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1、第四章 微机控制系统及接口设计,第四章 微机控制系统及接口设计4-1概述 一、专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择（1）专用与通用的抉择 专用功能单一，效率高，硬件成本低 通用适应性好，模块化程度高，功能齐全，易扩展，成本高（2）硬件与软件的权衡 分立元件软件硬件（专用集成块）,二、控制系统的一般设计思路（1）确定系统整体控制方案 微机 通用灵活 模块化设计 嵌入式系统 DSP 单片机 专用快速 制造成本低 PLC 可靠单一 功能扩展快 组合控制系统 组态系统 现场总线系统,（2）确定控制算法建立系统的数学模型，确定控制算法如：PID调节的控制算法(一般控制系统)逐点比较法，位置插补法，数字积分
2、法(机床控制)最优控制，模糊控制，随机控制，自适应控制（现代控制方法）,（3）选择微型计算机 较完善的中断系统，足够的存储容量、完善的1O通道和实时时钟 各种总线，接口，插槽,（4）系统总体设计 接口设计 选用功能接口板 选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路 通道设计 AD DA DI DO 操作控制台设计 输入、转换、显示、急停,（5）软件设计 程序模块化设计方法 程序结构化设计方法 系统调试,4-2微型计算机的系统构成与种类。一、微型计算机的系统构成二、微型计算机的种类（1）单板机 已经不用（2）单片机 专用为多，发展很快 DSP嵌入式系统等（3）微型计算机系统 通用，广泛，一般采
3、用模块化设计，用于开发系统,三、微机软件与程序设计语言 1程序设计语言机器语言（machine language）汇编语言（assembly language）、高级语言（high level language）。2操作系统 3程序库,四、微机的应用领域及选用要点（1）应用领域 工业控制和机电产品的机电一体化。生产系统自动化、机床自动化、数控与数显、测温及控温、可编程逻辑控制器（PLC）、缝纫机、编织机、升降机、纺织机械、电机控制、工业机器人、智能传感器、智能走时器等。交通与能源设备的机电一体化。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。,家用电器的机电一体化。洗衣机、电冰箱
4、、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。商用产品机电一体化。电子秤、自动售货（票）机、电子收款机、银行自动化系统等。仪器、仪表机电一体化。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。,办公自动化设备的机电一体化。复印机、打印机、传真机、绘图仪、印刷机等。信息处理自动化设备。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。导航与控制。导弹控制、鱼雷制导、航空航天系统、智能武器装置等。,例：运动控制器固高公司GT400四轴运动控制卡性能：四轴步进或伺服马达控制高性能DSPFPGA结
5、构 6路编码器输入4路脉冲输出最高1MHZ，部分轴占空比可调。4路DA输出10V，16位精度8路AD输入10V，12位精度24路专用数字输入/输出32路通用输入/输出 1路RS232串行口大量板上内存，方便用户在Windows下使用,微机系统特点：通用硬件模块化设计，方便系统设计方案组成灵活软件多渠道开发 高级语言 多样化 标准库 系统支持,可实现各种控制方式 面板、键盘、屏幕、网络容易修改成本较高不紧凑先期开发的基础实验研究实验室、车间的设备,4-4 单片机的硬件结构特点及应用 单片机（SingleChip microcomputer）的典型结构如图4-22所示，目前常用的MCS-48、51
6、、96系列。其中MCS5l系列单片机是目前8位微机中性能价格比最佳、应用较多的系列产品。,一、MCS51系列单片机的硬件结构特点MCS51系列单片机有8031、8051、8751和8951四种产品，其硬件设计简单灵活。8031片内无ROM和EPROM。8051片内有4k字节的ROM。8751片内有4k字节的EPROM。采用紫外光线的方式抹去原有程序进行改写8951片内有4k字节的EEPROM。采用电清除的方式抹去原有程序进行改写,MCS51系列单片机的引脚如图所示，其引脚功能可分为三大部分：（l）IO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
7、址锁存控制）、EA（片外存储器选择）；RESET（复位控制）。（3）电源及时钟：Vcc、Vss；XTAL1XTAL2。其应用特性：IO口线不能都用作用户IO线。除80518751外真正可完全为用户使用的IO口线只有P1口以及部分作为第一功能使用的P3口；IO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；P3口是双重功能口。,二、MCS51系列单片机的最小应用系统及其扩展 MCS51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ICL710
8、9接口电路 ICL7109为双积分AD转换器,（2）8031与0816接口电路0816芯片为逐次比较式AD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 根据8031单片机的输出信号形式与被控对象的特点，后向通道的结构形式如图4-33所示。,（1）8031与AD7520接口电路。图4-34为采用双缓冲器的接口方法,五、数字显示器及键盘的接口电路1数字显示器的结构及工作原理发光二级管（LED）,点亮显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。,所谓动态显示就是一位一位地轮流
9、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IO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。,（2）键盘工作方式。单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU工作的一个内容之一。CPU在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘扫描，即既保证不失时机的
10、响应键操作，又不过多占用CPU时间。因此，要根据应用系统中CPU的忙、闲情况，选择好键盘的工作方式。键盘的工作方式有编程扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种。,应用：如小型机器人ATmega128 控制处理器，(高档8位单片机,兼容8051)控制LM629 与上位机通讯。LM629 内部集成PID控制器 直接与增量式编码器相连 编程进行位置或速度控制。L293D 电机驱动专用芯片,单片机系统特点：通用硬件专门设计，系统小、专用方案组成灵活、简便软件以汇编为主成本低紧凑智能仪表，专用设备,如小型机器人ATmega128 控制处理器，(高档8位单片机,兼容8051)控制LM629 与上位机通讯。LM629 内部集成PID控制器 直接与增量式编码器相连 编程进行位置或速度控制。L293D 电机驱动专用芯片,运动控制器如固高公司GT400四轴运动控制卡性能：四轴步进或伺服马达控制高性能DSPFPGA结构 6路编码器输入4路脉冲输出最高1MHZ，部分轴占空比可调。4路DA输出10V，16位精度8路AD输入10V，12位精度24路专用数字输入/输出32路通用输入/输出 1路RS232串行口大量板上内存方便用户在Windows下使用,
