微型計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、第第14章章微型計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用14.1 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的意義微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的意義14.2 典型微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成典型微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成14.3 微型計(jì)算機(jī)在開環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)在開環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用14.4 以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的閉環(huán)控制系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的閉環(huán)控制系統(tǒng)14.5 微型計(jì)算機(jī)在多對(duì)象檢測(cè)及控制系統(tǒng)中的應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)在多對(duì)象檢測(cè)及控制系統(tǒng)中的應(yīng)用14.6 微型計(jì)算機(jī)在多變量尋優(yōu)系統(tǒng)中的應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)在多變量尋優(yōu)系統(tǒng)中的應(yīng)用43114.7 微型計(jì)算機(jī)在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)在過程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用14.8 單

2、片機(jī)在稱重裝置中的應(yīng)用單片機(jī)在稱重裝置中的應(yīng)用習(xí)題習(xí)題系統(tǒng)中的應(yīng)用由于大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，計(jì)系統(tǒng)中的應(yīng)用由于大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的微型化很快，其性能價(jià)格比也大為提高，因算機(jī)的微型化很快，其性能價(jià)格比也大為提高，因而微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)而微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，已有大量的報(bào)道，從中可知計(jì)算機(jī)的域中的應(yīng)用，已有大量的報(bào)道，從中可知計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。微型計(jì)算應(yīng)用已取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。微型計(jì)算機(jī)不但在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用，在科研設(shè)備中也機(jī)不但在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用，在科研設(shè)備中也有很普遍的應(yīng)用，而

3、且在辦公自動(dòng)化及家庭生活中有很普遍的應(yīng)用，而且在辦公自動(dòng)化及家庭生活中也已逐漸得到推廣和應(yīng)用。也已逐漸得到推廣和應(yīng)用。本章將就微型計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方面本章將就微型計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方面舉些實(shí)例，說明微型計(jì)算機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中處于什么舉些實(shí)例，說明微型計(jì)算機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中處于什么位置，起到什么作用，能在多大程度上代替人的腦位置，起到什么作用，能在多大程度上代替人的腦力和體力勞動(dòng)，使生產(chǎn)過程自動(dòng)化的程度和產(chǎn)品質(zhì)力和體力勞動(dòng)，使生產(chǎn)過程自動(dòng)化的程度和產(chǎn)品質(zhì)量得到什么樣的改善或提高。量得到什么樣的改善或提高。14.1 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的意義微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的意義這里所說的這里所說的“應(yīng)用應(yīng)

4、用” (application) 將區(qū)別于將區(qū)別于“使用使用”(use) 這樣的術(shù)語。所謂計(jì)算機(jī)的這樣的術(shù)語。所謂計(jì)算機(jī)的“使用使用”指的是在計(jì)算機(jī)指的是在計(jì)算機(jī)本身帶有的軟硬件的支持下，按照說明書進(jìn)行操作，本身帶有的軟硬件的支持下，按照說明書進(jìn)行操作，以計(jì)算某些題目。而以計(jì)算某些題目。而“應(yīng)用應(yīng)用”的含義將更為廣泛，它的含義將更為廣泛，它除具有上述的除具有上述的“使用使用”的意義之外，還可以在用戶選的意義之外，還可以在用戶選配的外圍設(shè)備或器件配的外圍設(shè)備或器件 (硬件硬件)的支持下對(duì)機(jī)器、儀表、的支持下對(duì)機(jī)器、儀表、裝置以及整個(gè)過程進(jìn)行檢測(cè)控制。在用戶自編應(yīng)用程裝置以及整個(gè)過程進(jìn)行檢測(cè)控制。

5、在用戶自編應(yīng)用程序的支持下，一方面既可以利用計(jì)算機(jī)來積累資料，序的支持下，一方面既可以利用計(jì)算機(jī)來積累資料，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)以達(dá)到總結(jié)經(jīng)驗(yàn)以達(dá)到“自學(xué)自學(xué)”實(shí)踐中的規(guī)律，從而作為改實(shí)踐中的規(guī)律，從而作為改進(jìn)今后控制方法的依據(jù)。另一方面，更可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)今后控制方法的依據(jù)。另一方面，更可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，隨時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，隨時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，隨時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，隨時(shí)“指導(dǎo)指導(dǎo)”下一步下一步的控制規(guī)律。的控制規(guī)律?？偠灾?，總而言之，“使用使用”是對(duì)計(jì)算機(jī)本身的硬件毫無增減，是對(duì)計(jì)算機(jī)本身的硬件毫無增減，在軟件上也是只在對(duì)計(jì)算機(jī)配備好的軟件略加增減。在軟件上也是只在對(duì)計(jì)算機(jī)配備好的軟件略加增減?！皯?yīng)用應(yīng)用”則既

6、可以是對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件作相當(dāng)大的增加則既可以是對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件作相當(dāng)大的增加(如檢測(cè)通道、執(zhí)行通道及相應(yīng)的接口如檢測(cè)通道、執(zhí)行通道及相應(yīng)的接口)或者是在原有軟或者是在原有軟件件(操作系統(tǒng)，監(jiān)控程序操作系統(tǒng)，監(jiān)控程序)的支持下設(shè)計(jì)出完全滿足用戶的支持下設(shè)計(jì)出完全滿足用戶需要的應(yīng)用軟件。這就是，需要的應(yīng)用軟件。這就是，“應(yīng)用應(yīng)用”必須是有硬件和必須是有硬件和/或軟件的增減，以滿足用戶的需要?；蜍浖脑鰷p，以滿足用戶的需要。微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用一般可分成微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用一般可分成3種類型：種類型：1. 檢測(cè)控制型檢測(cè)控制型這種類型用于對(duì)控制對(duì)象作某些判斷然后再去控制這種類型用于對(duì)控制對(duì)象作某些判斷然后再去控

7、制其執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它不需要作復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的計(jì)算工其執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它不需要作復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的計(jì)算工作，但它必須有檢測(cè)控制對(duì)象的某些現(xiàn)象的傳感器作，但它必須有檢測(cè)控制對(duì)象的某些現(xiàn)象的傳感器件，并且還得將由此而得到的模擬量件，并且還得將由此而得到的模擬量(連續(xù)的電壓連續(xù)的電壓或電流量或電流量)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量(變?yōu)榱炕拿}沖量變?yōu)榱炕拿}沖量)。這就。這就是一般稱為模是一般稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D convertor)。作為一。作為一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如果把計(jì)算機(jī)比作人的個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如果把計(jì)算機(jī)比作人的“頭頭腦腦”(電腦電腦)的話，則傳感器就相當(dāng)于的話，則傳感器就相當(dāng)于“耳目耳目”，執(zhí)

