第4章 控制用微机

1、 第第4 4章章 控制用微型计算机控制用微型计算机 4.1 4.1 单片微型计算机单片微型计算机 4.2 4.2 可编程控制器可编程控制器 4.3 4.3 工业控制机工业控制机 计算机控制系统的核心是计算机，由于微型计算机体积小，价格低，功能强，适应性好，目前已经在控制系统中得到了广泛的应用。 控制系统中常用的微型计算机主要有以下几种：控制系统中常用的微型计算机主要有以下几种： （1）单片微型计算机和嵌入式系统 （2）可编程逻辑控制器 （3）STD总线工控机 （4）工业PC机 4.1 4.1 单片微型计算机和单片微型计算机和嵌入式系统嵌入式系统 单片微型计算机（SINGLE CHIP MICR

2、OCOMPUTER）简称单片机，是将CPU、存储器、定时/计数器、多种I/O接口集成在一块大规模集成电路上，这样一片芯片就是一台一定规模、具有独特功能的微型计算机。 由于单片微型计算机体积小、价格低、功能强、适应性好，在计算机控制系统中得到了广泛的应用。 设计者根据控制系统的要求开发一个单片机系统，其基本方法是在单片机的基础上扩展一些部件: (1)(1)存储器存储器 (2) (2)键盘接口键盘接口 (3)LED (3)LED或或LCDLCD显示接口显示接口 (4) (4)模拟量和开关量输入模拟量和开关量输入/ /输出接口输出接口 (5) (5)配置适当的应用软件配置适当的应用软件 组成完整的单

3、片机系统，完成工业控制的各种功能。一、常用的单片微型计算机一、常用的单片微型计算机 目前国际上流行的单片微型计算机有INTER系列（美国），MOTOROLA系列（美国），NEC系列（日本）等，其中INTER公司的MCS系列产品在国内得到广泛的应用，包括MCS-51，MCS-96，MCS-196等系列产品。（一）（一）MCSMCS系列单片机系列单片机 包括 MCS-51系列8位单片机和MCS-96系列16位单片机，由INTER公司推出。 1. 80C51 1. 80C51系列系列 80C51是MCS-51系列中CHMOS工艺的一个典型品种；厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为

4、80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有： Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等； ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等； Philips、华邦、Dallas、Siemens等公司的许多产品 。 Atmal公司的89C51和89S51系列单片机是目前功能最强、最受用户欢迎的MCS-51单片机。 Atmal 89系列单片机的特点是：（1）内部ROM采用Flash存储器，开发过程中容易修改，可缩短系统的开发周期。（2）与80C51完全兼容，应用时无需作任何修改。（3）增加了静电时钟方式，功耗低。（4）89S51具有

5、ISP系统编程功能，无须专用仿真器。2 2、MCSMCS9696系列系列1616位单片机位单片机 MCS96系列16位单片机由INTER公司于1983年推出。该单片机在一块芯片上集成了13万以上个管子，性能比MCS-51有较大的提高。MCS-96系列单片机可分为8096子系列，80C196子系列和8098子系列。 8096子系列 8096子系列采用HMOS工艺，包含多种机型，如表所示。ROMEPROM无ROMROMRAMI/O定时器串行口中断8396879680968KB2323*82*161883C19687C19680C1968KB2323*82*161880988KB2323*83*16

6、18 8096 系列16位单片机的主要特点如下：（1）一个16位CPU；（2）8KB片内ROM，232字节RAM；（3）可扩充外部ROM、RAM各64KB；（4）硬件乘法/除法功能；（5）10位A/D转换器；（6）高速输入/输出单元HSI/HSO，在12MHZ时钟下检测和产生脉冲的分辨率达2S；（7）全双工串行口；（8）可编程8个中断向量优先级中断系统；（9）脉冲宽度调制（PWM）输出，可提供可变占空比脉冲序列，也可产生模拟信号输出。 80C196子系列 为了进一步提高产量性能并降低功耗，INTER公司在1990年推出采用CHMOS技术制造的80C196子系列。80C196子系列分为TB、KB

7、、KR、KC等多代产品，有关各代产品的详细情况可查阅相关资料，这里不再一一叙述。 8098子系列 MCS8098是INTER公司1989年推出的准16位单片机。8098单片机外部总线8位，比8096少一些管脚，该单片机不仅可达到16位机的运算速度，而且可满足小体积和8位外部总线的要求，价格也相对便宜，推出后受到了用户的欢迎。（二）（二）NECNEC系列单片机（系列单片机（ PDPD系列系列）ROMEPROM无ROMROMRAMI/O定时器串行口中断78000128321*121578C064K128461*121878098K256481*16111 （三）（三）MOTOROLAMOTOROL

8、A系列单片机（系列单片机（ MC6801MC6801系列）系列）ROMEPROM无ROMROMRAMI/O定时器串行口中断68016870168032KB128291*1617二、单片机控制系统二、单片机控制系统 以单片机为控制系统的核心，进行M、I/O通道、显示等硬件扩充，再配备软件，完成过程控制中对模拟量和开关量的采集、计算、分析和控制过程。光电隔离光电隔离A/DD/AI/O接口单片机M扩充显示键盘外设开关量开关量模拟量模拟量ROMRAM静态动态标准非标准（一）存储器扩充（一）存储器扩充 1 1、地址和编码方式地址和编码方式（1）统一式编码方式 单片机一般采用（2）隔离式编码方式 PC机采

