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1、项目八 微机控制系统设计与实践,在前面的七个项目中，我们学习了微机控制系统I/O接口、模拟量输入输出、显示接口、常用算法程序设计、PLC和工控机及程序设计等内容。有了这些基础，就可以进行微机控制系统的设计了。微机控制系统的设计既可以采用PLC和工控机为控制核心、扩展一些外部设备和接口构成控制系统，主要应用于工业过程控制。也可以采用单片机为核心完成相应的控制，这种系统规模较小，一般应用于中小系统的控制。 在本项目中，将介绍以单片机为控制核心的微机控制系统设计，在案例中除了给出仿真电路图及程序外，还给出PCB设计，方便读者在学习的过程中进行实做。 【项目任务单】 1、使用单片机实现温控风扇。 2、
2、使用单片机实现自行车转速测量。,【项目导读】,8.1 微机控制系统设计,微机控制系统的设计即是一个理论问题，也是一个工程实际问题。它是自动控制理论、计算技术与方法、自动检测技术、微机控制技术、传感器技术、模拟电子及数字电子技术等的综合应用。这就要求设计者需要具备以下的知识和能力。 首先，必须具备一定硬件基础。包含工控机、PLC、单片机等控制器及其接口电路、传感器电路等。 其次，必须具备一定的软件设计能力。能够熟练的编写数据采样、A/D及D/A程序、数字滤波程序、键盘及显示程序、通信程序、各种常用控制算法程序。 再次，具有综合应用知识的能力。 最后，必须掌握生产过程的工艺性能及参数的测量方法。,
3、8.1 微机控制系统设计,8.1.1微机控制系统设计的基本要求 虽然微机控制系统由于被控对象的多样性和控制过程的多样性，使得具体的微机控制系统的设计不尽相同，但是应该遵守共同的设计原则：可靠性高、操作性好、实时性强、通用性好、经济效益和性能价格比高。 1、 可靠性高 由于工业控制计算机的工作环境和工作任务的特殊性，要求在设计时必须将可靠性放在首位。包括选用高性能的工业控制计算机，选择安全可靠的控制方案，以及出现故障时的预防措施。对于特别重要的控制系统，必须采取两套控制系统的备用设备方案，以提高控制系统的可靠性。 2、 操作性好 操作性包括使用方便和维修容易两方面。使用方便指系统容易掌握，既使是
4、不懂计算机的人员也能操作。维修容易指系统中尽可能采用标准的功能模块式结构和清楚的故障显示，让操作和维修人员对故障一目了然，并能及时方便更换故障部件，把故障损失控制在最小程度。,8.1 微机控制系统设计,8.1.1微机控制系统设计的基本要求 3、 实时性强 工业控制计算机系统的实时性，表现在对内部事件和外部事件及时响应、及时处理。针对定时事件系统设置时钟，确保定时处理。针对随机事件，系统设置中断，合理分配中断级别，确保及时处理紧急故障。 4、 通用性好 通用性包括两个方面：一是硬件设计采用标准总线结构，配置通用的功能模板，方便扩充功能和方便系统维修；二是软件设计采用标准模块结构，按系统要求选择各
5、种功能模块，灵活地进行系统软件组态。 5、 经济效益和性能价格比高 微机控制系统在设计时要注意性能价格比，在满足设计要求的情况下，尽可能采用价廉的元器件，使开发的系统具有市场竞争力。系统在保证提高产品质量和产量的基础上，尽可能在消除环境污染，提高生产设备安全，改善劳动条件等方面进行综合设计，使设备在经济效益方面具有竞争力。,8.1 微机控制系统设计,8.1.1微机控制系统设计的基本要求 3、 实时性强 工业控制计算机系统的实时性，表现在对内部事件和外部事件及时响应、及时处理。针对定时事件系统设置时钟，确保定时处理。针对随机事件，系统设置中断，合理分配中断级别，确保及时处理紧急故障。 4、 通用
