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1、微机控制技术项目教程,主讲教师：,重庆航天职业技术学院,项目一 认识微机控制系统,【项目导读】 通过本项目，认识微机控制系统的组成，分类；微机控制主要技术及发展趋势。了解主要控制器-单片机的软硬件开发技术，应用单片机实现软硬件两种方法产生方波。 【项目任务单】 1、分析一个实际的微机控制系统，画出其系统框图。 2、使用单片机，应用软硬件两种方法实现周期为200MS的方波。,1.1 微机控制系统,1.1.1微机控制的概述 自从20世纪70年代初Intel公司生产出第一个微处理器4004以来，随着半导体技术的进步，微型计算机得到了飞速的发展。已从4位机、8位机、16位机、32位机，发展到目前的64
2、位机。微型计算机甚至采用了多处理器技术，提高计算机的性能。微机已经应用于社会的各个领域，改变了人们的生活、工作方式。在工业控制、军事、航空航天、玩具、通信、物联网等多个领域得到广泛应用，由于微型计算机具有成本低、体积小、功耗小、可靠性高和使用灵活等特点，为实现智能控制创造了良好的条件。目前，其控制对象已从单一对象到生产全过程的管控一体化。 微型计算机控制系统已成为工业控制的主流系统。微型计算机控制系统（以下简称微机控制系统）是以微型计算机为核心部件的自动控制系统或过程控制系统。它已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备，具有较高级的计算和处理方法，使受控对象的动态过程按预定方式和技术要
3、求进行，以完成各种控制、操作管理任务。,1.1 微机控制系统,1. 微机控制系统 自动控制系统按照控制方式可以分为闭环控制和开环控制。不管哪种方式，都是由控制器和控制对象两大部分组成。,图1.1 单片机步进电机控制,1.1 微机控制系统,1. 微机控制系统 所谓开环控制，是指控制器根据给定信号直接控制执行机构，从而控制被控对象按照规定的参数运行的控制方式称。,图1.2开环控制系统框图,1.1 微机控制系统,图.3为电冰箱温度控制原理图，单片机计算设定温度值和温度传感器检测的温度值的差值，根据这个差值控制冰箱压缩机的启动和停止，从而实现电冰箱温度的控制。电冰箱的控制器为单片机、控制对象为冰箱内部
4、温度。,图1.3 电冰箱温度控制原理图,1.1 微机控制系统,闭环控制，是指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。 如图.4所示，控制器首先接受给定信号，根据控制的要求和控制算法，向执行机构发出控制信号，驱动执行机构工作；测量元件对被控对象的被控参数（温度、压力、流量、转速、位移等）进行测量：变换发送单元将被测参数变成电压（或电流）信号，反馈给控制器；控制器将反馈信号与给定信号进行比较。如有偏差，控制器就产生新的控制信号，修正执行机构的动作，使被控参数的值达到预定的要求。由于闭环控制系统能实时修正控制误差，它的控制性能比开环方式好。,图1.4闭环
5、控制系统框图,1.1 微机控制系统,微机控制系统， 采用微处理器作为控制器的控制系统称为微机控制系统。 由于微处理器只能处理数字信号，因此，要将数字信号转换为模拟信号才能控制执行机构，被控参数也要转换为数字信号才能输入微控制器进行处理。除了硬件，为了实现控制，还需要编写各种控制程序，微机执行控制程序，就能实现对被控参数的控制。软件和硬件构成微机控制系统。微机控制系统硬件框图如图1.5所示。,图1.4闭环控制系统框图,1.1 微机控制系统,2. 微机控制系统的组成 微机控制系统由微型计算机和被控制对象组成，如图1.6所示。微机多采用专门设计的工业控制微机或可编程控制器（PLC），也有采用一般微机
6、或单片机的。微机控制系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统是指计算机本身及外部设备实体，软件系统是指管理计算机的系统程序和进行控制的应用程序。控制对象包括被控对象、测量变换、执行机构和电气开关等装置。,图1.6 微机控制控制系统,1.1 微机控制系统,2. 微机控制系统的组成 (1)硬件系统 微机控制系统硬件包括微型计算机、过程输入输出通道和接口、人机交互设备和接口、外部存储器等。 (2)软件 所谓软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。软件是微机控制系统的神经中枢，整个微机控制系统的工作都是在软件的指挥下进行协调工作的。软件由系统软件和应用软件组成。 微机控制系统硬件是基础，软件是灵
7、魂，只有硬件和软件相互有机的配合，才能充分发挥计算机的优势，研制出完善的微机控制系统。,1.1 微机控制系统,3. 微机控制系统的工作过程,(1)系统初始化：发出初始控制指令。 (2)数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测并发送给微机。 (3)数据分析：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析。 (4)对象控制：根据采集数据分析，按给定的控制规律，决定控制过程，适时地对控制机构发出控制信号。,1.1 微机控制系统,3. 微机控制系统的工作过程,(1)系统初始化：发出初始控制指令。 (2)数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测并发送给微机。 (3)数据分析：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析。 (
8、4)对象控制：根据采集数据分析，按给定的控制规律，决定控制过程，适时地对控制机构发出控制信号。,1.1 微机控制系统,4. 微机控制系统的特点,微机控制系统和一般常规控制系统相比，具有以下突出特点：,1.1 微机控制系统,5. 微机控制系统的分类,微机控制系统与其所控制的对象密切相关，控制对象不同，其控制系统也不同。下面根据微机控制系统的工作特点、控制功能和系统结构进行介绍。,（1）操作指导控制系统 操作指导控制（ODC）是指计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集和加工处理，然后输出数据。操作人员根据这些数据进行必要的操作，其原理图如图1.7所示。,图1.7操作指导控