9、用 2 2、M M的片选控制方式的片选控制方式（1）线选控制方式（2）局部译码法（3）全译码法 3 3、M M芯片的选择芯片的选择（1）RAMSRAM、DRAM、IRAM（2）ROM 掩膜ROM、PROM、EPROM、E2 PROM 、闪速存储器 4 4、与、与CPUCPU的连接的连接（1）负载能力 较小系统CPU可与M芯片直接连接，较大系统时增加驱动器。（2）时序的配合 尽量选与CPU速度相近的M芯片。（3）M的地址分配 确定扩充M的容量，选择合适的芯片，画出地址分配图，选出译码器等其它器件，画出硬件连接图。（4）搭出硬件电路并进行调试，制作集成电路板。（二）显示器（二）显示器 控制系统常用

10、显示器：（1）显示和记录仪表 （2）LED和LCD（3）CRT显示器（4）大屏幕 1 1、 LED LED显示器显示器（1）分为七段和米字型 （2）有共阴和共阳两种接法（3）有红、黄、蓝、紫多种颜色（4）已经有将4-6位集成在一起的多位LED数码管LED数码管的显示方法:（1）软件实现方法动态显示：单片机定时对显示器件扫描，显示器件分时工作。 优点：使用硬件少、线路简单、价格便宜 缺点：占用机时长静态显示:单片机一次输出显示后，一直保持显示结果，直到下一次送新的显示内容。 优点：占用机时少、显示可靠 缺点：使用硬件多、线路比较复杂、价格较高（2）硬件实现方法 采用硬件译码器代替软件获得显示代码

11、，其优点是节省CPU的机时，程序设计简单。同样分为动态和静态两种。 MC14558：具有锁存、驱动和译码三重功能单片机与LED数码管接口/程序：六位数码管动态显示“012345”#include /函数名：delay50ms/函数功能：采用定时器1、工作方式1实现50ms延时，晶振频率12MHz/形式参数：无 /返回值：无void delay50ms() TH1=0 x3c;/ 置定时器初值 TL1=0 xb0; TR1=1;/ 启动定时器1 while(!TF1); / 查询计数是否溢出，即定时到，TF1=1 TF1=0; / 50ms定时到，将定时器溢出标志位TF1清零void main(

12、) /主函数 unsigned char led=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92;/设置数字05字型码 unsigned char i,w; TMOD=0 x10; /设置定时器1工作方式1 while(1) w=0 x01; /位选码初值为01H for(i=0;i6;i+) P2=w; /位选码取反后送位控制口P2口 w=1; /位选码左移一位，选中下一位LED P1=ledi; /显示字型码送P1口 delay50ms(); /延时50ms 如图扩充一片8155进行6位LED的动态显示：(1) 用PB口8条线接LED的数据端,提供显示码(2) 用P

13、A口的6条线接LED控制口控制LED的亮和灭 依次改变B口的输出数据和A口的控制电平可使6位LED灯显示要求的字符。(3) 8155地址： 7F00H 控制字7F01H A口 7F02H B口 动态显示子程序显示缓冲区首地址R0指向显示最左位8155地址DPTR取要显示的数据求该数据的显示码送显示码到8155B口送位选码到8155A口延时6位数码显示完？返回求下一位位选码修改显示缓冲区地址N MOV DPTR，#7F00H ；命令寄存器地址送DPTR MOV A，#03H ；A、B口输出 MOVX DPTR，A DIS：MOV R0，# DSEG ；显示数据缓冲区首地址送R0 MOV R3，#

14、01H ；使显示器最右边位亮 MOV A，R3 LD0：MOV DPTR，#7F01H ；数据指针指向A口 MOVX DPTR，A ；送扫描值 MOV DPTR,#7F02H ；数据指针指向B口 MOV A，R0 ；取欲显示的数据 MOVX DPTR，A ；送显示 ACALL DL1 ；调用延时子程序 INC R0 ；指向下一个显示段数据地址 MOV A，R3 JB ACC.5，ELD1 ；扫描到第六个显示器否? RL A ；未到，扫描码左移1位 MOV R3，A AJMP LD0ELD1：RETDSEG：DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH DB 7DH，07H，7FH，6F

15、H，77H，7CH DB 39H，5EH，79H，71H，40H，00H DL1：MOV R7，#02H ；延时1ms子程序 DL：MOV R6，#0FFH DL6：DJNZ R6，DL6 DJNZ R7，DL RET 2 2、液晶显示器、液晶显示器LCDLCD12345678910111213141516VSS VDD VORS R/WEDB0 DB1ADB3DB2DB5DB4DB7DB6KLCD模块模块RSR/W操作操作00写命令写命令操作（初始化、光标定位等）操作（初始化、光标定位等）01读状态读状态操作（读忙标志）操作（读忙标志）10写数据写数据操作（要显示的内容）操作（要显示的内容）