6、性好 通用性包括两个方面：一是硬件设计采用标准总线结构，配置通用的功能模板，方便扩充功能和方便系统维修；二是软件设计采用标准模块结构，按系统要求选择各种功能模块，灵活地进行系统软件组态。 5、 经济效益和性能价格比高 微机控制系统在设计时要注意性能价格比，在满足设计要求的情况下，尽可能采用价廉的元器件，使开发的系统具有市场竞争力。系统在保证提高产品质量和产量的基础上，尽可能在消除环境污染，提高生产设备安全，改善劳动条件等方面进行综合设计，使设备在经济效益方面具有竞争力。,8.1 微机控制系统设计,8.1.2 微机控制系统的设计 1、微机控制系统的设计步骤 在进行微机控制系统的设计时，必须按照控
7、制系统的要求，根据先后次序进行设计，这就是设计步骤。具体步骤如下： （1）微机控制系统总体方案的确定； （2）微机控制系统硬件设计； （3）控制算法的选择； （4）微机控制系统软件设计； （5）微机控制系统的调试。,8.1 微机控制系统设计,8.1.2 微机控制系统的设计 1、微机控制系统的设计步骤 在进行微机控制系统的设计时，必须按照控制系统的要求，根据先后次序进行设计，这就是设计步骤。具体步骤如下： （1）微机控制系统总体方案的确定； （2）微机控制系统硬件设计； （3）控制算法的选择； （4）微机控制系统软件设计； （5）微机控制系统的调试。,8.1 微机控制系统设计,2、微机控制系统总
8、体方案的确定 总体方案的设计主要是根据被控对象的要求来确定，大体上从以下几个方面进行。,8.1.2 微机控制系统的设计,（1）确定控制系统总体方案 根据控制系统被控参数的要求，首先确定控制系统的控制形式，采用开环控制还是闭环控制，或者是数据处理系统。如果是闭环控制系统，则还要确定整个系统是采用直接数字控制（DDC），还是采用计算机监督控制（SCC），或者采用分布式控制（DSC）。尽可能选择功能强的工业控制计算机和先进的总线系统，如现场总线系统。 （2）选择检测元件及执行机构 根据被测参数，选择检测设备和元件。应尽可能选择专门用于微机控制系统的集成化传感器。并根据被控对象的状态选择合适的执行机构
9、，以保证控制任务的顺利完成，如在易燃易爆环境中采用气动薄膜调节阀。 （3）选择输入输出通道及外围设备 输入输出过程通道应根据被控对象参数的类型和数量来确定，选择满足控制系统要求的输入输出通道，并根据系统的规模及要求，配以适当的外围设备。还应考虑到控制系统的可扩展性，留有适当的余量。,8.1 微机控制系统设计,2、微机控制系统总体方案的确定 总体方案的设计主要是根据被控对象的要求来确定，大体上从以下几个方面进行。,8.1.2 微机控制系统的设计,（4）画出控制系统原理图 通过以上的选择，结合工业流程图，画出一个完整的微机控制系统原理图，包括各种传感器、变送器、外围设备、输入输出通道及微型机。 确
10、定控制系统的总体方案时，要对控制系统的软件、硬件功能要作统一的综合考虑。因为一种功能往往是既能由硬件完成也能由软件实现。需要根据控制系统的实时性及控制系统的性能价格比综合平衡后加以确定。一般是在运行时间允许的情况下，尽量采用软件实现，如软件设计比较困难，则可考虑用硬件完成。,在确定控制系统的总体方案时，必须要从技术和经济两个方面进行充分的可行性论证。在技术方面，既要有控制系统的设计人员充分参与，还要与搞工艺的同志互相配合，并征求现场操作人员的意见，以保证技术的先进性、实用性。在经济方面，在保证技术先进性的前提下，应尽量节省开支。方案论证时一般应有多个方案进行比较，最后选择性能价格比最高的方案进
11、行设计。,8.1 微机控制系统设计,3、微机控制系统硬件设计 微机控制系统硬件设计包括两个方面的内容：一是控制微机的选择；二是各种接口的设计。 （1）控制微机的选择 总体方案确定之后，首要的任务是选择一台合适的控制微机，根据控制系统总体方案的要求，被控对象的任务，可选用工业控制计算机或单片机。,8.1.2 微机控制系统的设计,选用现成的微型机系统 如果控制系统的控制任务比较大，需要的外设比较多，而且设计时间要求比较紧，工作环境比较恶劣，可以考虑选用工业控制计算机。工控机提供了多种系统板，配备了各种接口板，具有很强的硬件功能和灵活的I/O扩展能力，我们可以根据控制系统的要求，并利用工控机较强的开
