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1、返回目录回看结束放映第四章第四章 微机控制系统的选择及接口设计第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡第二节 微机控制系统的设计思路第三节 微机控制系统的构成与种类 第四节 微机控制系统的软件与程序设计语言 第五节 微机应用领域及其选用要点第六节 8086/8088CPU的硬件结构特点 第七节 Z80CPU的硬件结构特点、存储器及输入输出扩展接口 第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路 第十节 微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例 习题与思考题习题与思考题1返回目录回看结束放映 不同产品所需要的
2、控制功能、控制形式和动作控制方式也不尽相同。控制系统的设计是综合运用各种知识的过程。由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控制器，因此，其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、控制形式和动作控制方式的问题。这不仅需要微机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要一定的生活和生产工艺知识。通常由机电一体化系统设计人员首先提出总的设计要求，然后由各专业人员通力协作。第一节第一节 专用与通用的抉择、专用与通用的抉择、 硬件与软件的权衡硬件与软件的权衡2返回目录回看结束放映 专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。在开发新产品时，如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，也只有专用控制系统
3、才能做到。专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。 对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。这实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。1. 专用与通用的抉择3返回目录回看结束放映 2.硬件与软件的权衡 无论是采用通用控制系统还是专用
4、控制系统，都存在硬件和软件的权衡问题。有些功能，例如运算与判断处理等，却适宜用软件来实现。而在其余大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。在用分立元件组成硬件的情况下，就可以考虑是否采用软件，能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情况下，则最好采用硬件。这是因为与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件更为可靠。而在利用LSI芯片组成电路时，不仅价廉，而且可靠性高，处理速度快，因而采用硬件更为有利。4返回目录回看结束放映 第二节第二节 微机控制系统的设微
5、机控制系统的设计思路计思路 1 1确定系统整体控制方案 首先应了解被控对象的控制要求，构思微机控制系统的整体方案。通常，先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制，当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。其次考虑执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动，比较其方案的优缺点，择优而选。第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统应采取哪些措施。第四是考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入输出通道、配备哪些外围设备。最后应初步估算其成本。通过整体方
6、案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附以说明，以此作为下一步设计的基础和依据。5返回目录回看结束放映 2 2确定控制算法确定控制算法 对任何一个具体微机控制系统进行分析、综合或设计，首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算法。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据，即由数学模型推出控制算法。所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。6返回目录回看结束放映 每个控制系统都有一个特定的控制规律，因此，每个控制系统都有一套与此控
7、制规律相对应的控制算法。由于控制系统种类繁多，控制算法也是很多的，随着控制理论和计算机控制技术的不断发展，控制算法更是越来越多。例如，机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直接数字控制系统中常用的PID调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。在系统设计时，按所设计的具体控制对象和不同的控制性能指标要求，以及所选用的微机的处理能力选定一种控制算法。在选择控制算法时，应注意控制算法对系统的性能指标有直接影响，因此，应考虑所选定的算法是否能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求,就是
8、说，应根据不同的控制对象、不同的控制指标要求选择不同的控制算法。7返回目录回看结束放映 当控制系统比较复杂时，控制算法也比较复杂，整个控制系统的实现就比较困难，为设计、调试方便，可将控制算法作某些合理的简化，忽略某些因素的影响(如非线性、小延时、小惯性等)，在取得初步控制成果后，再逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。 8返回目录回看结束放映3选择微型计算机 对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制的角度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的I/O通道和实时时钟等要求。 9返回目录回看结束放映 （1） 较完善的中断系统 微型计算机控制系统必须具有实时控制性
9、能。 实时控制包含两个意思： 一是系统正常运行时的实时控制能力； 二是在发生故障时紧急处理的能力。10返回目录回看结束放映 （2） 足够的存储容量 由于微型计算机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器，如单板机通常都配盒式磁带机，用于在调试阶段暂存程序和数据。单板机可配备28KB以上的只读存储器，监控程序及调试成功的应用程序都写入只读存储器，实现软件固化。11返回目录回看结束放映 （3） 完备的输入输出通道 和实时时钟 输入输出通道是外部过程和主机交换信息的通道。根据控制系统不同，有的要求有开关量输入输出通道，有的要求有模拟量输入输出通道，有的则
10、同时要求有开关量输入输出通道和模拟量输入输出通道。对于需要实现外部设备和内存之间快速、批量交换信息的，还应有直接数据通道。12返回目录回看结束放映 选择微型计算机除应满足上述几选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的被控制对象角度点要求外，从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求而言，还应考虑几个特殊要求: : 1)字长 微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和执行操作的时间。13返回目录回看结束放映 2）速度 速度的选择与字长的选择可一并考虑。对于同一算法、同一精度要求，当机器的字长短时，就要采用多字节运算，完成计算和控制的时间就