16、11读数据读数据操作（显示存储区中的数据反读出来）操作（显示存储区中的数据反读出来）Vss: +5V电源管脚(Vcc)VDD: 地管脚(GND)Vo: 液晶显示驱动电源(0V5V) A：背光控制正电源 K：背光控制地 DB0DB7：数据线 1 1、读状态操作、读状态操作 状态字的最高位的BF为忙标志位，1表示LCD正在忙，0表示不忙。通过判断最高位BF的0、1状态，就可以知道LCD当前是否处于忙状态，如果LCD一直处于忙状态，则继续查询等待，否则进行下面的操作。查询忙状态程序段如下：do i=lcd_r_start(); / 调用读状态函数，读取LCD状态字 i&=0 x80; / 采

17、用与操作屏蔽掉低7位 delay(2); / 延时 while(i!=0); / LCD忙，继续查询，否则退出循环 2 2、写命令操作、写命令操作 LCD上电时，都必须按照一定的时序对LCD进行初始化操作，主要任务是设置LCD的工作方式、显示状态、清屏、输入方式、光标位置等。void lcd_w_cmd(unsigned char com) unsigned char i; do / 查LCD忙操作 i=lcd_r_start(); / 调用读状态字函数 i=i&0 x80; / 与操作屏蔽掉低7位 delay(2); while(i!=0); / LCD忙，继续查询，否则退出循环 写

18、命令操作 RW=0; delay1(); RS=0; / RW=1，RS=0，写LCD命令字 delay1(); E=1; /E端时序 delay1(); P1=com; /将com中的命令字写入LCD数据口 delay1(); E=0; delay1(); RW=1; delay(255);字符LCD 液晶显示和接口 写命令操作 编号指令名称控制信号命令字D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01清屏0 00 0 0 0 0 0 0 12归home位0 00 0 0 0 0 0 1 3输入方式设置0 00 0 0 0 0 1 I/D S4显示状态设置0 00 0 0 0 1 D C B

19、5光标画面滚动0 00 0 0 1 S/C R/L 6工作方式设置0 00 0 1 DL N F 7CGRAM地址设置0 00 1 A5 A4 A3 A2 A1 A08DDRAM地址设置0 01 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A09读BF和AC0 1BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC03 3、初始化操作、初始化操作 LCD初始工作方式设置显示状态设置清屏返回输入方式设置001DL N F * *设置单片机与LCD接口数据位数DL、显示行数N、字型FDL=1:8位、DL=0:4位； N=1:2行、N=0:1行F=1:510、F=0:57例：00111000B（38H

20、）设置数据位数8位，2行显示，57点阵字符00001DCB设整体显示开关D、光标开关C、光标位的字符闪耀BD=1:开显示；C=0:不显示光标；B=0:光标位字符不闪烁 例：00001100B（0CH）打开LCD显示，光标不显示，光标位字符不闪烁清屏命令字01H，将光标设置为第一行第一列000001 I/D S设光标移动方向并确定整体显示是否移动I/D=1:增量方式右移、I/D=0:减量方式左移S=1:移位、S=0:不移位例：00000110B（06H）设置光标增量方式右移，显示字符不移动4 4、写数据操作、写数据操作 光标位置与相应命令字 列行 123456789101112131415161

21、808182838485868788898A8B8C8D8E8F2C0C1C2C3C4C5C6C7C8C9CACBCCCDCECF注： 表中命令字以十六进制形式给出，该命令字就是与LCD显示位置相对应的DDRAM地址。void lcd_w_dat(unsigned char dat) unsigned char i; do / 查忙操作 i=lcd_r_start();/ 调用读状态字函数 i=i&0 x80; / 与操作屏蔽掉低7位 delay(2); while(i!=0); / LCD忙，继续查询，否则退出循环 RW=0; delay1(); RS=1;/ RW=1，RS=0，写

22、LCD命令字 delay1(); E=1;/ E端时序 delay1(); P1=dat;/ 将dat中的显示数据写入LCD数据口 delay1(); E=0; delay1(); RW=1; delay(255);（三）单片机与键盘接口（三）单片机与键盘接口键盘是按键开关的集合，用于输入数据、程序及命令。键盘分为编码和非编码，可用硬件和软件进行识别。少量功能键接口：采用相互独立的单线连接方法键盘数量较多接口：采用矩阵式键盘及接口PA0KINT+5VPC0PC0PA0PA3X0X3Y0K18255Y3K41、键盘与CPU的连接可采用I/O接口，如：8255、8155或采用锁存器，如：74LS3

23、73、74LS244等2、处理键盘采用扫描法，有程控扫描、定时扫描和中断扫描法三种 （1）程控扫描 用程序控制键盘的扫描，一般分为两步：先使行输出低电平，读列值判断有无键按下；若有键按下，再逐行扫描找出按下的键。 （2）定时扫描 CPU每隔一定时间对键盘扫描一次，当发现有键按下时进入读入键盘操作。 （3）中断扫描 一旦有键按下，向CPU发中断请求，CPU响应中断后转到中断服务程序进行判断和处理。3、按键的确认和防抖 （1）用电平的高低来判断键盘是否按下，对于重键以键释放为按键的结束。 （2）多数键盘采用机械弹簧开关，断开和闭合时会产生抖动，影响按键的判断，需要排除抖动的影响。 硬件防抖可采用R

