第10章微型機控制系統的設計前言10.1微機控制系統的設計方法及步驟

10.2微型計算機控制的自動裝箱系統

10.3

智能型FR1151壓力變送器10.4加熱爐溫度控制系統

通過前面各章的學習，已經掌握了微型計算機控制系統I/O接口的擴展方法，模擬量輸入/輸出通道的設計，常用控制程序的設計方法，數據處理及非線性補償技術，PID控制器以及模糊控制方法等。它們是設計嵌入式系統硬件及軟件的基礎。有了這些基礎以后，就可以進行微型計算機控制系統的設計。第10章微型機控制系統設計微機控制技術第10章微型機控制系統設計10.1微型機控制系統設計方法及步驟10.2微型計算機控制的自動裝箱系統10.3智能型FR1151壓力變送器10.4加熱爐溫度控制系統10.1微型機控制系統設計方法及步驟微型機控制系統設計內容（1）控制系統總體方案設計。包括系統的要求、控制方案的選擇，以及工藝參數的測量范圍等；

（2）選擇各參數檢測元件及變送器；（3）建立數學模型及確定控制算法；

（4）選擇微型機，并決定是自行設計還是購買成套設備；

微機控制技術10.1微型機控制系統設計方法及步驟

（5）系統硬件設計，包括接口電路、邏輯電路及操作面板；

（6）系統軟件設計，包括管理、監控程序以及應用程序的設計；

（7）系統的調試及實驗。

微機控制技術10.1微型機控制系統設計方法及步驟10.1.1控制系統總體方案的確定10.1.2微型計算機及接口的選擇10.1.3控制算法的選擇10.1.4控制系統的硬件設計10.1.5控制系統軟件設計10.1.6Proteus虛擬軟件的應用10.1.1控制系統總體方案的確定確定微型機控制系統總體方案，是進行系統設計最重要、最關鍵的一步。總體方案好壞，直接影響整個控制系統的投資、調節品質及實施細則。總體方案的設計主要是根據被控對象的工藝要求確定。微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定1.確定控制系統方案 根據系統的要求，首先確定系統采用開環系統還是閉環系統，或者是數據處理系統。如果是閉環控制系統，則還要求確定整個系統采用直接數字控制（DDC），還是采用計算機監督控制（SCC），或者采用分布式控制。微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定2.選擇檢測元件在確定方案的同時，必須選擇好被測參數的測量元件，它是影響控制系統精度的首要因素。測量各種參數的傳感器，如溫度、流量、壓力、液位、成分、位移、重量、速度等，種類繁多，規格各異，因此，需要正確地選擇測量元件。微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定3.選擇執行機構

執行機構是微型計算機控制的重要組成部件。執行機構的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據被控對象的實際情況決定。常用的執行機構有以下4種。微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定

(1)電動執行機構 具有響應速度快，與計算機接口容易等優點，因而成為計算機控制系統的主要執行機構。如DKJ或DKZ電動執行器，專門用來把輸入的4～20mA直流信號轉換成相應的轉角位移或線位移，以帶動風門、擋板、閥門等動作，從而完成自動調節的任務。微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定(2)氣動調節閥具有結構簡單，操作方便，使用可靠，維護容易，防火防爆等優點，目前廣泛應用于石油、冶金、電力系統中。 如ZPD-01電氣閥門定位器，將4～20mA的直流信號轉換成0.02～0.1MPa的標準氣壓信號，以便驅動薄膜調節閥，從而使閥門位置能按調節信號實現正確定位。微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定

(3)由于步進電機可以直接接受數字量，而且具有速度快，精度高等優點。所以，隨著計算機控制技術的發展，用步進電機做執行機構的控制系統逐年增加。如數控機床、X-Y記錄儀、高射炮自動跟蹤、電子望遠鏡和大型電子顯微鏡、旋轉變壓器、多圈電位器等，都采用步進電機。微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定(4)液壓伺服機構（如油缸和油電機）將油液的壓力能轉換成機械能，驅動負載直線或回轉運動。 液壓傳動的主要優點是：①能方便地進行無級調速；②單位重量的輸出功率大，結構緊湊，慣性小，且能傳送大扭矩和較大的推力；③控制和調節簡單、方便、省力，易于實現自動控制和過載保護。微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定4.選擇輸入/輸出通道及外圍設備計算機控制系統過程通道通常應根據被控對象參數的多少來確定，并根據系統的規模及要求，配以適當的外圍設備，如打印機、CRT、磁盤驅動器、繪圖儀、CDROM等。

微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定5.畫出整個系統原理圖前面四部完成以后，結合工業流程圖，最后要畫出一個完整的控制系統原理圖，其中包括各種傳感器、變送器、外圍設備、輸入/輸出通道及微型計算機。 它是整個系統的總圖，要求簡單、清晰、明了。微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定 需要說明的是，在確定系統總體方案時，對系統的軟件、硬件功能要做統一的綜合考慮。因為一種功能往往既能由硬件實現，也可用軟件實現。到底采用什么方式比較合適，要根據實時性要求及整個系統的性能/價格比，加以綜合平衡后確定。一般而言，使用硬件完成速度比較快，可節省CPU的機時，但系統比較復雜，而且價格比較貴。用軟件實現則比較經濟，但要占用更多的機時。微機控制技術10.1.1控制系統總體方案的確定 一般的原則是，在機時允許的情況下，盡量采用軟件。如果系統控制回路比較多，或者某些軟件設計比較困難時，則可考慮用硬件完成。總之，一個控制系統中，哪些部分用硬件實現，哪些部件用軟件完成，都要根據具體情況反復進行分析、比較后確定。 在確定系統的總體方案時，要與搞工藝的部門互相配合，并征求現場操作人員的意見后再行設計。微機控制技術10.1.2微型機及接口的選擇在總體方案確定之后，首要的任務是選擇一臺合適的微型機。正如第一章所講的，微型機的種類繁多，選擇合適的微型機是微型機控制系統設計的關鍵。微型機系統設計通常有兩種作法。

