第6章 微型计算机控制系统设计 第六章 微型计算机控制系统的设计6.1 控制系统设计的一般步骤6.2 微型计算机控制系统的软件6.3 常用应用程序设计6.4 微机控制直流伺服系统设计6.5 微机温度控制系统设计第6章 微型计算机控制系统设计 第一节 控制系统设计的一般步骤 系统总体控制方案设计 微型计算机选择 系统总统总 体设计设计 硬件设计控制算法设计软件设计 系统联调控制系统设计原则：可靠性高、操作性好、实施性强、通用性好、经济效益高第6章 微型计算机控制系统设计 一系统总体控制方案设计 确定控制任务1. 深入了解控制对象，熟悉生产工艺过程，提出系统的控制要求，确定系统要完成的任务。 考虑系统结构 执行机构采用什么方案 有否特殊控制要求？特殊要求应采取那些措施。 确定计算机在整个控制系统中所起的作用 2. 完成系统设计的任务书，画出系统构成的粗框图。第6章 微型计算机控制系统设计 二微型计算机选择 （一） 微型计算机系统构成方案选择1组装方案2单片机方案：体积小、可靠性高、价格便宜、性能指标高。3通用微型计算机系统方案 4通用工业控制计算机系统方案（二） 微型计算机系统性能指标选择1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微处理器有足够的数据处理能力 字长、指令的执行速度、指令系统第6章 微型计算机控制系统设计 三. 系统总体设计 硬件软件功能分配与协调尽可能地用软件来实现系统的控制功能。 通道设计系统I/O通道： 数字量I/O通道 开关量I/O通道 模拟量I/O通道 脉冲量I/O通道 在总体设计中，应确定本系统应设置什么样的通道、每个通道由几部分组成，各部分选用什么器件等。第6章 微型计算机控制系统设计 接口设计 接口设计内容： 扩充接口 安排接口电路的I/O信号及交换方式。接口电路I/O信号的交换方式：程序控制方式（无条件、查询） 中断控制读取IO方式 直接存储器存取方式 常用的扩充方法： 选用专门的功能接口板 选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路 操作员控制台设计 包括：各种转换开关、按钮、键盘、数字显示器、状态故障指示灯等。第6章 微型计算机控制系统设计 四、硬件设计 任务：根据系统总体框图，设计出系统的电气原理图，再按照电气原理图选购元件和进行施工设计。包括： 接口电路和I/O通道的扩充 组合逻辑或时序逻辑电路 供电电源 光电隔离 电平转换 驱动放大电路等 第6章 微型计算机控制系统设计 五. 控制算法设计在对系统数学模型分析、综合设计的基础上求得相应的控制规律，之后程序化。（1）控制算法对系统的性能指标有直接的影响，确定算法能否满足控制速度、精度和系统稳定性的要求。（2）各种控制算法提供了一套通用的计算公式，是对一般性的问题而言的，应针对具体情况，进行修改与补充。（3）可实现性。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。第6章 微型计算机控制系统设计 六、软件设计七. 系统联调：软硬件系统联调第一步在实验室模拟装置上进行，要尽量创造条件使模 拟装置接近于实际控制系统，在调试时应采取一些必要的测 量监视和保护措施。第二步是在工业生产现场进行工业试验。经过一段考机 和试运行后，即可投入正式运行。第6章 微型计算机控制系统设计 6.2 微型计算机控制系统的软件一、软件的分类软件系统软件应用软件操作系统语言加工系统诊断系统控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序 编译程序 连接、装配程序 调试程序 子程序库数据可靠性检查程序 AD转换及采样程序 数字滤波程序 线性化处理程序 数据采集程序 越限报警程序 事故预告程序 画面显示程序 第6章 微型计算机控制系统设计 二、应用程序的语言选择及设计步骤1、语言选择机器语言、汇编语言、 高级语级语 言、高级语言和汇编语言混合编程 用高级语言编写计算，图形绘制，显示，打印程序， 用汇编语言编写时钟管理，中断管理和输入输出程序等。2、应应用程序的设计设计 步骤骤和方法应应用程序设计设计 的五个步骤骤： 问题问题 定义义 程序设计设计 编码编码 调试调试 改进进和再设计设计第6章 微型计算机控制系统设计 程序设计通常采用模块程序设计法和结构程序设计法结构化程序设计基本思想的三种基本结构表示：顺序结构选择结构循环结构顺序结构选择结构循环结构图6-1 流程图的三种基本结构第6章 微型计算机控制系统设计 应用软件设计 组织应用软件的内容及步骤： 确定具体要求 软件规划 程序编制 软件调试 善后工作 确定具体要求 管理要求 输入输出要求 语言加工要求 功能处理要求 软件规划 模式选择 语言选择 汇编语言 高级语言 确定数据结构 划分程序块 确定程序编制顺序 内存安排 用符号来代替某部分程序的首址。 粗略估算各部分容量 根据具体情况对内存作精确安排 应用软件编制的要 求：实时性 针对性 灵活性和通用性 可靠性第6章 微型计算机控制系统设计 三、高级语言和汇编语言的混合编程1、 混合语言编程的基本概念1）程序接口在一种语言程序中调用由其他语言编写的程序模块。2）命名约定为了解决不同语言对名称标识符的不同处理，对名称标识符、目标文件名长度的不同限制的约定。3）调用约定在两种程序语言中为实现彼此调用而建立的一种协定，如调用过程中参数的个数及顺序4）参数传递约定传值、传址、传名、传结果第6章 微型计算机控制系统设计 C语言程序调用汇编程序举例例：用汇编过程完成A2B计算，并由C语言程序将计算结果显示输出。