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1、第四章 微机控制系统及接口设计,4-1 专用与通用、硬件与软件的权衡与选择 4-2 微机控制系统的设计思路 4-3 微型计算机的系统构成及种类 4-4 微型计算机软件与程序设计语言 4-5 微型计算的应用领域及选用要点 4-6 8086/8088CPU微机的硬件结构特点 4-7 Z80微机的结构特点及扩展接口 4-8 单片机的结构特点及最小应用系统 4-9 数字显示器及键盘的接口电路 4-10 可编程逻辑控制器 4-11 微机应用系统输入/输出控制的可靠性设计 4-12 常用检测传感器的性能特点选用及接口,第四章 微机控制系统及接口设计 4-1概述 一、专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择 （1
2、）专用与通用的抉择 专用功能单一，效率高，硬件成本低 通用适应性好，模块化程度高， 功能齐全，易扩展，成本高 （2）硬件与软件的权衡 分立元件软件硬件（专用集成块）,二、控制系统的一般设计思路 （1）确定系统整体控制方案 微机 通用灵活 模块化设计 嵌入式系统 DSP 单片机 专用快速 制造成本低 PLC 可靠单一 功能扩展快 组合控制系统 组态系统 现场总线系统,（2）确定控制算法 建立系统的数学模型，确定控制算法如： PID调节的控制算法(一般控制系统) 逐点比较法，位置插补法，数字积分法 (机床控制) 最优控制，模糊控制，随机控制，自适应控制 （现代控制方法）,（3）选择微型计算机 较完
3、善的中断系统，足够的存储容量、完善的1O通道和实时时钟 各种总线，接口，插槽,（4）系统总体设计 接口设计 选用功能接口板 选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路 通道设计 AD DA DI DO 操作控制台设计 输入、转换、显示、急停,（5）软件设计 程序模块化设计方法 程序结构化设计方法 系统调试,4-2微型计算机的系统构成与种类。 一、微型计算机的系统构成 二、微型计算机的种类 （1）单板机 已经不用 （2）单片机 专用为多，发展很快 DSP嵌入式系统等 （3）微型计算机系统 通用，广泛， 一般采用模块化设计，用于开发系统,三、微机软件与程序设计语言 1程序设计语言 机器语言（ma
4、chine language） 汇编语言（assembly language）、 高级语言（high level language）。 2操作系统 3程序库,四、微机的应用领域及选用要点 （1）应用领域 工业控制和机电产品的机电一体化。生产系统自动化、机床自动化、数控与数显、测温及控温、可编程逻辑控制器（PLC）、缝纫机、编织机、升降机、纺织机械、电机控制、工业机器人、智能传感器、智能走时器等。 交通与能源设备的机电一体化。汽车发动机点火控制、汽车变速器控制、交通灯控制、炉温控制等。,家用电器的机电一体化。洗衣机、电冰箱、微波炉、录像机、摄像机、电饭锅、电风扇、照相机、电视机、立体声音响设备等
5、。 商用产品机电一体化。电子秤、自动售货（票）机、电子收款机、银行自动化系统等。 仪器、仪表机电一体化。三坐标测量仪、医疗电子设备、测长仪、测温仪、测速仪、机电测试设备等。,办公自动化设备的机电一体化。复印机、打印机、传真机、绘图仪、印刷机等。 信息处理自动化设备。语音处理、语音识别、语音分析、语言合成设备；图像分析、图像识别设备；气象资料分析处理、地震波分析处理设备。 导航与控制。导弹控制、鱼雷制导、航空航天系统、智能武器装置等。,例：运动控制器 固高公司GT400四轴运动控制卡性能： 四轴步进或伺服马达控制 高性能DSPFPGA结构 6路编码器输入 4路脉冲输出最高1MHZ，部分轴占空比可
6、调。 4路DA输出10V，16位精度 8路AD输入10V，12位精度 24路专用数字输入/输出 32路通用输入/输出 1路RS232串行口 大量板上内存，方便用户在Windows下使用,微机系统特点： 通用 硬件模块化设计，方便系统设计 方案组成灵活 软件多渠道开发 高级语言 多样化 标准库 系统支持,可实现各种控制方式 面板、键盘、屏幕、网络 容易修改 成本较高 不紧凑 先期开发的基础 实验研究 实验室、车间的设备,4-4 单片机的硬件结构特点及应用 单片机（SingleChip microcomputer）的典型结构如图4-22所示，目前常用的MCS-48、51、96系列。其中MCS5l系