24、C积分电路或双稳态消抖电路。 软件防抖可编写延时程序（10MS）。4、通用键盘/显示接口芯片8279 （1）可构成64按键矩阵扫描接口; （2）可为LED、LCD提供显示接口; （3）可直接与CPU连接，简化系统的设计，节省CPU的时间。三、嵌入式系统三、嵌入式系统（一）嵌入式系统的定义（一）嵌入式系统的定义1)IEEE (1)IEEE (国际电气和电子工程师协会国际电气和电子工程师协会) )定义定义 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。2)2)一般定义一般定义 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严

25、格要求的专用计算机系统。 *嵌入式系统是嵌入到目标体系中的专用计算机嵌入式系统是嵌入到目标体系中的专用计算机（二）嵌入式系统的三要素（二）嵌入式系统的三要素1、嵌入性2、专用性3、计算机系统（三）嵌入式系统发展的四个阶段（三）嵌入式系统发展的四个阶段 1、以单片机为核心的低级嵌入式系统： 2、以嵌入式微处理器为基础的初级嵌入式系统 3、以嵌入式操作系统为标志的中级嵌入式系统 4、以Internet为标志的高级嵌入式系统彼此互连（四）嵌入式系统的应用（四）嵌入式系统的应用（五）嵌入式系统的组成（五）嵌入式系统的组成n嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成;n硬件以微处理器为核心集成存储器和系统专用

26、的输入/输出设备;n软件包括：嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。（六）嵌入式处理器的种类（六）嵌入式处理器的种类1、嵌入式微处理器（EMPU）2、嵌入式微控制器（EMCU）3、嵌入式数字信号处理器（EDSP ）4、嵌入式片上系统（System on Chip，SoC）（七）嵌入式操作系统（七）嵌入式操作系统用于计算机系统的操作系统有：1、多道批处理操作系统：适用于大型计算机系统2、分时操作系统：适用于多用户多任务的共享系统3、实时操作系统：适用于要求实时性的系统 嵌入式操作系统采用实时操作系统（RTOS）：根据各个任务的需要，进行资源、信息管理和任

27、务调度、异常处理等工作。RTOS根据任务的优先级，动态切换各个任务，以保证实时性。 嵌入式实时操作系统的应用提高了系统的可靠性，缩短了开发周期，能充分发挥32位CPU的多任务潜能。 目前流行的嵌入式操作系统有：（1）Linux：代码公开，性能稳定、网络功能好（2）WinCE：微软开发，移植性好（3）VxWorks：美国WIND-RIVER公司研制，高端领域应用较多（4）C/OS-II：源码公开，C语言编写，移植性好四、单片机应用系统的开发四、单片机应用系统的开发 （一）开发的步骤 1、总体设计 根据应用系统的技术要求，进行实地和市场调查，制定应用系统的开发目标和总体方案。（1）确定单片机的型号

28、 功能、性价比、结构是否熟悉、货源是否稳定等。（2）确定输入输出信号的数量和类别。 由输入输出信号确定I/O通道的部件和检测、执行器件的初步选型。（3）硬件软件的功能划分 许多器件，如定时、逻辑电路即可用硬件实现，也可用软件实现，需根据系统的实时性要求和投资成本确定实现系统的硬软件比例。（4）可靠性措施 应用现场存在着各种干扰，需根据现场的环境制定可靠性措施。 总体设计的成果：提供一份详细的设计说明书。（二）硬件设计 根据系统总体设计方案设计系统的硬件电路图，完成工艺结构设计、电路板制作和电路板的组装。硬件设计包括：1、单片机基本系统设计 完成时钟电路、复位电路和电源的设计。2、输入输出通道设

29、计 传感器、模拟输入输出通道（放大、滤波、多路开关、AD和DA转换等），开关接口电路（隔离、滤波等），驱动与执行结构的设计。3、人机界面和存储器设计 按钮、开关、显示器、存储器和报警电路的设计。 （三）软件设计 应用软件包括数据采集、信息处理、控制算法和人机交互等程序的设计。（四）系统调试 对硬件和软件进行分别得调试，最后进行硬软件综合调试，直到系统达到设计的要求。 五、单片机应用系统设计举例五、单片机应用系统设计举例 AT89S52 AT89S52 自动温控电风扇自动温控电风扇 单片机体积小、重量轻、集成度高、抗干扰能力强、性价比高，适合应用于小型的自动控制系统中。 电风扇起停的自动控制，能

30、够解决夏天人们晚上熟睡时，由于夜里温度下降而导致受凉，或者从睡梦中醒来亲自开关电风扇的问题，具有现实意义。 利用AT89S52单片机设计自动温控电风扇系统，当温度高于20时，自动打开电风扇；低于20时自动关闭电风扇。还实现当温度过高或过低时，蜂鸣器发出声音报警提醒人们注意避暑或防止受凉。 1 1、设计方案、设计方案 电路的总框图如图所示。 在系统中，单片机通过检测18B20采集的温度来作出相应处理，用单片机P2.7线接继电器。 当温度高于20时，P2.7输出高电平，继电器线圈通电，经磁铁吸合，使其对应常开触点闭合，电风扇电路导通，电风扇转动； 当温度低于20，单片机P27引脚输出低电平，继电器

