第十章 微型计算机控制系统的设计

第十章微型计算机控制系统的设计实践1微机控制系统设计的基本要求和特点2微机控制系统的设计方法及步骤3微机控制系统设计举例1微机控制系统设计的基本要求和特点1）.设计的基本要求（1）系统操作性能要好（2）通用性好、便于扩充（3）可靠性要高①采用双机系统。②采用集散控制系统。2）.设计特点在进行微机控制系统设计时，系统设计人员必须把系统要执行的任务和应具备的功能合理地分配给硬件和软件来实现，做到合理权衡硬件、软件的配置，并尽量节省机器时间和内存空间。硬件设计主要采用大规模集成电路。2微机控制系统的设计方法及步骤1）.确定系统整体控制方案第一：要从系统构成上考虑，是采用开环控制还是闭环控制。第二：考虑执行机构采用什么方案，是采用电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，比较各种方案，择优而用。第三：考虑是否有特殊控制要求。2）.确定控制算法（1）确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求。（2）确定某些情况下要进行修改与补充。（3）确定为设计、调试方便，可将控制算法作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。3）.选择微型计算机和外围设备（1）较完善的中断系统（2）足够的存储容量（3）完备的输入输出通道和实时时钟（4）字长（5）速度（6）指令种类和数量（7）寻址范围和寻址方式（8）内部存储器的种类和数量4）.系统总体设计（1）估计内存容量、进行内存分配（2）过程通道和中断处理方式的确定（3）系统总线的选择（4）操作台的控制5）.硬件和软件的具体设计（1）硬件设计：根据系统总体框图，设计出系统电气原理图，再按照电气原理图着手元件的选购和开始施工设计工作。（2）软件设计：①实时性②针对性③灵活性和通用性④可靠性。6）.系统联调系统联调是要把已调好的各程序功能块按照总体设计要求连成一个完整的程序。程序调试完成后，还要进行在线仿真，然后进行试运行。经过一段考机和试运行后，即可投入正式运行。图6-1控制系统设计步骤流程图控制对象的功能和工作过程分析估算及分配I/O口,存储器容量及外围设备画系统工艺流程图I/O口的具体分配画系统程序框图系统部件的详细设计编制源程序部件芯片老化筛选和测试汇编布线及安装形成目标程序系统试运行调试硬件调试和仿真完成否?硬件错否?完成否?写入EPROM结束设计硬件设计软件设计是是是否否否开始3微机控制系统设计举例1）硬件电路2）数字控制器的数学模型3）控制系统程序设计电阻炉炉温控制系统原理图1）硬件电路变送器键盘与显示T0T1P1.3P1.2P1.1P1.0P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP0PSENWRRDEAP3.3803174LS37327328155CE~OCD70~ALECEIO/M~A70A701/2WRRDA0A1A2红绿红ABCCLK~D70OEALESTARTIN0EOC...........光耦驱动器MC14528220V~加热丝LM31174LS00TIL117........过零信号发生器ACD0809.热电偶1.检测元件及变送器检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，分度号为EU，适用于0℃~1000℃的温度测量范围，相应输出电压为0mV~41.32mV。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的0~41.32mV变换成0~10mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范围内的电压。表温度-数字量对照表2.接口电路8031的接口电路有ADC0809、8155和2732等。本系统采用ADC0809型A/D转换器，该芯片为8位逐次逼近型A/D转换器。ADC0809为温度测量电路的输入接口；8155用于键盘和显示接口；2732作为8031外部程序(ROM)存储器。3.温度控制电路如图双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因此可控硅导通时间决定加热丝的加热功率。图6-3给出了可控硅在给定周期T内具有不同导通时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零后触发导通。过零同步脉冲由过零触发电路产生，如图所示。输出功率与通断时间的关系uuuutttt12.5%25%50%100%过零触发电路.....................LM311MCQ1Q274LS0014528TIL117+5V+5V+12V220V~加热器+5VA1P1.32）数字控制器的数学模型闭环调节系统可近似看成一阶惯性环节加一个延迟环节。因此，根据推导，可以得出：]z)e-(1ze-1)[e1(K)e1)(ze1(D(z)1-N-T/-1-T/-T/-P-T/-1-T/11经化简后得到：1-N-1--1z)C-(1Cz1Bz-AD(z)式中：A=)e1(Ke11T/-P-T/B=AC=1-T/e-T/e因为，D(z)=R(z)/E(z)，得：E(z))BzA(R(z)]z)C(1Cz1[-11--N-1y(n)=A×e(n)-B×e(n-1)+C×y(n-1)+(1-C)×y(n-N-1)式中：y(n)——n时刻的输出值；e(n)——n时刻的偏差值；e(n-1)——n-1时刻的偏差值；y(n-N-1)——n-N-1时刻的输出值。由系统特性曲线确定出τ和τ1后，系数A、B、C则可分别求出。返回本节3）控制系统程序设计图主程序流程图1）.主程序设定堆栈指针清标志和暂存单元清显示缓冲区T0初始化开CPU中断扫描键盘温度显示T1中断程序清标志D5H停止输出T1中断服务程序开始开始返回2）.T0中断服务程T0中断服务程序是此系统的主体程序，用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。在T0中断服务程序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程序、标度变换程序和温度显示程序等。T0中断服务程序流程图。图T0中断服务程序流程图保护现场采样炉温数字滤波U(n)=Ymax否？清上次越限标志U(n)Ymax否？U(n)=Ymin否？温度标度转换初始化T1从P1.3输出求补计算Y(n)温度显示(D5H)=1否?恢复现场取Ymax值输出下限报警置本次越限标志上次越限否?越限计数器加1越限N次否?清越限标志上限报警本次越限标志送5FH清零5EH单元上限处理是是是是是是否否否否否否返回开始