第4章 微機控制系統(tǒng)選擇與設(shè)計

1、第四章微機控制系統(tǒng)選擇與設(shè)計第四章微機控制系統(tǒng)選擇與設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計張建民張建民 編著編著高等教育出版社高等教育出版社4.1 微機控制系統(tǒng)微機控制系統(tǒng) 隨著機電一體化系統(tǒng)所需的控制功能、控制形式、控制隨著機電一體化系統(tǒng)所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制過程日趨復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的要求越方式的不同和多控制過程日趨復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的要求越來越高。微機控制系統(tǒng)的引用，在許多方面能滿足機電一來越高。微機控制系統(tǒng)的引用，在許多方面能滿足機電一體化控制系統(tǒng)的要求。體化控制系統(tǒng)的要求。 微機控制系統(tǒng)微機控制系統(tǒng)：是將微型計算機作為機電一體化產(chǎn)品的是將微型計算機作為機電一體

2、化產(chǎn)品的控制器，結(jié)合微型計算機的工作原理、接口電路（數(shù)字和控制器，結(jié)合微型計算機的工作原理、接口電路（數(shù)字和模擬）的設(shè)計、相應(yīng)的控制硬件和軟件，以及它們之間的模擬）的設(shè)計、相應(yīng)的控制硬件和軟件，以及它們之間的匹配，實現(xiàn)對控制對象的有效控制。匹配，實現(xiàn)對控制對象的有效控制。 常用的微機控制系統(tǒng)：常用的微機控制系統(tǒng)： 專用微機控制系統(tǒng)專用微機控制系統(tǒng) 核心部件為單片機和單板機。核心部件為單片機和單板機。 通用通用微機控制系統(tǒng)微機控制系統(tǒng) 核心部件為可編程控制器和工業(yè)核心部件為可編程控制器和工業(yè)計算機。計算機。4.1.1 微機控制系統(tǒng)硬件與軟件的抉擇和權(quán)衡微機控制系統(tǒng)硬件與軟件的抉擇和權(quán)衡 在確定微

3、機控制系統(tǒng)時，應(yīng)重點考慮幾方面的問題。在確定微機控制系統(tǒng)時，應(yīng)重點考慮幾方面的問題。（1）專用專用/ /通用微型計算機的選擇通用微型計算機的選擇 1）專用控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點專用控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點 用于大批量生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品。具有機械電子有用于大批量生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品。具有機械電子有機結(jié)合緊湊，由專用機結(jié)合緊湊，由專用IC芯片、接口電路、執(zhí)行元件、芯片、接口電路、執(zhí)行元件、傳感器等相互合理匹配成專用控制器，軟件采用專用機傳感器等相互合理匹配成專用控制器，軟件采用專用機器代碼或語言，可靠性強，成本低，但適應(yīng)能力較差。器代碼或語言，可靠性強，成本低，但適應(yīng)能力較差。 2）通用控制系統(tǒng)的構(gòu)成

4、與特點通用控制系統(tǒng)的構(gòu)成與特點 適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品，控適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品，控制系統(tǒng)以通用微型計算機為核心，設(shè)計專用或選用通用制系統(tǒng)以通用微型計算機為核心，設(shè)計專用或選用通用的集成的集成IC芯片、接口電路、執(zhí)行元件、傳感器，以及芯片、接口電路、執(zhí)行元件、傳感器，以及相互合理匹配元件，組成具有較好通用能力的控制器。相互合理匹配元件，組成具有較好通用能力的控制器。軟件采用通用平臺軟件系統(tǒng)，可靠性高，適應(yīng)性強，但軟件采用通用平臺軟件系統(tǒng)，可靠性高，適應(yīng)性強，但成本高，應(yīng)采取一定的抗干擾措施。成本高，應(yīng)采取一定的抗干擾措施。（2）硬件與軟件的權(quán)衡硬件與軟件

5、的權(quán)衡 / /匹配匹配 任何微機控制系統(tǒng)的控制功能，即可以由硬件實現(xiàn)，也任何微機控制系統(tǒng)的控制功能，即可以由硬件實現(xiàn)，也可以由軟件實現(xiàn)，兩者的合理匹配是確定或選用微機控制可以由軟件實現(xiàn)，兩者的合理匹配是確定或選用微機控制系統(tǒng)研究內(nèi)容之一。主要依據(jù)系統(tǒng)研究內(nèi)容之一。主要依據(jù)經(jīng)濟性、可靠性、適用性經(jīng)濟性、可靠性、適用性等等要求來決定。要求來決定。 主要用通用分離元件組成的控制系統(tǒng)主要用通用分離元件組成的控制系統(tǒng)最好采用軟件最好采用軟件來實現(xiàn)對機電一體化產(chǎn)品的主要控制功能，接口少，易于來實現(xiàn)對機電一體化產(chǎn)品的主要控制功能，接口少，易于調(diào)整，適應(yīng)能力強，但成本較高。調(diào)整，適應(yīng)能力強，但成本較高。 主要