31、线圈中没有电流通过，磁铁落下，常开触点保持断开，电风扇电路不通电，电风扇不能运行，从而实现了电风扇的自动起停。 同时把温度显示在数码管上，当温度高于35或低于0时，蜂鸣器发出声音报警。 2 2、硬件电路设计、硬件电路设计 硬件电路中单片机起控制作用； 18B20进行温度采集，把采集到的室内温度送到单片机中，单片机进行判断，根据判断的结果控制相应引脚P2.7输出高电平或低电平，控制继电器线圈中能否有电流经过，达到控制电风扇转动或停止的目的； 继电器用来实现对电风扇的自动控制； 数码管用于显示当前的温度； 蜂鸣器用来当温度过高或过低时发出响声报警； 下载线接口用来实现在线编程。2.1 AT89S5

32、22.1 AT89S52单片机单片机 AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB ISP(InSystem Programmable)的可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，支持在线编程。 兼容标准MCS一51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP FLASH存储单元。 特点为：有优异的性能价格比；集成度高、体积小、可靠性高；控制功能强；低电压、低功耗。2.2 2.2 温度检测电路设计温度检测电路设计 DALLAS公司的最新数字温度传感器DS18B20，是新的“一线器件”，体积小、适用电压宽、经济、使用方便等特点。 DSl8B2

33、0“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55+125，在-10+85范围内，精度为0.5。 现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，可提高系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。DSl8820可以程序设定912位的分辨率，精度为O.5，温度采集具有准确性、实时性。 DSl8820的管脚排列如下： DQ为数字信号输入输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。 检测的温度高于一定值时，单片机引脚输出高电平，通过继电器实现弱电控制强电，打开电风扇，当温度低于一定值时，单片机引

34、脚输出低电平，控制电风扇停止转动。 另外，温度过高或过低时，蜂鸣器发出声音。 2.3 2.3 继电器控制电路继电器控制电路 2.3.1 2.3.1 继电器简介继电器简介 继电器有线圈，磁铁，常开触点，常闭触点构成。 常开触点在线圈不通电的情况下是断开的，当线圈中有电流经过时，常开触点闭合；常闭触点在线圈不通电的情况下是闭合的，当线圈中有电流经过时断开。 本文用到的是继电器的常开触点，即在继电器线圈没有电流经过时是断开的状态，当继电器线圈中有电流经过时闭合导通。 2.3.2 2.3.2 继电器作用继电器作用 实现弱电控制强电，单片机是弱电器件，一般情况下它的工作电压为5V，电风扇工作所需电压为2

35、20 V，属于强电，强电不能和弱电有任何电器接触，防止强电进入到单片机内，继电器起到隔离作用。 由于单片机的工作电压是5V，驱动电流在mA级以下，要用于一些大功率场合，控制电风扇，要有一个环节来衔接，就是 “功率驱动”环节。继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口，起到控制作用，三极管起到放大作用。 继电器由相应的三极管来驱动，当温度高于20时，给单片机一个命令，setb P2.7，单片机P2.7引脚输出高电平，三极管导通，继电器线圈通电，常开触点闭合，电风扇电路接通，电风扇开始转动。 温度低于20时，执行CLR P2.7，单片机P2.7引脚输出低电平，三极管截至，继电器线圈中没有电流经过，常

36、开触点保持原断开状态，电风扇电路断路，电风扇不能转动。 继电器线圈两端反相并联的二极管起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管。 继电器自动控制电路图如图所示。实现自动控制时先把开关S1闭合。 3 3、系统程序设计、系统程序设计 根据流程图编写程序是单片机在温度高于20控制电风扇转动，低于20控制电风扇停止，温度过高(高于35)或温度过低(低于0)，控制蜂鸣器发出响声。系统程序流程图如图所示。4 4、系统调试与测试、系统调试与测试 先利用Proteus和Keil软件进行仿真，设计印制板，加工好后选取器件进行焊接，编写程序，调试成功后通过下载线下载到单片机芯片中，组装整个系统，进行整体调试

37、。简易调试方法：简易调试方法：连接好电路后，用打火机在温度传感器18B20附近使温度升高，或者将冰块放在旁边使温度下降，检测电风扇是否能根据温度变化而实现自动起停，经实验，该系统能够实现电风扇的自动起停，而且反应灵敏，也能够实现报警功能，达到了预期的目的。4.2 4.2 可编程控制器可编程控制器 可编程控制器（Programmable Controller）是20世纪60年代末发展起来的替代继电器系统的新型工业控制器。早期的可编程控制器是为完成顺序控制而设计的，它仅有逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能，替代继电器用于开关量控制。当时将可编程控制器称为可编程逻辑控制器，简称PLC。1969年，美