8、，執(zhí)行機(jī)構(gòu)則為行動(dòng)的行機(jī)構(gòu)則為行動(dòng)的“手腳手腳”。而。而A/D轉(zhuǎn)換器是起到轉(zhuǎn)換器是起到使使“耳目耳目”和和“頭腦頭腦”之間的匹配作用，或者說，之間的匹配作用，或者說，起到將現(xiàn)象翻譯成數(shù)字的作用，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)的工起到將現(xiàn)象翻譯成數(shù)字的作用，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)。作特點(diǎn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)如果是開關(guān)式的，則計(jì)算機(jī)只要輸出開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如果是開關(guān)式的，則計(jì)算機(jī)只要輸出開關(guān)量量(如繼電器如繼電器)即可。如執(zhí)行機(jī)構(gòu)是連續(xù)式的，則計(jì)即可。如執(zhí)行機(jī)構(gòu)是連續(xù)式的，則計(jì)算機(jī)要經(jīng)過數(shù)算機(jī)要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器(D/A convertor)才能產(chǎn)生才能產(chǎn)生連續(xù)控制量連續(xù)控制量(如電壓或電流量如電壓或電流量)。這里要指出的是

9、：這里要指出的是：A/D和和D/A轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)控制系轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的必備的重要器件。其他的統(tǒng)的必備的重要器件。其他的“手腳手腳”和和“耳目耳目”之類的器件都是一般控制檢測(cè)裝置上通用的，只要之類的器件都是一般控制檢測(cè)裝置上通用的，只要作適當(dāng)?shù)倪x配，即可以使用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。作適當(dāng)?shù)倪x配，即可以使用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。2. 數(shù)據(jù)處理型數(shù)據(jù)處理型這是指輸入數(shù)據(jù)量比較多這是指輸入數(shù)據(jù)量比較多(數(shù)十，數(shù)百，甚至成千上萬的數(shù)十，數(shù)百，甚至成千上萬的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))，而且需要經(jīng)過一定規(guī)律進(jìn)行分類、排列，而且需要經(jīng)過一定規(guī)律進(jìn)行分類、排列(列表列表)、折算折算(如線性化如線性化)、換算、換算(如求均值、方

10、差等如求均值、方差等)，然后送入，然后送入有關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行繁雜運(yùn)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種類有關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行繁雜運(yùn)算的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種類型為了取得人機(jī)對(duì)話的方便，必須設(shè)有電視屏顯示器型為了取得人機(jī)對(duì)話的方便，必須設(shè)有電視屏顯示器(或稱陰極射線管或稱陰極射線管 CRT)和完整的鍵盤輸入器和完整的鍵盤輸入器(要有數(shù)字要有數(shù)字鍵及文字鍵鍵及文字鍵)。為了便于多處使用而?？稍鲈O(shè)若干個(gè)帶。為了便于多處使用而?？稍鲈O(shè)若干個(gè)帶有電傳打字機(jī)的終端機(jī)。有電傳打字機(jī)的終端機(jī)。這類系統(tǒng)，多為鍵盤輸入數(shù)據(jù)，而在顯示器上顯示結(jié)果，這類系統(tǒng)，多為鍵盤輸入數(shù)據(jù)，而在顯示器上顯示結(jié)果，這就是所謂離線處理。如果數(shù)據(jù)直接由各個(gè)數(shù)據(jù)

11、輸入這就是所謂離線處理。如果數(shù)據(jù)直接由各個(gè)數(shù)據(jù)輸入端隨時(shí)輸入，然后機(jī)器連續(xù)運(yùn)算，并隨時(shí)或定時(shí)給出端隨時(shí)輸入，然后機(jī)器連續(xù)運(yùn)算，并隨時(shí)或定時(shí)給出計(jì)算結(jié)果，則稱為在線處理。當(dāng)然后者在系統(tǒng)形成上計(jì)算結(jié)果，則稱為在線處理。當(dāng)然后者在系統(tǒng)形成上要比前者復(fù)雜得多。要比前者復(fù)雜得多。3. 混合型混合型即以上二者的復(fù)合型式。一方面既有很多數(shù)據(jù)輸入，即以上二者的復(fù)合型式。一方面既有很多數(shù)據(jù)輸入，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，另一方面又要根據(jù)處理的結(jié)果并進(jìn)行相應(yīng)的處理，另一方面又要根據(jù)處理的結(jié)果去控制相應(yīng)的裝置，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)期目的。去控制相應(yīng)的裝置，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)期目的。下面幾節(jié)將介紹幾個(gè)具體的例子，以使初學(xué)者有一

12、下面幾節(jié)將介紹幾個(gè)具體的例子，以使初學(xué)者有一個(gè)較完整的計(jì)算機(jī)應(yīng)用概貌。但是，我們不打算按個(gè)較完整的計(jì)算機(jī)應(yīng)用概貌。但是，我們不打算按上述三個(gè)類型分別舉例，因?yàn)檫@種分類法也不是典上述三個(gè)類型分別舉例，因?yàn)檫@種分類法也不是典型的。況且，一個(gè)系統(tǒng)的存在是有其實(shí)際需要而存型的。況且，一個(gè)系統(tǒng)的存在是有其實(shí)際需要而存在的，有時(shí)不一定可以列入任何一類中去。在的，有時(shí)不一定可以列入任何一類中去。14.2 典型微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成典型微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成以微型計(jì)算機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)，如圖以微型計(jì)算機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)，如圖14.1所示。圖中間是微處理器所示。圖中間是微處理器 (CPU)，以及組成

13、內(nèi)，以及組成內(nèi)存的存的 ROM和和RAM，這是微型計(jì)算機(jī)的主要內(nèi)，這是微型計(jì)算機(jī)的主要內(nèi)部設(shè)備。左邊為計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備，其中包括部設(shè)備。左邊為計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備，其中包括打印機(jī)打印機(jī)(PR)、顯示屏、顯示屏(CRT)、鍵盤、鍵盤(KB)以及外以及外存儲(chǔ)磁帶存儲(chǔ)磁帶(CS)或軟盤硬盤。它們各自都得通過或軟盤硬盤。它們各自都得通過相應(yīng)的接口才能與計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線相連。右相應(yīng)的接口才能與計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線相連。右邊被控制的對(duì)象，總稱為用戶。它們只有邊被控制的對(duì)象，總稱為用戶。它們只有4種種形式。形式。圖圖14.1(1) 模擬量：模擬量： 如電流、電壓，它們來自某些量測(cè)裝置如電流、電壓，它們來自某些量測(cè)裝