6、用專用集成元件組成的控制系統(tǒng)主要用專用集成元件組成的控制系統(tǒng)最好選用硬件最好選用硬件實現(xiàn)對機電一體化產(chǎn)品的主要控制功能，具有廉價、可靠、實現(xiàn)對機電一體化產(chǎn)品的主要控制功能，具有廉價、可靠、處理速度快等特點。處理速度快等特點。（3）應(yīng)有必要的抗干擾措施應(yīng)有必要的抗干擾措施 由于工作環(huán)境比較惡劣（存在電噪聲干擾等），易產(chǎn)生由于工作環(huán)境比較惡劣（存在電噪聲干擾等），易產(chǎn)生故障。為提高控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力，以故障。為提高控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力，以及可靠性，及可靠性，必須采取相應(yīng)的抗必須采取相應(yīng)的抗干擾干擾措施措施。 4.1.2 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路微機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路 （

7、1）確定系統(tǒng)總體控制方案確定系統(tǒng)總體控制方案 總體控制方案確定技術(shù)路線總體控制方案確定技術(shù)路線 從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮控制方式（開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮控制方式（開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制）閉環(huán)控制）傳感元件選用（含精度）傳感元件選用（含精度） 選用選用/ /設(shè)設(shè)計執(zhí)行元件計執(zhí)行元件考慮被控制對象特殊控制要求（高可靠考慮被控制對象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速響應(yīng)特性）性、高精度、快速響應(yīng)特性）微機在整個控制系統(tǒng)微機在整個控制系統(tǒng)中的作用中的作用（計算、數(shù)據(jù)處理、直接（計算、數(shù)據(jù)處理、直接/ /間接控制方式、控制間接控制方式、控制功能、功能、I/OI/O接口、外圍設(shè)備等）接口

8、、外圍設(shè)備等）控制系統(tǒng)成本核算?？刂葡到y(tǒng)成本核算。 確定微機控制系統(tǒng)總體控制的初步方案確定微機控制系統(tǒng)總體控制的初步方案 總體方案可行性論證總體方案可行性論證總體方案技術(shù)總體方案技術(shù)/ /經(jīng)濟評價經(jīng)濟評價總體方案鑒定。總體方案鑒定。 最終確定微機控制系統(tǒng)總體控制方案最終確定微機控制系統(tǒng)總體控制方案（2）確定控制算法確定控制算法 目的在于確定微機控制系統(tǒng)輸入目的在于確定微機控制系統(tǒng)輸入/ /輸出之間的數(shù)字和輸出之間的數(shù)字和邏輯數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)方式，為控制系統(tǒng)輸出的控制邏輯數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)方式，為控制系統(tǒng)輸出的控制信號，實現(xiàn)被控制對象的各控制功能、精度、穩(wěn)定性、信號，實現(xiàn)被控制對象的各控制功能

9、、精度、穩(wěn)定性、可靠性等要求提高可靠的理論依據(jù)。可靠性等要求提高可靠的理論依據(jù)。 常用的控制算法：常用的控制算法： 逐點比較法逐點比較法、數(shù)字積分法數(shù)字積分法、PIDPID調(diào)節(jié)控制法調(diào)節(jié)控制法、最小拍最小拍控制法控制法、最優(yōu)控制法最優(yōu)控制法、隨機控制法隨機控制法、自適用控制法自適用控制法、遺遺傳控制法傳控制法、模糊控制法模糊控制法、魯棒控制法魯棒控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法、專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)等。等。 選用何種控制算法，應(yīng)依據(jù)被控制對象的具體要求而選用何種控制算法，應(yīng)依據(jù)被控制對象的具體要求而定，主要包括控制功能、精度、穩(wěn)定性、可靠性等。定，主要包括控制功能、精度、穩(wěn)定性、可靠性等。（3

10、）微型計算機選擇微型計算機選擇 任何微機控制系統(tǒng)中的微型計算機，無論被控制對象的任何微機控制系統(tǒng)中的微型計算機，無論被控制對象的控制要求如何，對微型計算機都有一定最基本要求?？刂埔笕绾危瑢ξ⑿陀嬎銠C都有一定最基本要求。 1）較完善的適時中斷系統(tǒng)較完善的適時中斷系統(tǒng) 實時控制能力、緊急處理能力。實時控制能力、緊急處理能力。 2）足夠的存儲容量（）足夠的存儲容量（ROM、RAM、EPROM ） 有效地保證微機系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)處理工作的有效地保證微機系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)處理工作的正常運行。正常運行。 3）完善的輸入）完善的輸入/輸出通道輸出通道 邏輯、數(shù)字、模擬通道，以及輸入邏輯、數(shù)字