38、国数字设备公司(DEC公司)研制出了第一台可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)，在GM公司的自动装配线上试用获得了成功。 70年代以后，随着大规模和超大规模集成电路的飞速发展，PLC广泛采用了16位和32位微处理器，使控制器的功能大大加强，可靠性提高，功能和体积减小，成本下降；目前已取代传统的逻辑控制装置，成为工业自动化的主要支柱之一。 可编程控制器已经广泛用于汽车、化工、食品、能源、冶金、机械等各行业。 分为低、中、高档，按输入/输出的控制点数，内存容量的多少，外设的配备，功能的强弱分类。一、可编程控制器的特点一、可编程控制器的特点 可

39、编程控制器为了适应在各种恶劣的工业环境下使用，有以下特点： （一）可靠性高、抗干扰能力强（一）可靠性高、抗干扰能力强 为了提高可编程控制器的抗干扰能力，在硬件和软件方面采取了多项措施。 1 1、硬件措施、硬件措施 （1）屏蔽：对电源、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外部干扰。 （2）滤波：对供电系统及输入电路采用滤波网络进行滤波，消除或抑制高频干扰。 （3）隔离：在微处理器和 I/O 接口之间，采用光电隔离，保证CPU的正常工作，减少故障和误动作。 （4）其它：对电源采用电压调整、避免交流电网波动的影响。硬件采用模块结构，易于故障的检测和排除。 2 2、软件措施

40、、软件措施（1）故障检测 软件定期进行故障检测，一旦发现故障可及时报警处理。（2）信息保护和恢复 对偶发性的故障，系统有保护内部信息并定期恢复的能力。（3）对程序进行检查和检验 设置警戒时钟WDT，一旦程序出错或进入死循环立即报警并停止程序的执行。 在硬件和软件采用了各种措施后，可编程控制器的可靠性和抗干扰能力大大提高。例如日本三菱公司制造的F1，F2系列可编程控制器的平均故障间隔时间可达30万小时。（二）编程简单，使用方便（二）编程简单，使用方便 可编程控制器普遍采用继电控制形式的梯形图编程方式，指令简单，编程容易。与汇编语言比较，更容易被现场操作人员接受，一般提供短期的培训，现场工作人员即

41、能掌握并使用。（三）组合灵活，适用面广（三）组合灵活，适用面广 可编程控制器采用模块化结构设计，用户只要简单组合，便可灵活地改变控制系统的功能。对于不同的生产工艺流程，有时不需要改变硬件组合，只需改编软件程序，即可达到控制要求，因此适用面广。（四）与几种器件的比较（四）与几种器件的比较 1 1与继电器控制逻辑相比较与继电器控制逻辑相比较 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，连线多而复杂，体积大，功耗大，系统构成后，改变或增加功能困难。继电器触点数目有限，只一般只有48对触点，灵活性和扩展性都很差。 PLC采用存储逻辑，控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序，连线少，体积小，PL

42、C中每只软继电器的触点数理论上无限制，灵活性和扩展性都很好。PLC由中大规模集成电路组成，功耗小。 2. 2. 与微型计算机相比较与微型计算机相比较 应用范围：微机除了用在控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信等方面。而PLC主要用于工业控制。 使用环境：微机对环境要求较高，一般要在干扰小、具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。而PLC适应于工程现场的环境。 输入输出：微机系统的I/O设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。而PLC一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均用“光电”耦合，输出还采用继电器，可控硅或大功率晶体管进行功率放大。 程序设计：微机采用高级语言，语

43、句多，语法关系复杂，要求使用者必须具有一定水平的计算机硬件和软件知识。而PLC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。 运算速度和存储容量：微机运算速度快，一般为微秒级。PLC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。一般接口响应速度为2 ms，PC巡回检测速度为每千字8 ms。PC的指令少，编程也简短，故内存容量小。 价格：微机是通用机，功能完善，故价格较高。而PC是专用机，功能较少，其价格是微机的十分之一左右。 二、可编程控制器的应用二、可编程控制器的应用 1顺序控制 2过程控制 3 计数定时控制 4模/数和数/模转换 5数据处理 6通信和联网 7冗余控制 8监控功能 9其他功能

44、（一）顺序控制（一）顺序控制 可编程控制器可取代传统的继电器顺序控制，应用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制。例如：注塑机、印刷机械、组合机床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。 （二）定时控制（二）定时控制 PLC可提供几个定时/计数器，并设置定时指令，根据用户的要求完成限时、延时、定时控制和计数控制。 （三）过程控制（三）过程控制 可编程控制器的算法模块，如PID等模块具有闭环控制功能，能对温度、压力、流量和速度等进行过程控制。 （四）数据处理（四）数据处理 PLC是有数据处理能力，可进行并行运算、BCD码运算并且有A/D、D/A转换功能。 （五）通信（五）通信 可进行I/O远程控制

45、，PLC之间的数据通信并与上位计算机连接，组成分布式控制系统。三、可编程控制器的硬件结构和工作过程三、可编程控制器的硬件结构和工作过程 （一）（一） 硬件结构硬件结构 下图为一种可编程控制器的硬件图，PLC由CPU、存储器、输入和输出接口电路、编程器及外设等组成。下面对主要的部件功能进行介绍。 1 1输入部件输入部件 输入部件是PLC与工业生产现场被控对象之间的连接部件，该部件接收由主令元件、检测元件来的信号。 主令元件是指由用户在控制键盘(或控制台)上操作的一切功能键，如开机、关机、调试或紧急停车等按键。主令元件给出的信号称为主令信号。中 央 处 理 单 元(CPU)系统存储器用户存储器输入

