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1、第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 第六章第六章微型计算机限制系统的设计微型计算机限制系统的设计6.1 6.1 限制系统设计的一般步骤限制系统设计的一般步骤6.2 6.2 微型计算机限制系统的软件微型计算机限制系统的软件6.3 6.3 常用应用程序设计常用应用程序设计6.4 6.4 微机限制直流伺服系统设计微机限制直流伺服系统设计6.5 6.5 微机温度限制系统设计微机温度限制系统设计第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 第一节第一节限制系统设计的一般步骤限制系统设计的一般步骤一系统总体限制方案设计一系统总体限制方案设计（一）（一）确定限制任务
2、确定限制任务1.深深化化了了解解限限制制对对象象，熟熟悉悉生生产产工工艺艺过过程程，提提出出系系统统的的限限制制要要求求，确定系统要完成的任务。确定系统要完成的任务。第第一一：要要从从系系统统构构成成上上考考虑虑，确确定定是是接接受受开开环环限限制制还还是是闭闭环环限限制制；哪哪些些物物理理量量须须要要检检测测，接接受受何何种种检检测测元元件件，检检测测精精度度要要求求如如何何；执执行行机机构构接接受受什什么么方方案案，是是接接受受电电机机驱驱动动、液液压压驱驱动动还还是是其其他他方方式式驱驱动动，比比较较各种方案，择优而用。各种方案，择优而用。其其次次：确确定定计计算算机机在在整整个个限限制
3、制系系统统中中所所起起的的作作用用，是是给给定定计计算算、干干脆脆限限制制还还是是数数据据处处理理、监监督督限限制制等等，确确定定计计算算机机应应担担当当哪哪些些任任务务，为为完完成成这这些些任任务务需需具具备备哪哪些些功功能能，须须要要设设计计哪哪些些输输入入输输出出通通道道和和配配备备什什么么样样的外围设备。的外围设备。2.完成系统设计的任务书，画出系统构成的粗框图。完成系统设计的任务书，画出系统构成的粗框图。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （二）（二）硬件软件功能安排与协调硬件软件功能安排与协调尽可能地用软件来实现系统的限制功能。尽可能地用软件来实现系统的限
4、制功能。（三）（三）接口设计接口设计（1）选用特地的功能接口板选用特地的功能接口板（2）选用通用接口电路选用通用接口电路（3）用集成电路自行设计接口电路用集成电路自行设计接口电路第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （四）（四）通道设计通道设计确确定定本本系系统统应应设设置置一一些些什什么么样样的的通通道道、每每个个通通道道有有几几部部分分组组成成，各各部分选用什么器件等。部分选用什么器件等。1.开开关关量量:输输入入要要解解决决电电平平转转换换、去去抖抖动动及及抗抗干干扰扰等等问问题题；输输出出要要留意驱动功率和输出隔离等问题。留意驱动功率和输出隔离等问题。2.数数字
5、字量量：确确定定数数据据的的传传送送方方式式（并并行行串串行行），设设计计相相应应的的接接口口电路。电路。3.模模拟拟量量：输输入入通通道道一一般般包包括括信信号号处处理理电电路路（标标度度变变换换、滤滤波波、隔隔离离、电电平平转转换换、线线性性处处理理）、采采样样单单元元、采采样样保保持持器器和和放放大大器器、A/D转转换器等；输出通道主要由换器等；输出通道主要由D/A转换、放大器等组成。转换、放大器等组成。4.脉冲量：隔离元件、分频或倍频电路、计数器、定时器等组成。脉冲量：隔离元件、分频或倍频电路、计数器、定时器等组成。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （五）（
6、五）操作员限制台设计操作员限制台设计有有一一组组或或几几组组数数据据输输入入键键（数数字字键键盘盘或或拨拨码码开开关关），用用于于输输入入或或更更新新给定值，修改限制器参数或其他必要的数据。给定值，修改限制器参数或其他必要的数据。有有一一组组或或几几组组功功能能键键或或转转换换开开关关，用用于于转转换换工工作作方方式式、启启动动、停停止止系系统运行或完成某种特定的系统操作功能。统运行或完成某种特定的系统操作功能。有一个显示装置或显示屏，用于显示状态、参数及故障指示等。有一个显示装置或显示屏，用于显示状态、参数及故障指示等。有有一一个个“紧紧急急停停止止”按按钮钮，用用于于在在紧紧急急事事故故时