9、制系统原理框图,1.1 微机控制系统,5. 微机控制系统的分类,（2）直接数字控制系统 直接数字控制（Direct Digita Control）系统，简称DDC系统。它是用一台微机对多个被控参数进行检测，检测的结果与设定值进行比较，并按照已定的控制规律进行控制运算，然后输出控制信号 ，实现对生产过程的直接控制。DDC系统是计算机闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中应用最普遍的一种方式。为了提高利用率，一台计算机有时要控制几个或几十个回路。DDC系统原理框图如图1.8所示。,图1.8直接数字控制系统原理框图,1.1 微机控制系统,5. 微机控制系统的分类,（3）监督计算机控制系统 监督计算机
10、控制（Supervisory Computer Control）系统,简称SCC系统。在DDC系统中，给定值是预先设定的，它不能根据生产过程工艺信息的变化对给定值进行及时修正，所以DDC系统不能使生产过程处于最优工作状态。SCC系统是一个两级计算机控制系统，系统原理框图如图1.9所示。,图1.9监督计算机控制系统原理框图,1.1 微机控制系统,5. 微机控制系统的分类,（4）分布式控制系统 分布式控制系统（Distributed Control System）,也称集散控制系统或分散型控制系统，简称DCS。DCS的基本思想是集中管理，分散控制。DCS的体系结构特点是层次化，把不同层次的多种监测
11、控制和计划管理功能有机地、层次分明地组织起来，使系统的性能大为提高。DCS适用于大型、复杂的控制过程，我国许多大型石油化工企业就是依靠各种形式的DCS保证它们的生产优质高效连续不断地进行的。,图1.10分布式控制系统原理框图,1.1 微机控制系统,5. 微机控制系统的分类,（4）分布式控制系统 随着信息技术的快速发展，企业对DCS提出了新的要求，使DCS向两个方向发展，一个方向是向上发展，即向计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）、计算机集成过程系统（Computer Integrated Process System，
12、CIPS）方向发展；另一个方向是向下发展，即向现场总线控制系统（FieldBus Control System，FCS）方向发展。,图1.11 现场总线控制系统原理框图,1.1 微机控制系统,5. 微机控制系统的分类,（5）现场总线控制系统 现场总线控制系统（Fieldbus Control System）,简称FCS，是新一代分布式控制结构，如图1.11所示，已经成为工业生产过程自动化领域中的一个新热点。该系统采用工作站现场总线智能仪表的二层结构模式，完成了DCS中三层结构模式的功能，降低了成本，提高了可靠性。 FCS的核心是现场总线。现场总线技术是20世纪90年代兴起的新一代控制技术，现场
13、总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分枝结构的通信网络。现场总线控制系统将组成控制系统的各种传感器、执行器和控制器用现场总线连接起来，通过网络上的信息传输完成各设备的协调，实现自动化控制。现场总线控制系统是一个开放式的互连网络。 目前较流行的现场总线主要有CAN（控制器局域网络）、LONWorks（局域操作网络）、PROFIBUS（过程现场总线）、HART（可寻址远程传感器数据通路通信协议）、FF（现场总线基金会）现场总线等。 现场总线有两种应用方式，分别用代码H1和H2表示。H1方式是低速方式，主要用于代替直流420mA模拟信号以实现数字传输，它的传输速率为31.
14、25Kb/s，通信距离为1900m（通过中继器可以延长）可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2方式是高速方式，它的传输速率分为1Mb/s和2.5Mb/s两种，通信距离分别为750m和500m。,1.1 微机控制系统,5. 微机控制系统的分类,（6）计算机集成制造系统 计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System），简称CIMS。CIMS由决策管理、规划调度、监控、控制四个功能层次的子系统构成，实现管理控制的一体化模式。具体地说，决策层根据管理信息和生产过程的实时信息，发出多目标决策指令。规划调度层则按指令制定相应的生产计划并进行调度，
15、通过监控层对控制层加以实施，使生产结构、操作条件在最短的时间得到调整，跟踪和满足上层指令。同时，生产结构和操作条件调整后的信息反馈到决策层，与决策目标进行比较，若有偏差，就修改决策，使整个系统处于最佳的运行状况。CIMS是以企业的全部活动为对象，对市场信息、生产计划、过程控制、产品销售等进行全面统一管理，整个形成一个动态反馈系统，具有自己判断、组织、学习的能力。CIMS是综合应用信息技术和自动化技术，通过软件的支持，对生产过程的物质流与管理过程的信息流进行有效的协调和控制，以满足新的市场模式下对生产和管理过程提出的高效率和低成本的要求。CIMS实现了管理控制一体化。,1.1 微机控制系统,1.
16、1.2 微机控制的发展趋势,1、微处理器的发展 （1）可编程控制器 可编程序逻辑控制器（Programmable Logical Control）,简称PLC。PLC实际上是一种应用于工业环境下的专用计算机系统，以其卓越的技术指标和优异的抗干扰性能得到了广泛的应用。著名的品牌有西门子，GE，三菱，欧姆龙等。PLC主要有两种结构：整体机和模块机，如图1.12所示，左图为欧姆龙整体机CP1H-40DR，右图为西门子S7-300模块结构PLC(SIMATIC S7-300-2DP)。,图1.12 PLC实物图,1.1 微机控制系统,PLC具有以下特点。,正因为PLC具有上述优点，PLC广泛应用在冶金、机械、石油化工、纺织等各个工业领域，PLC已成为工业自动化三大技术支柱之一。,1.1 微机控制系统,1.1.2 微机控制的发展趋势,1、微处理器的发展 （2）工控计算机 工业控制计算机是在原来个人计算机的基础上进行改造，使其在系统结构和功能模块方面更适合工业控制的需要。为了与个人计算机（PC）区别，称为IPC。 在工业领域中，许多传统的控制
