第4章 微机控制系统的选择与接口设计

1、机械电子学第四章微机控制系统的选择与接口设计,机械设计制造及其自动化专业课程,3,第1节专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡;第2节微机控制系统的设计思路第3节微机控制系统的构成与种类第4节微控系统的软件与程序设计语言第5节微机应用领域及其选用要点第10节微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计第12节常用检测传感器及其接口（）第9节数字显示器及键盘的接口电路（）,结构,4,1.专用与通用的抉择专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品，采用通用控制系统比较合理。2.硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。,4.1系统的抉择与权衡,5,1确定系

2、统整体控制方案2确定控制算法-建模，方法3选择微型计算机具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的I/O通道和实时时钟4系统总体设计硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题5.软件设计,4.2微机控制系统的设计思路,6,1微型计算机的系统构成“微机”是三个概念的统称，即微处理机(微处理器)、微型计算机、微型计算机系统的统称。微处理机(Microprocessor)简称CPU。它是一个大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)器件，器件中有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信号，是完

3、成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。,4.3微型计算机系统构成及种类,7,1微型计算机的系统构成微型计算机(Microcomputer)简称MC。它是以微处理机(CPU)为中心，加上只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、输入输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，而计算机的使用离不开软件支持。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统(Microcomputersystem)，简称MCS。,4.3微型计算机系统构成及种类,8,CPU、MC与MCS的关系,9,三大

4、总线,微型计算机的基本硬件构成,10,2微型计算机的种类(1)按组装形式分类单片机单板机微机系统(2)按微处理机位数分类位片、4位、8位、16位、32位和64位(3)按用途分类控制用；数据处理用通用型单片机；专用单片机或称专用微控制器,4.3微型计算机系统构成及种类,11,单片机,12,结构将微型计算机、ROM、RAM、I/O接口电路、电源等组装在不同的印制电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件。,微型计算机系统,13,微型计算机系统,14,微型计算机系统,15,软件的分类系统软件、支撑软件、应用软件操作系统、编程语言、

5、程序集操作系统计算机系统的管理程序库。用于提高计算机利用率、方便用户使用计算机及提高计算机响应速度而配备的一种软件。是用户与计算机的接口，用户通过它而使用计算机。,4.4微机软件与程序设计语言,16,软件的分类系统软件、支撑软件、应用软件操作系统、编程语言、程序集程序设计语言程序设计语言是编写计算机程序所使用的语言，是人机对话的工具。常使用的大致有三大类：“机器语言”(MachineLanguage)“汇编语言”(AssemblyLanguage)“高级语言”(HighLevelLanguage)。,4.4微机软件与程序设计语言,17,软件的分类系统软件、支撑软件、应用软件操作系统、编程语言、

6、程序集程序库计算机的可用程序和子程序的集合就是程序库(或软件包)。而在机械控制领域，由于被控对象(产品)的特殊性较强，其程序库的形成较难。但是，随着微型计算机的普及与应用，其应用程序将不断丰富，也将会形成各式各样的程序库。,4.4微机软件与程序设计语言,18,微型计算机的基本特点：小型化、超小型化，具有一般计算机的信息处理、计测、控制和记忆功能，价格低廉，且可靠性高、耗电少使机电一体化产品具有以下效果：小型化；多功能化；通用性增大；提高了可靠性；提高了设计效率；经济效应好；产品(或系统)标准化；提高了维修保养性能。,4.5微机的应用领域及选用要点,19,应用领域（1）工业控制和机电产品的机电一

7、体化。（2）交通与能源设备的机电一体化。（3）家用电器的机电一体化。（4）商用产品机电一体化。（5）仪器、仪表机电一体化。（6）办公自动化设备的机电一体化。（7）信息处理自动化设备。（8）导航与控制。,4.5微机的应用领域及选用要点,20,选用要点生产系统自动化、机床自动化、数控机床一般应用8位或16位微机系统，特别是控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、多板机微机系统。家用电器、商用产品，计算机一般装在产品内，故应采用单片机或微处理器。然而，这类产品处理速度不高、处理数据量不大、处理过程又不太复杂，故主要采用4位或8位微机。,4.5微机的应用领域及选用要点,21,选用要点总的来说：4位机常

8、用于较简单、规模较小的系统；16位与32位机及64位机主要用于较复杂的大系统；8位机则用于中等规模的系统；由于单片机的迅速发展，它的功能更强，性能更完善，逐渐满足各种应用领域的要求，应用范围不断扩大，不但用于简单小系统，而且不断被复杂大系统所采用。,4.5微机的应用领域及选用要点,22,选用要点在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合，如智能机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用16位与32位微机。对一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电一体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等，多采用8位机。,4.5微机的应用领域及选用要点,23,如何提高