7、时停停止止系系统统运运行行，转转入入故故障处理。障处理。限限制制台台设设计计时时必必需需明明确确这这些些转转换换开开关关、按按钮钮、键键盘盘、数数字字显显示示器器或或状状态态、故故障障指指示示灯灯等等的的作作用用和和意意义义，细细致致设设计计限限制制台台的的硬硬件件及及其其相相应应的的限限制制台台管管理理程程序序，使使系系统统的的操操作作即即便便利利敏敏捷捷，又又平平安安牢牢靠靠，即即使使操操作作失失误也不至于引起严峻的后果。误也不至于引起严峻的后果。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 二微型计算机选择二微型计算机选择（一）（一）微型计算机系统构成方案选择微型计算机系
8、统构成方案选择1组组装装方方案案：从从选选择择微微处处理理器器芯芯片片起起先先，配配置置适适当当的的存存储储器器和和接接口口电电路路，选选择择合合适适的的总总线线，继继而而进进行行插插件件板板和和印印刷刷电电路路板板的的设设计计，最最终终进进行行组装，并和设计好的软件一起进行调试。组装，并和设计好的软件一起进行调试。2单片机方案：体积小、牢靠性高、价格便宜、性能指标高。单片机方案：体积小、牢靠性高、价格便宜、性能指标高。3通通用用微微型型计计算算机机系系统统方方案案：系系统统结结构构完完备备、外外围围设设备备齐齐全全、有有丰丰富的系统软件资源，部件标准化、模块化。常用于大型限制系统，富的系统软
9、件资源，部件标准化、模块化。常用于大型限制系统，优点：限制功能强、设计工作量小、研制周期短。优点：限制功能强、设计工作量小、研制周期短。缺点：成本高、体积浩大、牢靠性差等。缺点：成本高、体积浩大、牢靠性差等。4通通用用工工业业限限制制计计算算机机系系统统方方案案：对对通通用用微微型型计计算算机机系系统统进进行行了了改改进，是当前乃至今后微型计算机限制系统的优选方案之一。进，是当前乃至今后微型计算机限制系统的优选方案之一。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （二）（二）微型计算机系统性能指标选择微型计算机系统性能指标选择1完善的中断系统完善的中断系统实实时时限限制制性性
10、能能：一一是是在在系系统统正正常常运运行行时时的的实实时时限限制制实实力力；二二是是在在发发生故障时紧急处理的实力。生故障时紧急处理的实力。2足够的存储容量足够的存储容量当当内内容容容容量量不不足足以以存存放放程程序序和和数数据据时时，应应扩扩充充内内存存，有有时时还还应应当当配配备适当的外部存储器（硬盘、软盘）。备适当的外部存储器（硬盘、软盘）。3完备的输入输出通道和实时时钟完备的输入输出通道和实时时钟完完备备的的输输入入输输出出通通道道是是微微型型计计算算机机和和外外部部过过程程交交换换信信息息的的通通道道；实实时时时时钟钟在在系系统统实实时时限限制制中中给给出出时时间间参参数数，登登记记
11、事事务务发发生生的的时时刻刻，同同时时使使系统能按规定的时间依次完成各种操作。系统能按规定的时间依次完成各种操作。4微处理器有足够的数据处理实力微处理器有足够的数据处理实力字长、指令的执行速度、指令系统字长、指令的执行速度、指令系统第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 三、限制算法设计（1）限制算法对系统的性能指标有干脆的影响，确定算法能否满足限制速度、精度和系统稳定性的要求。（2）各种限制算法供应了一套通用的计算公式，是对一般性的问题而言的，应针对具体状况，进行修改与补充。（3）可实现性。确定为设计、调试便利，可将限制算法作合理的简化，逐步将限制算法完善，直到获得最好
12、的限制效果。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 四、硬件设计：依据系统总体框图，设计出系统电气原理图，四、硬件设计：依据系统总体框图，设计出系统电气原理图，再依据电气原理图着手元件的选购和线路设计工作。再依据电气原理图着手元件的选购和线路设计工作。五、软件设计：是系统设计的重要组成部分。五、软件设计：是系统设计的重要组成部分。实时性。实时性。针对性。针对性。敏捷性和通用性。敏捷性和通用性。牢靠性。牢靠性。6.系统联调：系统联调是要把已调好的各程序功能块依据总系统联调：系统联调是要把已调好的各程序功能块依据总体设计要求连成一个完整的程序。体设计要求连成一个完整的程序。第
13、一步在试验室模拟装置上进行，要尽量创建条件使模第一步在试验室模拟装置上进行，要尽量创建条件使模拟装置接近于实际限制系统，在调试时应实行一些必要的测拟装置接近于实际限制系统，在调试时应实行一些必要的测量监视和爱护措施。量监视和爱护措施。其次步是在工业生产现场进行工业试验。经过一段考机其次步是在工业生产现场进行工业试验。经过一段考机和试运行后，即可投入正式运行。和试运行后，即可投入正式运行。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 其次节其次节微型计算机限制系统的软件微型计算机限制系统的软件一软件的分类一软件的分类（一）系统软件（一）系统软件系系统统软软件件是是为为了了提提高高