14、置的傳感器，模擬量就是連續(xù)的量。的傳感器，模擬量就是連續(xù)的量。(2) 數(shù)字量：數(shù)字量： 如數(shù)字式電壓表或某些傳感器所產(chǎn)生的如數(shù)字式電壓表或某些傳感器所產(chǎn)生的數(shù)字量。數(shù)字量。(3) 開關(guān)量：開關(guān)量： 如行程開關(guān)或限位接點(diǎn)接通時(shí)產(chǎn)生的突如行程開關(guān)或限位接點(diǎn)接通時(shí)產(chǎn)生的突變電壓。變電壓。(4) 脈沖量：脈沖量： 如脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖系列如脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖系列(一般為電一般為電壓脈沖壓脈沖)。圖圖14.1右邊的右邊的8路通道中，上面路通道中，上面4路是輸入通道，下面路是輸入通道，下面4路是輸出通道。輸入通道配有路是輸出通道。輸入通道配有4種傳感器，就是模擬種傳感器，就是模擬量傳感器、數(shù)字量傳感器

15、、開關(guān)量傳感器和脈沖量量傳感器、數(shù)字量傳感器、開關(guān)量傳感器和脈沖量傳感器。輸出通道則可以產(chǎn)生相應(yīng)的控制量：模擬傳感器。輸出通道則可以產(chǎn)生相應(yīng)的控制量：模擬量輸出、數(shù)字量輸出、開關(guān)量輸出和脈沖量輸出。量輸出、數(shù)字量輸出、開關(guān)量輸出和脈沖量輸出。圖圖14.1是把各種輸入是把各種輸入/輸出的可能性都集中在一起，輸出的可能性都集中在一起，因而看起來比較復(fù)雜。這種情況是會(huì)產(chǎn)生的，但不因而看起來比較復(fù)雜。這種情況是會(huì)產(chǎn)生的，但不會(huì)是經(jīng)常遇得到的。常見的倒是這樣：右邊只有一會(huì)是經(jīng)常遇得到的。常見的倒是這樣：右邊只有一個(gè)模擬量輸入和一個(gè)開關(guān)量輸出，左邊則有一個(gè)鍵個(gè)模擬量輸入和一個(gè)開關(guān)量輸出，左邊則有一個(gè)鍵盤盤

16、(作為程序及數(shù)據(jù)輸入作為程序及數(shù)據(jù)輸入)，一個(gè)顯示器，一個(gè)顯示器(監(jiān)視過程監(jiān)視過程)以及一個(gè)打印機(jī)以及一個(gè)打印機(jī)(用以收集數(shù)據(jù)和控制的結(jié)果用以收集數(shù)據(jù)和控制的結(jié)果)。以。以一個(gè)單板計(jì)算機(jī)為例，左邊這幾種外部設(shè)備都可以一個(gè)單板計(jì)算機(jī)為例，左邊這幾種外部設(shè)備都可以裝到和計(jì)算機(jī)內(nèi)部設(shè)備在一起的一塊板上。圖裝到和計(jì)算機(jī)內(nèi)部設(shè)備在一起的一塊板上。圖14.2就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)的示意圖。就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)的示意圖。圖圖14.2市場(chǎng)上出售的單板計(jì)算機(jī)大都將十六進(jìn)制鍵盤市場(chǎng)上出售的單板計(jì)算機(jī)大都將十六進(jìn)制鍵盤(KB)、發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)顯示器、針打式微型打印機(jī)顯示器、針打式微型打印機(jī)(PR)和輸

17、入和輸入/輸出輸出(I/O)接口器件裝在一起。這樣在設(shè)計(jì)接口器件裝在一起。這樣在設(shè)計(jì)應(yīng)用上就十分方便，設(shè)計(jì)者只需挑選合適的應(yīng)用上就十分方便，設(shè)計(jì)者只需挑選合適的A/D變變換器即可。換器即可。圖圖14.1和圖和圖14.2兩圖中都有接口電路出現(xiàn)，而且在圖兩圖中都有接口電路出現(xiàn)，而且在圖14.1中每個(gè)外圍設(shè)備和每個(gè)外部設(shè)備都要用到接口中每個(gè)外圍設(shè)備和每個(gè)外部設(shè)備都要用到接口電路。對(duì)于外部設(shè)備來說，每種設(shè)備都有專用的接電路。對(duì)于外部設(shè)備來說，每種設(shè)備都有專用的接口電路。對(duì)于外圍設(shè)備來說，因用戶對(duì)象較多樣化，口電路。對(duì)于外圍設(shè)備來說，因用戶對(duì)象較多樣化，所以常用一些通用的接口器件。在單板計(jì)算機(jī)上，所以常

18、用一些通用的接口器件。在單板計(jì)算機(jī)上，鍵盤、顯示器和打印機(jī)都比較簡(jiǎn)單，用法較固定，鍵盤、顯示器和打印機(jī)都比較簡(jiǎn)單，用法較固定，所以它們和內(nèi)部總線的連接不用外加接口裝置，而所以它們和內(nèi)部總線的連接不用外加接口裝置，而在板上的印刷電路上加以解決。因此顯得簡(jiǎn)單緊湊。在板上的印刷電路上加以解決。因此顯得簡(jiǎn)單緊湊。單板計(jì)算機(jī)上一般都帶有適于外圍通道用的輸入單板計(jì)算機(jī)上一般都帶有適于外圍通道用的輸入/輸輸出接口，接口技術(shù)也是搞計(jì)算機(jī)應(yīng)用者的一個(gè)重要出接口，接口技術(shù)也是搞計(jì)算機(jī)應(yīng)用者的一個(gè)重要課題。一般講計(jì)算機(jī)應(yīng)用的書都會(huì)有這方面的章節(jié)。課題。一般講計(jì)算機(jī)應(yīng)用的書都會(huì)有這方面的章節(jié)。本書限于篇幅，就不多加介

19、紹了，下面具體系統(tǒng)中本書限于篇幅，就不多加介紹了，下面具體系統(tǒng)中遇到具體接口時(shí)再略加說明。遇到具體接口時(shí)再略加說明。14.3 微型計(jì)算機(jī)在開環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)在開環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用一般程序控制一般程序控制(或順序控制或順序控制)是控制裝置發(fā)出一系列控是控制裝置發(fā)出一系列控制命令，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)服從其控制而作出相應(yīng)的操制命令，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)服從其控制而作出相應(yīng)的操作。但是執(zhí)行的效果如何，不返回去與控制命令作。但是執(zhí)行的效果如何，不返回去與控制命令相核對(duì)。這就是只有前饋的信息而無反饋的信息，相核對(duì)。這就是只有前饋的信息而無反饋的信息，不能形成一個(gè)閉環(huán)信息系統(tǒng)，故稱為開環(huán)系統(tǒng)。不能形成一個(gè)閉環(huán)信息

