四微机控制系统设计PPT课件

1 第四章微机控制系统的选择及接口设计 第一节专用与通用的抉择 硬件与软件的权衡第二节微机控制系统的设计思路第三节微机控制系统的构成与种类第四节微机控制系统的软件与程序设计语言第五节微机应用领域及其选用要点第六节8086 8088CPU的硬件结构特点第七节Z80CPU的硬件结构特点 存储器及输入 输出扩展接口第八节单片机的硬件结构特点及其最小应用系统第九节数字显示器及键盘的接口电路第十节微机应用系统的输入 输出控制的可靠性设计第十一节可编程逻辑控制器 PLC 的构成及应用举例习题与思考题 2 一 检测技术的作用及其组成 是机电一体化系统的一个重要组成部分 将机电一体化系统自身的 作业对象的 作业环境的工作状态参数进行检测 并将检测到的状态参数从物理变化量变为电信号 提供给信息处理及控制系统 以有效的控制机电一体化系统执行机构的动作 机电一体化系统检测系统实质 检测系统组成原理如下图 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 3 传感器的作用 用于检测各种物理量 如位移 速度 力 温度等 并转化为电量信号 如电压 电流 输出 信号处理电路的作用 将传感器输出的电量变成具有一定功率的电压 电流或频率信号 以推动后级的显示电路 数据处理电路等 数据处理装置 用来对测量结果处理 计算 分析 数据处理信号通常送到执行机构或显示器中去 以控制被控对象及显示处理的各种数据 4 二 检测系统的传感器 传感器的功能及分类 传感器 sensor 也叫变换器 transducer 其输出的信号有不同的形式 电压 电流 频率等 以满足信息的传输 处理 记录 显示 控制等要求 按输出信号性质分 5 5 开关型传感器的二值就是 1 和 0 或开 ON 和关 OFF 其工作原理如图b 所示 如果传感器的输入物理量达到某个值以上时 其输出为 1 ON状态 在该值以下时 输出为 0 OFF状态 其临界值就是开 关的设定值 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 6 6 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量 传感器的输入 输出关系可能是线性的 也可能是非线性的 而非线性输出信号则需进行适当修正 将其变成线性信号 一般需先将这些线性信号进行模拟 数字 A D 转换 将其转换成数字信号再送给微机进行处理 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 7 7 数字型传感器有计数型和代码型两大类 其中计数型又称脉冲数字型 它可以是任何一种脉冲发生器 所发出的脉冲数与输入量成正比 加上计数器就可对输入量进行计数 如可用来检测运行机构的位移量 这时运行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发出一个脉冲信号 例如增量式光电码盘和检测光栅就是如此 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 8 8 代码型传感器 其工作原理如图a 2所示 它输出的信号是数字代码 每一代码相当于一个一定的输入量的值 例如图中输入量的值为K1时 输出代码为1010 而输入量的值为K2时 输出代码为1011 代码的 1 为高电平 0 为低电平 通常用来检测执行元件的位置或速度 例如绝对值型光电编码器等 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 9 传感器的功能及分类 根据被测物理量的不同 分为位移传感器 速度和加速度传感器 温度传感器等 按其工作原理分为电阻式 电感式 磁电式 光电式传感器等 传感器的选用 传感器千差万别 测量同一种测定量 可以采用不同工作原理的传感器 注意以下几个方面 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 10 测量条件 传感器的性能 测量的目的 测定量的选定 测量的范围 输入信号的带宽 要求的精度 测量所需时间等 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 精度 响应速度 稳定性 模拟还是数字信号 输出量及电平 被测对象特征的影响 校准周期等 传感器的使用条件 放置的场所 环境 温度 湿度 振动 测量的时间 寿命周期 传输距离 与设备连接方式等 11 体积小 重量轻 对整机的适应性好 精度和灵敏度高 响应快 稳定性好 信噪比高 安全可靠 寿命长 便于与计算机连接 不易受被测对象 如电阻 磁导率 的影响 也不影响外部环境 对环境条件适应能力强 现场处理简单 操作性能好 价格低廉 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 机电一体化系统对传感器的基本要求 12 静态 是指被测量不随时间变化 或随时间变化非常缓慢的状态 