14、微微型型计计算算机机运运用用效效率率、扩扩大大功功能能、为为用用户户运运用用维维护护和和管管理理微微型型计计算算机机供供应应便便利利而而特特地地设设计计的的一一类类程程序序，它具有通用性。它具有通用性。1操作系统：对计算机进行管理和限制操作系统：对计算机进行管理和限制2语语言言加加工工系系统统（1）编编辑辑程程序序（2）编编译译程程序序（3）连接、装配程序（连接、装配程序（4）调试程序（调试程序（5）子程序库子程序库3诊断系统：维护计算机诊断系统：维护计算机第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （二）应用软件（二）应用软件所所谓谓应应用用软软件件就就是是面面对对限限制制
15、系系统统本本身身的的程程序序，它它是是依依据据系系统统的的具具体体要要求求，由由用用户户自自己己设设计计的的。在在进进行行计计算算机机限限制制系系统统设设计计时时，大大量量的的工工作作就就是是如何依据各个生产过程的实际须要设计应用程序。如何依据各个生产过程的实际须要设计应用程序。1限制程序：实现对系统的调整和限制，满足系统的性能指标。限制程序：实现对系统的调整和限制，满足系统的性能指标。2数据采集及处理程序数据采集及处理程序牢靠性检查、牢靠性检查、A/D转换及采样、数字滤波、线性化处理转换及采样、数字滤波、线性化处理3巡回检测程序巡回检测程序数据采集、越限报警、事故预报、画面显示。数据采集、越
16、限报警、事故预报、画面显示。4数据管理程序数据管理程序统计报表；产品销售、生产调度及库存管理程序；产值利润预料等统计报表；产品销售、生产调度及库存管理程序；产值利润预料等第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 二应用程序的语言选择及设计步骤二应用程序的语言选择及设计步骤（一）语言选择（一）语言选择1机器语言机器语言2汇编语言：程序执行速度快，要求的硬件少。汇编语言：程序执行速度快，要求的硬件少。3高级语言：运算实力强，编写便利。高级语言：运算实力强，编写便利。4.高级语言和汇编语言混合编程高级语言和汇编语言混合编程用用高高级级语语言言编编写写计计算算，图图形形绘绘制制，显
17、显示示，打打印印程程序序，用用汇汇编编语语言言编编写写时时钟钟管管理理，中中断断管管理理和和输输入入输输出出程序等。程序等。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （二）应用程序的设计步骤和方法（二）应用程序的设计步骤和方法1.问题定义：明确要完成哪些任务及执行什么程序，确定问题定义：明确要完成哪些任务及执行什么程序，确定输入输入/输出的形式，确定于接口硬件电路的连接协作以及出错输出的形式，确定于接口硬件电路的连接协作以及出错处理方法。处理方法。2.程序设计：利用程序对任务做出描述，即编写源程序。程序设计：利用程序对任务做出描述，即编写源程序。3.编码：指把源程序转换成微
18、型计算机能执行的指令代码编码：指把源程序转换成微型计算机能执行的指令代码4.调试：利用诸如断点、单步跟踪以及模拟运行等手段检调试：利用诸如断点、单步跟踪以及模拟运行等手段检查程序的正确性。查程序的正确性。5.改进和再设计：依据现场运行状况对原设计作修改，或改进和再设计：依据现场运行状况对原设计作修改，或者为了扩充功能对程序进行改进和补充。者为了扩充功能对程序进行改进和补充。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 编写程序之前，一般应绘制流程图。通过流程图可以干脆视察整个系统各部分程序之间的关系，从中找出逻辑错误和程序之间的不相容性。顺序结构选择结构循环结构图6-1 流程图
19、的三种基本结构第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 三高级语言和汇编语言的混合编程三高级语言和汇编语言的混合编程1、混合语言编程的基本概念混合语言编程的基本概念1）程序接口）程序接口在一种语言程序中调用由其他语言编写的程序模块。在一种语言程序中调用由其他语言编写的程序模块。2）命名约定）命名约定为了解决不同语言对名称标识符的不同处理，对目标文为了解决不同语言对名称标识符的不同处理，对目标文件名长度的不同限制的约定。件名长度的不同限制的约定。3）调用约定）调用约定在两种程序语言中为实现彼此调用而建立的一种协定，在两种程序语言中为实现彼此调用而建立的一种协定，它具体对应了一
