机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计课件.ppt

《机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计课件.ppt（130页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第四章第四章目目 录录4.1 微机控制系统微机控制系统4.2 微机应用系统的输入微机应用系统的输入/输出控制的可靠输出控制的可靠性设计性设计4.3 常用检测传感器的性能特点、选用及常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口其微机接口4.1 微机控制系统微机控制系统微机控制系统的设计主要包括：微机控制系统的设计主要包括：选用微机选用微机设计接口设计接口选用控制形式选用控制形式动作控制方式等动作控制方式等一、微机控制系统专用与通用、硬件与软一、微机控制系统专用与通用、硬件与软 件的权衡与决择件的权衡与决择1、专用与通用的抉择、专用与通用的抉择专用适合于大批量生产的机电一体化专用适合于大批量生产的机

2、电一体化产品；产品；通用控制系统适合于多品种、中小批通用控制系统适合于多品种、中小批量生产的机电一体化产品；量生产的机电一体化产品；专用控制系统的设计的方法：专用控制系统的设计的方法：1）就是选用适当的通用）就是选用适当的通用IC芯片来芯片来组成控制系统组成控制系统2）重新设计制作专用集成电路）重新设计制作专用集成电路通用控制系统的设计的步骤：通用控制系统的设计的步骤：1）合理选择主控制微机机型）合理选择主控制微机机型2）设计接口）设计接口3）编制应用软件）编制应用软件实质上是通过接口设计和软件编制来使实质上是通过接口设计和软件编制来使通通用微机专用化用微机专用化的问题。的问题。（2）硬件与软

3、件的权衡）硬件与软件的权衡由由经济性经济性和和可靠性可靠性的标准权衡决定。的标准权衡决定。二、控制系统的设计思路二、控制系统的设计思路1、确定系统整体控制方案、确定系统整体控制方案1）从系统构成上考虑是否采用开）从系统构成上考虑是否采用开环控制或闭环控制；环控制或闭环控制；2）执行元件采用何种方式；）执行元件采用何种方式；3 3）考虑系统是否有特殊控制要求）考虑系统是否有特殊控制要求及采取的措施是什么？及采取的措施是什么？2、确定控制算法、确定控制算法 建立系统的数学模型，确定其建立系统的数学模型，确定其控制算法，按照规定的控制算法进控制算法，按照规定的控制算法进行控制。行控制。3、选择微型计

4、算机、选择微型计算机（1）对微型计算机的要求）对微型计算机的要求1）较完善的中断系统）较完善的中断系统必须具有实时中断能力必须具有实时中断能力2）足够的存储容量）足够的存储容量只读存储器（只读存储器（ROM）：）：存放系统程序。存放系统程序。可擦除的可擦除的ROM包括包括EPROM 紫外光可擦除紫外光可擦除E2PROM 电可擦除电可擦除KEPROM 带键保护带键保护2716（2k8)27128(16k8)3）完备的输入）完备的输入/输出通道和实时时钟输出通道和实时时钟完备的输入输出通道包括：完备的输入输出通道包括：1）开关量输入）开关量输入/输出通道输出通道2）模拟量输入）模拟量输入/输出通道

5、输出通道3）直接数据通道）直接数据通道 选择微型计算机还应考虑以下几个选择微型计算机还应考虑以下几个特殊要求：特殊要求：1）字长）字长2）速度）速度3）指令）指令字长字长直接影响直接影响:数据的精度数据的精度寻址的能力寻址的能力指令的数目指令的数目执行操作的时间执行操作的时间 对计算量小、计算精度和速度对计算量小、计算精度和速度要求不高的系统可选用要求不高的系统可选用 4 位机；位机；对计算精度要求较高、处理对计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用速度较快的系统可选用 8 位机位机 对计算精度要求高、处理对计算精度要求高、处理速度快的系统可选用速度快的系统可选用 16 位位以上的微机。以上

