件系统及控制算法进行系统软件的设计。

6、控制系统调试。

下面就上述设计步骤分别作一介绍。

一、确定控制系统的总体方案．

在进行系统设计之前，必须先熟悉被控制对象的生产过程和工艺要求，对控制对象的工作过程进行深入的调查，根据实际应用中的问题提出具体控制要求，以确定系统所要完成的任务；然后提出不同的总体方案进行比较论证，确定出系统的总体方案。

1. 确定系统采用的控制方式

从系统结构上考虑，是采用开环控制还是闭环控制，或者是控制加管理系统。对闭环控制系统，还要确定系统是采用直接数字控制(DDC)、监督控制(SCC)，还是分级控制。

2. 选择检测元件及执行机构

根据被测参数和精度要求，选择检测元件。根据不同的被控对象选择合适的执行机构，如采用电机驱动、液压驱动或其他方式的驱动。易燃易爆环境则可采用气动阀等。

3．选择输人输出通道及外围设备

根据被控对象的控制、监视和管理的具体要求，选择输入输出通道的配置并配备所需的外围设备。

4．画出整个系统的原理框图

在上述讨论的基础上，进行方案的比较论证，包括可行性分析和性

能价格分析。

在确定系统的总体方案时，对系统的硬件和软件功能应进行综合性考虑，因为系统的一个控制功能一般是既可以用硬件来完成，也可以由软件来完成，究竟采用什么方式，则要根据系统的实时性及硬件系统的性能价格比综合平衡后加以确定。一般情况下，用硬件来完成速度快，可节省CPU的大量时间，但这会使系统比较复杂，而且价格会高一些；用软件实现价格便宜，但要占用CPU较多的时间。所以一般的原则是在CPU时间允许的情况下，尽量采用软件，如果控制回路较多或者有些软件设计比较困难，则可考虑用硬件来完成。总之，一个控制系统哪一部分用硬件实现，哪一部分用软件实现，要结合具体情况进行比较后再确定。

二、确定控制算法

当微型机控制系统总体方案确定后，采用什么控制算法才能使系统达到控制要求，是非常重要的问题。这一步工作的主要任务，就是确定系统的数学模型，根据数学模型确定系统的控制算法。所谓数学模型，就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输人输出及其内部状态之间的关系。通过实验测出系统的飞升曲线，由此曲线可确定出系统的数学模型。现经常采用计算机记录并绘制飞升曲线。确定出系统的数学模型以后，就可根据数字控制器的设计方法选择合适的控制算法。

对于控制算法的选择，由于控制对象各不相同，控制对象的数学模型也各异，控制算法也是很多，如PID控制、纯滞后补偿，最小拍

无波纹控制、自适应控制等，选择哪一种控制算法主要取决于系统的特性和要求。

(1)一般的控制可采用数字PID算法。

(2)对于系统变化比较快的系统，如数字随动系统等，可采用最小拍无波纹调节控制。

(3)对于具纯滞后的系统，如温度等可采用滞后补偿，如大林算法或Smith预估调节器等。

以上所述仅是一般情况，某一个系统究竟采用何种控制算法要根据实验调试来确定。

三、选择总线标准及微型机系统

1．总线标准

(1)微型机总线·

总线是一组传送规定信号或数据的公共通道。在计算机与测控系统中，广泛采用标准并行总线。市场上流行的总线有许多种，需要根据具体情况选用。

(2)现场总线

现场总线技术在进人20世纪90年代中期以来发展十分迅速，现场总线是智能化仪表与计算机网络相结合的新一代产品。

2．选择微型计算机系统

在系统的总体方案确定之后，微型机的选型就成为组成整个控制系统的关键。对此一般应考虑以下几个方面。

(1)选型的根据和出发点