7、列单片机是目前8位微机中性能价格比最佳、应用较多的系列产品。,一、MCS51系列单片机的硬件结构特点 MCS51系列单片机有8031、8051、8751和8951四种产品，其硬件设计简单灵活。 8031片内无ROM和EPROM。 8051片内有4k字节的ROM。 8751片内有4k字节的EPROM。 采用紫外光线的方式抹去原有程序进行改写 8951片内有4k字节的EEPROM。 采用电清除的方式抹去原有程序进行改写,MCS51系列单片机的引脚如图所示，其引脚功能可分为三大部分： （l） IO口线：PO、P1、P2、P3共四个八位口。 （2）控制口线：PSEN（片外取指控制）、ALE（地址锁存控
8、制）、EA（片外存储器选择）；RESET（复位控制）。 （3）电源及时钟：Vcc、Vss；XTAL1XTAL2。 其应用特性： IO口线不能都用作用户IO线。除80518751外真正可完全为用户使用的IO口线只有P1口以及部分作为第一功能使用的P3口； IO目的驱动能力：P0口可驱动8个TTL门电路；P1、P2、P3则只能驱动4个TTL门电路； P3口是双重功能口。,二、MCS51系列单片机的最小应用系统及其扩展 MCS51系统结构紧凑，硬件设计简单灵活，构成系统的成本低及不需要特殊的开发手段等优点，在机电一体化系统中得到广泛应用。,三、8031前向通道的接口电路举例 （l）8031与 ICL
9、7109接口电路 ICL7109为 双积分AD转换器,（2） 8031与0816接口电路 0816芯片为 逐次比较式 AD转换器。,（3） 8031与LM331的接口电路 LM331实现V/F转换,四、8031后向通道的接口电路举例 根据8031单片机的输出信号形式与被控对象的特点，后向通道的结构形式如图4-33所示。,（1） 8031与AD7520接口电路。 图4-34为采用双缓冲器的接口方法,五、数字显示器及键盘的接口电路 1数字显示器的结构及工作原理 发光二级管（LED）,点亮显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。,所谓
10、动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。,2键盘显示器接口电路 （l）键盘工作原理。 行列式键盘电路原理如图所示，按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。当行线通过上拉电阻接十5V时，被嵌位在高电平状态。键盘中有无按键按下是由列线送入全扫描字、行线读人行线状态来判断的。其方法是：给列线的所有IO线均置成低电平，然后将行线电平状态读人累加器A中。如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。,（2）键盘工作方式。单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU工作的一个内容之一。CPU在忙于各项工作任务时，如何兼
11、顾键盘扫描，即既保证不失时机的响应键操作，又不过多占用CPU时间。因此，要根据应用系统中CPU的忙、闲情况，选择好键盘的工作方式。键盘的工作方式有编程扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种。,应用： 如小型机器人 ATmega128 控制处理器， (高档8位单片机,兼容8051) 控制LM629 与上位机通讯。 LM629 内部集成PID控制器 直接与增量式编码器相连 编程进行位置或速度控制。 L293D 电机驱动专用芯片,单片机系统特点： 通用 硬件专门设计，系统小、专用 方案组成灵活、简便 软件以汇编为主 成本低 紧凑 智能仪表，专用设备,如小型机器人 ATmega128 控制处理器， (高档8位单片机,兼容8051) 控制LM629 与上位机通讯。 LM629 内部集成PID控制器 直接与增量式编码器相连 编程进行位置或速度控制。 L293D 电机驱动专用芯片,运动控制器 如固高公司GT400四轴运动控制卡性能： 四轴步进或伺服马达控制 高性能DSPFPGA结构 6路编码器输入 4路脉冲输出最高1MHZ，部分轴占空比可调。 4路DA输出10V，16位精度 8路AD输入10V，12位精度 24路专用数字输入/输出 32路通用输入/输出 1路RS232串行口 大量板上内存方便用户在Windows下使用,