11、会增长。为保证实时控制，就必须选用执行速度快的机器。同理，当机器的字长足够保证精度要求时，不必用多字节运算，完成计算和控制的时间就短，可选用执行速度较慢的机器。14返回目录回看结束放映 3)指令 一般说来，指令条数越多，针对特定操作的指令就多，这样会使程序量减少，处理速度加快。对于控制系统来说，尤其要求较丰富的逻辑判断指令和外围设备控制指令，通常8位微处理器都具有足够的指令种类和数量，一般能够满足控制要求。15返回目录回看结束放映 选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易以及扩充输入输出接口是否方便等因素，从而确定是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。单片机:价格低、体积小,但需要开
12、发系统对其软硬件进行开发。单板机:价格较低、体积较小，但内存容量较小，接口电路少微型计算机系统:微型计算机系统有丰富的系统软件，可用 高级语言、汇编语言编程，程序编制和调试都很方便。 但成本较高，当用来控制一个小系统时，往往不能充 分利用系统机的全部功能，抗干扰能力差。16返回目录回看结束放映 4）系统总体设计 系系统统总总体体设设计计主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计，其主要依据是上述的整体方案初框图、设计要求及所选用的微机类型。通过设计要画出系统的具体构成框图。 一个正在运行的完整的微型计算机控制系统，需要在微机、被控制对象和操作者之间适时地、不断地交换数据信息和控制信息。在总体设
13、计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决三者之间可靠的、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设设计计中中主主要要考考虑虑硬硬件件与与软软件件功功能能的的分分配配与与协协调调、接接口口设设计计、通通道道设设计计、操操作作控控制制台台设设计计、可可靠靠性性设设计计等等问问题题。其中硬件与软件功能的分配与协调要根据经济性和可靠性标准进行权衡，可靠性问题主要是制定可靠性设计方案，采取可行的可靠性措施。17返回目录回看结束放映 接口设计 接口设计包括两个方面的内容： 一是扩展接口； 二是安排通过各接口电路输入输出端的输入输出信号，选定各信号输入输出时采用何种控制方式。如果要
14、采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。若要采用直接存储器存取方式，则要增加直接存储器存取(DMA)控制器作为辅助电路加到接口上。18返回目录回看结束放映 通道设计 输入输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要有输入输出通道。一个系统中可能要有开关量的输入输出通道、数字量的输入输出通道或模拟量的输入输出通道。在总体设计中就应确定本系统应设置什么通道，每个通道由几部分组成，各部分选用什么样元器件等。19返回目录回看结束放映 开开关关量量、数数字字量量的的输输入入输输出出比比较较简简单单。开关量输入要解决电平转换、去抖动及抗干扰等问题。开关量输出要解决功
15、率驱动问题等。开关量和数字量的输入输出都要通过前面设计的接口电路。 模模拟拟量量输输入入输输出出通通道道比比较较复复杂杂。模拟量输入通道主要由信号处理装置(标度变换、滤波、隔离、电平转换、线性化处理等)、采样单元、采样保持器和放大器、AD转换器等组成。模拟量输出通道主要由DA转换器、放大器等组成。20返回目录回看结束放映 操作控制台设计 微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台，这个控制台一般都不能用微机所带的键盘代替，因为现场操作人员不了解计算机的硬件和软件，假若操作失误可能发生事故，所以一般要单独设计一个操作员控制台。21返回目录回看结束放映 5） 软件
16、设计 微机控制系统的软件主要分两大类，即系系统统软软件件和和应应用用软软件件。系统软件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系统，通常这些软件一般不需用户设计，对用户来说，基本上只须了解其大致原理和使用方法就行了。而应用软件都要由用户自行编写，所以软件设计主要是应用软件设计。22返回目录回看结束放映 应用软件的设计方法有两种，即即 模块化程序模块化程序 结构化程序结构化程序 程序模块化设计方法程序模块化设计方法 在进行软件设计时，通常把整个程序分成若干部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫做模块程序设计法。 23返回目录回
17、看结束放映 程序结构化设计方法程序结构化设计方法 结构化程序设计方法，给程序设计施加了一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序常用的结构有直线顺序结构、条件结构、循环结构和选择结构。其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。24返回目录回看结束放映 系统调试系统调试 微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。 调试步骤为硬件调试 软件调试 系统调试。 硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行；软件调试主要是指在微机上把各模块
18、分别进行调试，使其正确无误，然后固化在EPROM中；系统联调主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误后进行现场试验，直至正常运行为止。25返回目录回看结束放映第三节第三节微型计算机的系统构成及种类微型计算机的系统构成及种类 1 1微型计算机的系统构成微型计算机的系统构成 人们常用“微机”这个术语。该术语是三个概念的统称，即微处理机(微处理器)、微型计算机、微型计算机系统的统称。 微处理机(Microprocessor)简称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
19、件的工作提供定时信号。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。26返回目录回看结束放映 微型计算机(Microcomputer)简称MC。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、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。 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MC
20、S。27返回目录回看结束放映 CPUCPU、MCMC与与MCSMCS的关系的关系28返回目录回看结束放映微型计算机的基本硬件构成微型计算机的基本硬件构成 一般由数据总线、地址总线和控制总线相连；主存储器又叫内部存储器，目前这些存储器均是大规模集成电路(LSI)，主要有RAM(Random Access Memory)和ROM(Read Only Memory），通常ROM存储固定程序和数据，而输入输出数据和作业领域的数据由RAM存储。输入输出装置主要执行数据和程序的输入输出，以及用于控制时输入检测传感元件的信息和输出控制执行元件的信息。辅助存储装置可作为存储器使用；操作面板或键盘也属于输入装置