選用現成的微型機系統微機控制技術10.1.2微型機及接口的選擇（1）工業控制機 如果系統的任務比較大，需要的外設比較多，如打印機、CRT等，而且設計時間要求比較緊，不妨選用一臺現成的工業控制機，如工業PC、STD總線工業控制機等。這些機器不僅提供了具有多種裝置的主機系統板，而且還配備了各種接口板，如多通道模擬量輸入/輸出板，開關量輸入/輸出板，CRT圖形顯示板，擴展用RS-232-C，RS-422和RS-485總線接口板，EPROM智能編程板等。微機控制技術10.1.2微型機及接口的選擇 這些系統模塊一般采用PC總線和STD總線。它們具有很強的硬件功能和靈活的I/O擴展能力，不但可以構成獨立的工業控制機，而且具有較強的開發能力。這些機器不僅可使用匯編語言，而且可使用高級語言，如BASIC語言、C語言等。在工業PC中，還配有專用的組合軟件，給微型計算機控制系統的軟件設計帶來了極大的方便。微機控制技術10.1.2微型機及接口的選擇（2）單片機系統 目前，有一些由單片機組成的小系統可供選擇。它們大都具有單片機、存儲器及I/O接口、LED顯示器和小鍵盤，通常使用匯編語言，再配以各類I/O接口板，即可組成簡單的控制系統。 這種機器的特點是價格便宜，常用于小系統或順序控制系統。

微機控制技術10.1.2微型機及接口的選擇2.利用單片機芯片自行設計選擇合適的單片機芯片，針對被控對象的具體任務，自行開發和設計一個單片機系統,是目前微型機系統設計中經常使用的方法。這種方法具有針對性強、投資少、系統簡單、靈活等特點。特別是對于批量生產，更有其獨特的優點。微機控制技術10.1.3控制算法的選擇當控制系統的總體方案及機型選定之后，采用什么樣的控制算法才能使系統達到要求，這是非常關鍵的問題。微機控制技術10.1.3控制算法的選擇1.直接數字控制 當被控對象的數學模型能夠確定時，可采用直接數字控制，如最少拍隨動系統，最少拍無波紋系統，以及大林算法等；設計數字控制器，并求出差分方程。計算機的主要任務就是按此差分方程計算出控制量，并輸出，進而實現控制。微機控制技術10.1.3控制算法的選擇2.數字化PID控制 由于被控對象是復雜的，因此并非所有的系統均可求出數學模型；有些即使可以求出來，但由于被控對象環境的影響，許多參數經常變化，因此很難進行直接數字控制。此時最好選用數字化PID控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型兩種PID為基礎，根據系統的要求，可對PID控制進行必要的改進。通過各種組合，可以得到更圓滿的控制系統，以滿足各種不同控制系統的要求。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計 盡管微型計算機集成度高，內部包含I/O控制線、ROM、RAM和定時器，但在組成控制系統時，擴展接口仍是設計者經常遇到的任務。擴展接口有兩種方案：一種是購置成品接口板，如A/D轉換接口板、D/A轉換接口板、開關量I/O接口板（帶光電隔離器或不帶光電隔離器）、實時時鐘板、步進電機控制板、可控硅控制板等。擴展的接口板數量及品種視系統而論。這主要適用于工業PC和STD總線工業控制機系統。另一種方案是根據系統的實際需要，選用合適的芯片進行設計，這主要包括以下幾方面的內容。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計1.存儲器擴展微型機系統要擴展的存儲器主要有用來存放程序的EPROM，存放數據的E2PROM，存放隨機采樣數據的RAM。用戶可根據需要進行選擇。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計2.模擬量輸入通道的擴展模擬量輸入通道的擴展主要有下面兩個問題。（1）數據采集通道的結構形式一般微型機控制系統是多通道系統。因此，選用何種結構形式采集數據，是進行模擬量輸入通道設計首先要考慮的問題。多數系統都采用共享A/D和S/H形式，如圖10-2所示。微機控制技術

圖10-2分時采樣、分時轉換型多路模擬量輸入通道微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計在這一系統中，被測參數經多路開關一個一個地被切換到S/H和A/D轉換器進行轉換。由于各參數是串行輸入的，所以轉換時間比較長，但它最大的優點是節省硬件開銷，這是目前微型機系統中應用最多的一種模擬量輸入通道結構形式。但是，當被測參數為幾個相關量時，則需選用多路S/H，共享A/D形式，如圖10-3所示，微機控制技術

圖10-3同時采樣、分時轉換型多路模擬量輸入通道微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計該電路與圖10-2相比，每個模擬量輸入通道增加一個S/H，其目的是可以采樣同一時刻的各個參數，以便進行比較。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計(2)