11、、模擬通道，以及輸入/輸出通道接口數(shù)。輸出通道接口數(shù)。 4）實時時鐘控制實時時鐘控制 作為控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制功能的基準(zhǔn)。作為控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制功能的基準(zhǔn)。 除此之外，還應(yīng)有一些特殊要求除此之外，還應(yīng)有一些特殊要求字長、運行速度、字長、運行速度、指令、成本、編程難易程度、輸入指令、成本、編程難易程度、輸入/ /輸出接口擴展能力等。輸出接口擴展能力等。微型計算機的最終確定：微型計算機的最終確定： 可選用微型計算機主要有三種類型：可選用微型計算機主要有三種類型： 單片機單片機 指主要包括數(shù)字計算機四個基本組成部分指主要包括數(shù)字計算機四個基本組成部分（CPU、EPROM、RAM、I/O）的雙列直插式集成電

12、路。具）的雙列直插式集成電路。具有結(jié)構(gòu)簡單、實用范圍廣，缺點是需用專用的開發(fā)系統(tǒng)對其有結(jié)構(gòu)簡單、實用范圍廣，缺點是需用專用的開發(fā)系統(tǒng)對其軟件和硬件進(jìn)行開發(fā)才能滿足使用要求。軟件和硬件進(jìn)行開發(fā)才能滿足使用要求。 單板機單板機 將單片機、編程器、外部存儲器、專用將單片機、編程器、外部存儲器、專用/通用接通用接口電路等板卡式微型計算機。具有成本低、體積小特點，主口電路等板卡式微型計算機。具有成本低、體積小特點，主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)；缺點是內(nèi)存容量少，接口電路要用于生產(chǎn)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)；缺點是內(nèi)存容量少，接口電路少，采用機器語言編程、程序編寫、調(diào)試較困難。少，采用機器語言編程、程序編寫、調(diào)試較困難

13、。 微型計算機微型計算機 具有豐富的軟件和硬件支持，具有可視化具有豐富的軟件和硬件支持，具有可視化界面的系統(tǒng)軟件、可應(yīng)用高級語言、匯編語言等編寫應(yīng)用程界面的系統(tǒng)軟件、可應(yīng)用高級語言、匯編語言等編寫應(yīng)用程序，程序編寫、調(diào)試方便快捷，有多樣化數(shù)據(jù)信號輸入序，程序編寫、調(diào)試方便快捷，有多樣化數(shù)據(jù)信號輸入/輸出輸出接口（接口（RS232、COM、USB）或插槽（）或插槽（PCI、ISA）；缺點是）；缺點是價格比較昂貴、抗干擾能力較差。價格比較昂貴、抗干擾能力較差。 4.2 控制控制系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)總體設(shè)計 （技術(shù)設(shè)計）要求（技術(shù)設(shè)計）要求 一旦被控制對象的具體要求、微型計算機、控制軟件一旦被控制對象的

14、具體要求、微型計算機、控制軟件平臺確定，便可進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計。平臺確定，便可進(jìn)行控制系統(tǒng)的總體設(shè)計。 主要解決主要解決系統(tǒng)硬件、軟件和操作人員三者之間的匹配，系統(tǒng)硬件、軟件和操作人員三者之間的匹配，數(shù)據(jù)信息和控制信息交換的通訊接口設(shè)計（硬件接口），數(shù)據(jù)信息和控制信息交換的通訊接口設(shè)計（硬件接口），能分時時序控制設(shè)計（應(yīng)用軟件設(shè)計）等方面問題。能分時時序控制設(shè)計（應(yīng)用軟件設(shè)計）等方面問題。（1）控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計的主要內(nèi)容：控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計的主要內(nèi)容： 1）軟件與硬件功能的合理分配與協(xié)調(diào)（主要依據(jù)經(jīng)濟）軟件與硬件功能的合理分配與協(xié)調(diào)（主要依據(jù)經(jīng)濟性、可靠性指標(biāo)進(jìn)行軟件性、可靠性指標(biāo)進(jìn)

15、行軟件/硬件的分配、協(xié)調(diào)與權(quán)衡）。硬件的分配、協(xié)調(diào)與權(quán)衡）。 2）接口設(shè)計（輸入）接口設(shè)計（輸入/輸出信號匹配與協(xié)調(diào)）。輸出信號匹配與協(xié)調(diào)）。 3）通道設(shè)計（信號通訊方式與）通道設(shè)計（信號通訊方式與I/O類型）。類型）。 4）操作控制臺設(shè)計（人機交換方式）。）操作控制臺設(shè)計（人機交換方式）。 5）可靠性設(shè)計（可靠性設(shè)計方案與措施）。）可靠性設(shè)計（可靠性設(shè)計方案與措施）。 （2）軟件設(shè)計軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件：主要有操作系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)、：主要有操作系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)等。在機電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計信息處理系統(tǒng)等。在機電一體化產(chǎn)品的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中