21、，如下图所示。29返回目录回看结束放映 微机的基本构成微机的基本构成微机的基本构成微机的基本构成30返回目录回看结束放映 2 2微型计算机的种类微型计算机的种类 (1)(1)按组装形式分类按组装形式分类 按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。 1)单片机（如下图所示） 在一块集成电路芯片(LSI)上装有CPU、ROM、RAM以及输入输出端口电路，该芯片就称 为 单 片 微 型 计 算 机 (SCM-Single Chip Microcomputer)简称单片机。例如Intel公司的MCS48系列、51系列、96列等。31返回目录回看结束放映 单片机的设计充分考虑了机械的控制需
22、要，它独有的硬件结构、指令系统和输入输出(I/O)能力，提供了有效的控制功能、故又称为微控制器(Microcontroller)。同时，它与通用微处理器一样，具有很强的运算功能，因而它不但是一种高效能的过程控制机，同时也是有效的数据处理机。随着单片机性能的提高和功能的增强，使单片机的应用打破了原来认为只能用于简单的小系统的概念。目前，单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片机的应用领域。32返回目录回看结束放映 2)单板机（如下图所示） 将微型计算机的基本体系CPU、一定容量的ROM和RAM、输入输出端口(I/O
23、电路)以及一些辅助电路分别做成LSI芯片，并将它们配置在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直接连接起来，这样的计算机叫做单板微型计算机，简称单板机。例如TP801是以8位微处理器(如Z80)为核心组装的8位单板机，SDK-86是以16位微处理器（Intel8086/8088)为中央处理器组装的16位单板机。 33返回目录回看结束放映 在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字显示器,可完成一些简单的数据处理和编辑功能。用单板机实现机电产品的机电一体化成本低，在机械设备的简易数控、检测设备、工业机器人的控制等领域中得到广泛应用。 34返回目录回看结束放映 根据需要，将微型计算机、RO
24、M、RAM、I/O接口电路、电源等组装在不同的印制电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件,就构成了一个完整的微机系统。如国内使用的IBM-PC(如：P、P 、P等)；CROMEMCO公司的System、等都是多板微型计算机系统。 3) 微型计算机系统35返回目录回看结束放映36返回目录回看结束放映37返回目录回看结束放映 按微处理机位数可将微型计算机分为位片、4位、8位、16位、32位和64位等机种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数，即可同时传送数据的总线宽度。 4位机目前多做成单片机。即把微处理机、12KB的RO
25、M、64128KB的RAM、I/O接口做在一个芯片上，主要用于单机控制、仪器仪表、家用电器、游戏机等中。 8位机有单片和多片之分，主要用于控制和计算。 16位机功能更强、性能更好，用于比较复杂的控制系统,可以使小型 机微型化。 32位和64位机是比小型机更有竞争力的产品。人们把这些产品称为 超级微机。它具有面向高级语言的系统结构，有支持高级调度、调试以及 开发系统用的专用指令，大大提高了软件的生产效率。(2)(2)按微处理机位数分类按微处理机位数分类38返回目录回看结束放映 按用途分类可以将微型计算机分为控制用和数据处理用微型计算机。对单片机来说：可分为通用型和专用型。 通用型单片机，即通常所
26、说的各种系列的单片机。它可把开发的资源(如ROM、I/O接口等)全部提供给用户，用户可根据自己应用上的需要来设计接口和编制程序，因此通用型单片机可作为系统或产品的微控制器，适用于各种应用领域。 专用单片机或称专用微控制器，是专门为某一应用领域或某一特定产品而开发的一类单片机。为满足某一领域应用的特殊要求而开发的单片机，其内部系统结构或指令系统都是特殊设计(甚至内部已固化好程序)。(3)(3)按用途分类按用途分类39返回目录回看结束放映第四节第四节 微机软件与程序设计语言微机软件与程序设计语言微机软件与程序设计语言微机软件与程序设计语言 软件是比程序意义更广的一个概念，内含极其丰富。 1)程序设
27、计语言 程序设计语言是编写计算机程序所使用的语言，是人机对话的工具。目前使用的程序设计语言大致有三大类，即“机器语言”(Machine Language)、“汇编语言”(Assembly Language)、“高级语言”(High Level Language)。 2)操作系统 所谓操作系统(OS-Operating System)，就是计算机系统的管理程序库。它是用于提高计算机利用率、方便用户使用计算机及提高计算机响应速度而配备的一种软件 。操作系统可以看成是用户与计算机的接口，用户通过它而使用计算机。它属于在数据处理监控程序控制之下工作的一组基本程序，或者是用于计算机管理程序操作及处理操作
28、的一组服务程序集合。 3)程序库 计算机的可用程序和子程序的集合就是程序库(或软件包)。目前，微型计算机积累的程序非常丰富，而且可以通用。而在机械控制领域，由于被控对象(产品)的特殊性较强，其程序库的形成较难。但是，随着微型计算机的普及与应用，其应用程序将不断丰富，也将会形成各式各样的程序库。40返回目录回看结束放映第五节第五节 微机的应用领域及选用要点微机的应用领域及选用要点 微型计算机的基本特点是小型化、超小型化，具有一般计算机的信息处理、计测、控制和记忆功能，价格低廉，且可靠性高、耗电少，故用微机构成机电一体化系统(或产品)具有以下效果：小型化-应用LSI技术减少了元件数量，简化了装配，
29、缩小了体积；多功能化-利用了微机以信息处理能力、控制能力为代表的智能；通用性增大-容易用软件更改和扩展设计；提高了可靠性-用LSI技术减少了元器件、焊点及接续点数量，增加了用软件进行检测的功能；提高了设计效率-将硬件标准化用软件适应产品规格的变化，能大大缩短产品开发周期；经济效果好-降低了零件费、装配成本、电源能耗，通过硬件标准化易于实现大量生产；进一步降低成本；产品(或系统)标准化-硬件易于标准化；提高了维修保养性能-产品的标准化使维修保养人员易于掌握维修保养规则，易于运用故障自诊断功能。41返回目录回看结束放映 1. 应用领域 微机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型应用领域。 （1）工
30、业控制和机电产品的机电一体化。 （2）交通与能源设备的机电一体化。 （3）家用电器的机电一体化。 （4）商用产品机电一体化。 （5）仪器、仪表机电一体化。 （6）办公自动化设备的机电一体化。 （7）信息处理自动化设备。 （8）导航与控制。42返回目录回看结束放映 2. 选用要点 不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。生产系统自动化、机床自动化、数控机床一般应用8位或16位微机系统，特别是控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、多板机微机系统。像家用电器、商用产品，计算机一般装在产品内，故应采用单片机或微处理器。然而，这类产品处理速度不高、处理数据量不大、处理过程又不太复杂，故主要采用4位或8