A/D轉換器的選擇設計時一定要根據被控對象的實際要求選擇A/D轉換器。在滿足系統要求的前提下，盡量選用位數比較低的A/D轉換器。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計3.輸出通道的擴展模擬量輸出通道是微型機控制系統與執行機構（或控制設備）連接的紐帶和橋梁。設計時，要根據被控對象的通道數及執行機構的類型進行選擇。對于那些可直接接受數字量的執行機構，可由微型機直接輸出數字量，如步進電機或開關、繼電器系統等。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計 對于那些需要接收模擬量的執行機構（如電動、氣動執行機構、液壓伺服機構閥等），則需要用D/A轉換器把數字量變成模擬量后，再帶動執行機構。和輸入通道一樣，輸出通道的設計也有兩個方面的問題需要考慮。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計（1）輸出通道的連接方式模擬量輸出通道除了可靠性和精度外，還必須使輸出具有保持功能，以保證被控對象可靠地工作。保持器的主要作用是在新的信號到來之前，使本次控制信號保持不變。保持器有兩種，一種是數字保持器(鎖存器），一種是模擬保持器。因此，模擬量輸出通道有兩種結構形式。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計

①每個通道設置一個D/A轉換器形式這種結構形式，如圖10-4所示。在圖10-4中，每一個通道設置一個D/A轉換器，這是一種數字保持的方案。其優點是可靠性高、速度快，即使某一路出現故障，也不會影響其他通路的工作。但它使用D/A轉換器數量較多。微機控制技術圖10-4每通道一個D/A轉換器原理框圖微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計

②多通道共享D/A轉換器結構形式此種結構形式，如圖10-5所示。在這種結構中，由于共用一個D/A轉換器，各通道必須分時進行工作，因而必須在每一個通道加上一個采樣/保持器。這種結構形式的優點是可節省價格比較昂貴的D/A轉換器，但實時性及可靠性比較差，所以只適用于通道數比較少且轉換速度要求不太高的場合，或者采用高精度D/A轉換器時。微機控制技術圖10-5多通道共享D/A轉換器結構形式原理圖微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計（2）D/A轉換器的選擇當系統中D/A轉換器的輸出只作為執行機構的控制信號時，相對來講，精度要求不高，所以一般選用8位D/A轉換器即可。但是，如果D/A轉換器的輸出用作顯示、X-Y記錄、或位置控制時，由于精度要求比較高，所以需選用10位、12位或更高位數的D/A轉換器。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計4．開關量I/O接口設計在微型機控制系統中，除了模擬量輸入/輸出通道外，經常遇到的還有開關量I/O接口。由于開關量只有兩種狀態“1”或“0”，所以，每個開關量只需一位二進制數表示即可。為了提高系統的抗干擾能力，通常采用光電隔離器把微型機與外部設備隔開，如圖10-6所示。微機控制技術

圖10-6采用光電隔離器的I/O接口電路微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計5．操作面板操作面板也叫操作臺，它是人機對話的紐帶。操作面板根據具體情況，可大可小，大到可以是一個龐大的操作臺，小到只有幾個功能鍵和開關。在智能儀器中，操作面板都比較小，一般都需要自己設計。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計操作面板的主要功能有：（1）輸送源程序到存儲器，或者通過面板操作來監視程序執行情況；（2）打印、顯示中間結果或最終結果；（3）根據工藝要求，修改一些檢測點和控制點的參數及給定值；微機控制技術（4）設置報警狀態，選擇工作方式以及控制回路等；（5）完成手動—自動無擾動切換；（6）進行現場手動操作；（7）完成各種畫面顯示。微機控制技術10.1.4控制系統硬件設計為了完成上述功能，操作臺上必須設置一些按鍵或開關，并通過接口與主機相連。此外，操作臺上還需要報警及顯示設備等。一般情況下，為便于現場操作人員操作，微型機控制系統都要設計一個操作面板。微機控制技術10.1.5控制系統軟件設計微型機控制系統軟件分系統軟件和應用軟件兩大類，詳見表1-1。系統軟件一般不用自己設計；應用軟件一般都得自己設計。由于設計所需要的大部分軟件在前幾章中已經講述過，這里不再贅述。下邊只對應用軟件的設計提出幾項要求。微機控制技術10.1.5控制系統軟件設計1.控制系統對應用軟件的要求（1）實時性（2）靈活性和通用性（3）可靠性微機控制技術10.1.5控制系統軟件設計（1）實時性 由于工業過程控制系統是實時控制系統，所以對應用軟件的執行速度都有一定的要求，即能夠在被控對象允許的時間間隔內對系統進行控制、計算和處理。換言之，要求整個應用軟件必須在一個采樣周期內處理完畢。所以一般都采用匯編語言編寫應用軟件。但是，對于那些計算工作量比較大的系統，也可以采用高級語言和匯編語言混合使用的辦法。微機控制技術10.1.5控制系統軟件設計（2）靈活性和通用性 在應用程序設計中，為了節省內存和具有較強的適應能力，通常要求有一定的靈活性和通用性。為此，可以采用模塊結構，盡量將共用的程序編寫成子程序，如算術和邏輯運算程序、A/D與D/A轉換程序、延時程序、PID運算程序、數字濾波程序、標度變換程序、報警程序等。微機控制技術10.1.5控制系統軟件設計 設計人員的任務就是把這些具有一定功能的子程序（或中斷服務程序）進行排列組合，使其成為一個完成特定任務的應用程序。微機控制技術10.1.5控制系統軟件設計（3）可靠性在微型計算機控制系統中，系統的可靠性是至關重要的，它是系統正常運行的基本保障。計算機系統的可靠性一方面取決于其硬件組成，另一方面也取決于其軟件結構。為保證系統軟件的可靠性，通常設計一個診斷程序，定期對系統進行診斷；也可以設計軟件陷阱，防止程序失控。近年來廣泛采用的watchdog方法，便是增加系統軟件可靠性的有效方法之一。有關這方面的詳細內容，可參見參考文獻[1]。微機控制技術10.1.5控制系統軟件設計3．軟件開發過程 軟件開發大體包括以下幾個方面。