6、的微机。指令指令对指令的要求是：系统要有有较丰富的对指令的要求是：系统要有有较丰富的 逻辑判断指令逻辑判断指令 外围设备控制指令外围设备控制指令（2）微机系统的类型）微机系统的类型单片机单片机单板机单板机可编程序控制器（可编程序控制器（PLC）总线型工业控制计算机总线型工业控制计算机微机微机1）单板机）单板机特点：特点：价格低，体积小，便于现场价格低，体积小，便于现场应用和维护管理应用和维护管理内存小，接口电路小内存小，接口电路小使用机器语言编程使用机器语言编程2）单片机）单片机特点特点受集成度限制，片内存储器容量受集成度限制，片内存储器容量较小；较小；可靠性高；可靠性高；易扩展易扩展；控制功

7、能强；控制功能强；有固定的开发软件有固定的开发软件3）可编程序控制器）可编程序控制器特点：特点：控制程序可变，具有很好的柔性；控制程序可变，具有很好的柔性；可靠性强、适用于工业环境；可靠性强、适用于工业环境；编程简单，使用方便；编程简单，使用方便；功能完善功能完善体积小、重量轻、易于装入机器内部体积小、重量轻、易于装入机器内部4）总线型工业控制计算机）总线型工业控制计算机特点：特点：提高设计效率，缩短设计和制造周期提高设计效率，缩短设计和制造周期提高了系统的可靠性；提高了系统的可靠性；便于调试和维修；便于调试和维修；能适应技术发展的需要，迅速改进系能适应技术发展的需要，迅速改进系统的性能统的性

8、能总线类型：总线类型：ISA总线总线VESA 总线总线PCI总线总线AGP标准标准STD总线总线ISA总线总线:ISA（industrial standard architecture）总线标准是总线标准是IBM 公司公司1984年为推出年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以机而建立的系统总线标准，所以也叫也叫AT总线。它是对总线。它是对XT总线的扩展，总线的扩展，以适应以适应8/16位数据总线要求。位数据总线要求。VESA 总线总线:VESA（video electronics standard association）总线是）总线是 1992年由年由60家家附件卡制造商联合推出的一

9、种基于附件卡制造商联合推出的一种基于80486CPU的的32位局部总线，简称为位局部总线，简称为VL(VESA local bus)总线。总线。PCI总线总线PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行的总线之一。总线是当前最流行的总线之一。它支持它支持33MHZ的时钟频率，定义了的时钟频率，定义了32位数位数据总线，且可扩展为据总线，且可扩展为64位。位。PCI总线主板插槽的体积比原总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽总线插槽还小，其功能比还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率为支持突发读写操作

10、，最大传输速率为132MB/s，可同时支持多组外围设备。，可同时支持多组外围设备。AGP标准标准随着随着90年代年代Pentium系列微处理器的系列微处理器的出现，要求的总线频率都在出现，要求的总线频率都在66MHz或或者者66MHz以上，由于以上，由于PCI总线的频率总线的频率只有只有33MHz，这样就成了超高速系统，这样就成了超高速系统的一个传送瓶颈，为了解决这个问题，的一个传送瓶颈，为了解决这个问题，而推出了而推出了AGP（Accelerated Graphics Port）标准。）标准。STD总线总线:STD总线是美国总线是美国PRO-LOG公司公司1978年年推出的一种工业控制微型机

11、的标准系统推出的一种工业控制微型机的标准系统总线。总线。STD总线采用小板结构，高度模块化，总线采用小板结构，高度模块化，是一种以小尺寸插板结合是一种以小尺寸插板结合LSI技术建立技术建立了一种以功能模块的方法来进行面向控了一种以功能模块的方法来进行面向控制的系统设计。制的系统设计。STD它被国际标准化会它被国际标准化会议定名为议定名为IEEE961。5）微机：）微机：具有丰富的系统软件具有丰富的系统软件编程、调试方便编程、调试方便系统内存大系统内存大数据输入输出速度快数据输入输出速度快成本较高，抗干扰能力差成本较高，抗干扰能力差4、系统总体设计、系统总体设计依据：依据：整体方案初框图整体方案