9、控制系统的工作可靠性，是微机控制系统设计的重要环节，主要包括：1)可靠地传递各类控制信息2)能够进行有效的信息转换满足微机对输入/输出信息类型的转换要求。如：A/D、D/A转换；并行数字信号与串行数字信号的转换；电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与弱点转换。3)阻断干扰信号进入微机控制系统的能力主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。,4.10系统的I/O控制可靠性设计,24,1.光电隔离电路目的为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作；方法首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。

10、结构光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示：,一、光电隔离电路设计,25,1.光电隔离电路结构,一、光电隔离电路设计,26,1.光电隔离电路特点光电隔离电路通过光敏转换实现信号的单向传递，可有效地阻断各类干扰信号，实现信号的电平转换(功率放大)和电平极性转换(+/-)。,一、光电隔离电路设计,光电隔离时域检测电路时域响应特性,27,2、光电耦合隔离电路的应用作用光电隔离电路在机电控制系统中的基本配置,一、光电隔离电路设计,28,1、弱电/强电转换电路,二、信息转换电路设计,29,2、数字/脉冲信号转换-并行转换为串行,二、信息转换电路设计,30,3、数/模(D/A)转换、模

11、数(A/D)转换4、电量非电量转换电磁阀、电液伺服阀,二、信息转换电路设计,31,1检测传感器的分类与基本要求(1)传感器将被检测对象的各种变化物理量转换成电信号的一种变换器。(2)传感器的作用用于检测机电一体化系统自身和作业对象、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统动作提供信息。,4.12常用检测传感器及接口,32,1检测传感器的分类与基本要求(3)传感器的分类,4.12常用检测传感器及接口,33,1检测传感器的分类与基本要求(3)传感器的分类1)传感器的作用主要分为：内部信息传感器和外部信息传感器。内部信息传感器：检测机电一体化系统内部状态。主要包括：检测位置、速度、力/力矩、温度以

12、及异常变化等的传感器。外部信息传感器：检测作业对象的状态和外部环境状态。主要包括：接触式和非接触式传感器，如：温度/湿度传感器、气压传感器、电涡流传感器、无线电接收机、红外测温仪，激光测距机等。,4.12常用检测传感器及接口,34,1检测传感器的分类与基本要求(3)传感器的分类2)按输出信号的性质可分为：开关型、模拟型和数字型传感器。3)按传感器的用途分为：位移、位置、速度、加速度、力/力矩、温度、湿度、压力等传感器。4)按传感器的工作原理分为：电阻式、电感式、电磁式、电容式、光电式。,4.12常用检测传感器及接口,35,1检测传感器的分类与基本要求(4)传感器的基本要求体积小、重量轻、适应性

13、好。精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高。安全可靠、寿命长。便于与计算机对接。不易受被检测对象和外部环境的影响。环境适应能力强。现场安装处理简单、操作方便，价格便宜。,4.12常用检测传感器及接口,36,2、传感器的转换原理(1)光电转换当光照射到半导体材料上时，使电阻发生变化，它将光转换为半导体材料的电阻(或电导)变量,4.12常用检测传感器及接口,光电阻转换图,光电转换,光电转换,37,2、传感器的转换原理(2)热电阻转换将半导体材料或导体加热或冷却，使它的电阻发生变化，应用这个效应制作热敏电阻。它将热转换为电阻变量，如图所示。,4.12常用检测传感器及接口,38,2、传感器的转换原

14、理(3)力电压转换外力作用在电阻应变片上，组成电桥的四个电阻的阻值发生变化，R1、R2电阻增大，而电阻R3、R4，阻值减少，使电桥失去平衡，有信号输出；输出电压与压力呈线性关系。应用力电压转换原理制作压力传感器。,4.12常用检测传感器及接口,39,2、传感器的转换原理(4)力电荷转换外力作用在压电晶体(铌酸锂、石英晶体等)上时，使其表面产生电荷或电压变化。根据这个原理制作压电传感器，它将应力转换成电荷Q或电压U变量。,4.12常用检测传感器及接口,压电转换,40,2、传感器的转换原理(5)磁电转换线圈内磁芯作上下移动，磁路中磁阻发生变化，利用这个效应制作磁阻传感器。它将磁变转换为交流电压的变