（1）劃分功能模塊及安排程序結構。例如，根據系統的任務，將程序大致劃分成數據采集模塊、數據處理模塊、非線性補償模塊、報警處理模塊、標度變換模塊、數字控制計算模塊、控制器輸出模塊、故障診斷模塊等，并規定每個模塊的任務及其相互間的關系。

微機控制技術10.1.5控制系統軟件設計

（2）畫出各程序模塊詳細流程圖。

（3）選擇合適的語言（如高級語言或匯編語言）編寫程序。編寫時盡量采用現有子程序，以提高程序設計速度。

（4）將各個模塊連結成一個完整的程序。微機控制技術10.1.6PRODEUS仿真軟件簡介

1.PRODEUS仿真軟件功能圖10.7Proteus的功能分布圖10.1.6PRODEUS仿真軟件簡介1.智能原理圖輸入系統——SIS，系統設計與仿真的基本平臺。2.高級PCB布線編輯軟件——ARES在Proteus中，從原理圖設計、單片機編程、系統仿真到PCB設計一氣呵成，真正實現了從概念到產品的完整設計。3.Proteus產生的文件.EXE.DBK.BMP.DSN.PWI可執行文件原理圖圖10.8Proteus設計流程

10.2微型計算機控制的自動裝箱系統在工業生產中，常常需要對產品進行計數、包裝。如果用人工完成不但麻煩，而且效率低，勞動強度大。隨著微型計算機控制的普及，特別是單片機的應用，給該類系統的設計帶來了極大的方便。在這一節里，將介紹單片機控制包裝系統的設計方法，主要講述順序控制系統的設計方法以及電機控制的應用。該系統可用于諸如啤酒、飲料等連續包裝生產線上。微機控制技術10.2微型計算機控制的自動裝箱系統10.2.1自動裝箱控制系統的原理10.2.2控制系統硬件設計10.2.3控制系統軟件設計10.2.1自動裝箱控制系統的原理

圖10.9產品自動裝箱系統的原理圖微機控制技術10.2.1自動裝箱控制系統的原理如圖10.9所示，系統有兩個傳送帶，即包裝箱傳送帶1和產品傳送帶2。包裝箱傳送帶1用來傳送產品包裝箱，其功能是把已經裝滿的包裝箱運走，并用一只空箱來代替。為使空箱恰好對準產品傳送帶的末端，使傳來的產品剛好落入箱中，在包裝箱傳送帶1的中間裝一光電控制器1，用以檢測包裝箱是否到位。產品傳送帶2將產品從生產車間傳送到包裝箱。當某一產品被送到傳送帶的末端，會自動落入箱內，并由檢測器2轉換成計數脈沖。微機控制技術10.2.1自動裝箱控制系統的原理產品計數可以由硬件完成（如MCS-51系列單片機中的定時器/計數器），也可以用軟件來完成。本系統采用軟件計數方法。微機控制技術10.2.1自動裝箱控制系統的原理系統工作步驟如下：

（1）用鍵盤設置每個包裝箱所需存放的零件數量以及每批產品的箱數，并分別存放在PARTS和BOXES單元中。

（2）接通電源，使傳送帶1的驅動電機運轉，帶動包裝箱前行。通過檢測光電傳感器1的狀態，判斷傳送帶1上的包裝箱是否到位。（3）當包裝箱運行到檢測器1的光源和光傳感器的中間時，關斷電機電源，使傳送帶1停止運動，等待產品裝箱。微機控制技術10.2.1自動裝箱控制系統的原理

（4）啟動傳送帶2的驅動電機，使產品沿傳送帶向前運動，并裝入箱內。

（5）當產品一個一個地落下時，將產生一系列脈沖信號，用檢測器2檢測從檢測器2來的輸出脈沖，由計算機進行計數，并不斷地與存放在PARTS單元中的給定值進行比較。（6）當零件數值未達到給定值時，控制傳送帶2繼續運動（裝入產品）；直到零件個數與給定值相等時，停止傳送帶2，不再裝入零件。微機控制技術10.2.1自動裝箱控制系統的原理

（7）再次啟動傳送帶1，使裝滿零件的箱體繼續向前運動，并把存放箱子數的內存單元加1，然后再與給定的產品箱數進行比較。如果箱數不夠，則帶動下一個空箱到達指定位置，繼續上述過程。直到產品箱數與給定值相等，停止裝箱過程，等待新的操作命令。微機控制技術10.2.1自動裝箱控制系統的原理只要傳送帶2上的零件和傳送帶1上的箱子足夠多，這個過程可以連續不斷地進行下去。這就是產品自動包裝生產線的流程。必要時操作人員可以隨時通過停止（STOP）鍵停止傳送帶運動，并通過鍵盤重新設置給定值，然后再啟動。微機控制技術10.2.2控制系統硬件設計針對上述任務，采用8031單片機設計一個最小系統。為了讀鍵盤給定值及完成檢測和控制，系統中擴展一片8255A可編程接口及程序存儲器EPROM2764。其原理系統圖，如圖10.8所示。如圖10.10中所示，8031，74LS373，2764組成最小系統。8031通過8255A的PB口實現給定值或零件計數顯示。PA口讀入鍵盤的給定值，PC口高4位設為輸入方式，用于檢測光電管和START，STOP兩個鍵的狀態。PC口低4位設為輸出方式；其中PC0控制傳送帶1的動力電機；PC1控制傳送帶2的動力電機。微機控制技術10.2.2控制系統硬件設計為了提高系統的可靠性及減少誤操作，用PC2，PC3兩條I/O線控制兩個狀態指示燈，V1為紅色，V2為綠色；當系統出現問題，如沒有設置給定值時，啟動START鍵，則V1燈亮，提醒操作者注意，需重新設置參數后再啟動。如果系統操作運行正常，則綠燈V2亮。下面介紹給定值電路及控制電路。關于顯示電路請參閱本書第3章3.2節。微機控制技術10.2.2控制系統硬件設計1.給定值電路如圖10.10所示，8255A為給定值輸入接口。為了使系統簡單，設計了一個由二極管矩陣組成的編碼鍵盤，如圖10.11所示。微機控制技術圖10.10包裝系統控制原理圖