31、位微机。 在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合，如智能机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用16位与32位微机。对一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电一体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等，多采用8位机。换句话说，4位机常用于较简单、规模较小的系统(或产品)，16位与32位机及64位机主要用于较复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。由于单片机的迅速发展，它的功能更强，性能更完善，逐渐满足各种应用领域的要求，应用范围不断扩大，不但用于简单小系统，而且不断被复杂大系统所采用。43返回目录回看结束放映第六节第六节 8086/80888
32、086/8088微机的硬件结构特点微机的硬件结构特点 在PC系列微机中，应用较广泛的是Intel公司的86系列。而8086/8088是Intel系列的16位/准16位微机是86系列微机（包括Pentium和PentiumPro高性能奔腾）发展的基础。8086与8088的内部结构类似，都由算术逻辑单元ALU、累加器、专用和通用寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时器控制电路等组成。 一、8086/8088CPU的主要结构特点 （1） 8086/8088的内部体系结构。其内部的运算器、寄存器及内部数据总线都为16位，其外部数据总线则不同：8086为16位、8088为8位。因此，8086可以一次从存储
33、器中读一个字，而8088一次只能从存储器中读一个字节。 （2） 指令系统功能强。8086有100多条指令，能完成数据传送、算术运算(包括乘法除法)、循环移位、字符串操作、控制传送和处理器管理等工作。算术运算可以按字或字节带符号或无符号、二进制或十进制的方式进行运算。44返回目录回看结束放映 （3） 多种寻址方式适用于高级语言中的数组和记录等数据结构。 （4） 20位地址线。寻址范围可达1048576字节(即1MB字节)的存储空间。 （5） 16位I/O端口地址线。可寻址64K端口地址。 （6） 中断功能强。可处理内部软件中断和外部中断请求，中断源允许达256个。 （7） 具有管理DMA操作和多
34、处理器工作的能力。45返回目录回看结束放映 二、二、二、二、 8086/8088 8086/8088 8086/8088 8086/8088CPUCPUCPUCPU的最大与的最大与的最大与的最大与 最小工作模式最小工作模式最小工作模式最小工作模式46返回目录回看结束放映 最大工作模式是相对于最小模式而言的。其特征是系统中可以包括两个或多个微处理器，即允许多个处理器一起工作，系统的控制信号由总线控制器提供。在80868088最大工作模式系统中，主处理器为80868088，其他处理器称为协处理器，与80868088配合的协处理器有两个，一个是数值协处理器8087，一个是输入输出协处理器8089。
35、8087是一种专用于数值运算的处理器，能实现多种类型的数值操作，比如高精度的整数和浮点运算，也可以进行超越函数(如三角函数、对数函数)的计算。通常情况下，由于这些运算是用软件方法来完成的，占用CPU很多运行时间，而8087是用硬件方法实现这些运算的，所以，在系统中加入8087后，会大幅度地提高系统的数值运算速度。 8089有一套专门用于输入/输出操作的指令系统，它可以直接为输入/输出设备服务，使80869088不再承担这类工作。所以，在系统中加入8089后，会明显提高主处理器的效率，尤其是在输入/输出频繁的场合。47返回目录回看结束放映三、 8086/8088引脚 （ 具体的8086/8088
36、CPU各引脚功能定义请看讲义）48返回目录回看结束放映49返回目录回看结束放映四、四、四、四、 8086 8086 8086 8086CPUCPUCPUCPU最小、最大工作模式系统的最小、最大工作模式系统的最小、最大工作模式系统的最小、最大工作模式系统的典型配置典型配置典型配置典型配置 1 . 1 . 80868086CPUCPU最小工作模式系统的典型配置最小工作模式系统的典型配置50返回目录回看结束放映51返回目录回看结束放映52返回目录回看结束放映2.2. 80868086CPUCPU最大工作模式系统的典型配置最大工作模式系统的典型配置53返回目录回看结束放映54返回目录回看结束放映55返
37、回目录回看结束放映第七节第七节第七节第七节 Z80CPUZ80CPUZ80CPUZ80CPU的结构特点及存储器、输入输的结构特点及存储器、输入输的结构特点及存储器、输入输的结构特点及存储器、输入输出扩展接口出扩展接口出扩展接口出扩展接口 一、一、 Z80CPU的 结构特点 Z80 CPU是一个具有40条引脚、双列直插式结构的大规模集成电路(LSI)芯片。它的引脚配置如右图所示。图中箭头的方向表示该信号是输出还是输入。Z80 CPU的引脚功能如右图：56返回目录回看结束放映57返回目录回看结束放映58返回目录回看结束放映59返回目录回看结束放映二、总线驱动器60返回目录回看结束放映61返回目录回
38、看结束放映62返回目录回看结束放映三、存储器 微机控制系统中使用的存储器的分类如下图所示。按其功能可分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两大类。63返回目录回看结束放映64返回目录回看结束放映65返回目录回看结束放映66返回目录回看结束放映67返回目录回看结束放映68返回目录回看结束放映69返回目录回看结束放映70返回目录回看结束放映71返回目录回看结束放映72返回目录回看结束放映 四、输入输出接口四、输入输出接口73返回目录回看结束放映 1. PPI8255芯片使用简介 PPI(Programmable Peripheral Interface)8255芯片具有可按照程序指定进
39、行数据输入或输出的三个独立的端口A、B、C，每个端口都是8位，其引脚配置见下图所示。 通常，A或B端口为输入、输出数据端口；而C端口作为控制或状态信息的端口。它在“状态”字控制下，可以分成两个4位的端口，每个端口均有锁存器，分别与A端口或B端口配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。 PPl8255芯片的工作方式是通过CPU的控制字来指定的。在PPI内有控制寄存器，接受来自CPU输出的控制字。端口C是按照控制字来实现每一位的“复位”与“置位”控制的。74返回目录回看结束放映75返回目录回看结束放映76返回目录回看结束放映77返回目录回看结束放映IORQ RD WR RD WR 0 0
40、1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 78返回目录回看结束放映79返回目录回看结束放映2. I/O寻址方法 80返回目录回看结束放映81返回目录回看结束放映82返回目录回看结束放映83返回目录回看结束放映84返回目录回看结束放映 五、五、Z80CPUZ80CPU的存储器及的存储器及I/OI/O口扩展举例口扩展举例85返回目录回看结束放映86返回目录回看结束放映第八节第八节 单片机的结构特点单片机的结构特点 及其最小应用系统及其最小应用系统87返回目录回看结束放映 一、一、MCS-51MCS-51系列单片机的结构特点系列单片机的结构特点 MCS-51系列单片机包
41、括805l、8751和8031三种产品，其硬件设计简单灵活。 8051片内有4KB的ROM。用户将已开发好的程序交给芯片制造厂商，在制造芯片时用掩膜工序将用户程序写入ROM。显然用户本身是无法将自己的程序写入8051芯片的。程序一经写入片内ROM，用户也无法改变程序。所以8051用在批量较大(1000片以上)时，经济上才合算。 8751片内有4KB的EPROM。用户可以用高压脉冲将用户程序写入片内EPROM。所以当用户的程序不长时使用这种芯片可简化电路，也可以作为开发系统片内8051ROM单片机的代用芯片。由于EPROM可通过照射紫外光线抹去原有程序进行改写，所以这类芯片也可用于程序的开发工作