15、化。,4.12常用检测传感器及接口,磁电转换,41,2、传感器的转换原理(5)磁电转换(6)气体电阻转换,4.12常用检测传感器及接口,42,3、各类传感器的性能与特点(1)位移与角度检测传感器电位差计：检测直线位移或回转位移使用较多的是电位差计。在直线型中，行程可从lcm到25cm左右。在回转型中有一转与多转之别，多转型精度容易做得很高。,4.12常用检测传感器及接口,43,3、各类传感器的性能与特点(1)位移与角度检测传感器电感式电涡流,4.12常用检测传感器及接口,44,3、各类传感器的性能与特点(1)位移与角度检测传感器编码盘式：接触式、电磁式、光电式,4.12常用检测传感器及接口,循

16、环码是无权码，其特点为相邻两个代码间只有一位数变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”，这样，由于电刷安装不准确而产生的误差最多不超过一个编码单位，故误差大大减小,45,3、各类传感器的性能与特点(2)速度加速度传感器光电转速计：主要有反射式和直射式两种基本类型,4.12常用检测传感器及接口,46,3、各类传感器的性能与特点(2)速度加速度传感器差动变压器：加速度检测,4.12常用检测传感器及接口,47,3、各类传感器的性能与特点(2)速度加速度传感器差动变压器：加速度检测-差动整流电路,4.12常用检测传感器及接口,48,3、各类传感器的性能与特点(3)力觉传感器压电式,4.12常用检测传

17、感器及接口,49,3、各类传感器的性能与特点(4)液位传感器变介电常数型,4.12常用检测传感器及接口,50,3、各类传感器的性能与特点(5)温度传感器热电偶两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。,4.12常用检测传感器及接口,热端,冷端,51,4、传感器的选用原则及注意事项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

18、当放宽对次要性能指标的要求，切忌盲目追求各种特性参数均高指标，以形成较高的性能价格比。校准与标定。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。,4.12常用检测传感器及接口,52,5、传感器的测量电路及微机接口（1）检测系统的构成转换元件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，需要由转换电路进行放大、调制解调、AD（DA）转换等处理以满足信号传输、微机处理的要求，,4.12常用检测传感器及接口,53,5、传感器的测量电路及微机接口（2）模拟型测量电路模拟型测量电路适用于电阻式、电感式、电磁式、电热式等输出模拟信号的传感器

19、。（3）数字型测量电路数字型测量电路有绝对码数字式和增量码数字式。（4）开关型测量电路传感器的输出信号为开关信号，如光电开关和电触点开关的通断信号等。这类信号的测量电路实质为功率放大电路。,4.12常用检测传感器及接口,54,5、传感器的测量电路及微机接口（5）转换电路中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定。这里对常用的转换电路，如电桥、放大电路、调制与解调电路、数/模(D/A)与模/数(A/D)转换电路等的作用做一简单说明，其工作原理及应用电路请参考相关资料。1)电桥电桥适用于电参量式传感器。其作用是将被测物理量的变化引起敏感元件的电阻、电感或电容等参数的变化，转换为电量(电压、电流、电

20、荷等)。,4.12常用检测传感器及接口,55,5、传感器的测量电路及微机接口（5）转换电路2）放大电路放大电路通常由运算放大器、晶体管等组成，用来放大来自传感器的微弱信号。3）调制与解调电路由传感器输出的电信号多为微弱的、变化缓慢类似于直流的信号。因此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。,4.12常用检测传感器及接口,56,5、传感器的测量电路及微机接口（5）转换电路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

21、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。,4.12常用检测传感器及接口,57,5、传感器的测量电路及微机接口（6）传感器与微机的基本接口,4.12常用检测传感器及接口,58,5、传感器的测量电路及微机接口（6）传感器与微机的基本接口根据模拟量转换、输入的精度、速度与通道等因素的不同，有四种转换输入方式。,4.12常用检测传感器及接口,59,AD转换芯片0809,模拟输入部分,控制逻辑,地址译码输入选通,基准电压输入端,60,涉及2个问题：（1）8路模拟信号通道选择；（2）A/D转换完成后转换数据的传送。,AD0809与单

22、片机连接,IN07,61,MCS-51单片机总体基本结构,4.8MCS-51单片机,62,4.8MCS-51单片机,RST/VDD,Vss,Vcc,63,80318751805189C51,256B（字节）,4K,64K,64K,64,存储器的扩展程序存储器扩展随着半导体技术的发展，单片机内部的程序存储器数量越来越大，在一般的单片机系统中，对于程序存储器的扩展已经使用的比较少。但对于一些比较早的片内没有程序存储器的单片机（8031、8032），在使用时还需要进行存储器的扩展。数据存储器扩展在MCS-51系列单片机构成的系统中，内部RAM的数量比较有限（128B或256B），在面对大容量的数据处