/*C语言程序：CAC.C，向汇编程序传送两个参数A和B，并将汇编程序返回的计算结果（由AX累加器传递）显示*/Extern int power2 (int，int) main（） Printf (“3times 2to the power of 5 is %dn”，power2(3,5) 返回地 址SP 低SP SP 高高参数1（ 3） 参数2（ 5） *参数传递时 的压栈操作第6章 微型计算机控制系统设计 ；汇编语言程序CAA.ASMMODEL SMALLCODESEGMENTPUBLIC _Power2_power2 PROC NEARPUSHBPMOVBP，SPMOVAX，BP+4MOVCL，BP+6SHLAX，CLPOPBPRET_power2 ENDPCODEENDSBP保护SP/BP BP+2 BP+4 BP+6返回地 址 参数1（ 3） 参数2（ 5）参数传递时 的压栈操作第6章 微型计算机控制系统设计 四微型计算机控制系统的研制工具 微型计算机控制系统的研制工具主要有微型计算机开发系统（MDS）、联机仿真器（ICE）以及模拟仿真程序等。MDS由常规微型计算机的一些主要部件（如微处理器、存储器和输入输出设备）和系统软件、工具软件（如编辑程序、调试程序、跟踪 程序和模拟程序等）和硬件（如联机仿真器、EPROM编程器等）组合而成。它与常规的微型计算机系统大致相似。利用联机仿真器可以实现以下开发手段：1）系统实时仿真2）资源借调3）控制系统综合设计和调试第6章 微型计算机控制系统设计 第三节 常用应用程序设计 一数字滤波数字滤波是通过一定的计算程序对信号作数字化的处理，以减少干扰在信号中的比重。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，与模拟滤波器相比有以下优点：（1）用程序完成，可多个输入通道共用一个滤波程序。（2）不需硬件设备，可靠性高、稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。（3）可对频率很低的信号滤波。（4）改变程序就可实现不同的滤波方法或调整滤波参数，灵活、方便。 第6章 微型计算机控制系统设计 算术平均值滤波算术平均值滤波主要对压力 、流量、液面等周期脉动的 采样值进行平滑加工。第6章 微型计算机控制系统设计 中值滤波中值滤波去掉脉动性 干扰比较有效。一般取N为35即可第6章 微型计算机控制系统设计 动态滤动态滤 波方法一阶滞后滤 波适用于快速随机变化参数第6章 微型计算机控制系统设计 程序判断滤波 限幅滤波限幅滤波程序流程图若 ，则本次 采样值为x2若 ，则本次 采样值为x1第6章 微型计算机控制系统设计 2限速滤波设相邻的采样时刻t1，t2，t3的采样值为x1，x2，x3，则限速滤波的规则为：若 ，则以x2作为滤波输出值。若 ，则x2不采用，但仍保留，再取第三次采样值x3。若 ，则x3作为滤波输出值。若 ，则以（x2+ x3）/2作为滤波输出值。限速滤波是一个折衷方案，既照顾了滤波输出值的实时性，又照顾了其变化的连续性。 第6章 微型计算机控制系统设计 限速滤波限速滤波程序流程图则本次采样值为x2则x2不用则本次采样值为x3则本次采样值为x3则本次采样值为(x2+x3)/2第6章 微型计算机控制系统设计 2、 线性化处理分段线性插值2 线性插值的计算机实现步骤（1）用实验方法测量输入输出的 非线性关系曲线。反复测量，选一条 较精确的曲线。（2）将测量得到的曲线进行分段 ，选取各插值点。可以等间隔分，也 可不等间隔分，曲线变化大的部分间 距小些，曲线平缓的部分间距可大些 。（3）确定并计算出各插值点的xi ，yi值及两相邻插值点间的拟合直线 的斜率ki，并以表格的方式放在存储 器中。（4）经查表找出x所在区间（xi， xi+1），并取出该段的斜率ki，基点值 xi、 yi。（5）计算结果y= yi+ ki（x- xi）。第6章 微型计算机控制系统设计 2、 线性化处理分段线性插值第6章 微型计算机控制系统设计 3、数码显示两位十进制数显示 程序流程图第6章 微型计算机控制系统设计 4、越限报警处理程序若xnxmax,则上限报警若xnxmin,则上限报警第6章 微型计算机控制系统设计 5、PID控制算法程序第6章 微型计算机控制系统设计 6.3 微型计算机温度控制系统设计 网带式多温区电阻炉微型计算机温度控制系统的设计。一、系统总体设计明确控制要求，对硬件和软件有个大概考虑1、确定系统的控制任务控制对象：六温区网带式连续烧结电阻炉。设计要求：每个温区的温度在6001000范围内连续可控；各温区的温度以及网带的运行速度可自行设定；要求系统能够对六个温区的温度及网带运行速度巡回 检测、显示和定时打印。第6章 微型计算机控制系统设计 计算机控制系统应完成的主要任务有：六个温区温度的闭环直接数字控制。网带拖动直流调速系统的速度给定和速度检测。六个温区温度及网带运动速度的巡回检测、显示和定时打印。此外，实现系统升温、保温状态指示，超温、断偶报警等功能。 第6章 微型计算机控制系统设计 a. 温度检测 6001000 检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，适用于01000的温度测量范围，相应输出电压为0mV41.32mV。经变送器变换成010V 。 二 输入输出通道及其接口设计 1）温度检测模拟输入通道设计 温度检测模拟输入通道由温度检测元件、变送器和ADC 等组成。第6章 微型计算机控制系统设计 热电偶图片第6章 微型计算机控制系统设计 非线性补偿线性化处理 根据热电偶的技术数据可以绘制出输出电压信