12、初框图 设计要求设计要求 微机类型微机类型设计中主要考虑以下问题：设计中主要考虑以下问题：硬件与软件功能的分配与协调硬件与软件功能的分配与协调接口设计接口设计通道设计通道设计操作控制台设计操作控制台设计可靠性设计等问题。可靠性设计等问题。遵循的原则是：遵循的原则是：硬件与软件功能的分配与协硬件与软件功能的分配与协调要根据经济性和可靠性指标进调要根据经济性和可靠性指标进行权衡；行权衡；（1）接口设计）接口设计首先要合理地使用已有的接口首先要合理地使用已有的接口其次当通用接口不够时应进行接其次当通用接口不够时应进行接口的扩展；口的扩展；1）接口设计的方案）接口设计的方案 选用功能接口板选用功能接口

13、板 选用通用接口电路选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路用集成电路自行设计接口电路接口设计方案选择的依据是：接口设计方案选择的依据是：控制要求控制要求能够得到何种元件能够得到何种元件扩展接口的方便程度扩展接口的方便程度选用功能接口板选用功能接口板 优点：优点：p 硬件工作量小硬件工作量小p 可靠性高可靠性高缺点：缺点：p 价格较贵价格较贵一般只用来组成较大的系统一般只用来组成较大的系统选用通用接口电路选用通用接口电路如：如：u8255：三个：三个8位并行口位并行口u8243：四个：四个4位并行口位并行口u8251：串行口：串行口u8279：专用键盘显示控制芯片：专用键盘显示控制芯片适用

14、于适用于 组成较小的控制系统。组成较小的控制系统。用集成电路自行设计接口电路用集成电路自行设计接口电路 可设计任意要求的接口，价可设计任意要求的接口，价格低，但可靠性差。格低，但可靠性差。如：如：74LS138：三：三-八译码器八译码器 74LS373：八位锁存器：八位锁存器 74LS244：三态缓冲器等：三态缓冲器等2）接口的设计内容）接口的设计内容如何扩展接口；如何扩展接口；如何安排通过各接口电路如何安排通过各接口电路I/O端的输端的输入入/输出信号，选定各信号输入输出信号，选定各信号输入/输出输出时采用何种控制方式。时采用何种控制方式。（2）通道设计）通道设计包括：包括：通道类型通道类型

15、 通道组成通道组成 通道芯片的选择通道芯片的选择1）通道类型：）通道类型：开关量输入开关量输入/输出通道输出通道模拟量输入模拟量输入/输出通道输出通道数字量输入数字量输入/输出通道输出通道开关量输入开关量输入/输出通道输出通道输输入入口口输入输入波形波形R:R:上拉电阻上拉电阻OFF:OFF:高电平高电平ON:ON:低电平低电平模拟量输入模拟量输入/输出通道输出通道数字量输入输出通道数字量输入输出通道2）通道的组成通道的组成 开关量开关量通道的组成：通道的组成：功率驱动等功率驱动等输入通道输入通道 输出通道输出通道电平转换电路电平转换电路去抖动电路去抖动电路抗干扰电路等抗干扰电路等输输入入口口

16、输入输入波形波形R:R:上拉电阻上拉电阻OFF:OFF:高电平高电平ON:ON:低电平低电平开关输入电路波形开关输入电路波形开关：开关：OFFOFF开关：开关：ONON开关：开关：OFFOFF开关：开关：ONON无抖动无抖动时间时间高电平高电平低电平低电平有抖动有抖动发生抖动的时间发生抖动的时间10ms10ms以下以下硬件去抖电路及工作原理硬件去抖电路及工作原理硬件去抖电路及工作原理硬件去抖电路及工作原理简易数控步进电机的控制通道组成简易数控步进电机的控制通道组成8255光电隔离电路光电隔离电路A相放大相放大A相放大相放大A相放大相放大步进步进电机电机环环形形分分配配器器进给进给方向方向光电隔