20、系統(tǒng)，故稱為開環(huán)系統(tǒng)。在開環(huán)系統(tǒng)中采用微型計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以用軟件在開環(huán)系統(tǒng)中采用微型計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以用軟件方法來改變控制程序。即一旦硬件針對(duì)一臺(tái)機(jī)器方法來改變控制程序。即一旦硬件針對(duì)一臺(tái)機(jī)器設(shè)計(jì)好了以后，若要改變工作的程序，只要重編設(shè)計(jì)好了以后，若要改變工作的程序，只要重編控制程序，一般也只需改編控制程序中的若干條控制程序，一般也只需改編控制程序中的若干條指令即可。指令即可。下面就以交通管理為例簡(jiǎn)要介紹一下開環(huán)控制系統(tǒng)下面就以交通管理為例簡(jiǎn)要介紹一下開環(huán)控制系統(tǒng)的微機(jī)控制方法。這里說的交通管理是指十字路的微機(jī)控制方法。這里說的交通管理是指十字路口的交通燈控制，這種燈光控制的要求可歸結(jié)為：口

21、的交通燈控制，這種燈光控制的要求可歸結(jié)為：(1) 縱向縱向(A向向)與橫向與橫向(B向向)的交通燈定時(shí)的交通燈定時(shí)60秒交換紅秒交換紅綠色一次。綠色一次。(2) 燈光有燈光有3種顏色：紅、黃、綠種顏色：紅、黃、綠(圖圖14.3中的中的R，O，G)。每次交換時(shí)要求在黃色燈停留。每次交換時(shí)要求在黃色燈停留3秒鐘。秒鐘。(3) 一路在一路在60秒內(nèi)過車完后超過秒內(nèi)過車完后超過6秒，無車?yán)^續(xù)過時(shí)，秒，無車?yán)^續(xù)過時(shí)，如另一路有車在等待，則自動(dòng)提前交換燈色。交換如另一路有車在等待，則自動(dòng)提前交換燈色。交換過程也得先在黃燈處停留過程也得先在黃燈處停留3秒。秒。(4) 在緊急車輛在緊急車輛(如消防車、救護(hù)車等

22、如消防車、救護(hù)車等)通過時(shí)，四邊通過時(shí)，四邊街口均顯紅燈，以便只許緊急車輛通過。其他車輛街口均顯紅燈，以便只許緊急車輛通過。其他車輛暫停行駛。緊急車輛過后自動(dòng)恢復(fù)原來的燈色標(biāo)志。暫停行駛。緊急車輛過后自動(dòng)恢復(fù)原來的燈色標(biāo)志。還可以提出更多的要求。不過，上述還可以提出更多的要求。不過，上述4點(diǎn)基本要求已點(diǎn)基本要求已足以說明交通燈控制問題對(duì)計(jì)算機(jī)提出的方式是什足以說明交通燈控制問題對(duì)計(jì)算機(jī)提出的方式是什么。這種控制方式具有如下的特點(diǎn)：么。這種控制方式具有如下的特點(diǎn)：(1) 這是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，即無反饋的程序控制。這是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，即無反饋的程序控制。(2) 開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出。圖開關(guān)量輸

23、入和開關(guān)量輸出。圖14.3中的車輛檢測(cè)中的車輛檢測(cè)傳感器傳感器(A1，A2及及B1，B2)是光電開關(guān)式的，所以送是光電開關(guān)式的，所以送入計(jì)算機(jī)的信息是開關(guān)量。計(jì)算機(jī)控制交通燈的通入計(jì)算機(jī)的信息是開關(guān)量。計(jì)算機(jī)控制交通燈的通斷是通過繼電器的，所以也是開關(guān)量輸出。斷是通過繼電器的，所以也是開關(guān)量輸出。圖圖14.3(3) 有中斷響應(yīng)功能。即一路的車輛能夠申請(qǐng)另一路有中斷響應(yīng)功能。即一路的車輛能夠申請(qǐng)另一路中斷其綠燈而讓其通行。不過這是有條件的，即必中斷其綠燈而讓其通行。不過這是有條件的，即必須是被請(qǐng)求的一路已有須是被請(qǐng)求的一路已有6秒鐘無車通過，才會(huì)響應(yīng)。秒鐘無車通過，才會(huì)響應(yīng)。(4) 有非屏蔽中斷

24、響應(yīng)功能。當(dāng)圖有非屏蔽中斷響應(yīng)功能。當(dāng)圖14.3中的緊急車輛中的緊急車輛檢測(cè)傳感器檢測(cè)傳感器(J)檢測(cè)到有緊急車輛要通過時(shí)，立即檢測(cè)到有緊急車輛要通過時(shí)，立即發(fā)出緊急中斷信號(hào)發(fā)出緊急中斷信號(hào)(也是開關(guān)量也是開關(guān)量)。這種中斷請(qǐng)求不。這種中斷請(qǐng)求不必等到被請(qǐng)求的一路已無車通過，而是無條件地停必等到被請(qǐng)求的一路已無車通過，而是無條件地停止其車輛通過。這就叫做非屏蔽中斷。這是最高優(yōu)止其車輛通過。這就叫做非屏蔽中斷。這是最高優(yōu)先級(jí)的中斷形式。先級(jí)的中斷形式。圖圖14.4是這種系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)示意圖。其是這種系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)示意圖。其中各部分的內(nèi)容及功能分述如下：中各部分的內(nèi)容及功能分述

25、如下：圖圖14.4微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)這是和圖這是和圖14.2相似的單板計(jì)算機(jī)，它相似的單板計(jì)算機(jī)，它具有下列最基本的組件：具有下列最基本的組件：CPU微處理器。是執(zhí)行程序，接受輸入信號(hào)并微處理器。是執(zhí)行程序，接受輸入信號(hào)并發(fā)出控制信號(hào)的指揮中心。發(fā)出控制信號(hào)的指揮中心。ROM只讀存儲(chǔ)器。其中存放著協(xié)調(diào)整個(gè)單板機(jī)只讀存儲(chǔ)器。其中存放著協(xié)調(diào)整個(gè)單板機(jī)內(nèi)各個(gè)組件之間的運(yùn)行的監(jiān)控程序內(nèi)各個(gè)組件之間的運(yùn)行的監(jiān)控程序它是由計(jì)算它是由計(jì)算機(jī)廠編制的。機(jī)廠編制的。RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器。其中的程序是由用戶編制的，隨機(jī)存儲(chǔ)器。其中的程序是由用戶編制的，故稱為用戶程序。這個(gè)程序是根據(jù)交通燈控制的需故稱為用戶程序。這個(gè)