46、部件输出部件外设接口I/O扩展口编程器电源可编程序控制器至现场用户设备接触器指示灯电磁阀电源模拟量输出来自用户设备按钮选择开关限位开关电源模拟量输入 检测元件检测元件的功能是检测一些物理量(如行程距离、速度、位置、压力、流量、液位、温度、电压、电流等)在设备工作进程中的状态，并通过输入部件送入PLC以控制工作程序的转换等。 常见的检测元件有行程开关、限位开关、光电检行程开关、限位开关、光电检测开关、继电器触点及其他各类传感器测开关、继电器触点及其他各类传感器等。 输入部件均带有光电耦合电路光电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗干扰能力。为了与现场信号连接，输入部件上

47、设有输入接线端子排。为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理， 输入部件内部还有滤波、电平转换、信号锁存电路滤波、电平转换、信号锁存电路。2 2、PLCPLC的的CPUCPU PLC所采用的微处理器有三种：(1) (1) 通用微处理器通用微处理器。小型PLC一般使用8位微处理器如8080/8085、6800和Z80等，大中型PLC除使用位片式微处理器外，大都使用16位或32位微处理器。当前不少PLC的CPU已升级到INTEL公司的微处理器产品，有些已采用奔腾(PENTIUM)处理器，如西门子公司的S7-400。 采用通用微处理器的优点是：价格便宜，通用性强，还可借用微机成熟的实时操作系统

48、和丰富的软硬件资源。 (2) (2) 单片微处理器单片微处理器( (即单片机即单片机) )。具有集成度高、体积小、价格低及可扩展性好等优点。如INTEL公司的8位MCS-51系列运行速度快，可靠性高，体积小，很适合于小型PC；16位96系列速度更快，功能更强，适合于大中型PLC使用。 (3) (3) 位片式微处理器。位片式微处理器。是独立于微型机的一个分支，多为双极型电路，4位为一片，几个位片级联可组成任意字长的微处理器，代表产品有AMD2900系列。 PLC中位片式微处理器的主要作用有两个：一是一是直接处理一些位指令，从而提高了位指令的处理速度，直接处理一些位指令，从而提高了位指令的处理速度

49、，减少了位指令对字处理器的压力；二是将减少了位指令对字处理器的压力；二是将PCPC的面向工的面向工程技术人员的语言程技术人员的语言( (梯形图、控制系统流程图等梯形图、控制系统流程图等) )转换转换成机器语言。成机器语言。CPUCPU在在PLCPLC中的主要作用如下：中的主要作用如下： （1）按系统程序赋予的功能，接收并存储编程器输入的用户数据和程序。（2）用扫描方式接收现场输入装置的状态和数据，并存入寄存器中。（3）诊断PLC内部电路的工作状态和编程中的语法错误。（4）读取用户程序，产生相应的控制信号，启动有关的控制门电路工作；完成数据的存取、传送、变换；执行逻辑和算术运算；实现输出控制、打

50、印、数据通信等。 3 3、存储器、存储器 PLC的存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和工作数据存储器。（1）系统程序存储器（ROM）用于存放监控程序，功能子程序，命令解释，并存储I/O及内部继电器、计时定时器、各类寄存器的各种参数。（2）用户程序存储器（RM）用于存放通过编程器输入的用户应用程序，配置锂电池防止信息丢失。 PLC提供EPROM和EEPROM，可将用户程序存入并长期使用。（3）工作数据存储器RAM存放程序执行时的操作数。 工作数据存储器分为元件映像寄存器区和数据寄存器区。 元件映像寄存器区以位为单位存储PLC开关量输入/输出、定时器、计数器、辅助继电器等软继电器的状态； 数

51、据寄存器区以通道（字）为单位存放各种数据，如：数据运算的源和结果数据、定时器和计数器的初值和当前值、A/D转换的数值。 PLC编程时采用内部软器件模拟硬件，不同厂家的软器件设置相似。一般提供的软器件有：定时器、计数器、数据存储器、各种时钟脉冲、各种运算标志等。 下表给出OMRON公司CQM1H机的软器件：内部继电器区内部继电器区 输入： 256位 IR000-IR015 输出： 256位 IR100-IR115 工作区：2528位 IR016/116/216/2243 -IR089/189/219/224状态区：状态区： 198位 IR090-IR095， IR190-IR195定时计算器区：

52、定时计算器区：512位 TIM000-TIM511特殊继电器区：特殊继电器区：184位 SR244-SR255数据区：数据区：读写/只读 3072/425字 DM0000-DM3071/6144-65684 4、输出部件、输出部件 是PLC与现场设备之间的连接部件，功能是控制现场设备进行工作(如电机的启、停、正/反转，阀门的开、关，设备的转动、移动、升降等)。PLC能直接驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、灯和音响等，因此，输出部件中的输出级常是一些大功率器件，如机械触点式继电器、无触点交流开关(如双向可控硅)及直流开关(如晶体三极管)等。 与输入部件类似，输出部件上也有输出状态锁存、显示