20、个函数、一个过程或者是一个子程序的它具体对应了一个函数、一个过程或者是一个子程序的调用过程。调用过程。4）参数传递约定）参数传递约定在定义或说明时用形式参数，调用时则替换成实际参数在定义或说明时用形式参数，调用时则替换成实际参数.参数传递方式：参数传递方式：传值传值传址传址传名传名传结果传结果第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 2、C语言程序调用汇编程序举例语言程序调用汇编程序举例例：用汇编过程完成 计算，并由C语言程序将计算结果显示输出。/*C语言程序：CAC.C，向汇编程序传送两个参数A和B，并将汇编程序返回的计算结果（由AX累加器传递）显示*/Extern in
21、t power2(int，int)main（）Printf(“3times 2to the power of 5 is%dn”，power2(3,5)返回地址SPSPSP参数1（3）参数2（5）*参数传递时的压栈操作第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 ；汇编语言程序CAA.ASMMODEL SMALLCODESEGMENTPUBLIC _Power2_power2 PROC NEARPUSHBPMOVBP，SPMOVAX，BP+4MOVCL，BP+6SHLAX，CLPOPBPRET_power2 ENDPCODEENDSBP保护SP/BPBP+2BP+4BP+6返回地
22、址参数1（3）参数2（5）参数传递时的压栈操作第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 四微型计算机限制系统的研制工具四微型计算机限制系统的研制工具微微型型计计算算机机限限制制系系统统的的研研制制工工具具主主要要有有微微型型计计算算机机开开发发系统（系统（MDS）、联机仿真器（）、联机仿真器（ICE）以及模拟仿真程序等。）以及模拟仿真程序等。微微型型计计算算机机开开发发系系统统是是针针对对微微处处理理器器的的应应用用而而特特地地设设计计的的一一种种通通用用型型开开发发工工具具，它它为为用用户户系系统统的的硬硬件件、软软件件综综合合研研制制供供应应了了强强有有力力的的支支援援
23、。MDS由由常常规规微微型型计计算算机机的的一一些些主主要要部部件件（如如微微处处理理器器、存存储储器器和和输输入入输输出出设设备备）和和系系统统软软件件、工工具具软软件件（如如编编辑辑程程序序、调调试试程程序序、跟跟踪踪程程序序和和模模拟拟程程序序等等）和和硬硬件件（如如联联机机仿仿真真器器、EPROM编编程程器器等等）组组合合而而成成。它它与常规的微型计算机系统大致相像。与常规的微型计算机系统大致相像。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 第三节第三节常用应用程序设计常用应用程序设计一数字滤波一数字滤波数数字字滤滤波波是是通通过过确确定定的的计计算算程程序序对对信信
24、号号作作数数字字化化的的处处理理，以以削削减减干干扰扰在在信信号号中中的的比比重重。数数字字滤滤波波克克服服了了模模拟拟滤滤波波器器的的不不足，与模拟滤波器相比有以下优点：足，与模拟滤波器相比有以下优点：（1）用程序完成，可多个输入通道共用一个滤波程序。）用程序完成，可多个输入通道共用一个滤波程序。（2）不不需需硬硬件件设设备备，牢牢靠靠性性高高、稳稳定定性性好好，各各回回路路之之间间不存在阻抗匹配等问题。不存在阻抗匹配等问题。（3）可对频率很低的信号滤波。）可对频率很低的信号滤波。（4）变变更更程程序序就就可可实实现现不不同同的的滤滤波波方方法法或或调调整整滤滤波波参参数数，敏捷、便利。敏捷
25、、便利。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （一）算术平均值滤波（一）算术平均值滤波 找一个Y，它与各采样值Xk之间误差的平方和E为最小，即其中 N为采样次数。依据极值原理得该方法是把n次采样值进行相加，然后取其算术平均值为本次采样值。算术平均滤波主要对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，它不适用于脉冲干扰比较严峻的场合。平均次数N，取决于平滑度和灵敏度，随着N值的增大，平滑度提高，灵敏度降低。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （二）中值滤波（二）中值滤波中中值值滤滤波波就就是是对对某某一一个个被被测测参参数数连连续续采采样样N次次（