16、、一般不設(shè)計系統(tǒng)軟件，只是合理選用并了解基本的工中、一般不設(shè)計系統(tǒng)軟件，只是合理選用并了解基本的工作原理和熟練使用方法的問題。作原理和熟練使用方法的問題。 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件：是由操作者依據(jù)被控制系統(tǒng)的控制要求和特：是由操作者依據(jù)被控制系統(tǒng)的控制要求和特點，用戶自行編寫完成的。對于操作者或編程員來講，所點，用戶自行編寫完成的。對于操作者或編程員來講，所指的軟件設(shè)計均為應(yīng)用軟件設(shè)計。指的軟件設(shè)計均為應(yīng)用軟件設(shè)計。 除此之外，在應(yīng)用軟件設(shè)計時，還應(yīng)考慮一些基本要求。除此之外，在應(yīng)用軟件設(shè)計時，還應(yīng)考慮一些基本要求。 實時性實時性、針對性針對性、靈活性和通用性等方面的要求。靈活性和通用性等方面的要求。

17、 （3）系統(tǒng)調(diào)試）系統(tǒng)調(diào)試 一旦微機控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，需對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，一旦微機控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，需對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以便達(dá)到設(shè)計要求。調(diào)試步驟包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、以便達(dá)到設(shè)計要求。調(diào)試步驟包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試三大步驟。系統(tǒng)調(diào)試三大步驟。 （3）系統(tǒng)調(diào)試）系統(tǒng)調(diào)試 一旦微機控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，需對整個系一旦微機控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，需對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以便達(dá)到設(shè)計要求。調(diào)試步驟包統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以便達(dá)到設(shè)計要求。調(diào)試步驟包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試三大步驟。括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試三大步驟。第第4.2節(jié)節(jié) 8086/8088微機的硬件結(jié)構(gòu)特點微機的硬件結(jié)構(gòu)特點第

18、第4.3節(jié)節(jié) Z80CPU的結(jié)構(gòu)特點及儲存器、的結(jié)構(gòu)特點及儲存器、輸入輸入/輸出擴展接口輸出擴展接口第第4.4節(jié)節(jié) 單片機的結(jié)構(gòu)特點與最小應(yīng)用單片機的結(jié)構(gòu)特點與最小應(yīng)用第第4.5節(jié)節(jié) 數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路 以上四節(jié)在以上四節(jié)在微型計算機原理與應(yīng)用微型計算機原理與應(yīng)用和和計計算機控制系統(tǒng)算機控制系統(tǒng)課程中，已作為重點加以學(xué)習(xí)過，課程中，已作為重點加以學(xué)習(xí)過，在此不做詳細(xì)講解，請同學(xué)們復(fù)習(xí)以下，如果在在此不做詳細(xì)講解，請同學(xué)們復(fù)習(xí)以下，如果在下面的章節(jié)中設(shè)計到相關(guān)知識要點，再加以說明。下面的章節(jié)中設(shè)計到相關(guān)知識要點，再加以說明。 4.3 可編程邏輯控制器可編程邏輯控

19、制器(PLC) 構(gòu)成及應(yīng)用舉例構(gòu)成及應(yīng)用舉例 （1）PLC的基本工作原理與構(gòu)成的基本工作原理與構(gòu)成 工作原理工作原理：使用可編程存儲器存儲用戶設(shè)計使用可編程存儲器存儲用戶設(shè)計的應(yīng)用程序指令，由指令實現(xiàn)邏輯運算、順序的應(yīng)用程序指令，由指令實現(xiàn)邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)、算術(shù)運算和操作、定時、計數(shù)、算術(shù)運算和I/O接口通訊接口通訊來控制機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）。來控制機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）。 基本構(gòu)成基本構(gòu)成：主要由微處理器（主要由微處理器（CPU）、存儲）、存儲器（器（RAM、ROM、EPROM）、）、I/O接口（數(shù)接口（數(shù)字、模擬）、編程接口、編程器（含顯示）等字、模擬）、編程接口、編程器（