微機控制技術10.2.2控制系統硬件設計鍵盤輸出信號D，C，B，A（BCD碼）分別接到8255A的A口PA3～PA0，鍵選通信號KEYSTROBE（高電平有效），經反向器接到8031的INT0管腳。當某一個鍵按下時，KEYSTROBE為高電平，經反相后的下降沿向8031申請中斷。8031響應后，讀入BCD碼值，作為給定值，并送顯示。由于系統設計只有3位顯示，所以最多只能給定999。輸入順序為從最高位（百位數）開始。微機控制技術圖10.11編碼鍵盤原理圖

微機控制技術10.2.2控制系統硬件設計當鍵未按下時，所有輸出端均為高電平。當有鍵按下后該鍵的BCD碼將出現在輸出線上。例如，按下“7”鍵時，與鍵“7”相連的一個二極管導通，所以D線上為低電平，A、B、C仍為高電平，因此輸出編碼為0111，其余依次類推。當任何一個鍵按下時，四輸入與非門7420產生一個高電平選通信號KEYSTROBE，此信號經反相器后向8031申請中斷。微機控制技術10.2.2控制系統硬件設計2.控制電路包裝系統控制電路主要有兩部分：一是信號檢測，光電檢測器1判斷包裝箱是否到位，光電檢測器2用于裝箱零件計數；再一部分就是傳送帶電機控制。檢測部分比較簡單，就不再詳述。下邊主要介紹一下電機控制電路微機控制技術10.2.2控制系統硬件設計為了提高抗干擾能力，系統采用了光電隔離技術。電機可以采用多種方法控制，如固態繼電器（SSR）、可控硅（SCR）及大功率場效應管等，詳見本書第4章4.2節。本系統采用固態繼電器（SSR1和SSR2），其控制電路原理如圖10.12所示。微機控制技術10.2.2控制系統硬件設計如圖10.12所示，8255A的PC0控制傳送帶1的驅動電機，PC1控制傳送帶2的驅動電機。當按下啟動鍵（START）后，使PC0輸出高電平，經反相后變為低電平，交流固態繼電器（SSR1）發光二極管亮，因而使得SSR1導通，交流電機通電，使傳送帶1帶動包裝箱一起運動。當包裝箱行至光源與光電檢測器1之間時，光被擋住，使光電傳感器輸出為高電平。當微型機檢測到此高電平后，PC0輸出低電平，傳送帶1電機停止。并同時使傳送帶2電機通電（PC1輸出高電平），帶動零件運動，使零件落入包裝箱內。微機控制技術10.2.2控制系統硬件設計 每當零件經過檢測器2的光源與光電傳感器之間時，光電傳感器輸出高電平。當微型機檢測到此信號后在計數器中加1，并送顯示。然后再與給定的零件值進行比較。如果計數值小于給定值，則繼續計數；一旦計數值等于給定值，則停止計數；此時關斷傳送帶2的電源，并接通傳送帶1的電源，讓裝滿零件的箱子移開，同時帶動下一個空箱到位，并重復上述過程。微機控制技術圖10.12電機控制電路微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計通過上述分析可知，本系統鍵盤的作用主要是輸入給定值。當給定值設定后，在包裝過程中就不再改動。因此為了提高實時性，系統通過中斷方式（INT0）做鍵盤處理。對包裝箱是否到位及零件計數，則采用查詢方法，起主程序框圖，如圖10.13所示。微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計中斷服務程序主要用來設定給定值，當給定鍵盤有鍵按下時，KEYSTROBE輸出高電平，經反相器后向8031申請中斷。在中斷服務程序中，讀入該鍵盤給定值，一方面存入相應的給定單元（PORTS或BOXES），另一方面送去顯示，以便操作者檢查輸入的給定值是否正確。微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計本程序輸入的順序是先輸入包裝箱數（3位，最大值為999，按百位、十位、個位順序輸入），然后再輸入每箱裝的零件數（3位，最大值為999，輸入順序同包裝箱）。完成上述任務的中斷服務程序流程如圖10.14所示。微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計 為了設計如圖10.13和10.14所示的程序，首先需設置有關內存單元。這里用8031內部RAM的20H單元的00H～03H四位分別代表電機1、電機2、報警和正常運行標志單元；用21H單位的08H和09H兩位作為零件及包裝箱計數標志單元。當計數值等于給定值時，則此兩位標志單元置1，否則為0。微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計 一旦此標志單元為1，則停止計數，把裝滿的包裝箱運走并重新運來一個空箱；若包裝箱數已夠，則重新開始下一輪包裝生產控制過程。如果計數單元超過給定值，將產生報警，告知操作人員計數有誤，此時系統會自動停下來，等待操作人員處理。該系統內存單元分配如圖10.15所示。微機控制技術圖10.13包裝控制系統主程序框圖圖10.14輸入給定值中斷服務程序