12、发能力，选择不同的板卡，组成满足控制要求的工业控制计算机。 利用单片机芯片自行设计 如果控制系统较小或是顺序控制系统，可选用单片机进行设计。单片机具有体积小、接口丰富、价格便宜，配置方便的特点。针对被控对象的具体任务，选择合适的单片机，自行开发和设计一个微型机控制系统，是目前微型机控制系统设计中经常使用的方法。这种方法具有针对性强、投资少、系统简单、灵活，适合于批量生产。此方法常用于智能化设备的应用设计。,8.1 微机控制系统设计,3、微机控制系统硬件设计 微机控制系统硬件设计包括两个方面的内容：一是控制微机的选择；二是各种接口的设计。 （2）微机接口设计 微型机集成度高，内部含有I/O控制线
13、，存储器和定时器等功能部件，但是在组成微型机控制系统时，扩展接口是必不可少的设计任务。可以根据情况选择现成的接口板卡，也可以选择合适的芯片进行设计。微机接口设计主要有：存储器的扩展、过程模拟量输入输出通道的设计、开关I/O接口设计、人机交互接口设计、信号调理等几个方面。,8.1.2 微机控制系统的设计,8.1 微机控制系统设计,4、控制算法的选择 当控制系统的总体方案及控制系统硬件确定后，采用什么样的控制算法使系统达到要求，就是关键的一步。 对于数学模型能够确定的系统，可采用直接数字控制。可利用最少拍随动系统、最少拍无波纹系统、大林算法、最小二乘法系统辨识、最优控制及自适应控制等算法。 对于难
14、以求出数学模型的复杂被控对象可选用数字化PID控制。 对于用前两种方法都难以达到控制效果的系统，可选用模糊控制。,8.1.2 微机控制系统的设计,8.1 微机控制系统设计,5、微机控制系统软件设计 微型机控制系统的软件分为系统软件和应用软件两大类。如果选择工业控制计算机系统，系统软件比较齐全，不需自己设计，而应用软件需要在各种板卡提供的驱动程序的基础上自己设计。如果选择的是单片机自行设计的系统，则系统软件和应用软件都需要自己设计。目前应用软件已经模块化、商品化，各种通用软件程序包均有出售，可以选择使用，为编程提供了极大的方便。但针对具体控制任务的应用程序设计是必不可少的。应用软件设计时需注意下
15、面几个方面： （1）控制系统应用软件的要求 可靠性； 实时性； 灵活性和通用性。,8.1.2 微机控制系统的设计,8.1 微机控制系统设计,5、微机控制系统软件设计 （2）软件、硬件折衷问题 微机控制系统中，有的功能既可以采用硬件实现，也可以采用软件完成。一般来讲，节约成本的话采用软件设计；系统实时性要求比较强则采用硬件设计，但是成本会有所增加。 （3）软件开发过程 开发过程大体有： 划分功能模块及安排程序结构； 画出各程序模块详细流程图； 选择合适的语言编写程序； 将各个模块连接成一个完整的程序。,8.1.2 微机控制系统的设计,微机控制系统大多用于工业现场，工业现场情况复杂，环境较恶劣，干
16、扰源多且种类各异。干扰严重影响着控制系统的稳定性和可靠性。有的微机控制系统从理论到技术方面都是合理的，由于在抗干扰方面考虑不周全而影响了系统的正常使用。所以，微机控制系统的抗干扰必须引起充分重视。工业现场特殊的环境，要求微机控制系统必须具有极高的抗干扰能力。 所谓干扰，就是有用信号之外的各种噪声或造成微机系统设备不能正常工作的破坏因素。 干扰的产生是由多种因素决定的，抗干扰涉及复杂的理论和技术问题，实践性很强。因此，必须根据现场的实际情况，分析干扰的来源，一般采取硬件和软件相结合的有效的措施抑制或消除干扰。,8.2 微机控制系统抗干扰技术,8.2 微机控制系统抗干扰技术,1、干扰的来源 干扰又称为噪声，是指有用信号之外的噪声或造成微机控制系统不能正常工作的破坏因素。微机控制系统运行环境的各种干扰主要表现在以下几个方面。 （1）电源噪声 工业现场动力设备多，功率大、类型复杂，操作频繁。大功率设备的频繁启停，特别是大感性负载的启停会造成电网电压大幅度涨落。工业电网电压的过压或欠压常常达到额定电压的15%以上，有时持续时间还较长。由于大功率开关的通断、电动机的启停、