20、含顯示）等組成。組成。 顯示器編程器編程接口存儲器(RAM ROM)( CPU )微處理器I/O接口控制對象（2）PLC的編程特點的編程特點 PLC可編程邏輯控可編程邏輯控制器的設(shè)計者向用戶制器的設(shè)計者向用戶提供簡明、易學(xué)、易提供簡明、易學(xué)、易記的匯編語言，也可記的匯編語言，也可借助于邏輯梯形圖作借助于邏輯梯形圖作為編程的首選編程語為編程的首選編程語言，將一組含義明確、言，將一組含義明確、功能性強、為數(shù)不多功能性強、為數(shù)不多的指令用指令助記符的指令用指令助記符表示的一種直觀易懂表示的一種直觀易懂的編程方法。的編程方法。END（3）PLC的應(yīng)用舉例的應(yīng)用舉例 鉆 頭 快 進(jìn)S 1 動 作 否 ？

21、S 2 動 作 否 ？鉆 頭 慢 進(jìn)S 3 動 作 否 ？鉆 頭 快 退結(jié) 束NYYNYN冷 卻 油控 制 閥 動 作延 時 1 0 s夾 緊 裝 置 動 作啟 動上 到 工 序 結(jié) 束 為 本 工 序 啟 動 信 號夾 緊 控 制 繼 電 器 K 1 吸 合定 時 器 T 1 延 時 1 0 S 后 動 作吸 油 控 制 繼 電 器 K 2 吸 合噴 油 驅(qū) 動 電 磁 閥 Y V 吸 合鉆 頭 是 否 快 接 近 到 工 件判 斷 ：工 進(jìn) 開 始工 進(jìn) 控 制 繼 電 器 K 3 吸 合工 進(jìn) 控 制 接 觸 器 K M 3 吸 合快 進(jìn) 控 制 接 觸 器 K M 2 吸 合夾 緊 控

22、 制 接 觸 器 K M 1 吸 合判 斷 ：孔 深 達(dá) 到 否 ？鉆 削 完 畢 ：快 退 控 制 繼 電 器 K 4 吸 合快 退 控 制 接 觸 器 K M 4 吸 合判 斷 ：鉆 頭 退 到 原 位 否 ？本 工 序 結(jié) 束4.4 微機控制系統(tǒng)輸入微機控制系統(tǒng)輸入/ /輸出的可靠性設(shè)計輸出的可靠性設(shè)計 微機控制系統(tǒng)以及各主要功能元件（部件）的輸入微機控制系統(tǒng)以及各主要功能元件（部件）的輸入/輸出信號控制功能主要由硬件和軟件設(shè)計來保證。輸出信號控制功能主要由硬件和軟件設(shè)計來保證。 在硬件設(shè)計中，如何提高控制系統(tǒng)的工作可靠性，在硬件設(shè)計中，如何提高控制系統(tǒng)的工作可靠性，是微機控制系統(tǒng)設(shè)計的

23、重要環(huán)節(jié)之一。主要包括：是微機控制系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一。主要包括： 1）能可靠地傳遞各類控制信息能可靠地傳遞各類控制信息 有效保證輸入有效保證輸入/ /輸出控制信號轉(zhuǎn)換的運動狀態(tài)。輸出控制信號轉(zhuǎn)換的運動狀態(tài)。 2）能夠進(jìn)行有效的信息轉(zhuǎn)換能夠進(jìn)行有效的信息轉(zhuǎn)換 滿足微機對輸入滿足微機對輸入/ /輸出信息類型的轉(zhuǎn)換要求。如：輸出信息類型的轉(zhuǎn)換要求。如：A/D、D/A轉(zhuǎn)換；平行數(shù)字信號與串行數(shù)字信號的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換；平行數(shù)字信號與串行數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；電平信號的轉(zhuǎn)換與匹配；電量與非電量的轉(zhuǎn)換；換；電平信號的轉(zhuǎn)換與匹配；電量與非電量的轉(zhuǎn)換；強電與弱點轉(zhuǎn)換。強電與弱點轉(zhuǎn)換。 3）具有阻斷干擾信號進(jìn)入微機控制系統(tǒng)

24、的能力具有阻斷干擾信號進(jìn)入微機控制系統(tǒng)的能力 主要采用濾波技術(shù)、光電隔離技術(shù)、屏蔽技術(shù)等。主要采用濾波技術(shù)、光電隔離技術(shù)、屏蔽技術(shù)等。 本節(jié)重點學(xué)習(xí)微機控制系統(tǒng)的輸入本節(jié)重點學(xué)習(xí)微機控制系統(tǒng)的輸入/輸出電輸出電路和信息接口設(shè)計的可靠性方法，即光電隔路和信息接口設(shè)計的可靠性方法，即光電隔離電路設(shè)計、信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。離電路設(shè)計、信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。 4.7.1 光電隔離電路設(shè)計光電隔離電路設(shè)計（1 1）光電隔離電路的基本工作原理與組成光電隔離電路的基本工作原理與組成輸入信號（來自微機）（去執(zhí)行系統(tǒng)）輸出信號去微機來自機械系統(tǒng)GGVc+5vVc+12vVc+5vR1R1R2R274LS04a)b)（