42、。 8031芯片内无ROM或EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。如不使用805l或8751芯片片内的ROM或EPROM即可将其作为8031芯片使用。这三种引脚相容的产品均可寻址64KB的外部程序存储器和64KB的外部数据存储器。 下图为MCS-51系列单片机的引脚及功能。 88返回目录回看结束放映89返回目录回看结束放映90返回目录回看结束放映91返回目录回看结束放映92返回目录回看结束放映93返回目录回看结束放映二二MCS-5lMCS-5l系列单片机的最小应用系统及其扩展系列单片机的最小应用系统及其扩展94返回目录回看结束放映95返回目录回看结束放映96返回目录回看结束放映
43、97返回目录回看结束放映98返回目录回看结束放映99返回目录回看结束放映100返回目录回看结束放映101返回目录回看结束放映第九节第九节 数字显示器及链盘的接口电路数字显示器及链盘的接口电路 一、数字显示器的结构及其工作原理一、数字显示器的结构及其工作原理 单片机应用系统中，常使用LED(发光二极管)、CRT显示器和LCD(液晶显示器)等作为显示器件。其中LED和LCD成本低、配置灵活、与单片机接口方便，故应用广泛。 数码显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用七
44、段显示器的结构如下图所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。这种笔画式的七段显示器，能显示的字符数量较少，但控制简单、使用方便。102返回目录回看结束放映 通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也有人称之为八段显示块。其中七个发光二极管构成七笔字形“8”。一个发光二极管构成小数点。七段显示块与单片机接口非常容易。只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。共阳极与共阴极的段选码互为补数。103返回目录回看结束放映 显示器有静态和动
45、态两种方法： 1. 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。例如七段显示器的a、b、c、d、e、f导通，g截止，显示0。这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制，三位显示器的接口逻辑如下图所示。104返回目录回看结束放映 2. 动态显示 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。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示；若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位并行口(称为扫描口)。控制各位显示器所显示的字形也需一个共用
46、的8位口(称为段数据口)。8位共阴极显示器和8155的接口逻辑如下图所示。105返回目录回看结束放映106返回目录回看结束放映DSEG： DB 3FH， 06H， 5BH， 4FH， 66H， “0” “1” “2” “3” “4” 6DH， 7DH， 07H， 7FH， 6FH， 77H， “5” “6” “7” “8” “9” “A” 7CH， 39H， 5EH， 79H， 71H “B” “C” “D” “E” “F”107返回目录回看结束放映如： 3FH: 0 0 1 1 1 1 1 1 3 F 7FH： 0 1 1 1 1 1 1 1 7 F 108返回目录回看结束放映二、键盘、显示
47、器的接口电路二、键盘、显示器的接口电路109返回目录回看结束放映110返回目录回看结束放映 1. 键盘工作原理 行列式键盘电路原理如下图所示，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+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、行线读入行线状态来判断的。其方法是：给列线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器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l。 111返回目录回看结束放映112返回目录回看结束放映 例如： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 1 1 0 1
48、1 1 7 7 H D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 1 1 1 0 1 1 7 B H 113返回目录回看结束放映 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，如何兼顾键盘扫描，即既保证不失时机地响应键操作，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。这里仅简单介绍一下编程扫描方式。 编程扫描工作方式是利用CPU在完成其他工作的空闲，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应
49、键输入要求。 下面以下图的8155扩展I/O口组成的行列式键盘为例，介绍编程扫描工作方式的工作过程与键盘扫描子程序流程。在该键盘中，键值与键号相一致，依次排列为03l，共32个键，由1个8位口和1个4位口组成48的行列式键盘。在键盘扫描子程序中完成下述几个功能：114返回目录回看结束放映115返回目录回看结束放映 （1）判断键盘上有无键按下。其方法为：PA口 输 出 全 扫 描 字 00H， 读 PC口 状 态 ，PC0PC3为全l，则键盘无键按下，若不全为1，则有键按下。 （2）去键的机械抖动影响。其方法为，在判断有键按下后，软件延时一段时间再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个
50、确定的键按下，否则按键抖动处理。116返回目录回看结束放映例 如：FEXE： “0”键PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 1 1 1 1 1 1 1 0PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 X 1 1 1 0 FDXE： “1”键PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 1 1 1 1 1 1 0 1PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 X 1 1 1 0117返回目录回看结束放映 （3） 求按下键的键号。按照行列式键盘工作原理，在“8155扩展I/O口组成的行列式键盘”的图中32个键的键值应
51、对应作如下分布(PA、PC口为二进制码，X为任意值)：FEXE FDXE FBXE F7XE EFXE DFXE BFXE 7FXE FEXD FDXD FBXD F7XD EFXD DFXD BFXD 7FXD FEXB FDXB FBXB F7XB EFXB DFXB BFXB 7FXB FEX7 FDX7 FBX7 F7X7 EFX7 DFX7 BFX7 7FX7 其相对应的键号如图中所示。这种顺序排列的键号按照行首键 号与列号相加的办法处理，每行的行首键号依次为：0，8，16， 24，列首依列线顺序为07。在上述键值中，从零电平对应的位 可以找出行首键号与相应的列号。118返回目录回看