微機控制技術圖10.15系統內存單元分配微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計 ORG0000H AJMPMAIN ORG0003H AJMPINT0LED1 EQU 22H ；零件計數單元（百位）LED2 EQU 23H ；（十位）LED3 EQU 24H ；（個位）BOX1 EQU 25H ；包裝箱計數單元（百位）BOX2 EQU 26H ；（十位）BOX3 EQU 27H ；（個位）BOXES EQU 28H ；包裝箱給定值首地址根據圖10.11～圖10.13所示可編寫出該系統控制程序如下：微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計PARTS： EQU 2BH ；零件給定值首地址PRECNT EQU 2EH ；給定值次數計數單元LEDADD1 EQU 8400H ；百位數顯示位地址LEDADD2 EQU 8800H ；十位數顯示位地址LEDADD3 EQU 8C00H ；個位數顯示位地址BUFF EQU 2FH ；緩沖單元 ORG0100H；控制主程序微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計MAIN： MOVSP，#50H ；設堆棧指針 MOVR0，#22H ；8031數據區首地址 MOV A，#00H MOV R1，#0DH ；計數器初值CLRZERO: MOV @R0，A ；清計數、給定值單元 INC R0 DJNZ R1，CLRZERO MOV 20H，#00H ；清控制單元 MOV 21H，#00H MOV DPTR，#8003H ；8255初始化微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計

MOV A，#98H ；8255控制字 MOVX @DPTR，A SETB IT0 ；設置邊沿觸發方式 SETB EX0 ；設置中斷方式0 SETB EA ；開中斷 MOV R0，#BOXESMOV DPTR，#LEDADD1 ；保護顯示位地址 PUSH DPH PUSH DPL微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計WAIT：MOVA，PRECNT ；等待設置給定參數 CJNE A，#06H，WAIT ；判是否輸入完給定值WORK：SETB00H ；設置啟動傳送帶電機位 SETB 03H ；設置工作正常指示燈位 MOV A，20H ；啟動電機1和正常指示燈 MOV DPTR，#8002H MOVX @DPTR，A微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計LOOP1：MOVX A，@DPTR JNB ACC7，LOOP1 ；判包裝箱是否到位 MOV LED1，#00H ；清零件計數單元 MOV LED2，#00HMOV LED3，#00H LCALL DISPLAY ；顯示零件數 CLR 00H ；停包裝箱傳送帶電機位 SETB 01H ；設置啟動零件傳送電機位 MOVA，20H ；啟動零件傳送電機 MOV DPTR，#8002H MOVX@DPTR，A微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計LOOP2：MOV DPTR，#8002H MOVX A，@DPTR JNB ACC6，LOOP2 ；判是否有零件 JNB ACC4，STOP ；判是否按下停止鍵 LCALL PARTADD1 ；零件加1 LCALL DISPLAY ；顯示已裝入的零件數 LCALL PARTCOMP ；與給定值比較 JB 08H，STOPM；已裝滿 AJMP LOOP2 ；未裝滿，繼續等待裝入微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計STOPM：LCALL BOXADD1 ；包裝箱數加1 LCALL BOXCOMP ；看是否已裝夠箱數 JB 09H，FINISH ；如果箱數已裝夠，則結束 LJMP WORK ；否則將繼續換新箱包裝FINISH：CLR00H ；全裝完，不用重新設參數， ；即可繼續包裝 CLR 01H MOVA，20H MOVX@DPTR，A MOV BOX1，#00H ；包裝箱計數單元清零 MOV BOX2，#00H MOV BOX3，#00H微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計LOOP3：MOVDPTR，#8002H ；判是否重新啟動 MOVXA，@DPTR JB ACC5，LOOP3 LJMP WORK ；再進行下一輪包裝；停止鍵處理程序STOP：CLR 00H ；停傳送帶電機 CLR 01H MOV A，20H MOVX@DPTR，A LJMP MAIN ；轉到主程序，等待重新輸入新的 ；給定值微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計；中斷服務子程序，設置給定值INT0：MOV DPTR，#8000H ；讀入給定值 MOVXA，@DPTR MOV @R0，A MOV DPTR，#8001H ；送8255B口 MOVX@DPTR，A POP 2FH ；保護斷點 POP 30H POP DPL ；取出顯示位地址 POP DPH MOVX@DPTR，A ；顯示給定值 微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計 MOV A，DPH ADD A，#04H ；求下一個顯示位地址 MOV DPH，A PUSH DPH ；保護下一位顯示地址 PUSH DPL PUSH 30H ；恢復斷點 PUSH 2FH INC R0 ；計算下一給定值地址 INC PRECNT ；設置參數計數 RETI微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計；顯示零件數子程序

DISPLAY：MOVA，LED1 ；取百位數 MOV DPTR，#SEGTBL MOVC A，@A+DPTR ；取顯示碼 MOV DPTR，#8001H ；送顯示數據到B口 MOVX @DPTR，A MOV DPTR，#LEDADD1 ；顯示百位 MOVX @DPTR，A MOV A，LED2 ；取十位數 MOV DPTR，#SEGTBL MOVCA，@A+DPTR MOV DPTR，#8001H微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計

MOVX @DPTR，A MOV DPTR，#LEDADD2 ；顯示十位 MOVX @DPTR，A MOV A，LED3 ；取個位數 MOV DPTR，#SEGTBL MOVCA，@A+DPTR MOV DPTR，#8001H MOVX@DPTR，A MOV DPTR，#LEDADD3 ；顯示個位 MOVX @DPTR，A RET微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計