17、离电路光电隔离电路定时器定时器PA0PA1PA2PB采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成微微机机I/O光光电电隔隔离离电电路路A相功放电路相功放电路A相功放电路相功放电路A相功放电路相功放电路步进电机步进电机控制计算机与控制计算机与控制计算机与控制计算机与PWMPWM功放的接口方法功放的接口方法功放的接口方法功放的接口方法模拟量模拟量通道的组成：通道的组成：输入通道：输入通道：信号处理装置信号处理装置采样单元采样单元采样保持器采样保持器A/D转换等转换等输出通道：

18、输出通道：D/A转换转换 放大器等放大器等模拟量输出通道模拟量输出通道模拟量输入通道模拟量输入通道ADC9080通过通过8255A与与CPU连接连接模拟量模拟量（3）操作控制台设计）操作控制台设计 操作控制台主要是为现场操操作控制台主要是为现场操作人员使用的作人员使用的简易操作控制台简易操作控制台其功能包括：其功能包括：1）有一组或几组数据输入键）有一组或几组数据输入键2）有一组或几组功能键或转换开关）有一组或几组功能键或转换开关3）有一个数字显示装置或显示屏）有一个数字显示装置或显示屏4）有）有“急停急停”按钮，按钮，对于对于比较小的控制系统比较小的控制系统，可通过重新设计一个键盘管理程序可

19、通过重新设计一个键盘管理程序将原系统所带的输入键盘进行改造。将原系统所带的输入键盘进行改造。操作员控制台的特点：操作员控制台的特点：实用性实用性可靠性好可靠性好操作方便操作方便成本高成本高要占用输入要占用输入/输出接口输出接口缺乏必要的数字显示和状态显示缺乏必要的数字显示和状态显示5、软件设计、软件设计软件的设计主要是应用软件的设计；软件的设计主要是应用软件的设计；控制系统对应用软件的要求：控制系统对应用软件的要求：l实时性实时性l针对性针对性l灵活性灵活性l通用性通用性应用软件的设计方法有两种：应用软件的设计方法有两种：1）模块化程序设计）模块化程序设计2）结构化程序设计）结构化程序设计6、

20、系统调试、系统调试调试的步骤是：调试的步骤是：硬件调试硬件调试软件调试软件调试系统调试系统调试硬件调试包括：硬件调试包括：元器件的筛选及老化元器件的筛选及老化印制电路板的制作印制电路板的制作元器件的焊接和试验元器件的焊接和试验连续考机运行连续考机运行软件调试包括：软件调试包括：各模块的分别调试各模块的分别调试固化到固化到EPROM中中系统调试：系统调试：整机模拟实验整机模拟实验现场实验现场实验4.7 微机应用系统的输入微机应用系统的输入/输出控制的输出控制的可靠性设计可靠性设计微机应用系统对硬件电路的要求是：微机应用系统对硬件电路的要求是：1、能够可靠地传动控制信息，并能、能够可靠地传动控制信

21、息，并能够输入有关运动机构的状态信息；够输入有关运动机构的状态信息；2、能够进行相应的信息转换，、能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入以满足微机对输入/输出信息输出信息的转换要求；的转换要求；3、应具有较强的阻断干扰信、应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。以提高系统的可靠性。一、光电隔离电路设计一、光电隔离电路设计1、光电隔离电路原理、光电隔离电路原理1输入信号输入信号（来自微机）（来自微机）输出输出（去执行系统）（去执行系统）VC +5V +12VG2、光电隔离电路的作用：、光电隔离电路的作用：（1）可将输入与输出两部分电）可将输