26、程序是根據(jù)交通燈控制的需要而由設(shè)計(jì)者要而由設(shè)計(jì)者(用戶用戶)制定的。制定的。LED發(fā)光二極管顯示器。在編制程序時(shí)，此顯發(fā)光二極管顯示器。在編制程序時(shí)，此顯示器可幫助程序員觀察到存儲(chǔ)器中所存的內(nèi)容是否示器可幫助程序員觀察到存儲(chǔ)器中所存的內(nèi)容是否符合所編程序的要求，也可顯示控制過程。符合所編程序的要求，也可顯示控制過程。KB十六進(jìn)制鍵盤。用以輸入用戶程序到十六進(jìn)制鍵盤。用以輸入用戶程序到RAM中中去，也可用以修改程序。去，也可用以修改程序。PIO并行輸入并行輸入/輸出接口。這種接口一般有兩個(gè)輸出接口。這種接口一般有兩個(gè)口子，稱為口子，稱為PA口及口及PB口，每個(gè)口子有口，每個(gè)口子有8個(gè)并行引出個(gè)并

27、行引出線作為輸入和輸出端線。線作為輸入和輸出端線。PA口引出線的編號(hào)為口引出線的編號(hào)為PA0，PA1，PA2，PA3，PA4，PA5，PA6，PA7。PB口引出線的編號(hào)為口引出線的編號(hào)為PB0，PB1，PB2，PB3，PB4，PB5，PB6，PB7。PA和和PB可以分別指定為輸入或輸出，可以分別指定為輸入或輸出，PA和和PB的各的各條引出線也可以分別指定為輸入或輸出。條引出線也可以分別指定為輸入或輸出。因此，這種因此，這種PIO稱為可編程序的。稱為可編程序的。REL為繼電器板。其中有為繼電器板。其中有6個(gè)繼電器以提高個(gè)繼電器以提高PA的的6條輸出線的功率，以便去控制條輸出線的功率，以便去控制A

28、向及向及B向的交通燈。向的交通燈。RA，OA，GA為為A向兩個(gè)街口的交通燈，紅、黃、綠向兩個(gè)街口的交通燈，紅、黃、綠3色各有兩個(gè)燈。色各有兩個(gè)燈。RB，OB，GB為為B向兩個(gè)街口的交通燈，也是向兩個(gè)街口的交通燈，也是3色各有色各有兩個(gè)燈。兩個(gè)燈。GB為門電路板。其中裝有兩個(gè)或門，這實(shí)際上為門電路板。其中裝有兩個(gè)或門，這實(shí)際上是一個(gè)門電路組件。其各個(gè)與門的輸入輸出關(guān)系為：是一個(gè)門電路組件。其各個(gè)與門的輸入輸出關(guān)系為：A1+A2AB1+B2BA1及及A2為放在為放在A向兩個(gè)街口的檢測(cè)器，只要其中一個(gè)向兩個(gè)街口的檢測(cè)器，只要其中一個(gè)為為1(有車要通過有車要通過)，則，則A1，即通知計(jì)算機(jī)，即通知計(jì)算

29、機(jī)A向有車向有車要求通過。要求通過。B1與與B2是放在是放在B向兩個(gè)街口的檢測(cè)器，其作用和上述向兩個(gè)街口的檢測(cè)器，其作用和上述是相同的。是相同的。由圖由圖14.4可見，可見，PA口的口的PA0，PA1，PA2，PA3，PA4及及PA5是作為輸出的，而是作為輸出的，而PA6及及PA7是作為輸入的。是作為輸入的。J是是4個(gè)緊急車輛檢測(cè)器的公共入口。即個(gè)緊急車輛檢測(cè)器的公共入口。即4個(gè)控制個(gè)控制器的輸出端并聯(lián)一起，接至此處。器的輸出端并聯(lián)一起，接至此處。NM1為為CPU的的一個(gè)非屏蔽中斷輸入端，低電位一個(gè)非屏蔽中斷輸入端，低電位(即在即在J0時(shí)時(shí))有效有效(表示有緊急車輛要通過表示有緊急車輛要通過)

30、。通過。通過NM1端而將此信息端而將此信息送入送入CPU，從而使，從而使RAM中正在進(jìn)行的程序中斷，中正在進(jìn)行的程序中斷，而跳轉(zhuǎn)至讓緊急車輛通過的中斷服務(wù)子程序。當(dāng)車而跳轉(zhuǎn)至讓緊急車輛通過的中斷服務(wù)子程序。當(dāng)車輛過后，輛過后，J恢復(fù)為恢復(fù)為1，則經(jīng)由，則經(jīng)由PB7的輸入線而使程序的輸入線而使程序恢復(fù)到原來的主程序上去。恢復(fù)到原來的主程序上去。這個(gè)系統(tǒng)的工作過程是：這個(gè)系統(tǒng)的工作過程是：開始時(shí)設(shè)開始時(shí)設(shè)A向通行向通行(GA即即A向的綠燈亮向的綠燈亮)，B向不通向不通(RB即即B向的紅燈亮向的紅燈亮)。這樣通行。這樣通行60秒后自動(dòng)轉(zhuǎn)為秒后自動(dòng)轉(zhuǎn)為B向通向通行行(GB綠燈亮綠燈亮)A向不通向不通(

31、RA紅燈亮紅燈亮)。這是兩個(gè)方向。這是兩個(gè)方向都很頻繁通車的情況。都很頻繁通車的情況。如在如在GA(綠燈綠燈)及及RB(紅燈紅燈)亮?xí)r，亮?xí)r，A向并未有車輛通行，向并未有車輛通行，等待等待6秒之后，如秒之后，如B向有車輛在等待通過，則通過向有車輛在等待通過，則通過B1或或B2而使程序跳轉(zhuǎn)，其結(jié)果是使燈光自動(dòng)按次序而使程序跳轉(zhuǎn)，其結(jié)果是使燈光自動(dòng)按次序改變：改變：GA及及RB滅；滅；OA及及OB亮亮(3秒秒)；RA及及GB亮，同時(shí)亮，同時(shí)OA及及OB滅。滅。從此時(shí)起從此時(shí)起B(yǎng)向車輛可以通行，向車輛可以通行，60秒鐘后又自動(dòng)轉(zhuǎn)為秒鐘后又自動(dòng)轉(zhuǎn)為A向車輛通行的程序。如無論哪個(gè)方向正在通行時(shí)，向車輛通