SEGTBL: DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH， 7DH，07H，7FH，67H MOVR0，#LED3 PARTADD1：MOVR0，#LED3 ；零件數加1子程序 MOV A，@R0 ADD A，#01H DA A JB 24H，ADD2 MOV@R0，A RET微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計ADD2：CLR 24H DEC R0 MOV A，@R0 ADD A，#01H DA A MOV @R0，A JB 1CH,ADD3 RETADD3：CLR 1CH DEC R0 MOV A，@R0 ADD A，#01H DA A MOV @R0，A JB 14H,ADD4 RET微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計ADD4：CLR 14H MOV R0，#00H RET；零件數比較子程序PARTCOMP：MOV R0，#PARTS ；給定零件數地址 MOV R1，#LED1 ；零件計數單元首地址 MOV R2，#03HCOMP1： MOV A，@R0 MOV BUFF，@R1 CJNE A，BUFF，COMP2 INC R0 INC R1 DJNZ R2，COMP1微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計 SETB 08H ；已裝滿，置裝滿標志 RETCOMP3： CLR 08H RETCOMP2： JNC COMP3 LJMP ALARM；包裝箱計數比較子程序BOXCOMP： RET ；（略）；包裝箱加1子程序BOXADD1： RET ；（略）；報警處理子程序微機控制技術10.2.3控制系統軟件設計ALARM： SETB 02H CLR 00H CLR 01H CLR 03H MOV A，20H MOV DPTR，#8002H MOVX @DPTR，A LJMP MAIN微機控制技術10.3智能型FR1151壓力變送器本項目是作者研發的天津市自然科學基金項目，并獲得國家發明專利，專利號為199311.

本發明的最大亮點是把壓力直接轉換成數字信號送到單片機處理。從而省掉價值昂貴的A/D轉換器。10.3智能型FR1151壓力變送器10.3.1FR1151壓力變送器的組成原理10.3.2FFR1151系統的硬件設計 10.3.3FFR1151系統的軟件設計10.3.1FR1151壓力變送器的組成原理圖10.16FR1151壓力變速器原理框圖

10.3.1FR1151壓力變送器的組成原理1.數據采集壓力變化→電容C1的變化→多諧振蕩電路充、放電時間（T)→頻率(f)將方波(f)送入單片機89C51的T0計數器，利用89C51中T1作為定時器。當被測的脈沖上升沿來臨時，T0開始計數，同時T1定時開始。當T1時間到時，T0停止計數，然后由微型機讀取計數器記錄時鐘脈沖，求得t時間內所記錄的脈沖的個數N，再根據標度變換公式求出壓力值P(C)。10.3.1FR1151壓力變送器的組成原理2.其他電路 （1）LCD顯示壓力變送器的工作狀態和量程。 （2）E2PROM外部數據存儲器。使用的是I2C總線串行E2PROM24C01。 （3）D/A轉化器輸出4~20mA的電流輸出，串行輸入。 （4）鍵盤可代替RF1151的手操器，用來在現場完成量程的設置與操作。10.3.2FFR1151系統的硬件設計1．多諧振蕩器10.3.2FFR1151系統的硬件設計10.3.2FFR1151系統的硬件設計由圖10.18的波形求得電容C的充電時間T1和放電時間T2各為故電路的振蕩周期為10.3.2FFR1151系統的硬件設計振蕩頻率為:兩10.3.2FFR1151系統的硬件設計組實驗:

圖10.19C1與C2與f變化曲線

（1）判斷C2帶來的頻率f的變化大于C1。

10.3.2FFR1151系統的硬件設計（2）將R2設計為一滑線變阻器，確定一個最佳的R2，使得f的變化范圍最大。如圖10.20所示。10.3.2FFR1151系統的硬件設計基準頻率f0的大小直接影響到量程頻率的變化范圍，（1）f0越大，其頻率的變化范圍也大。（2）當f0=110KHz，變化范圍8~10K。（3）單片機計數器的計數誤差小于1Hz,由此可計算出這種數字傳感器的精度可達±0.000125~0.0001。10.3.2FFR1151系統的硬件設計2．LCD顯示電路（1）HD61202簡介HD61202是一種帶有列驅動輸出的液晶顯示控制器，它可以與行驅動器HD61203配合使用，組成液晶顯示驅動控制系統。（2）MGLS-12864液晶模塊電路特點在MGLS-12864中，兩片HD61202的ADC均接高電平，RST也接高電平。/CSA，/CSB=01時選通號片；/CSA，/CSB=10時選通號片。

10.3.2FFR1151系統的硬件設計 （3）MGLS-12864與8051系列CPU的連接10.3.2FFR1151系統的硬件設計3．鍵盤接口電路（1）K1——加1鍵（2）K2——減1鍵（3）K3——確認鍵圖10.23鍵盤處理流程圖

10.3.2FFR1151系統的硬件設計圖10.24顯示的6幅畫面10.3.2FFR1151系統的硬件設計4．D/A轉換電路

（1）采用12位串行D/A轉換器MAX5352 （2）MAX5253是一個輸出電壓的數字/模擬轉換器 （3）最后輸出為4—20mA電流10.3.2FFR1151系統的硬件設計圖10.25D/A轉換原理電路圖