22、入与输出两部分电路的地线分开，各自使用一套电路的地线分开，各自使用一套电源供电；源供电；（2）可以进行电平转换；）可以进行电平转换；（3）提高驱动能力。）提高驱动能力。3、光电耦合器的分类、光电耦合器的分类输入输入输出输出123管脚管脚3主要主要用于温度补用于温度补偿及检测等。偿及检测等。适用于输入信号频率在适用于输入信号频率在100KHz以下的系统以下的系统1）普通型）普通型2）高速型）高速型 适用于输入信号频率在适用于输入信号频率在100KHz以以上，但负载较小的系统。上，但负载较小的系统。输入输入输出输出12+-3）达林顿输出型）达林顿输出型可直接驱动频率较低的负载可直接驱动频率较低的负

23、载输入输入输出输出12+-4）可控硅输出型）可控硅输出型常用于大功率的隔离驱动场合常用于大功率的隔离驱动场合输入输入输出输出12+-32、光电耦合隔离电路应用、光电耦合隔离电路应用 将微机与前向、后向通道以及其将微机与前向、后向通道以及其它相关部分切断与电路的联系，从而它相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机。有效地防止干扰信号进入微机。其它其它I/O设备设备多通道多通道地地 址址选选 择择光光电电耦耦合合光光电电耦耦合合地地址址选选择择后后向向接接口口光光电电耦耦合合D/A或或执行机构执行机构CPU前前向向接接口口光光电电耦耦合合A/D光电耦合的基本配置光电耦合的基本配置输

24、出输出8031P1.3R1+5VR2光电耦合输入接口光电耦合输入接口输出输出8031P1.3R1+5VR2光电耦合输出接口光电耦合输出接口+12VT8255（8155）PA.3R1+5VR28255、8155与光电耦合器的输出接口与光电耦合器的输出接口+12VTR1R4二、信息转换电路设计二、信息转换电路设计1、弱电转强电电路、弱电转强电电路 微机应用系统中的微机发出的控制系统微机应用系统中的微机发出的控制系统一般要经过功率放大后，才能驱动各类执一般要经过功率放大后，才能驱动各类执行元件。行元件。弱电转强电的几种电路原理图弱电转强电的几种电路原理图G功放电路功放电路继电器继电器G功放电路功放电

25、路继电器继电器G功放电路功放电路继电器继电器G功放电路功放电路直流电磁铁直流电磁铁交流接触器交流接触器AC电机电机AC电机电机电磁铁电磁铁来来自自微微机机开开关关量量功率较大功率较大功率较小功率较小2、数字脉冲转换、数字脉冲转换微微机机I/O光光电电隔隔离离电电路路A相功放电路相功放电路B相功放电路相功放电路C相功放电路相功放电路步进电机步进电机采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成应用在驱动元件为步进电动机的系统中。应用在驱动元件为步进电动机的系统中。3、数、数/模，模模，模/数转数转换换微机微机D/A功放及速度控制功放及速度控制直流伺服电机直流

26、伺服电机位置反馈位置反馈速度反馈速度反馈直流伺服电机的控制回路直流伺服电机的控制回路4、电量转非电量、电量转非电量D/A信号信号放大器放大器电液电液伺服阀伺服阀液压液压执行元件执行元件来来自自微微机机的的数数字字量量电液转换控制回路电液转换控制回路三、输入三、输入/输出控制电路示例输出控制电路示例8255光电隔离电路光电隔离电路A相放大相放大A相放大相放大A相放大相放大步进步进电机电机简易数控步进电机的控制通道组成简易数控步进电机的控制通道组成环环形形分分配配器器进给进给方向方向光电隔离电路光电隔离电路定时器定时器PA0PA1PA2PB4.8机电一体化系统中的检测传感器机电一体化系统中的检测传