32、行的程序。如無論哪個(gè)方向正在通行時(shí)，突然來了緊急車輛，不論其方向是否與正在通行的突然來了緊急車輛，不論其方向是否與正在通行的方向相同，則通過方向相同，則通過J(J0)至使程序跳轉(zhuǎn)至讓緊急至使程序跳轉(zhuǎn)至讓緊急車輛通行的子程序而使車輛通行的子程序而使RA及及RB都亮，此時(shí)沒有黃都亮，此時(shí)沒有黃燈過渡時(shí)期，以便禁止一般車輛繼續(xù)通行。此時(shí)子燈過渡時(shí)期，以便禁止一般車輛繼續(xù)通行。此時(shí)子程序所達(dá)到的燈光控制效果為：如本來程序所達(dá)到的燈光控制效果為：如本來GA是亮的，是亮的，則則GA由亮轉(zhuǎn)滅，然后由亮轉(zhuǎn)滅，然后RA亮。而原來就是亮紅燈亮。而原來就是亮紅燈(RB)的的B向，其紅燈向，其紅燈RB仍不變。在仍不變

33、。在A向和向和B向的紅燈全向的紅燈全亮?xí)r，緊急車輛可以不受交通燈的管制而可隨意通亮?xí)r，緊急車輛可以不受交通燈的管制而可隨意通行。這個(gè)系統(tǒng)的主程序及子程序的設(shè)計(jì)因所行。這個(gè)系統(tǒng)的主程序及子程序的設(shè)計(jì)因所用的計(jì)算機(jī)的型號(hào)而不同。作為一般介紹，這里用的計(jì)算機(jī)的型號(hào)而不同。作為一般介紹，這里只介紹其控制流程圖。只介紹其控制流程圖。根據(jù)上述的控制過程的燈色配置，可以將燈色狀態(tài)根據(jù)上述的控制過程的燈色配置，可以將燈色狀態(tài)歸納成歸納成4個(gè)模式個(gè)模式(PAD)。根據(jù)上面討論的交通規(guī)則要求，可設(shè)計(jì)出如圖根據(jù)上面討論的交通規(guī)則要求，可設(shè)計(jì)出如圖14.5的的流程圖流程圖(即方框圖即方框圖)。略作解釋如下：。略作解釋

34、如下：圖圖14.5程序開始后，即對(duì)程序開始后，即對(duì)A向向(縱向縱向)進(jìn)行測(cè)試，如進(jìn)行測(cè)試，如A1為真，為真，即即A向有車要求通過，則程序轉(zhuǎn)至向有車要求通過，則程序轉(zhuǎn)至CHK1端而直接端而直接輸出燈色模式輸出燈色模式ZA。否則輸出燈色模式。否則輸出燈色模式ZB(CHK2端端)。如如A向及向及B向均無車時(shí)，則對(duì)向均無車時(shí)，則對(duì)CHK0及及CHK2進(jìn)行循環(huán)進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，同時(shí)維持原來的某一輸出狀態(tài)不變。在循環(huán)測(cè)試，同時(shí)維持原來的某一輸出狀態(tài)不變。在循環(huán)測(cè)試過程中，測(cè)試某一方向有車，如測(cè)試過程中，測(cè)試某一方向有車，如A向有車，向有車，A1是真，其控制流程為圖中的左半部，則控制過是真，其控制流程為圖中的左

35、半部，則控制過程如下：先檢查該程如下：先檢查該A向原來是否已處于放行狀態(tài)向原來是否已處于放行狀態(tài)(PADZA?)。如。如PADZA則在則在A向轉(zhuǎn)為綠燈之前，向轉(zhuǎn)為綠燈之前，必須經(jīng)黃燈的過渡。所以要用必須經(jīng)黃燈的過渡。所以要用ZC子程序和子程序和3秒子程秒子程序，然后調(diào)用序，然后調(diào)用ZA子程序。如果子程序。如果PADZA，則說明，則說明該該A向已處于放行狀態(tài)，不需經(jīng)過向已處于放行狀態(tài)，不需經(jīng)過ZC這個(gè)子程序，這個(gè)子程序，而直接由而直接由CHK1處進(jìn)入輸出處進(jìn)入輸出ZA的方框的方框(即即PADZA，而，而且已經(jīng)是且已經(jīng)是)并等到并等到60秒子程序進(jìn)行完畢后再去進(jìn)行循環(huán)秒子程序進(jìn)行完畢后再去進(jìn)行循環(huán)

36、檢查。當(dāng)檢出檢查。當(dāng)檢出B1為真，即為真，即B向有車時(shí)，其控制流程向有車時(shí)，其控制流程為圖為圖14.5中的右半部，其過程和左半部完全一樣。中的右半部，其過程和左半部完全一樣。在圖在圖14.5中的中的60秒子程序方框旁的箭頭附注秒子程序方框旁的箭頭附注A0(或或B0)的意義是：在的意義是：在A向無車時(shí)，就轉(zhuǎn)入進(jìn)行循環(huán)測(cè)試。為此，向無車時(shí)，就轉(zhuǎn)入進(jìn)行循環(huán)測(cè)試。為此，必須每隔若干秒必須每隔若干秒(一般為零點(diǎn)幾秒一般為零點(diǎn)幾秒)測(cè)試一次測(cè)試一次A或或B是否是否為為0。如。如A向向(或或B向向)始終有車，則始終有車，則PADZA(或或PADZB)，要延續(xù)至滿，要延續(xù)至滿60秒再轉(zhuǎn)入循環(huán)測(cè)試程序。秒再轉(zhuǎn)入

37、循環(huán)測(cè)試程序。當(dāng)有緊急車輛通過時(shí)，當(dāng)有緊急車輛通過時(shí)，NM1線有效，則計(jì)算機(jī)進(jìn)入緊急線有效，則計(jì)算機(jī)進(jìn)入緊急車輛程序，此程序一開始就將圖車輛程序，此程序一開始就將圖14.5復(fù)位至初始狀態(tài)，復(fù)位至初始狀態(tài)，等緊急車輛過完之后，才又從等緊急車輛過完之后，才又從“開始開始”方框進(jìn)入控制方框進(jìn)入控制流程。流程。14.4 以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的閉環(huán)控制系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的閉環(huán)控制系統(tǒng)圖圖14.6是這種系統(tǒng)的一個(gè)最簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)方式。是這種系統(tǒng)的一個(gè)最簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)方式。圖圖14.6我們知道，一個(gè)需要溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的對(duì)象我們知道，一個(gè)需要溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的對(duì)象(如保溫箱、如保溫箱、冶煉電爐、恒溫室、人工氣候箱，如圖冶煉電