26、一一般般N取取奇奇数数），然然后后把把N次次的的采采样样值值从从小小到到大大（或或从从大大到到小小）排队，再取中间值为本次采样值。排队，再取中间值为本次采样值。中中值值滤滤波波去去掉掉脉脉动动性性的的干干扰扰比比较较有有效效，但但对对快快速速变变更更过过程程的的参参数数不不宜宜接接受受。N值值不不宜宜太太大大，否否则则滤滤波波效效果果反反而而不不好好，且且总总的的采采样样时时间间以以及及数数字字滤滤波波处处理理时时间间将将增增长长。一般取一般取N为为35即可。即可。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （三）一阶滞后滤波（三）一阶滞后滤波对对于于快快速速随随机机变变更更
27、的的参参数数，通通常常接接受受动动态态滤滤波波方方法法，如如一一阶滞后滤波方法，表达式为阶滞后滤波方法，表达式为yk=（1-）xk+yk-1式式中中xk为为第第k次次采采样样值值，yk为为第第k次次采采样样或或滤滤波波结结果果输输出出值值；yk-1为上一采样周期滤波结果输出值；为上一采样周期滤波结果输出值；为滤波平滑系数为滤波平滑系数，为为滤滤波波环环节节的的惯惯性性滞滞后后时时间间常常数数；T为为采采样样周期。若选定了周期。若选定了和和T，则，则和和1-为常数。为常数。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （四）程序推断滤波（四）程序推断滤波程程序序推推断断滤滤波波是
28、是将将两两次次采采样样数数据据进进行行比比较较，求求出出差差值值，如如差差值值大大于于最最大大允允许许偏偏差差，则则表表明明本本次次采采样样数数据据是是干干扰扰所所致致，要要舍舍去去；如如偏偏差差小小于于最最大大允允许许偏偏差差，本本次次采采样样数数据据有有效效，无无干扰或干扰不严峻。干扰或干扰不严峻。1限幅滤波限幅滤波限限幅幅滤滤波波规规定定两两次次采采样样值值偏偏差差的的确确定定值值不不超超过过某某一一数数值值，若若超超过过该该规规定定值值，表表明明随随机机干干扰扰的的影影响响不不容容忽忽视视，舍舍去去当当前前采样值。算式为：采样值。算式为：若若，则则本本次次采采样样值值x2为为真真实实信
29、信号号，是是有有效效采采样样值值。若若，则则以以上上一一次次采采样样周周期期的的有有效效值值为为真真实实信信号号，舍去当前采样值。舍去当前采样值。x为为两两次次采采样样值值差差的的可可能能最最大大变变更更范范围围，x的的选选择择取取决于两次采样间隔时间和决于两次采样间隔时间和X的动态响应速度。的动态响应速度。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 2限速滤波限速滤波设设相相邻邻的的采采样样时时刻刻t1，t2，t3的的采采样样值值为为x1，x2，x3，则则限速滤波的规则为：限速滤波的规则为：若若，则以，则以x2作为滤波输出值。作为滤波输出值。若若，则，则x2不接受，但仍保留
30、，再取第三次采样值不接受，但仍保留，再取第三次采样值x3。若若，则，则x3作为滤波输出值。作为滤波输出值。若若，则以（，则以（x2+x3）/2作为滤波输出值。作为滤波输出值。限限速速滤滤波波是是一一个个折折衷衷方方案案，既既照照看看了了滤滤波波输输出出值值的的实实时时性，又照看了其变更的连续性。性，又照看了其变更的连续性。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 二线性化处理二线性化处理1线性插值原理线性插值原理输输入入x和和输输出出y之之间间有有非非线线性性函函数数关关系系y=f（x）（输输入入输输出出特特性性曲曲线线如如图图68所所示示），可可按按确确定定规规律律分分成
31、成若若干干段段，把把相相邻邻段段用用直直线线连连接接，即即可可很很便便利利求求出出任任一一输输入入值值x所所对对应应的的输输出出值值y。设设x在在xi，xi+1区间内，其对应的靠近值为区间内，其对应的靠近值为或或ki为为第第i段段直直线线的的斜斜率率。只只要要n取取得得足足够够大大，即即分分段段足足够够多多，就就可获得良好的非线性转换精度。可获得良好的非线性转换精度。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 2线性插值的计算机实现步骤线性插值的计算机实现步骤（1）用用试试验验方方法法测测量量输输入入输输出出的的非