27、感器一、检测传感器的分类与基本要求一、检测传感器的分类与基本要求1、分类、分类1）按作用分）按作用分2）按输出信号的性质分）按输出信号的性质分3）按传感器的用途分类）按传感器的用途分类2、机电一体化系统对传感器的基本要求、机电一体化系统对传感器的基本要求1）体积小、重量轻，对整机的适应）体积小、重量轻，对整机的适应性好性好2）精度和灵敏度高、响应快、稳定）精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高性好、信噪比高3）安全可靠、寿命长）安全可靠、寿命长4）便于与计算机联接）便于与计算机联接5）不易受被测对象性的影响，也不影响）不易受被测对象性的影响，也不影响外部环境；外部环境；6）对环境条件适应能

28、力强）对环境条件适应能力强7）现场处理简单、操作性好）现场处理简单、操作性好8）价格便宜）价格便宜二、传感器的特性参数二、传感器的特性参数1、静态特性、静态特性 1）量程量程 2）线性范围）线性范围 3）线性度）线性度4）灵敏度）灵敏度5）精确度）精确度6）分辨率）分辨率7）迟滞）迟滞8）稳定性）稳定性2、动态特性、动态特性幅频特性幅频特性相频特性相频特性三、传感器的选用原则及注意事项三、传感器的选用原则及注意事项 包括产品的应用环境、使用条件包括产品的应用环境、使用条件和维护条件和维护条件1）根据使用要求选择传感器）根据使用要求选择传感器2）确定传感器的具体参数）确定传感器的具体参数 根据实

29、际的需要和可能，在确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。放宽对次要性能指标的要求。改善传感器的性能的技术：改善传感器的性能的技术：1）平均技术）平均技术2）差动技术）差动技术3）稳定性技术）稳定性技术4）屏蔽技术和隔离）屏蔽技术和隔离三、传感器与微机的接口三、传感器与微机的接口信号源信号源电信号电信号模拟信号模拟信号采样信号采样信号数字信号数字信号数据采集通道的一般组成数据采集通道的一般组成1、基本接口方式、基本接口方式（1）模拟量接口方式）模拟量接口方式（2）开关量接口方式）开关量接口方式（3）数字量接口方式）数字量

30、接口方式接口方式接口方式基基 本本 方方 法法 模拟量接模拟量接口方式口方式传感器输出信号传感器输出信号放大放大采样保持采样保持模拟模拟多路开关多路开关 A/D转换转换 I/O接口接口微机微机开关量接开关量接口方式口方式开关型传感器输出二值式信号开关型传感器输出二值式信号三态缓冲三态缓冲器器微机微机数字量接数字量接口方式口方式数字型传感器输出数字量数字型传感器输出数字量计数器计数器 三态三态缓冲器缓冲器微机微机2、模拟量接口方式、模拟量接口方式单通道直接型单通道直接型多通道一般型多通道一般型多通道同步型多通道同步型多通道并行输入型多通道并行输入型单通道直接型单通道直接型生生产产过过程程计计算算

31、机机信号信号源源传传感感器器电信电信号号信信号号处处理理模拟模拟信号信号采采样样-保保持持采样采样信号信号A/D转转换换数字数字信号信号信号信号源源传传感感器器电信电信号号信信号号处处理理模拟模拟信号信号采采样样-保保持持采样采样信号信号A/D转转换换数字数字信号信号最简单的形式，应用范围窄。最简单的形式，应用范围窄。多通道一般型多通道一般型.特点：特点：p节省硬件成本，但转换速度更慢节省硬件成本，但转换速度更慢p常用于分时采样、分时转换的计算常用于分时采样、分时转换的计算机控制系统中。机控制系统中。多通道同步型多通道同步型.特点：特点：结构节省硬件，但转换速度结构节省硬件，但转换速度比较慢，且误差增加；比较慢，且误差增加；多用于转换速度、精度要求多用于转换速度、精度要求不高，须同时采集、分时转不高，须同时采集、分时转换的控制系统。换的控制系统。多通道并行输入型多通道并行输入型