25、2）光電隔離電路的特點）光電隔離電路的特點 光電隔離電路通過光敏轉(zhuǎn)換實現(xiàn)信號的單向光電隔離電路通過光敏轉(zhuǎn)換實現(xiàn)信號的單向傳遞，可有效地阻斷各類干擾信號，實現(xiàn)信號傳遞，可有效地阻斷各類干擾信號，實現(xiàn)信號的電平轉(zhuǎn)換（功率放大）和電平極性轉(zhuǎn)換的電平轉(zhuǎn)換（功率放大）和電平極性轉(zhuǎn)換(+/-)(+/-)。光電隔離時域檢測電路光電隔離時域檢測電路時域響應(yīng)特性時域響應(yīng)特性輸出阻抗輸出阻抗/時間響應(yīng)特性時間響應(yīng)特性光電隔離頻域光電隔離頻域檢測電路檢測電路時域響應(yīng)特性時域響應(yīng)特性輸出阻抗輸出阻抗/頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性（3）光電隔離電路的作用）光電隔離電路的作用 1）可將輸入可將輸入/ /輸出兩部分的供電電源和

26、電路輸出兩部分的供電電源和電路的地線分離。的地線分離。光電耦合輸入、輸出端之間絕緣光電耦合輸入、輸出端之間絕緣電阻很大（電阻很大（10111013），寄生的電容很?。?，寄生的電容很小（0.52pF），因而干擾信號很難從輸入端反），因而干擾信號很難從輸入端反饋到輸出端。饋到輸出端。 2）可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)要求的電平輸出，可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)要求的電平輸出，從而具有初級功率放大作用。從而具有初級功率放大作用。 3）提高對負(fù)載的驅(qū)動能力?？芍苯域?qū)動光控提高對負(fù)載的驅(qū)動能力?？芍苯域?qū)動光控晶閘管工作。晶閘管工作。 如果光電隔離電路與濾波電路、屏蔽電路有如果光電隔離電路與濾波電路、屏蔽電路有效的結(jié)合起

27、來，將會進(jìn)一步提高微機控制系統(tǒng)效的結(jié)合起來，將會進(jìn)一步提高微機控制系統(tǒng)的抗干擾能力。的抗干擾能力。（4）光電耦合隔離電路的應(yīng)用）光電耦合隔離電路的應(yīng)用 光電隔離電路在機電控制系統(tǒng)中的基本配置光電隔離電路在機電控制系統(tǒng)中的基本配置其他I/O接口多通道地址選擇光電耦合光電耦合CPU后向接口光電耦合前向接口光電耦合A/DD/A或執(zhí)行機構(gòu)地址選擇 請同學(xué)們注意：請同學(xué)們注意： 在微機控制系統(tǒng)中，由于可采用的高功能集在微機控制系統(tǒng)中，由于可采用的高功能集成元件端口（輸入成元件端口（輸入/ /輸出接口）的性質(zhì)常有所輸出接口）的性質(zhì)常有所不同，因而所采用或設(shè)計的光電隔離電路也有不同，因而所采用或設(shè)計的光電隔

28、離電路也有所不同。在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)依據(jù)實際情況而定。所不同。在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)依據(jù)實際情況而定。 1）8031芯片匹配的輸入輸出光電隔離接口電路芯片匹配的輸入輸出光電隔離接口電路 Vc+5vGR1R2來自機械系統(tǒng)P38031 特點：特點：P3口作為準(zhǔn)口作為準(zhǔn)雙向接口，當(dāng)雙向接口，當(dāng)P3輸入輸入口被拉成低電平時，口被拉成低電平時，可直接由可直接由TTL或或MOS電路驅(qū)動；當(dāng)外部信電路驅(qū)動；當(dāng)外部信號為低電平時，號為低電平時，P3可可被拉成高電平直接與被拉成高電平直接與光電耦合器連接。光電耦合器連接。 2）8031、8215、8255芯片匹配光電隔離接口電路芯片匹配光電隔離接口電路 特點：當(dāng)接口作為

29、輸入特點：當(dāng)接口作為輸入口時，端口為高阻抗輸入，口時，端口為高阻抗輸入，與與8031的的P1接口與光電耦接口與光電耦合器的輸入連接相同；當(dāng)合器的輸入連接相同；當(dāng)P1和和P3作為輸出接口（準(zhǔn)作為輸出接口（準(zhǔn)雙向接口）時，高電平輸雙向接口）時，高電平輸出時對外泄漏的電流很小出時對外泄漏的電流很?。泓c幾（零點幾mA）；低電平輸）；低電平輸出時對外泄漏的電流很大，出時對外泄漏的電流很大，P1和和P3作為輸出接口。作為輸出接口。Vc+5v（來自微機）輸入信號GR1Vc+12v輸出信號R28255P1821580313）8155、8255芯片匹配光電隔離接口電路芯片匹配光電隔離接口電路 特點：由于特點：