52、结束放映 （4）键闭合一次仅进行一次功能操作其方法为，等待键释放以后再将键号送入累加器A中。 右图为键扫描子程序框图。编程扫描工作方式只有在CPU空闲时才调用键盘扫描子程序。因此，在应用系统软件方案设计时，应考虑这种键盘扫描子程序的编程调用应能满足键盘响应要求。119返回目录回看结束放映第十节第十节 微机应用系统的输入输出控制微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计的可靠性设计 微机应用系统的输入输出是通过硬件电路和软件共同完成的。对其硬件电路的要求是： 能够可靠地传递控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息； 能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入输出信息的转换要求，如D/A、A/D转换，
53、并行数字量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配，电量与非电量之间的转换，弱电与强电的转换以及功率的匹配等；应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。120返回目录回看结束放映 1.光电隔离电路 为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示.一、光电隔离电路设计121返回目录回看结束放映 控制输出时，从上图a可知，微机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合
54、器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输入，如上图b所示。当然，光电耦合器还有其他连接方式，以实现不同要求的电平或极性转换。122返回目录回看结束放映光电隔离电路的作用主要有以下几个方面：光电隔离电路的作用主要有以下几个方面：光电隔离电路的作用主要有以下几个方面：光电隔离电路的作用主要有以下几个
55、方面： （1）可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，又又由由于于光光电电耦耦合合器器输输入入与与输输出出端端之之间间绝绝缘缘电电阻阻非非常常大大(一一般般为为10111013)，寄寄生生电电容容很很小小(一一般般为为0.52pF)，因此，干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。 （2）可以进行电平转换。如上图a所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为12V。 （3）提高驱动能力。隔离驱动用光电耦合器件，如达林顿晶体管输出和晶闸管输出型光电耦合器件，不但具有隔离功能，而且还具有较强的驱动负载能力。微机输出信号通过这
56、种光电耦合器件后，就能直接驱动负载。123返回目录回看结束放映 通常使用的光电耦合器如下图所示。图a为普通型信号隔离用光电耦合器件，以发光二极管为输入端，光敏晶体管为输出端。这种器件一般用在100kHz以下的频率信号。如果光敏晶体管的基极有引出线则可用于温度补偿、检测等。图b为高速型光电耦合器件的结构形式，与普通型的不同处在于其输出部分采用光敏晶体管和高速开关管组成复合结构，具有较高的响应速度。图c为达林顿管输出光电耦合器件，其输出部分以光敏晶体管和放大晶体管构成达林顿管输出。具有达林顿晶体管输出的一切特性，可直接用于驱动较低频率的负载。图d为晶闸管输出型光电耦合器件。输出部分为光控晶闸管，光
57、控晶闸管有单向、双向两种形式。这种光电耦合器常 用在大功率的隔离驱动场合。124返回目录回看结束放映 2. 光电耦合隔离电路应用 采用光电耦合器可以将微机与前向、后向通道以及其他相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机，其基本配置如下图所示。 125返回目录回看结束放映126返回目录回看结束放映 8155、8255输出口的放出及吸入电流均较大，故可直接用高电平来推动晶体管驱动发光二极管。由于 8155、8255在上电复位时，端口初置为输入状态，即高阻抗状态，为不使开机输出额外的信息，晶体管基极应拉成低电平，如下图a 所示。 如要输出较大电流以驱动输出设备，如继电器、电磁离合器等
58、，则应接成达林顿型，如 下图b 所示。为了进一步提高普通型光耦合器的光耦合速度，可采用下图c电路。 在较恶劣环境中的前向通道，为了减少通道及电源的干扰，V/F转换器 (LM331)的频率输出可采用光耦合器隔离方法，使V/F转换器与微机无电路联系，如下一页图a 、b 所示。127返回目录回看结束放映VT128返回目录回看结束放映 二、信息转换电路设计 1.弱电转强电电路 微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经过功率放大后，才能驱动各类执行元件，如下图所示的几种电路。图a表示微机输出的开关量信号通过功率放大后，能够驱动有关小功率的直流电磁铁YA，如果是交流电磁铁，或大功率的直流电磁铁，就需使用
59、继电器K作进一步的功率放大，如图b所示。利用继电器K也可以驱动小功率的交流电动机，如图c所示。对于大功率的交流电动机，还需增加交流接触器KM才能驱动，如图d所示。129返回目录回看结束放映 2. 数字脉冲转换 在控制系统中，应用微机很容易实现数字脉冲的转换工作。事实上，只要CPU定时地向某个I/O端口的某一二进制位输出高低电平相间的逻辑信号，就可产生一个脉冲序列。步进电动机控制经常用到数字脉冲转换，例如下图所示的三相步进电动机驱动接口电路。该电路中电动机的每相驱动电路都单独有光隔离和放大电路，并连接到微机并行输出端口的一个二进制位上。脉冲信号经光隔离电路耦合、各相放大电路放大后，控制步进电动机
60、按照一定方向转动。130返回目录回看结束放映 3. 数模(D/A)、模数(A/D)转换 微机应用系统I/O控制回路中，还常用到D/A、A/D转换。例如下图所示的采用直流伺服电动机的控制回路中，就增加了D/A转换环节。控制输出时，微机每次都将运算后得到的以数字形式的控制参数输出到数模转换电路中进行转换，转换后的模拟电压信号仍为弱电信号，还需经过线性功率放大电路放大，然后控制电动机运行。机械系统的位置反馈信号可以是数字量信号，也可能是模拟量信号，视测量传感元件不同而异.若位置反馈量是模拟量,则在位置反馈回路中应设置模数转换装置。在位置信号进入微机前，完成模数转换工作。131返回目录回看结束放映 4
61、. 电量转非电量 I/O控制回路中还有一种电量到非电量的转换。例如，开关量的电液转换元件是电磁阀， 在电液伺服控制电路中，需要数模（D/A）转换后的模拟信号，而且，也要经过适当放大后，才能驱动电液伺服阀中的电磁元件。这种控制的流程框图如下图所示。132返回目录回看结束放映第十一节第十一节 可编可编程序逻辑控制器程序逻辑控制器( ( ( (PLCPLCPLCPLC) )构构 成及应用举例成及应用举例 一、一、 PLCPLC的构成及工作原理的构成及工作原理 可编程序控制器(PLC)是在工业环境中使用的数字操作的电子系统。它使用可编程存储器储存用户设计的程序指令，这些指令用来实现逻辑运算、顺序操作、
62、定时、计数及算术运算和通过数字或模拟输入输出来控制各种机电一体化系统。由于它具有程序可变、抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、耗电低，特别是易于编程、使用操作方便、便于维修、价格低廉等特点，具有广泛的应用前景。 133返回目录回看结束放映 PLC实质上是一台面向用户的专用数字控制计算机。下图为PLC的硬件结构框图，PLC通过输入输出接口与被控对象工作机相连接。控制系统的具体要求，通过编程器预先把程序写入到存储器中，然后执行此程序，完成控制任务。当系统或被控对象改变时，只需相应变化输入输出接口与被控对象的连线，重新编程，即可形成一个新的控制系统。134返回目录回看结束放映 PLC的设计者向用
63、户提供了简单明了、易学、易记的汇编语言，几乎所有的PLC都把用逻辑梯形图进行编程的简易助记符作为第一语言。这种语言由一组含义明确、功能强、为数不多的指令组成，每条指令由助记符表示。 PLC主要是利用逻辑运算以实现各种开关量的控制。首先扫描输入量(如继电器触点、限位开关、按钮等)，然后把这些输入量与程序规定的条件相比较，从而使输出接通或断开。实际上，PLC的执行过程就是顺序程序的执行过程，也就是按照一定的顺序从梯形图的第一张执行到最后一张，然后再次从第一张开始执行(见右图)。135返回目录回看结束放映 顺序程序是根据梯形图所表达的顺序过程用PLC指令编写的程序，顺序程序存储在PLC控制板的EPR