38、爐、恒溫室、人工氣候箱，如圖14.6所示所示)的的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以用圖自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以用圖14.7的方框圖來表示。這也的方框圖來表示。這也是一般反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)的一種形式。它的主要特是一般反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)的一種形式。它的主要特征就是有反饋通道溝通了系統(tǒng)輸入和輸出的關(guān)系。征就是有反饋通道溝通了系統(tǒng)輸入和輸出的關(guān)系。圖圖14.7中的輸出為溫度中的輸出為溫度T。經(jīng)過檢測(cè)傳感器它就。經(jīng)過檢測(cè)傳感器它就變成了電壓變成了電壓eO而反饋回去與給定電壓而反饋回去與給定電壓eI(即輸入即輸入)進(jìn)進(jìn)行比較。它們之間的差值行比較。它們之間的差值e經(jīng)放大后去控制執(zhí)行元經(jīng)放大后去控制執(zhí)行元件，從而改變載熱介質(zhì)件，從而改

39、變載熱介質(zhì)(水或氣或電流水或氣或電流)的流量而去的流量而去調(diào)節(jié)對(duì)象的溫度，使得調(diào)節(jié)對(duì)象的溫度，使得eO非常接近于給定值非常接近于給定值eI。亦。亦即輸出量溫度即輸出量溫度T隨時(shí)得到調(diào)節(jié)而非常接近于給定隨時(shí)得到調(diào)節(jié)而非常接近于給定的溫度值。的溫度值。圖圖14.7為了更具體一些，我們可以認(rèn)為執(zhí)行元件是一個(gè)電為了更具體一些，我們可以認(rèn)為執(zhí)行元件是一個(gè)電動(dòng)閥門動(dòng)閥門D。放大裝置是晶體管放大器及兩個(gè)繼電器。放大裝置是晶體管放大器及兩個(gè)繼電器K開及開及K關(guān)。它們可以使電動(dòng)閥門關(guān)。它們可以使電動(dòng)閥門D開大或關(guān)小。開大或關(guān)小。檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置WT如果是鉑電阻溫度傳感器，比較環(huán)節(jié)如果是鉑電阻溫度傳感器，比較環(huán)節(jié)

40、則為一個(gè)電橋測(cè)量電路。它可以將傳感器來的電信則為一個(gè)電橋測(cè)量電路。它可以將傳感器來的電信號(hào)號(hào)eO與給定電信號(hào)與給定電信號(hào)eI相比較后變成誤差信號(hào)相比較后變成誤差信號(hào)eO經(jīng)經(jīng)過這樣具體化后，我們可將圖過這樣具體化后，我們可將圖14.7和圖和圖14.6相比較，相比較，發(fā)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)MC(micro computer)在系統(tǒng)中相當(dāng)在系統(tǒng)中相當(dāng)于一個(gè)比較環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在我們就來分析一下微型計(jì)算于一個(gè)比較環(huán)節(jié)。現(xiàn)在我們就來分析一下微型計(jì)算機(jī)在此系統(tǒng)中的作用和控制動(dòng)作的過程。機(jī)在此系統(tǒng)中的作用和控制動(dòng)作的過程。由于溫度傳感器的輸出電信號(hào)是模擬量，即連續(xù)變由于溫度傳感器的輸出電信號(hào)是模擬量，即連續(xù)變

41、化的電阻。此電阻量必須經(jīng)過電橋及放大器而轉(zhuǎn)變化的電阻。此電阻量必須經(jīng)過電橋及放大器而轉(zhuǎn)變?yōu)樵跒樵?5V范圍內(nèi)變化的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過范圍內(nèi)變化的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過A/D變換器變換器(模模/數(shù)變換器數(shù)變換器)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠認(rèn)識(shí)的數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能夠認(rèn)識(shí)的數(shù)字信號(hào)。這里字信號(hào)。這里A/D的電壓輸入為的電壓輸入為05V，而數(shù)字輸，而數(shù)字輸出為二進(jìn)制出為二進(jìn)制8位。即位。即0V相當(dāng)于相當(dāng)于000000005V相當(dāng)于相當(dāng)于11111111可見最右邊的位可見最右邊的位(Least Significant Bit，縮寫為，縮寫為LSB)的的1相當(dāng)于相當(dāng)于1/2555V的電壓，即一個(gè)的電壓，即一個(gè)LSB約相當(dāng)

42、于約相當(dāng)于4mV。如溫度傳感器測(cè)定范圍為。如溫度傳感器測(cè)定范圍為050時(shí)，放時(shí)，放大器大器F的輸出為的輸出為05V，則一個(gè)，則一個(gè)LSB的變化相當(dāng)于的變化相當(dāng)于50/2551/5即約為即約為0.2。A/D變換器輸出的變換器輸出的8條線連接至輸入條線連接至輸入/輸出接口電路輸出接口電路I/O。這里用的是這里用的是PIO，即并行輸入輸出芯片。它有兩個(gè)，即并行輸入輸出芯片。它有兩個(gè)口子，每個(gè)口子有口子，每個(gè)口子有8位。位。A/D來的來的8條線正好條線正好接至接至I/O的的PA口的口的PA7，PA6，PA5，PA4，PA3，PA2，PA1及及PA0的引出端。因此的引出端。因此PA口就是輸入，這口就是輸

43、入，這可由用戶程序來指定。可由用戶程序來指定。I/O的另一個(gè)口子的另一個(gè)口子PB也有也有8條引出線，這里只用其兩條：條引出線，這里只用其兩條：PB7和和PB6。PB7引至引至K關(guān)關(guān)(包括其前面的驅(qū)動(dòng)放大器包括其前面的驅(qū)動(dòng)放大器)，PB6則引至則引至K開。開。這就是說，口子這就是說，口子PB是作為輸出使用的，這也可以是作為輸出使用的，這也可以由用戶程序來指定。由用戶程序來指定。現(xiàn)在可以來看看這個(gè)系統(tǒng)的控制過程了。現(xiàn)在可以來看看這個(gè)系統(tǒng)的控制過程了。第一步：第一步： 將系統(tǒng)要求控制的過程，按照計(jì)算機(jī)運(yùn)行將系統(tǒng)要求控制的過程，按照計(jì)算機(jī)運(yùn)行的基本動(dòng)作寫成程序，這個(gè)程序就是用戶程序。這的基本動(dòng)作寫成程

44、序，這個(gè)程序就是用戶程序。這個(gè)系統(tǒng)要求的控制過程可以歸納成下面幾點(diǎn)：個(gè)系統(tǒng)要求的控制過程可以歸納成下面幾點(diǎn)：(1) 初始化：規(guī)定口子初始化：規(guī)定口子PA為輸入，口子為輸入，口子PB為輸出。為輸出。(2) 給定溫度值，給定溫度值，TI，折算成數(shù)字量輸入至，折算成數(shù)字量輸入至RAM的的數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)。(3) 要求誤差要求誤差T，也要折算成數(shù)字量輸入至，也要折算成數(shù)字量輸入至RAM的數(shù)據(jù)區(qū)。的數(shù)據(jù)區(qū)。(4) 當(dāng)對(duì)象溫度當(dāng)對(duì)象溫度TTIT時(shí)，命令時(shí)，命令K關(guān)動(dòng)作；關(guān)動(dòng)作；即即PB71，PB60。即電動(dòng)閥關(guān)小。即電動(dòng)閥關(guān)小。(5) 當(dāng)對(duì)象溫度當(dāng)對(duì)象溫度TTI-T時(shí)，命令時(shí)，命令K開動(dòng)作，開動(dòng)作，即即PB