32、非线线性性关关系系曲曲线线。反反复复测测量，选一条较精确的曲线。量，选一条较精确的曲线。（2）将将测测量量得得到到的的曲曲线线进进行行分分段段，选选取取各各插插值值点点。可可以以等等间间隔隔分分，也也可可不不等等间间隔隔分分，曲曲线线变变更更大大的的部部分分间间距距小小些些，曲曲线线平缓的部分间距可大些。平缓的部分间距可大些。（3）确确定定并并计计算算出出各各插插值值点点的的xi，yi值值及及两两相相邻邻插插值值点点间间的拟合直线的斜率的拟合直线的斜率ki，并以表格的方式放在存储器中。，并以表格的方式放在存储器中。（4）经经查查表表找找出出x所所在在区区间间（xi，xi+1），并并取取出出该该
33、段段的的斜斜率率ki，基点值，基点值xi、yi。（5）计算结果）计算结果y=yi+ki（x-xi）。）。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 三数码显示三数码显示多多用用LED数数码码管管，其其特特点点是是体体积积小小，功功耗耗低低，响响应应速速度度快快，易易于于匹匹配配，寿寿命命长长，牢牢靠靠性性高高。有有软软件件查查表表显显示示和和硬硬件件译译码码显示两种。显示两种。四越限报警处理程序四越限报警处理程序由由采采样样读读入入的的数数据据或或经经计计算算机机处处理理后后的的数数据据是是否否超超出出工工艺艺参参数数的的范范围围，计计算算机机要要加加以以推推断断，如如超超越
34、越了了规规定定的的数数值值，就就要通知操作人员实行相应措施，确保平安。要通知操作人员实行相应措施，确保平安。越越限限报报警警分分：上上限限报报警警、下下限限报报警警和和上上下下限限报报警警。如如需需报报警警的的变变量量是是xn，上上下下限限约约束束值值分分别别是是xmaxn，xminn，则则上上下限报警的物理意义如下：下限报警的物理意义如下：第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 1上限报警上限报警若若xnxmaxn，则上限报警，否则接着执行原操作。，则上限报警，否则接着执行原操作。2下限报警下限报警若若xnxminn，则下限报警，否则接着执行原操作。，则下限报警，否则接
35、着执行原操作。3上下限报警上下限报警若若xnxmaxn，则上限报警，否则对下式做推断。，则上限报警，否则对下式做推断。若若xnxminn，则下限报警，否则接着原操作。，则下限报警，否则接着原操作。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 五五PID限制算法程序限制算法程序在在计计算算机机内内，数数可可以以用用浮浮点点数数和和定定点点数数两两种种形形式式表表示示，定定点数又有整数和纯小数之分。点数又有整数和纯小数之分。浮浮点点数数一一般般用用三三个个字字节节表表示示，占占用用内内存存较较多多，浮浮点点运运算算程程序序比比较较困困难难。由由于于表表示示一一个个数数的的有有效效位
36、位比比定定点点数数多多，因因此此运运算算精精度度比比较较高高。在在限限制制精精度度要要求求很很高高，而而调调整整速速度度要要求求缓缓慢慢的的限限制系统中，才宜接受浮点数运算，否则应接受定点数运算。制系统中，才宜接受浮点数运算，否则应接受定点数运算。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （一）位置式（一）位置式PID限制算法程序限制算法程序位置式位置式PID限制算法的表达式为限制算法的表达式为（1）式中式中,为第为第k次采样时刻的次采样时刻的PID限制输出。限制输出。将式（将式（1）改写为）改写为式中式中实现式（实现式（2）的流程图如图）的流程图如图613所示。所示。第第
37、6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 R(k)为给定输入，F(k)为反馈值，设全部参数均用补码表示，且高字节为整数部分，低字节为小数部分。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （二）增量式（二）增量式PID限制算法程序限制算法程序增量型增量型PID限制算法的表达式为限制算法的表达式为（3）式中式中实现式（实现式（3）的程序流程图如图）的程序流程图如图614所示。所示。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 第五节第五节设计举例设计举例2微型计算机温度限制系统设计微型计
38、算机温度限制系统设计一系统总体方案设计一系统总体方案设计本本设设计计限限制制对对象象是是六六温温区区网网带带式式连连续续烧烧结结电电阻阻炉炉，每每个个温温区区的的温温度度在在6001000度度范范围围内内连连续续可可控控，各各温温区区的的温温度度既既可可自自动动设设定定，也也可可以以人人工工设设定定，要要求求系系统统能能够够对对六六个个温温区区的的温温度度巡巡回回检检测测、显显示示和和定定时时打打印印。网网带带由由直直流流电电机机拖拖动动，其其运运行行速速度度由调速系统限制。由调速系统限制。（一）确定系统的限制任务（一）确定系统的限制任务16个温区的温度给定。个温区的温度给定。26个温区温度的