64、OM中。它是由PLC编程器写入EPROM中的。PLC编程器是编制顺序程序不可缺少的辅助工具。它可以用来输入顺序程序、测试或修改顺序程序以及把顺序程序写入EPROM中。顺序程序的编制流程如下图所示。136返回目录回看结束放映下表为某可编程逻辑控制器（PLC）的基本指令。137返回目录回看结束放映 二、 PLC的应用举例 某工厂有一零件加工自动线，其中第二工位的头道工序是钻孔，工序的动作过程如下：起动后，夹紧装置动作，延时10s后，控制冷却油的电磁阀吸合。与此同时，钻头快进，当接近工件时，限位开关S1动作，钻头开始工进，钻削到预定深度时，限位开关S2闭合，钻头快速退回。回到原位时S3动作，钻头停止
65、移动，钻削工序结束。可采用PLC控制上述钻削工序的钻削过程。为了使初次接触PLC的人员了解PLC的应用概况，现分以下几个步骤进行分析：138返回目录回看结束放映（1）输入信号输入信号：起动、停止信号：限位开关S1、S2、S3信号。输出信号输出信号：夹紧装置夹紧信号、控制冷却油信号、快进信号、工进信号、快退信号、停止结束信号。（2）按实际加工工艺要求绘制加工过程流程图，如右图所示。 139返回目录回看结束放映 （3）根据流程图画出逻辑控制电路(见下图)。这里用有触点继电器逻辑控制图是为了对准备采用PLC取代继电器逻辑控制装置的人员提供一个分析实例。140返回目录回看结束放映 （4）对应于上述逻辑
66、控制图绘制PLC梯形图。首先将外部输入信号连接到 PLC的输入口的接线端，即与PLC的输入继电器线圈连接，通常将这些输入信号源画在梯形图的左边。再将PLC的输出信号与外部执行元件相连，并将其画在梯形图的右边。然后根据加工工艺流程和图有触点继电器逻辑控制电路应用PLC的内部继电器、定时器计数器等单元绘制梯形图，如右图所示。 141返回目录回看结束放映（5）用PLC所提供的有关指令根据梯形图编写程序。其程序清单如右表所示。（6）程序的输入、调试、运行、验证考核，直到满足使用要求为止。142返回目录回看结束放映第十二节第十二节第十二节第十二节 常用检测传感器的性能特点、选用常用检测传感器的性能特点、
67、选用常用检测传感器的性能特点、选用常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口及其微机接口及其微机接口及其微机接口一、一、一、一、 检测传感器的分类与基本要求检测传感器的分类与基本要求检测传感器的分类与基本要求检测传感器的分类与基本要求143返回目录回看结束放映144返回目录回看结束放映 开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)。其工作原理如上图b)所示，如果传感器的输入物理量达到某个值以上时，其输出为“1”(ON状态)，在该值以下时，输出为“0”(OFF状态)，其临界值就是开、关的设定值。这种“1”和“0”数字信号可直接传送到微机进行处理，使用方便。模拟型传感器的输出是与
68、输入物理量变化相对应的连续变化的电量。如上图b所示，传感器的输入输出关系可能是线性的(见上图c-1)，也可能是非线性的(上图c-2)，线性输出信号可直接被采用，而非线性输出信号则需进行适当修正，将其变成线性信号。一般需先将这些线性信号进行模拟数字 (A/D)转换，将其转换成数字信号再送给微机进行处理。 数字型传感器有计数型和代码型两大类。其中计数型又称脉冲数字型，其工作原理如下图a-1所示。它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测运行机构的位移量，这时运行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发出一
69、个脉冲信号，例如增量式光电码盘和检测光栅就是如此。 145返回目录回看结束放映 代码型传感器又称编码器，其工作原理如上图a-2所示；它输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量的值，例如图中输入量的值为1(1时，输出代码为1010，而输入量的值为K2时，输出代码为1011。代码的“1”为高电平，“0”为低电平。高、低电平可用光电元件或机械接触式元件输出。通常用来检测执行元件的位置或速度，例如绝对值型光电编码器、接触式编码板等。146返回目录回看结束放映 按传感器的用途分类一般按被测物理量分类，其分类方法明确表示了传感器的用途，故便于机电一体化系统(或产品)的设计人员选用。 传感器主要
70、用于测量各种物理量，在机电一化产品中常需测量的物理量如下表所示。 根据被测物理量的不同，常用的传感器可以按用途分为位移、位置传感器、速度和加速度传感器、力和力矩传感器、温度传感器、湿度传感器等。传感器的基本工作原理有电阻式、电感式、磁电式、电容式、光电式等，因此，各种相应的传感器也可以按其工作原理分为电阻式电感式、磁电式、电容式、光电式传感器。各种测量传感器的基本特性参数可参看教材。基本被测物理量及其对应的派生物理量147返回目录回看结束放映 机电一体化系统对检测传感器的基本要求：体积小、重量轻、对整机的适应性好；精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；安全可靠、寿命长；便于与计算机连接；
71、不易受被测对象(如电阻、磁导率)的影响，也不影响外部环境；对环境条件适应能力强；现场处理简单、操作性能好；价格低廉。148返回目录回看结束放映二、各类传感器的主要性能及优缺点二、各类传感器的主要性能及优缺点二、各类传感器的主要性能及优缺点二、各类传感器的主要性能及优缺点1） 位移、位置传感器的测量方法多为电测法：常用位移传感器的类型有 电阻式、电感式、电容式、电磁式、光电式、编码式等。2） 速度、加速度传感器: 速度传感器有线速度、角速度、转速等传感器； 加速度传感器有惯性加速度和振动冲击加速度传感器。3） 力、压力和扭矩传感器。4） 温度、湿度、气敏传感器：温度代表物质的冷热程度,是物质内部
72、分子 运动剧烈程度的标志.测量温度的方法有接触式和非接触式两类，因此, 温度传感器也被分为接触式和非接触式。5） 物位传感器。6） 流量传感器。7） 视觉、触觉传感器。 各种传感器的主要性能及其优缺点参看教材表4.214.31。149返回目录回看结束放映三、传感器的选用原则及注意事项三、传感器的选用原则及注意事项三、传感器的选用原则及注意事项三、传感器的选用原则及注意事项 选用传感器时，首先要根据使用要求在众多传感器中选择适合自己所需要的。有些传感器的输入/输出特性，理论上的分析较复杂，但实际应用时并非如此，因为传感器生产厂家所生产的系列产品已为用户做了那些较复杂的工作，用户只需根据使用要求按
73、其主要性能参数，如测量范围、精度、分辨力、灵敏度等选用即可。传感器性能参数指标包含的面很宽，对于具体的某种传感器，应根据实际的需要和可能，在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求，切忌盲目追求各种特性参数均高指标，以形成较高的性能价格比。 需要说明的是，用户在使用前或在使用过程中或搁置一段时间后再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以保证其测量精度，这个复测过程就是校准。 校准与标定的内容基本相同，其目的也基本相同。在使用前进行校准时，所使用的测量仪器应具有足够的精度，至少比被校准传感器的精度高一个精度等级，且符合国家计量值传递的规定或经计量部门鉴定合格。