静态特性 被测量的数值处在稳定状态时 传感器的输入 输出关系称为传感器的静态特性 主要技术指标有 线性度 灵敏度 迟滞 重复性 分辨率 零漂等 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 13 一 线性度 校准曲线接近拟合直线的程度 线性度 B A 100 B为校准曲线与拟合直线的最大偏差 A为测量系统满量程输出值 即装置的标称输出范围 14 二 迟滞 传感器在正 输入量增大 反 输入量减小 行程中 输出 输入特性曲线的不重合程度 在数值上是用同一输入量下所得滞后偏差的最大值H与测量系统满量程输出值A之比值的百分数表示 即 迟滞 H 15 三 重复性 传感器在同一条件下 被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时 所得输入 输出曲线的不一致程度 称重复性 重复性是衡量测量结果分散性的指标 即随机误差大小的指标 在数值上是用测量结果标准偏差 的2倍 3倍与测量系统满量程输出值A之比值的百分数表示 即 重复性 16 四 灵敏度 传感器在静态标准条件下 输出变化对输入变化的比值称灵敏度 对于线性系统 输出量与输入量之间的关系是一条直线 灵敏度就是该直线的斜率 为一常数 对于非线性系统 灵敏度随输入量的变化而变化 17 五 分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力 分辨率是用全量程范围内最大的 X 最小输入变化量 与测量系统满量程输出值A之比值的百分数表示 分辨率 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 18 六 稳定性 传感器在相同条件下 在相当长时间内 其输出 输入特性不发生变化的性能 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 19 七 精确度 简称精度 它表示传感器的输出量与被测量的实际值之间的符合程度 包括传感器的测量值精度和重复精度 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 20 八 漂移 由于传感器内部因素或外界干扰的情况下 传感器的输出变化称为漂移 当输入状态为零时的漂移称为零点漂移 在其他因素不变情况下 输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移 随着温度变化产生的漂移称为温度漂移 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 21 动态特性 传感器测量动态信号时 输出对输入的响应特性 由于输入量是时间的函数 因此输出量也随时间而变化 而且还与输入信号的频率有关 表征测量系统动态特性指标常有频域指标和时域指标 频域指标由幅频特性和相频特性可得 时域指标由阶跃响应特性可得 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 22 二 各类传感器的主要性能及优缺点 1 位移 位置传感器的测量方法多为电测法 常用位移传感器的类型有 电阻式 电感式 电容式 电磁式 光电式 编码式等 2 速度 加速度传感器 速度传感器有线速度 角速度 转速等传感器 加速度传感器有惯性加速度和振动冲击加速度传感器 3 力 压力和扭矩传感器 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 23 二 各类传感器的主要性能及优缺点 4 温度 湿度 气敏传感器 温度代表物质的冷热程度 是物质内部分子运动剧烈程度的标志 测量温度的方法有接触式和非接触式两类 因此 温度传感器也被分为接触式和非接触式 5 物位传感器 6 流量传感器 7 视觉 触觉传感器 各种传感器的主要性能及其优缺点参看教材表4 21 4 31 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 24 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 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 25 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 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 26 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 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 27 有载特性 作为传感器用的电位器 它的负载电阻阻值与电位器本身阻值之比是有限的 此时所得特性为负载特性 结论 KL不能太小 28 电位器式传感器的特点与应用 