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1、,第四章 微机控制系统,第一节 微机控制系统概述,第二节 Z80CPU的结构特点及存储器、输入/输出扩展接口,第三节 单片机的结构特点及其最小应用系统,第四节 单片机系统配置：数字显示器及键盘的接口电路,第六节 可编程控制器（PLC）,第五节 微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计,第一节 微机控制系统概述,控制系统是机电一体化系统的中枢，其主要作用是按编制好的程序完成系统信息采集、加工处理、分析和判断，作出相应的调节和控制决策，发出数字形式或模拟形式的控制信号，控制执行机构的动作，实现机电一体化系统的目的功能。,一、工业控制微机系统的组成,图 工业控制计算机系统,二、微机控制系统专用与通用
2、、硬件与软件的抉择与权衡,1、专用与通用的抉择 （1）专用控制系统 （2）通用控制系统,2、硬件与软件的权衡 （1）软件与硬件的权衡； （2）选择和设计控制系统时所需注意的部分问题。 如环境、维修。,（一）首先确定系统整体控制方案 1、确定控制方式 2、执行元件类型 3、考虑特殊控制要求（如高精度、高可靠性、快速性） 4、微机控制系统的作用（输入/输出or变换/调整） 5、成本 （二）确定控制算法 1、数学模型： 2、常见的控制方法： 如：机床中：逐点比较法和数字积分法 直接数值控制法中的PID调节控制 位置数字伺服系统中实现最少拍控制阀,三、微机控制系统的设计思路,（三）选择微型计算机,1、
3、从控制角度出发 （1） 较完善的中断系统（实时控制：正常、故障）； （2） 足够的存储容量（内部资源不够，可扩展）； （3） 完善的输入/输出通道和实时时钟； 2、其他要求（从被控对象角度出发） （1）字长； （2）速度； （3）指令。,（四）系统总体设计,1、接口设计 扩展接口常用的几种方法： （1）选用功能接口板 （2）选用通用接口电路 （3）用集成电路自行设计接口电路 2、通道设计 开关量 数字量 模拟量 3、操作控制台设计（原因、功能）。,（五）软件设计 1、软件的分类（系统软件和应用软件） 2、控制系统对应用软件的要求 3、应用软件的设计方法 （六）系统调试 1、调试步骤 2、硬件调
4、试与软件调试 3、系统调试,四、工业控制计算机系统的基本要求及特点,（一）基本要求 1、具有完善的过程输入/输出功能。 2、具有实时控制功能。 3、具有可靠性。 4、具有强的环境适应性和抗干扰能力。 5、具有丰富的软件。 （二）与非控制用计算机相比，工控计算机有如下特点： 1、计算简单； 2、输入、输出复杂； 3、运行环境恶劣。,五、微型计算机的构成,几个术语： 1、微处理机 (Microprocessor)简称P或CPU。它是一个大规模集成电路(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)器件，器件中有数据通道，多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信
5、号。控制逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可以执行机器语言描述的系统指令，是完成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。,2、微型计算机 微型计算机简称MC或C。它是以微处理机(CPU)为中心，加上只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、输入/输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机。 3、微型计算机系统 上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，而计算机的使用离不开软件支持。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统(Microcomputer system)，简称MSC。,微型处理机、微型计算机、
6、微型计算机系统之间关系,以微计算机为例（介绍微计算机系统的组成）：,（二）微型计算机的基本硬件构成,微机的基本硬件构成（内在结构）,六、微机的种类 1、按微处理机的位数： 4、8、16、32、64（数据总线宽度）。 所谓位数是指微处理器处理数据位数，即可同时传送数据的总线宽度。 2、按用途 控制用微型计算机。 数据处理用微型计算机。,3、按组装形式分（单片机、单板机、微机） （1）单片机 涵 义：在一块集成电路芯片上装有：CPU、ROM、RAM及输入/输出（I/O）端口电路，该芯片称单片微型计算机。 特 点：价格低、体积小（缺点需要开发系统对其硬软件进行开发）； 应 用：家用电器，机电产品、仪
7、器仪表，办公自动化产品、机器人；,（2）单板机 涵义：将CPU、ROM、RAM、输入/输出（I/O电路）端口及一些辅助电路分别作成集成电路芯片（LSI，也叫大规模集成电路）并将它们配置在一块印刷电路上，用电频线和外部设备连接起来（如TP801（8位），SDK86（16位）,特点：成本低、体积小（缺点：内存容量小，接口电路少，使用机器语言编程）。,应用：简易数控设备、检测设备、工业机器人。,（3）微型计算机系统 涵义：将微机、ROM、RAM、I/O接口电路、电源等组装在不同的印刷电路板上，然后组装在一个机箱内，并配上键盘、显示器、打印机硬盘、软盘驱动器等多种外围设备及足够的系统软件（如IBMPC
8、8028680586）；,特点：丰富的系统软件，可用高级语言、汇编语言编程，编程调试方便。内存容量大且有软、硬磁盘等大容量外存。,应用：成本高、控制一个小系统不能充分利用其功能，抗干扰能力差。,七、微机软件与程序设计语言,1、程序设计语言 机器语言（0、1） 汇编语言 高级语言 2、操作系统 涵义 实例 （如DOC系统、Windows系统等） 3、程序库 涵义,单片机汇编语言,单片机汇编语言,单片机汇编语言,单片机C语言,关键字 用途 说明,单片机C语言,关键字 用途 说明,单片机C语言,关键字 用途 说明,补充内容：单片机特点及常见的单片机,一、单片机的特点 1）受集成度限制，片内存储容量较