74、选用传感器时，要特别注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求。环境变化(如温度、振动、噪声等)将改变传感器的某些特性(如灵敏度、线性度等指标)，且能造成与被测参数无关的输出，如零点漂移。 为保证测量精度，根据使用目的可对环境条件及使用条件提出一定要求，或采取一定措施(如隔振)；还可根据传感器的环境参数指标(如零点温漂、加速度灵敏度等)及应用环境要求合理选用传感器。150返回目录回看结束放映 四、传感器的测量电路及微机接口四、传感器的测量电路及微机接口四、传感器的测量电路及微机接口四、传感器的测量电路及微机接口 在机电一体化系统中，传感器获取系统的有关信息并通过检测系统进行处理，以实施系统
75、的控制。传感检测系统的构成如下图所示，传感器处于被测对象与检测系统的界面位置，是信号输入的主要窗口，为检测系统提供必需的原始信号。中间转换电路将传感器的敏感元件输出的电参数信号转换成易于测量或处理的电压或电流等电量信号。通常，这种电量信号很微弱，需要由中间转换电路进行放大、调制解调、AD（DA）转换等处理以满足信号传输、微机处理的要求，根据需要还必须进行必要的阻抗匹配、线性化及温度补偿等处理。中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定，不同的传感器要求配用的中间转换电路经常具有自己的特色。 需要指出的是，在机电一体化系统设计中，所选用的传感器多数己由生产厂家配好转换放大控制电路而不需要用户设计
76、，除非是现有传感器产品在精度或尺寸、性能等方面不能满足设计要求，才自己选用传感器的敏感元件并设计与此相匹配的转换测量电路。151返回目录回看结束放映 传感器的输出信号(如模拟信号、数字信号和开关信号)不同，其测量电路也有模拟型测量电路、数字型测量电路和开关型测量电路之分。 （1）模拟型测量电路 模拟型测量电路适用于电阻式、电感式、电磁式、电热式等输出模拟信号的传感器。 （2）数字型测量电路 数字型测量电路有绝对码数字式和增量码数字式。 （3）开关型测量电路 传感器的输出信号为开关信号，如光电开关和电触点开关的通断信号等。这类信号的测量电路实质为功率放大电路。 绝对码数字式传感器输出的编码与被测
77、量一一对应，每一码道的状态由相应的光电元件读出，经光电转换、放大整形后，得到与被测量相对应的编码。 输出的信号为增量码数字信号的传感器，如光栅、磁栅、容栅、感应同 步器、激光干涉等传感器均使用增量码测量电路。为了提高传感器的分辨力， 常采用细分的方法，使传感器的输出变化周期时计一个数，称为细分。细分 电路还常同时完成整形作用，有时为便于读出还需要进行脉冲当量变换。辨 向电路用于辨别运动部件的运动方向，以正确进行加法或减法计算。经计算 后的数值被传送到相关的地方(显示或控制器)显示或控制。152返回目录回看结束放映 （4）转换电路 中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定。这里对常用的转换电路
78、，如电桥、放大电路、调制与解调电路、数/模(D/A)与模/数(A/D)转换电路等的作用做一简单说明，其工作原理及应用电路请参考相关资料。 1)电桥 电桥适用于电参量式传感器。其作用是将被测物理量的变化引起敏感元件的电阻、电感或电容等参数的变化，转换为电量(电压、电流、电荷等)。 2）放大电路 放大电路通常由运算放大器、晶体管等组成，用来放大来自传感器的微弱信号。为得到高质量的模拟信号，要求放大电路具有抗干扰、高输入阻抗等性能。常用的抗干扰措施有屏蔽、滤波、正确的接地等方法。屏蔽是抑制场干扰的主要措施，而滤波则是抑制干扰最有效的手段，特别是抑制导线耦合到电路中的干扰。对于信号通道中的干扰，可依据
79、测量中的有效信号频谱和干扰信号的频谱，设计滤波器，以保留有用信号，剔除干扰信号。接地的目的之一是为了给系统提供一个基准电位，如接地方法不正确就会引进干扰。 3）调制与解调电路 由传感器输出的电信号多为微弱的、变化缓慢类似于直流的信号，若采用一般直流放大器进行放大和传送，零点漂移及干扰等会影响测量精度。因此常先用调制器把直流信号变换成某种频率的交流信号，经交流放大器放大后再通过解调器将此交流信号重新恢复为原来的直流信号形式。 4）模/数(A/D)与数/模(D/A)转换电路 在机电一体化系统中，传感器输出的信号如果是连续变化的模拟量，为了满足系统信息传输、运算处理、显示或控制的需要，应将模拟量变为
80、数字量，或再将数字量变为模拟量，前者就是模/数(A/D)转换，后者为数/模(D/A)转换。153返回目录回看结束放映 输入到微机的信息必须是微机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。 1)输入放大器 被分析的信号幅值大小不一，输入放大器(或衰减器)便是对幅值进行处理的器件。对于超过限额的电压幅值，可以加以衰减，对于太小的幅值，则加以放大，避免影响采样精度。输入放大器(衰减器)的放大倍数 (衰减百分数)，一般可用程控方式或手动方式设定。对信号放大时，一般不宜放得过大，以免后面分析运算中产生溢出现象。 输入放大器上往往设有DC和A
81、C选择挡。在分析交变信号时可用AC挡来减小测试系统中传感器或放大器的零漂误差。有时分析的信号是交变信号与直流分量的叠加，但若感兴趣的只是交变信号，这时就可用AC挡来消除直流分量，AC挡成为隔直电路。这样，AC挡实际上具有高通滤波特性。使用时应注意其响应问题，只有等输入波形稳定后再开始采样处理，才能得到正确结果。DC挡是对信号直接进行处理，不存在上述问题，有的输入放大器还可改变输入信号的极性，使用时可依需要调整。154返回目录回看结束放映 2)抗频混滤波器 在作频域分析时，为解决频混的影响，采样之前通常用模拟滤波器来衰减不感兴 趣的高频分量，然后根据滤波器的选择性来确定适当的采样频率。低通滤波器
82、为抗频 混滤波器。由于低通滤波器能衰减高频分量，所以也可对时域分折时的信号作平滑 处理。抗频混滤波器的截止频率一般都是多挡可选的，依信号特性选用。 3)采样保持电路 这个电路在A/D转换器之前，是为A/D进行转换期间，保持输入信号不变而设置的。 对于模拟输入信号变化率较大的信号通道，一般都需要它。对于直流或者低频信号通 道则可不用。采样保持电路对系统精度起着决定性的影响。要求采样时，存储电容尽 快充电，以跟随参量变化。保持时，存储电容漏电流必须接近于零，以便使输出值保 持不变。 4)模拟多路开关 其作用为分别或依次把各传感器输出的模拟量与A/D接通，以便进行A/D转换。 对其要求是：导通电阻小
83、；开路电阻大，交叉干扰小；速度快。 5) A/D转换器及其与微机的连接 A/D转换器是数字信号处理系统的重要器件。实现A/D转换有多种方式，A/D转换 芯片也有多种型号，其技术参数主要有：分辨力、相对精度、输入电压、转换时间、输 入电阻、供电电压等项。其中分辨力和转换时间两项较关键。分辨力是指转换微小输入 量变化的敏感程度，用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。155返回目录回看结束放映 习题与思考题习题与思考题 4-1 试说明CPU、MC与MCS之关系。4-2 试说明微型计算机的基本特点及选用要点. 4-3 在设计微机控制系统中首先会遇到的问题是什么？4-4 从控制的角度得出所选择
84、的微机应能满足哪些要求？4-5 试说明8086/8088微机的主要结构特点。4-6 试说明8086/8088CPU的最小、最大工作模式的特征。4-7 试说明Z80CPU的结构特点。4-8 试说明在“0”工作状态下,PPI8255的输入/输出口的选择方法。4-9 试说明MCS51系列单片机的结构特点。4-10 单片机具有哪些独特优点？4-11 常用半导体存储器的种类有哪些？4-12 试说明8031单片机的输入输出及存储器的扩展方法。4-13 试说明七段LED的组成原理。4-14 静态显示与动态显示的主要区别有哪些？4-15 键盘键值如何确定。4-16 微机应用系统I/O控制的可靠性设计分析方法是什么？4-17 试说明光电耦合器的光电隔离原理。4-18 试说明常用传感器种类、原理及其特性参数。4-19 试说明检测传感器的选用原则及注意事项。4-20 试说明检测传感器的微机接口基本方式。156