接單片機，模擬SPI總線電壓電流轉換器

接執行機構10.3.2FFR1151系統的硬件設計5．數據存儲模塊（1）采用一片24C02串行E2PROM存儲器。（2）采用的是模擬I2C總線技術。A0，A1，A2全部接Vcc，故該從器件的地址為111模擬I2C總線P1.6–SCLP1.5--SDA10.3.3FR1151系統的軟件設計本系統軟件采用模塊化結構，根據功能劃分為7個模塊。它們是：主程序模塊壓力脈沖自動采集模塊；量程的自動選擇及線性化處理模塊；鍵盤處理模塊；顯示模塊；D/A轉換模塊。數據存儲模塊10.3.3FR1151系統的軟件設計1．主程序模塊10.3.3FR1151系統的軟件設計2．鍵盤處理模塊只有三個鍵，但功能很強。采用中斷處理方法。（2）鍵盤中斷子程序10.3.3FR1151系統的軟件設計ORG0000HLJMPMAINORG0003HLJMPKEYBOARD；鍵盤中斷入口……MAIN：；主程序………………KEYBOARD:CLREX0；關中斷 CLREAMOVA,#0FFh MOVP1,A；將P1口置成輸入方式 MOVA,P1；讀p1值ANLA,#07H CJNEA,#07H,ABBB LJMPFINISH10.3.3FR1151系統的軟件設計ABBB:MOV20H,A MOVR0,#0FFh；延時10mS，去抖再讀DL1:MOVR1,#0FFHDL2:DJNZR1,DL2 DJNZR0,DL1MOVA,#0FFhMOVP1,A MOVA,P1ANLA,#07H CJNEA,20H,FINISH；判是否有鍵按下20H.0~20H.2為KK1~KK3 MOV20H,A;JBKK1,KEY1；鍵盤分析，按下為0 LJMPK110.3.3FR1151系統的軟件設計KEY1:JBKK2,KEY2 LJMPK2KEY2:JBKK3,FINISH;三個鍵都不是，開中斷 LJMPK3FINISH:SETBEX0；開中斷 SETBEA RETI；返回……；----------------------------------------------------------------K1:……；K1鍵的服務子程序……RETI；----------------------------------------------------------------K2:……；K2鍵的服務子程序……RETI；----------------------------------------------------------------K3:……；K3鍵的服務子程序……RETI;------------------------------------------------------------------------------10.4加熱爐溫度控制系統溫度是工業對象中一種重要的參數，特別在冶金、化工、機械各類工業中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等。由于爐子的種類不同，因此所采用的加熱方法及燃料也不同，如煤氣、天然氣、油、電等。但是就其控制系統本身的動態特性來說，基本上都屬一階純滯后環節，因而在控制算法上亦基本相同。實踐證明，用微型計算機對爐窯進行控制，無論在提高產品質量和數量，節約能源，還是在改善勞動條件等方面都顯示出無比的優越性。本節主要介紹由89C51單片機組成的溫度控制系統的組成原理及程序設計方法。10.4加熱爐溫度控制系統10.4.1溫度控制系統的組成10.4.2溫度控制系統的硬件設計10.4.3數字控制器的數學模型10.4.4溫度控制系統的軟件設計10.4.5手動后援問題10.4.1溫度控制系統的組成

8座退火爐→S/H和A/D轉換器→數據處理→顯示→報警→控制計算→輸出控制10.4.1溫度控制系統的組成10.4.2溫度控制系統的硬件設計

1.檢測元件及溫度變送器溫度測量范圍0～1000℃輸出信號為0～41.2643mV(鎳鉻－鎳鋁熱電偶)0～1010℃時對應輸出為0～5V12位A/D轉換器采樣分辨度為1010/4096≈0.25℃/LSB2.A/D轉換器及數據采樣10.4.2溫度控制系統的硬件設計電路特點：帶采樣/保持器，又A/D的STS控制，當A/D轉換正在進行時，STS輸出為高電平，經反相后，變為低電平，送到S/H的邏輯控制端（Logic），使S/H處于保持狀態，此時即可開始A/D轉換。轉換后的數字量由8031的數據總線分兩次讀到CPU寄存器。轉換結束后，STS由高電平變為低電平，反相后呈高電平，因而使S/H進入采樣狀態。這種方法不必單獨送S/H控制信號，所以使系統運行速度加快。10.4.2溫度控制系統的硬件設計3.鍵盤/顯示接口電路鎖存，靜態，硬件譯碼中斷鍵盤10.4.2溫度控制系統的硬件設計4.報警電路Lai=1，LBi=0，綠燈Lai=0，LBi=1，紅燈Lai=1，LBi=1，黃燈Lai=1，LBi=0，熄滅語音芯片

驅動器10.4.2溫度控制系統的硬件設計5.譯碼電路控制端00選擇端24=16輸出端10.4.2溫度控制系統的硬件設計A15A14A13A12A11A10A9A8A7～A0111100000～00 F000H111100010～01 F100H111100100～02 F200H111100110～03 F300H111101000～04 F400H111101010～05 F500H111101100～06 F600H111101110～07 F700H111110000～08 F800H111110010～09 F900H111110100～010 FA00H111110110～011 FB00H111111000～012 FC00H111111010～013 FD00H10.4.3數字控制器的數學模型10.4.3數字控制器的數學模型10.4.3數字控制器的數學模型PID控制10.4.4溫度控制系統軟件設計1.控制系統主程序10.4.4溫度控制系統軟件設計；溫度控制系統主程序；微型機溫度控制系統譯碼器地址分配PCTL8255 EQU 0F103HPC8255 EQU 0F102H；外部RAM地址分配CDATA EQU 00H ；數據采集單元首地址FDATA EQU 50H ；數字濾波后數據首地址；內部RAM地址分配ALARMAX EQU 00H ；上限報警標志位首地址ALARMIN EQU 08H ；下限報警標志位首地址10.4.4溫度控制系統軟件設計 ORG0000H LJMPMAIN ORG0003H LJMPINT0 ORG000BH LJMPINTT0