电位器式传感器结构简单 体积小 质量轻 价格低廉 性能稳定 对环境条件要求不高 输出信号较大 一般不需放大 并易实现函数关系的转换 但电阻元件与电刷间由于存在摩擦 磨损 及分辨率有限 故其精度一般不高 动态响应较差 主要适合于测量变化较缓慢的量 29 按制作方式 线绕电位器 30 按制作方式 导电塑料电位器这种电位器的电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成 耐磨性好 使用寿命长 允许电刷接触压力很大 因此它在振动 冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作 此外 它的分辨率较高 线性度较好 阻值范围大 能承受较大的功率 缺点是阻值易受温度和湿度的影响 故精度不易做得很高 31 按制作方式 光电电位器式传感器 光电电位器是一种非接触式电位器 它用光束代替电刷 光电电位器主要是由电阻体 光电导层和导电电极组成 输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关 从而实现了将光束位移转换为电压信号输出 光电电位器最大的优点是非接触型 不存在磨损问题 它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩 从而提高了传感器的精度 寿命 可靠性及分辨率 由于它的优点是其它电位器所无法比拟的 因此在许多重要场合仍得到应用 32 例题 已知某一线性电位器的测量位移原理如图所示 若电位器的总电阻R 4k 电刷位移为X时的相应电阻Rx 2k 电位器的工作电压Vi 12V 负载电阻为RL 1 已测得输出电压Vo 5 6V 求RL 2 试计算此时的测量误差 33 2 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片受力产生应变而使电阻阻值发生变化的原理来测量被测参量的大小 传感器主要由弹性元件 粘贴在弹性元件上的电阻应变片和壳体所组成 34 电阻应变式传感器的应用 测力 35 应变式电阻传感器是以电阻应变片为转换元件的传感器 公式 利用应变片测量力的基本原理 力的变化 机械形变 电阻变化 R 应变值 标准产品 36 案例 机器人握力测量 37 3 电感式传感器 简单自感式传感器 工作原理如图所示 它主要由线圈 铁芯和衔铁组成 铁芯与衔铁之间有一空气间隙 空气隙长度为 当衔铁在被测参量带动下移动时 磁路中气隙的磁阻发生变化 从而引起线圈电感的变化 把电感的变化通过测量电路转换为电压或电流的变化 38 电涡流式传感器工作原理 把一个线圈放到一块金属导体附近 当线圈通过交流电流I1时 在线圈的周围会产生交变磁场H1 使置于交变磁场中的金属导体中感应出交变电流I2 此电流呈旋涡状 故称 电涡流 此交变电涡流也会产生交变磁场H2 而电涡流产生的交变磁场H2与线圈产生的磁场H1方向相反 由于磁场H2的反作用 使 3 电感式传感器 39 原来线圈的阻抗发生变化 线圈阻抗变化的大小与金属导体的电导率 磁导率 厚度h 线圈激励电流I和角频率 以及线圈与金属导体之间的距离d等参数有关 Z f h I d 40 由上式可知 只要改变函数中任一参数 都可使线圈阻抗发生变化 若固定某些参数恒定不变 只变化其中某一参数 此时阻抗就与这个参数成单值函数关系 使用广泛的电涡流位移传感器 只使阻抗Z与距离d成单值函数关系 Z f h I d 41 电涡流式传感器 42 简单电感传感器具有以下特点 1 结构简单 工作可靠 2 灵敏度高 分辨力较大 3 测量精度较高 4 频率响应较低 不宜测高频动态参量 该传感器广泛用于测量位移量 也可以测量能引起位移变化的参量 如力 压力 速度 加速度 流量 厚度等 电涡流式传感器的特点是结构简单 灵敏度高 测量范围大 抗干扰能力强 具有非接触测量等 常用它来测量位移 振动物体的振幅 零件几何尺寸 表面粗糙度及裂纹等 电感式传感器的特点 43 4 电容式传感器 电容式传感器是把被测物理量转换为电容器电容量变化的一种传感器 它具有结构简单 灵敏度高 动态响应特性好 适应性强 抗过载能力大及价格低廉等优点 因此 可以用来测量压力 力 位移 振动 液位等参数 44 5 压电式传感器 某些物质 如石英 受到外力作用时 不仅几何尺寸会发生变化 而且内部会被极化 表面产生电荷 当外力去掉时 又重新回到原来的状态 这种现象称为压电效应 45 压电式传感器的特点 1 压电式传感器属发电类传感器 在无需外界供电情况下 传感器受力后即有电压输出 2 与其他类型的传感器比较 其最大特点是固有频率高 而且频带很宽 因此 压电式传感器主要用于测量动态参量 3 压电式传感器与电荷放大器配套时 低频响应很好 但传感器本身常因绝缘阻抗不够高而存在漏电现象 而影响低频特性 因此压电传感器不适于测静态参量 4 具有灵敏度高 信噪比大 工作可靠 体积小 质量轻等优点 因此 目前在测量加速度和动态压力 力方面得到广泛应用 46 数控机床进给系统机械传动方案和检测方案 47 