39、闭环干脆数字限制。个温区温度的闭环干脆数字限制。36个温区温度巡回检测、显示和定时打印。个温区温度巡回检测、显示和定时打印。此此外外，还还要要实实现现系系统统升升温温、保保温温状状态态指指示示，超超温温、断断偶偶报报警警等功能。等功能。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 炉温限制为慢速过程限制，六个温区可用一台微型计算机分时限制和检测。考虑每个温区作为一个控温点，温度检测方案可接受常规的热电偶配用温度变送器的方案。所以系统须要模拟量的输入通道。本系统拟接受晶闸管作为功率放大器件，对电阻丝供应可控的功率输入。系统相应的要有晶闸管限制电路和微型计算机的接口电路，六个温区应
40、设立相对独立的温度限制输出通道。此外，系统还应有各温区温度设定的输入电路和接口，以及数码显示和打印机的输出接口电路。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （二）输入输出通道及其接口设计（二）输入输出通道及其接口设计 1温度检测模拟输入通道设计温度检测模拟输入通道设计 温度检测模拟输入通道由检测元件（热电偶）、变送器和ADC0808等组成。检测元件选用镍铬-镍铝热电偶，适用于01000的温度测量范围，相应输出电压为0mV41.32mV。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 表6-1 温度
41、-数字量对照表温度A/D60000H80080H10000FFH 变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成：毫伏变送器用于把热电偶输出的041.32mV变换成010mA范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的010mA电流变换成05V范围内的电压。调整温度变送器的零点偏移，把零点移至600度，即温度在600度以下时，变送器输出电流为0，而当温度为1000度时，变送器输出电流为10mA，再调整变送器输出端的可变电阻R，使此时经A/D转换后输出的数字量为0FFH，则辨别率为1.56度/步。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 本系统接受ADC0808进行数/模转
42、换，六个温区的温度通过传感器和变送器后分别接至ADC0808的IN0、IN1、IN2、IN3、IN4和IN5。由程序限制每一个温区被控参数的读入。CPU对A/D转换数据的读取接受中断方式。具体用法参考其次章第六节内容。（P80，图2-74）第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 2晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管数字触发输出通道设计双双向向晶晶闸闸管管和和加加热热丝丝串串接接在在沟沟通通回回路路，因因此此晶晶闸闸管管导导通通时时间间确确定定加加热热丝丝的的加加热热功功率率。本本系系统统晶晶闸闸管管接接受受调调功功方方式式，触触发发电电路路接接受受过过零零触触发发方方式式，
43、晶晶闸闸管管总总是是在在正正弦弦电电压压过过零零点点触触发发导导通通，这这样样负负载载上上得得到到的的电电压压为为一一正正弦弦波波，电电压压每每次次过过零时，晶闸管是否导通是可控的。零时，晶闸管是否导通是可控的。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 式中，P为输入电路的功率，R为负载有效电阻，U为电网电压，n为允许导通的波头数，N为设定的波头数。下图给出了晶闸管在给定周期T内具有不同导通时间的状况。n=1n=2n=4n=N=8第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 过零信号是正弦沟通电压过零时刻的同步脉冲，可使可控硅在沟通电压正弦波过零后触发导通。
44、过零同步脉冲由过零触发电路产生，如下图所示。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 图6-32是导通波头数限制电路。其作用是对N和n计数，并在设定的N个波头数内，当n个波头导通完毕后，停止对晶闸管的触发，以达到调整六温区加热元件功率的目的。n由数字是调功器的输出值确定，并被送到8253计数器，N一般是选定一个固定的值。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 3拨码盘给定输入通道拨码盘给定输入通道拨拨码码盘盘作作为为数数字字输输入入，操操作作简简洁洁，直直观观明明白白，码码盘盘值值以以硬硬件方式保存，计算机可以随时通过码盘输入口读入码盘值。件方式保存，