30、由于8155、8255輸出口可釋放輸出口可釋放和吸收的電流較大，和吸收的電流較大，故可直接用高點平故可直接用高點平推動晶體管驅(qū)動光推動晶體管驅(qū)動光電二極管。電二極管。 在在8155、8255上上電復(fù)位（高阻抗?fàn)铍姀?fù)位（高阻抗?fàn)顟B(tài)）時，不使開機態(tài)）時，不使開機輸出額外的信息，輸出額外的信息，將晶體管硬拉成低將晶體管硬拉成低電平。電平。（去執(zhí)行系統(tǒng)）輸出信號Vc+12vVc+5v（來自微機）82558155輸入信號R3GR2R1R4VT4）輸出較大電流驅(qū)動的光電隔離接口輸出電路輸出較大電流驅(qū)動的光電隔離接口輸出電路 特點：特點：采用采用達(dá)林頓型驅(qū)動達(dá)林頓型驅(qū)動電路，可輸出電路，可輸出更大的電流驅(qū)更

31、大的電流驅(qū)動輸出設(shè)備。動輸出設(shè)備。Vc+5vR2（來自微機）82558155輸入信號R1VTR3JGVcVD5）提高普通光電耦合器光耦合速度的光電提高普通光電耦合器光耦合速度的光電隔離接口輸出（響應(yīng)）電路隔離接口輸出（響應(yīng)）電路 特點：特點：可進(jìn)一可進(jìn)一步提高普通光步提高普通光電耦合器光耦電耦合器光耦合速度。合速度。GR0Vc+12VR4R5R2R1VT1VT2R36）V/FV/F轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（LM331LM331）頻率輸出光電隔離）頻率輸出光電隔離接口輸出電路接口輸出電路 特點：特點：可提高在惡劣環(huán)境中前向型通道和電源可提高在惡劣環(huán)境中前向型通道和電源的抗干擾能力。的抗干擾能力。VccVs

32、sG1k1k815580318255T0/T1LM331Vss1kGLOGIO3.3k+Va)b)1LM331T4.4.2 信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計1）弱點）弱點/強電轉(zhuǎn)換電路強電轉(zhuǎn)換電路 來自微機開關(guān)量G功放電路YAG功放電路KDTG功放電路KKMAC電動機G功放電路KAC電動機（2）數(shù)字）數(shù)字/脈沖信號轉(zhuǎn)換脈沖信號轉(zhuǎn)換并行轉(zhuǎn)換為串行并行轉(zhuǎn)換為串行 A相功放電路A相功放電路A相功放電路光電隔離電路I/O 接口微機步進(jìn)電機功放電路速度控制直流伺服電動機速度反饋位置反饋微機D/AA/D第第4.5節(jié)節(jié) 常用檢測傳感器的性能特點、常用檢測傳感器的性能特點、選用與微機接口選用與微機接口 （1）

33、傳感器）傳感器 將將被檢測對象的各種變化物理量轉(zhuǎn)換成被檢測對象的各種變化物理量轉(zhuǎn)換成電信號的一種變換器電信號的一種變換器。（2）傳感器的作用）傳感器的作用 被用于檢測機電一體化系統(tǒng)自身和作業(yè)被用于檢測機電一體化系統(tǒng)自身和作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機電一體化系統(tǒng)動作提供信息。電一體化系統(tǒng)動作提供信息。（3）傳感器的分類）傳感器的分類1）傳感器的作用主要分為：傳感器的作用主要分為：內(nèi)部信息傳感器內(nèi)部信息傳感器和和外部外部信息傳感器。信息傳感器。 內(nèi)部信息傳感器內(nèi)部信息傳感器 檢測機電一體化系統(tǒng)內(nèi)部狀檢測機電一體化系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)。主要包括：檢測位置、速度

34、、力態(tài)。主要包括：檢測位置、速度、力/ /力矩、溫度以力矩、溫度以及異常變化等的傳感器。及異常變化等的傳感器。 外部信息傳感器外部信息傳感器 檢測作業(yè)對象的狀態(tài)和外部檢測作業(yè)對象的狀態(tài)和外部環(huán)境狀態(tài)。主要包括：接觸式和非接觸式傳感器，如：環(huán)境狀態(tài)。主要包括：接觸式和非接觸式傳感器，如：溫度溫度/ /濕度傳感器、氣壓傳感器、電渦流傳感器、無濕度傳感器、氣壓傳感器、電渦流傳感器、無線電接收機、紅外測溫儀，激光測距機等。線電接收機、紅外測溫儀，激光測距機等。2）按輸出信號的性質(zhì)可分為按輸出信號的性質(zhì)可分為：開關(guān)型、模擬型開關(guān)型、模擬型和數(shù)數(shù)字型傳感器（計數(shù)型和代碼型）字型傳感器（計數(shù)型和代碼型）。3