系统 产品 基本构成 低速端测量方案 传感器安装在工作台上 直接测量工作台的位移 可选用光栅式位移传感器 感应同步器或者电位计式位移传感器 48 高速端测量方案 传感器安装在电机的尾部 通过测量电机的转角实现工作台位移的间接测量 可选用光电编码器式传感器或者磁电式编码器 49 6 位移和速度检测装置 在机电一体化系统中位移和速度检测装置使用非常广泛 下面主要介绍这两类检测传感器 一 光电编码器 1 增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲 然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数 以此来表示转过的角位移量 光电码盘随被测轴一起转动 在光源的照射下 透过光电码盘和光栅板形成忽明忽暗的光信号 光敏元件把此光信号转换成电信号a b z 工作原理 50 2 绝对值式编码器绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件 编码方式 51 二 光栅光栅是一种新型的位移检测元件 是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置 它的特点是测量精确度高 可达 1 m 响应速度快 量程范围大 可进行非接触测量等 其易于实现数字测量和自动控制 广泛用于数控机床和精密测量中 莫尔条纹 视频 52 莫尔条纹间距W与光栅节距 和倾角 之间的关系 由于 很小 因此 光栅横向移动一个节距 莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W 用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移 光栅原理 莫尔条纹 53 二 光栅 光栅检测装置的结构 莫尔条纹的特点 放大作用 使栅距的节距误差平均化 根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向 54 1 转子轴 2 外壳 3 分解器定子 4 分解器定子绕组 5 变压器一次线圈 6 变压器转子 7 分解器转子绕组 8 分解器转子 9 变压器二次线圈 10 定子线轴 三 旋转变压器 是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器 旋转变压器结构示意图 55 三 传感器的选用原则及注意事项 选用传感器时 首先要根据使用要求在众多传感器中选择适合自己所需要的 用户只需根据使用要求按其主要性能参数 如测量范围 精度 分辨力 灵敏度等选用即可 传感器性能参数指标包含的面很宽 对于具体的某种传感器 应根据实际的需要和可能 在确保其主要性能指标的情况下 适当放宽对次要性能指标的要求 以形成较高的性能 价格比 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 56 三 传感器的选用原则及注意事项 此外 还可以采取某些技术措施来改善传感器的性能 这些技术有 1 平均技术 缩小检测误差常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理 2 差分技术 减少非线性误差3 稳定性处理 提高传感器可靠性和寿命对传感器的结构材料要进行时效处理 对电子元件进行筛选等 4 屏蔽和隔离 提高抗外界干扰的能力 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 57 三 传感器的选用原则及注意事项 抗干扰措施 常采用的抗干扰措施有屏蔽 接地 隔离和滤波 屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件 传输导线 电路及组合件包围起来 以隔离内外电磁或电场的相互干扰 接地电路或传感器中的地指的是一个等电位点 它是电路或传感器的基准电位点 与基准电位点相连接 就是接地 传感器或电路接地 是为了清除电流流经公共地线阻抗时产生噪声电压 也可以避免受磁场或地电位差的影响 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 58 三 传感器的选用原则及注意事项 抗干扰措施 常采用的抗干扰措施有屏蔽 接地 隔离和滤波 隔离当电路信号在两端接地时 容易形成地环路电流 引起噪声干扰 这时 常采用隔离的方法 把电路的两端从电路上隔开 隔离的方法主要采用变压器隔离和光电耦合器隔离 滤波检测电路中还常设置滤波电路 对由外界干扰引入的噪声信号加以滤除 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 59 三 传感器的选用原则及注意事项 抗干扰措施 常采用的抗干扰措施有屏蔽 接地 隔离和滤波 滤波滤波电路或滤波器是一种能使某一种频率顺利通过而另一种频率受到较大衰减的装置 按选频作用分 