23、理时，就需要进行RAM的扩展。,4.8MCS-51单片机,65,程序存储器EPROM（紫外线可擦除）常用的EPROM以27xx系列为主。EEPROM（电可擦除）目前的EEPROM分为：串行EEPROM和并行EEPROM，在使用时，常常把串行的EEPROM作为数据存储器使用。以28xx系列为主。FlashROM（快闪电可擦除）主要以29Cxx系列为主。,4.8MCS-51单片机,66,本节分两部分讲解：4.9.1数字显示器一、显示方式的种类二、数码显示原理三、静态显示技术四、动态显示技术4.9.2键盘接口一、键的结构二、键的形式（1）独立式按键（2）矩阵式按键,4.9数字显示器与键盘接口,67,

24、一、显示方式种类：LED显示（LightEmitingDecode发光二极管）LCD显示(LiquidCrystalDisplay液晶显示屏)CRT显示(CathodeRayTube,阴极射线管)。,4.9.1数字显示器,68,二、数码显示原理这里只讲LED数码显示。显示原理：LED数码显示器是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的点或线段发光，将这些二极管排成一定图形，控制不同组合的二极管导通，就可以显示出不同的字形。,4.9.1数字显示器,69,二、数码显示原理八段显示器的原理,4.9.1数字显示器,共阴结构,共阳结构,70,二、数码显示原理八段显示器的原理数码管段码的编码：

25、8段正好是一个字节，通常采用如下编码方式。（这种编码需单片机数据总线的D0.D7分别和数码管的a、b、c、dp对应相连。如图所示）,4.9.1数字显示器,最高位,最低位,71,二、数码显示原理八段显示器的原理CPU和数码管的连接,4.9.1数字显示器,共阴数码管,共阳数码管,72,二、数码显示原理八段显示器的原理数码管的显示代码表,4.9.1数字显示器,共阴极接法,73,三、静态显示技术静态显示数码管相应笔段一直处于点亮状态，因此功耗大，而且占用硬件资源多，几乎只能用在显示位数极少的场合。优点：LED亮度高，可用在室外显示场合。例如：通过单片机P2口并经74LS245驱动以后，让一位数码管循环

26、显示09，其电路如下：,4.9.1数字显示器,74,三、静态显示技术,4.9.1数字显示器,75,三、静态显示技术程序清单：,4.9.1数字显示器,ORG0030HMOVSP,#60hMOVR0,#00hDISP0：MOVDPTR，#SEGTAB；字段码首地址DISP1：MOVA,R0；从0开始显示DISP3：MOVCA，A+DPTR；查字符段选码MOVP2，A；从P2口输出显示MOVR3，#100；停留1sDISP4：ACALLD10MSDJNZR3，DISP4INCR0CJNER0，#0ah,DISP1AJMPDISP1；又从0开始显示,76,三、静态显示技术程序清单：,4.9.1数字显示

27、器,D10MS：MOVR7，#14H；10ms延时子程序DLY：MOVR6，#0F8HDLY1：DJNZR6，DLY1DJNZR7，DLYRETSEGTAB：;段码表DB3FH，06H，5BH，4FH，66H;01234DB6DH，7DH，07H，7FH，6FH;56789DB77H，7cH，39H，5eH，79H;abcdeDB71h,73h,3Eh,6Eh,0ffh,00h;fpuy8.灭END,可根据需要造一些特殊的编码,77,键盘是十分重要的人机对话的组成部分，是人向机器发出指令、输入信息的必需设备。一、键的特性键盘是由若干独立的键组成，键的按下与释放是通过机械触点的闭合与断开来实现的

28、，因机械触点的弹性作用，在闭合与断开的瞬间均有一个抖动过程。抖动必须消除，去抖动的方法主要有以下两种：,4.9.2键盘接口技术,78,键盘是十分重要的人机对话的组成部分，是人向机器发出指令、输入信息的必需设备。一、键的特性硬件去抖动软件去抖动,4.9.2键盘接口技术,79,一、键的特性软件去抖动如果按键较多,常用软件方法去抖,即检测出键闭合后执行一个延时程序,产生5ms10ms的延时,让前沿抖动消失后再一次检测键的状态,如果仍保持闭合状态电平,则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后,也要给5ms10ms的延时,待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。,4.9.2键盘接口技术,80,一、键的特性硬件去抖动下图所示的RS触发器为常用的硬件去抖电路。,4.9.2键盘接口技术,图中两个“与非”门构成一个RS触发器。当按键未按下时,输出为1;当键按下时,输出为0。此时即使用按键的机械性能,使按键因弹性抖动而产生瞬时断开（抖动跳开