45、计算机可以随时通过码盘输入口读入码盘值。本本系系统统中中，共共运运用用22片片4位位BCD码码输输入入的的拨拨码码盘盘片片，分分别别作作为为六六个个温温区区的的温温度度给给定定和和电电动动机机的的速速度度给给定定。输输入入接接口口电电路路可用锁存器和译码器进行扩展。可用锁存器和译码器进行扩展。4数码显示输出通道数码显示输出通道本本系系统统中中共共用用了了五五位位LED七七段段显显示示器器，其其中中四四位位用用于于显显示示一一个个4位位数数，对对于于炉炉温温，这这四四位位包包括括三三位位整整数数和和一一位位小小数数；对对于于网网带带速速度度，这这四四位位包包括括两两位位整整数数两两位位小小数数；
46、另另一一位位则则显显示示各各温区代号和网带速度代号。温区代号和网带速度代号。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 5打印机输出通道打印机输出通道实实时时记记录录温温度度是是工工业业过过程程温温度度限限制制的的一一项项有有效效监监控控手手段段。本本系系统统用用九九针针打打印印机机实实时时记记录录温温度度数据。数据。二微型计算机选择二微型计算机选择本本系系统统选选用用STD总总线线标标准准的的模模块块式式工工业业限限制制计计算算机机机机型型。主主机机板板接接受受8098单单片片机机多多功功能能CPU模模板板，主主频频6MHz。另另外外配配备备了了显显示示及及操操作作面面板板
47、接口模板、打印机接口模板和接口模板、打印机接口模板和A/D转换模板。转换模板。第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 三限制算法设计三限制算法设计为了实现对电炉的温度自动限制，首先要求已知电炉为了实现对电炉的温度自动限制，首先要求已知电炉的数学模型。对晶闸管加入一个阶跃电压，令其全部导通，的数学模型。对晶闸管加入一个阶跃电压，令其全部导通，测量电炉的温度变更，可得到电炉的响应曲线。从响应曲测量电炉的温度变更，可得到电炉的响应曲线。从响应曲线看，电炉是可近似看成是一个纯滞后的一阶惯性环节。线看，电炉是可近似看成是一个纯滞后的一阶惯性环节。因此，接受大林算法。因此，接受大林算
48、法。由系统的飞升曲线可以确定出TD，K，T，计算N第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 四硬件设计四硬件设计1）传感器及变送器）传感器及变送器2）数字触发限制模板）数字触发限制模板五软件设计五软件设计（一）（一）系统限制程序的任务系统限制程序的任务1）系统的初始化）系统的初始化2）温度反馈信号采样和数字滤波、线性化处理）温度反馈信号采样和数字滤波、线性化处理3）读给定输入值，且将）读给定输入值，且将BCD码转换为二进制码码转换为二进制码4）完成系统的限制算法和限制输出）完成系统的限制算法和限制输出5）定点或巡
49、回显示温度值和网带速度值）定点或巡回显示温度值和网带速度值6）定时打印时间、温度和网带运行速度）定时打印时间、温度和网带运行速度第第6 6章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计 （二）（二）系统限制程序的模块化系统限制程序的模块化1系统初始化程序模块系统初始化程序模块设设置置堆堆栈栈，清清除除动动态态数数据据缓缓冲冲区区，初初始始化化打打印印缓缓冲冲区区，设设置置8253计计数数器器的的限限制制字字和和计计数数初初始始值值，设设置置时时钟钟系系统统的的初初始始值值，设设置置限限制制算算法法程程序序的的初初始始值值，系系统统中中断断限限制制初初始化等。始化等。第第6 6章章 微型计算
50、机控制系统设计微型计算机控制系统设计 2外部中断服务程序模块外部中断服务程序模块外外部部中中断断由由A/D转转换换结结束束信信号号发发出出恳恳求求，其其周周期期为为2s。由由此此确确定定了了六六个个温温区区的的显显示示及及限限制制和和网网带带速速度度的的显显示示共共七七个个通通道道中中，每每一一个个通通道道的的处处理理时时间间为为2s，其其中中，外外部部中中断断产产生生前前的的1s用用来来对对温温度度和和速速度度反反馈馈采采样样，即即A/D转转换换所所须须要要的的时时间间。外外部部中中断断产产生生后后，在在中中断断服服务务程程序序中中，计计算算机机要要完完成成以以下工作：下工作：第第6 6章章