9、小，一般ROM小于48K，RAM小于256字节，但根据需要可在外部扩展64K字节。 2）ROM与RAM严格分工，ROM为程序存储器，只存放程序指令及常数、表格等，RAM则为数据存储器。 3）为了满足工业控制需要，有很强的位处理功能和丰富的条件分支转移逻辑。CPU逻辑控制功能及运行速度远高于一般通用8位CPU，如8085、Z80等。 4）一般片内或系统内无监控程序或系统通用管理软件，只放置用户调试好的应用程序。但也有在片内固化有Tiny BASIC语言、Forth语言的单片机。,二、常用单片机 1、常用单片机类型 （1）通用单片机系列 如 ： Inter公司的MCS系列 Motorola公司的M
10、C系列单片机 Zilog公司的Z80（美国齐格洛公司, 著名的Z80系列CPU的设计者） Microchip单片机 NEC单片机（日本电气公司 (Nippon Electric Company)） 东芝单片机 富士通单片机 Epson单片机（日本爱普生科技公司） NS单片机（美国国家半导体公司 ） （2）专用单片机系列（工业控制计算机、PLC）,一、Z80CPU的结构特点,Z80CPU的引脚配置,第二节 Z80CPU的结构特点及存储器、输入/输出扩展接口,1、地址总线（16条） 2、数据总线（8条） 3、数据读和写控制信号（4条） 4、中断控制信号（2条） 5、总线控制信号（2条） 6、其它控
11、制信号（4条） 7、起动所需的信号（4条）,二、总线驱动器（作用）,（一）数据总线用的驱动器（双向）,8216引脚配置,表 8216的数据流向,（二）地址总线用的驱动器（单向）,（三）控制信号的驱动器,三、存储器,图 常用半导体存储器分类,（一）种类 1、RAM （Random Access Memory） 2、ROM （Read Only Memory）,1、 74LS138引脚配置,（三）片选译码器,2、74LS138的逻辑功能,（二）存储容量和存取时间,（四）常用半导体存储器,图 2716EPROM的引脚配置,1、2716EPROM,2、 2114静态RAM,图 2114RAM的引脚配置
12、,3、 6116静态RAM,图 6116RAM引脚配置,4、 6264静态RAM,图 6264管脚配置及逻辑符号,四、输入/输出接口,1、 接口功能,（1）输入,（一）概述,（2）输出,2、 标准接口芯片,（1）接口硬件电路的组成 地址译码器 I/O读写译码器 I/O接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器）,（2）I/O扩展常用的两类接口芯片 采用TTL或CMOS工艺的数据缓冲器和数据锁存器 （常用方法） 采用可编程的通用I/ O接口芯片（如Intel的8255、8251、8243；ZILOG的Z80PIO） 此处仅以最常用的PPI8255为例进行介绍。,（二）8255的引脚说明,D0D7（数据总
13、线）：三态双向输入输出数据总线，数据的输入/输出、指令输出、CPU发出的控制字和状态信息都通过他进行传送。,复位,RESET(复位)：复位信号；高电平有效，当RESET信号到来后，8255的内部控制寄存器被清零，而所有端口（A、B、C）均被置位到输入方式，这种情况在系统启动时发生。,片选,写,读,PC0PC7(端口C)：输入或输出线，一个8位数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。,PB0PB7(端口B)：输入或输出线，一个8位I/O锁存器，一个8位输入输出缓冲器。,PA0PA7(端口A)：输入或输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。,地,电源,VCC（
14、电源）：+5V电源输入。 GND（接地）：芯片接地。,（三）PPI8255与CPU的连接,图 系统连接,表 8255工作信号列表,（四）工作端口的选择与控制,（五）I/O寻址方法（规定CR控制字）,图 8255各I/O口控制字,PPI8255A的工作状态有三种，即0、1和2状态。 模式0：基本I/O控制 可以将端口A（8位），端口B （ 8位）、端口C（高4位）和端口C（低4位）分别作输入和输出使用，见下表，通过不同的控制字可选择不同的输入/输出端口。, 模式1：触发式I/O控制 “1”状态时为选通控制信号、状态信号的I/O方式，端口A和端口B用于输入或输出，而端口A的动作状态由端口C（高4位
15、）控制，端口B组的动作状态由端口C（低4位）控制。 模式2：触发式双向I/O控制 “2”状态时为双向选通输入/输出方式，只能使用用端口A，就是说端口A由端口C控制。 在以上三种状态中，最常用的是“0”工作状态。至于如何设定，可以向控制寄存器写入适当的方式控制字。,（六）实现片选的方法,1、逻辑电路法,图 用逻辑电路选片,表 端口地址表,2、译码器法,表a 74LS139的真值表,表b 用译码器选片时各芯片I/O口的地址码,五、Z80CPU的存储器及I/O扩展举例,图 采用Z80ACPU微机存储器扩展接口组成,第三节 单片机的结构特点及其最小应用系统,一、MCS51系列单片机的结构特点 （一）主
16、要特性 8位CPU； 4K/8K的ROM/EPROM； 128字节RAM； 2个16位可编程的定时/计数器； 4个I/O端口，32根I/O线； 具有64K字节外部存储器的寻址空间。,（二）外部引脚功能,图 MCS51单片机的引脚分配,（三）应用特性 I/O口线不能都用作用户I/O线，除8051/8751外，真正完全为用户使用的只有P1口及作为第一功能使用的P3口（P3口都有第二功能）。 总线： 地址（AB）P0和P2； 数据（DB）P0口； 控制（CB）共12根。 I/O口的驱动能力 P0口可驱动8个TTL门电路； P1，P2，P3可驱动4个TTL门电路。,二、单片机的应用系统及其扩展,（一）单片机应用系统的构成,图 单片微机最小应