53、、电平转换和输出接线端子排。输出部件或模块也有多种类型供选用。 5 5、通信接口、通信接口 为了实现人-机或机-机之间的对话，PLC中配有多种通信接口。通过这些通信接口，PLC可以与监视器、打印机、其他PC或计算机相连。 当LPC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器(CRT)相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。6. 6. 编程器编程器 编程器的作用是供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序

54、和有关信息打印出来或存放在磁带上。磁带上的信息可以重新装入PC。 编程器有简易型和智能型两类编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入，简易编程器一般由简易键盘和发光二极管矩阵或其他显示器件组成。 智能编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD(液晶显示器)或CRT图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话。 （二）（二） 可编程控制器的编程方式可编程控制器的编程方式 可编程控制器不采用一般微型计算机的编程语言，而采用面向过程控制的语言，编程时不用考虑微处理器内部的复杂结构，语言简单、直观、易于掌握。 PLC可提供

55、的编程语言通常有：梯形图、语句表、功能图和结构文本。 1 1、梯形图：、梯形图：由继电器控制系统的电气图演变而来例1：三相感应电机控制电路SB1SB2KMKM0001000205000500PLC梯型图的特点：（1）梯型图中的继电器不是物理继电器，每个继电器对应映像寄存器的一位，状态“1”，表示继电器接通常开触点闭合，常闭触电断开。继电器的状态可多次反复引用。（2）梯型图2端无电源连接，“概念”电流只能从左到右流动。（3）输入继电器的触点表示相应的输入信号，输出继电器的线圈满足接通条件时表示有输出信号。输入输出信号从IO映像寄存器中读取。（4）执行时按从上到下、从左到右顺序执行。例2 机床继电

56、器控制（日本三菱FX2系列 PLC）SBKK1ST1STGGKT2STTZZZKTKT3STTK：快进继电器 限位开关1ST、2ST、3STG：工进继电器常闭Z：中间继电器常开KT：时间继电器继电器常开T：快退继电器常闭SBKK1ST1STGGKT2STTZZZKTKT3STT 工作过程工作过程：1、SB按下，K接通，K常开触点闭合，机床快进。2、遇到限位开关1ST，常闭触点开启，K断开停止快进；1ST常开触点接通，G接通开始工进。3、遇到限位开关2ST， 2ST常开触点接通，中间继电器Z工作，使Z 常开触点闭合，时间继电器KT工作进行计时，当计时时间到，KT常闭触点开启，工进继电器G停止工作

57、。4、同时，与快退继电器T串接的触点KT闭合，T导通，机床快退，遇限位开关3ST后停止。 梯形图的编程原则： （1）自上而下，自左而右排列，每个继电器为一个逻辑条件。 （2）继电器只允许引用一次，触点可引用多次。 （3）PLC运行时，按照梯形图符号排列顺序逐一进行处理，不存在几条支路同时操作的因素，因此可减少约束关系的联锁电路，使程序简化。 （4）计数器和计时器使用前要赋值。 （5）编程时注意结构的简化。 2 2、语句表、语句表 类似汇编语言，当小型PLC无显示设备时，可采用语句表将梯型图的控制逻辑描述出来，通过编程器输入到机器中执行。 对例1：三相感应电机控制电路可编写语句如下： LD 00

58、01LD 0500ORANI 0002OUT0500注意：各公司生产的PLC的指令不同，用时可查手册。X100Y121X101X101Y122T100X102Y123M300M300T100X103Y121Y122M300T100Y123程序： LDX100LDM300LDY121OUTT100ANIX101K10ORBLDT100OUTY121ANIX103LDX101OUTY123LDY122ANIT100ORBOUTY122LDX102ORM300ANIY123OUTM300指令简述：LD触点逻辑运算ANI串联ORB并联OUT输出（三）（三）PLCPLC的工作过程的工作过程1 1、输入采

59、样、输入采样 以扫描方式顺序读入输入接口的数据，存入数据映象R中。2 2、程序执行、程序执行 对用户程序按顺序逐条扫描，并从映象R中读取数据进行各种运算。3 3、输出刷新、输出刷新 在输出刷新阶段将映象R中内容输出至锁存电路，并产生实际输出，驱动执行器工作。PLC的工作过程：PLC输入设备输入电路输入映像 RPLC输出设备输出电路输出映像R0000 0001 0100读写读写0100 1001（四）（四） PLCPLC的编程软件与仿真的编程软件与仿真 早期的编程采用编程器，只能编写简单的程序。目前对于较复杂的编程，需联机并采用编程软件和仿真软件来完成。 计算机辅助编程省时省力，便于程序管理，已

60、经逐渐替代简易编程器成为主流的编程工具。 目前常用的编程软件有： OMRON公司开发出多种编程和仿真软件：Dos环境下的LSS、SSS和windows环境下的CPT、CX-P。西门子公司的S7-PLCSIM。三菱公司的GX-Simulator等。 4.34.3、工业控制机（工控机）、工业控制机（工控机） 工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。 将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，包括计算机和过程输入、输出通道两部分。工业控制计算机的内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。 工控机为工业自动化、信息产业和国防建设的发展提供了一条低成本的自动化技术方案，