低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 60 三 传感器的选用原则及注意事项 按选频作用分 低通滤波器 低通滤波器只让低频成分通过 而高于截止频率的成分则受抑制 衰减 不让通过 高通滤波器 高通滤波器只通过高频成分 而低于截止频率的成分则受抑制 衰减 不让通过 带通滤波器 带通滤波器只让某一频带范围内的频率成分通过 而低于下截止和高于上截止频率的成分均受抑制 不让通过 带阻滤波器 带阻滤波器只抑制某一频率范围内的频率成分 不让其通过 而低于下截止和高于上截止频率的频率成分则可通过 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 61 1 作用 选频作用 进行频谱分析 滤除干扰噪声2 分类 低通滤波器按选频作用分 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 上页 目录 滤波器 62 三 传感器的选用原则及注意事项 多数传感器采用的是非电量的电测方法 传感器在出厂时均要进行标定 需要说明的是 用户在使用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具有足够的精度 至少比被校准传感器的精度高一个精度等级 且符合国家计量值传递的规定或经计量部门鉴定合格 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 63 三 传感器的选用原则及注意事项 选用传感器时 要特别注意不同系列产品的应用环境 使用条件和维护要求 环境变化 如温度 振动 噪声等 将改变传感器的某些特性 如灵敏度 线性度等指标 且能造成与被测参数无关的输出 如零点漂移 为保证测量精度 根据使用目的可对环境条件及使用条件提出一定要求 或采取一定措施 如隔振 还可根据传感器的环境参数指标 如零点温漂 加速度灵敏度等 及应用环境要求合理选用传感器 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 64 四 传感器的测量电路及微机接口 传感检测系统的构成如下图所示 传感器处于被测对象与检测系统的界面位置 是信号输入的主要窗口 为检测系统提供必需的原始信号 中间转换电路将传感器的敏感元件输出的电参数信号转换成易于测量或处理的电压或电流等电量信号 通常 这种电量信号很微弱 需要由中间转换电路进行放大 调制解调 A D D A 转换等处理以满足信号传输 微机处理的要求 中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定 不同的传感器要求配用的中间转换电路经常具有自己的特色 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 65 四 传感器的测量电路及微机接口 传感器的测量处理电路主要包括检测测量电路和信号放大转换电路两部分 1 传感器的检测测量电路 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 模拟型测量电路 调制 放大 解调 滤波 A D转换处理 数字型测量电路 光电转换 放大整形 检测量编码 开关型测量电路 对检测信号的放大或降压 分流等 66 四 传感器的测量电路及微机接口 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 隔离 滤波电路等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 放大 解调设计电路 可得到几乎无干扰信号的放大测量信号 A D D A转换电路 实现检测输入 计算机处理 输出执行信号之间的匹配转换 67 3 调制与解调电路常先用调制器把直流信号变换成某种频率的交流信号 经交流放大器放大后再通过解调器将此交流信号重新恢复为原来的直流信号形式 4 模 数 A D 与数 模 D A 转换电路在机电一体化系统中 传感器输出的信号如果是连续变化的模拟量 为了满足系统信息传输 运算处理 显示或控制的需要 应将模拟量变为数字量 或再将数字量变为模拟量 前者就是模 数 A D 转换 后者为数 模 D A 转换 第十二节常用检测传感器的性能特点 选用及其微机接口 68 输入到微机的信息必须是微机能够处理的数字量信息 传感器的输出形式可分为模拟量 数字量和开关量 与此相应的有三种基本接口方式 见下表 四 传感器的测量电路及微机接口 69 1 输入放大器被分析的信号幅值大小不一 输入放大器 或衰减器 便是对幅值进行处理的器件 对于超过限额的电压幅值 可以加以衰减 对于太小的幅值 则加以放大 避免影响采样精度 输入放大器上往往设有DC和AC选择挡 在分析交变信号时可用AC挡来减小测试系统中传感器或放大器的零漂误差 有时分析的信号是交变信号与直流分量的叠加 但若感兴趣的只是交变信号 这时就可用AC挡来消除直流分量 AC挡成为隔直电路 这样 AC挡实际上具有高通滤波特性 DC挡是对信号直接进行处理