35、）按傳感器的用途分為按傳感器的用途分為：位移、位置、速度、加速位移、位置、速度、加速度、力度、力/ /力矩、溫度、濕度、壓力等傳感器力矩、溫度、濕度、壓力等傳感器。4）按傳感器的用途分為按傳感器的用途分為：電阻式、電感式、電磁式、電阻式、電感式、電磁式、電容式、光電式電容式、光電式。（4）傳感器的基本要求）傳感器的基本要求體積小、重量輕、適應(yīng)性好。體積小、重量輕、適應(yīng)性好。精度和靈敏性高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、精度和靈敏性高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高。信噪比高。安全可靠、壽命長。安全可靠、壽命長。便于與計算機對接。便于與計算機對接。不易受被檢測對象和外部環(huán)境的影響。不易受被檢測對象和外部環(huán)境的影

36、響。環(huán)境適應(yīng)能力強。環(huán)境適應(yīng)能力強。現(xiàn)場安裝處理簡單、操作方便，價格現(xiàn)場安裝處理簡單、操作方便，價格便宜。便宜。 4.5.2 各類傳感器的工作原理、主要各類傳感器的工作原理、主要性能及優(yōu)缺點性能及優(yōu)缺點 各類傳感器的工作原理、主要性能及各類傳感器的工作原理、主要性能及優(yōu)缺點，在優(yōu)缺點，在數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù)、傳感器技傳感器技術(shù)術(shù)、傳感器及其應(yīng)用傳感器及其應(yīng)用等課程已進(jìn)等課程已進(jìn)行了較全面的學(xué)習(xí)，在此不做詳細(xì)的講行了較全面的學(xué)習(xí)，在此不做詳細(xì)的講解。解。注意：掌握好注意：掌握好各類傳感器的工作原理、各類傳感器的工作原理、主要性能及優(yōu)缺點，主要性能及優(yōu)缺點，是正確選用傳感器是正確選用傳感器的重要依據(jù)之

37、一。的重要依據(jù)之一。4.5.3 傳感器的選擇原則及注意事項傳感器的選擇原則及注意事項 （1）傳感器的選用原則）傳感器的選用原則 主要是依據(jù)傳感器的使用要求和被控制主要是依據(jù)傳感器的使用要求和被控制對象的控制精度要求選擇適用的傳感器。對象的控制精度要求選擇適用的傳感器。（2）傳感器選用的注意事項）傳感器選用的注意事項 在確保主要性能參數(shù)和指標(biāo)的條件下，在確保主要性能參數(shù)和指標(biāo)的條件下，適當(dāng)可放寬次要的性能和指標(biāo)要求，以便適當(dāng)可放寬次要的性能和指標(biāo)要求，以便獲得較高的性能價格比。注意：不能盲目獲得較高的性能價格比。注意：不能盲目的追求傳感器各種性能指標(biāo)均高的傳感器的追求傳感器各種性能指標(biāo)均高的傳感

38、器選擇方法或原則。選擇方法或原則。（3）提高傳感器性能的主要技術(shù)措施）提高傳感器性能的主要技術(shù)措施 1）平均技術(shù)）平均技術(shù)縮小檢測誤差縮小檢測誤差 2）差動技術(shù)）差動技術(shù)減少非線性誤差減少非線性誤差 3）穩(wěn)定性處理）穩(wěn)定性處理提高傳感器可靠性提高傳感器可靠性和壽命和壽命 4）屏蔽和隔離）屏蔽和隔離提高抗外界干擾的提高抗外界干擾的能力能力4.5.4 傳感器的測量處理電路傳感器的測量處理電路 由于傳感器檢測到的原始信號比較微弱，需由于傳感器檢測到的原始信號比較微弱，需中間轉(zhuǎn)換處理電路將信號放大成易于檢測或處中間轉(zhuǎn)換處理電路將信號放大成易于檢測或處理的電壓或電流信號，在經(jīng)調(diào)制解調(diào)、理的電壓或電流信號，在經(jīng)調(diào)制解調(diào)、A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換、換、D/AD/A轉(zhuǎn)換等輸出能滿足計算機處理的要求轉(zhuǎn)換等輸出能滿足計算機處理的要求和匹配的檢測信號。和匹配的檢測信號。 注意：傳感器的檢測處理電路通常與所選用注意：傳感器的檢測處理電路通