45、70，PB61。即電動(dòng)閥開大。即電動(dòng)閥開大。(6) 當(dāng)當(dāng)TI-TTTI+T時(shí)，時(shí)，BP70，PB60，即電動(dòng)閥不動(dòng)。，即電動(dòng)閥不動(dòng)。將這些要求先寫成匯編程序?qū)⑦@些要求先寫成匯編程序(用助記符用助記符)。并根據(jù)匯編。并根據(jù)匯編語言設(shè)計(jì)手冊(cè)用機(jī)器語言將此匯編程序翻譯成目的語言設(shè)計(jì)手冊(cè)用機(jī)器語言將此匯編程序翻譯成目的程序程序(即用機(jī)器碼寫成的程序即用機(jī)器碼寫成的程序)。第二步：將目的程序通過鍵盤第二步：將目的程序通過鍵盤KB輸入到輸入到RAM中去。中去。第三步：第三步： 由由LEG顯示器檢查每一條指令是否正確。顯示器檢查每一條指令是否正確。第四步：第四步： 由由A/D轉(zhuǎn)換器輸入端送入一個(gè)檢驗(yàn)電壓，轉(zhuǎn)

46、換器輸入端送入一個(gè)檢驗(yàn)電壓，模擬模擬WT及及F在給定的溫度附近應(yīng)輸出的電壓值。在給定的溫度附近應(yīng)輸出的電壓值。觀察觀察PB7及及PB6是否置位和置零符合上述的要求。是否置位和置零符合上述的要求。觀察觀察PB7和和PB6的值也可通過的值也可通過LED來顯示，因此時(shí)來顯示，因此時(shí)PB7及及PB6還未接至外電路去，以免產(chǎn)生誤動(dòng)作。還未接至外電路去，以免產(chǎn)生誤動(dòng)作。當(dāng)這些步驟都能正確通行時(shí)，稱為程序已經(jīng)當(dāng)這些步驟都能正確通行時(shí)，稱為程序已經(jīng)“通通過過”。否則要加以修改，直至通過為止。最后，將。否則要加以修改，直至通過為止。最后，將WT和和A/D及及MC接通，接通，K開，開，K關(guān)與關(guān)與D接通，系統(tǒng)接通，

47、系統(tǒng)就可以運(yùn)行了。此系統(tǒng)的運(yùn)行過程和圖就可以運(yùn)行了。此系統(tǒng)的運(yùn)行過程和圖14.7所示的所示的一般閉環(huán)控制系統(tǒng)是完全一樣的。這就是說一般閉環(huán)控制系統(tǒng)是完全一樣的。這就是說MC加加上上A/D在此系統(tǒng)中只相當(dāng)于一個(gè)比較環(huán)節(jié)的作用，在此系統(tǒng)中只相當(dāng)于一個(gè)比較環(huán)節(jié)的作用，這顯然這顯然是大材小用而似乎是毫無必要了。當(dāng)然，如果用戶的是大材小用而似乎是毫無必要了。當(dāng)然，如果用戶的要求僅此而已，是沒有必要用牛刀來殺雞的。不過，要求僅此而已，是沒有必要用牛刀來殺雞的。不過，我們是想通過這個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)來說明微型計(jì)算機(jī)如何在我們是想通過這個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)來說明微型計(jì)算機(jī)如何在系統(tǒng)中起到判斷的作用。系統(tǒng)中起到判斷的作用。即使這

48、樣一個(gè)系統(tǒng)，除了完成上述的閉環(huán)控制功能之外，即使這樣一個(gè)系統(tǒng)，除了完成上述的閉環(huán)控制功能之外，還有如下潛力：還有如下潛力：(1) 可以實(shí)行溫度的程序控制，或稱為變溫管理?？梢跃幙梢詫?shí)行溫度的程序控制，或稱為變溫管理?？梢跃幰粋€(gè)一天一個(gè)一天24小時(shí)內(nèi)溫度的變化過程，存放在小時(shí)內(nèi)溫度的變化過程，存放在RAM中，中，這樣，控制對(duì)象將會(huì)自動(dòng)接受變溫。這樣，控制對(duì)象將會(huì)自動(dòng)接受變溫。(2) 可以編一個(gè)與誤差信號(hào)可以編一個(gè)與誤差信號(hào)e成比例成比例+積分積分+微分的程序輸微分的程序輸入入RAM中，則可形成一個(gè)中，則可形成一個(gè)PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)。(3) 可以編一個(gè)報(bào)警程序，當(dāng)溫度超過可以編一個(gè)報(bào)警程序，

49、當(dāng)溫度超過40和低于和低于5時(shí)，時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)然，此時(shí)還得增加一點(diǎn)報(bào)警信號(hào)器，如進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)然，此時(shí)還得增加一點(diǎn)報(bào)警信號(hào)器，如燈光、蜂鳴器等。燈光、蜂鳴器等。由此可見，應(yīng)用計(jì)算機(jī)于控制方面，其靈活性和潛由此可見，應(yīng)用計(jì)算機(jī)于控制方面，其靈活性和潛力是很大的。下一節(jié)就是在這一節(jié)的例子基礎(chǔ)上擴(kuò)力是很大的。下一節(jié)就是在這一節(jié)的例子基礎(chǔ)上擴(kuò)大功能的一個(gè)例子。大功能的一個(gè)例子。14.5 微型計(jì)算機(jī)在多對(duì)象檢測(cè)及控制系統(tǒng)中的微型計(jì)算機(jī)在多對(duì)象檢測(cè)及控制系統(tǒng)中的應(yīng)用應(yīng)用圖圖14.8是有是有n個(gè)對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。個(gè)對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。P1至至Pn為為n個(gè)人工氣候室個(gè)人工氣候室(或其他的保溫裝置或其他的保溫

50、裝置)。每個(gè)對(duì)象。每個(gè)對(duì)象的檢測(cè)器的檢測(cè)器(WT1至至WTn)也是用鉑電阻溫度傳感也是用鉑電阻溫度傳感器，其輸出和圖器，其輸出和圖14.6一樣也經(jīng)過電橋及放大器一樣也經(jīng)過電橋及放大器(F1Fn)。各個(gè)對(duì)象也各有一個(gè)電動(dòng)閥。各個(gè)對(duì)象也各有一個(gè)電動(dòng)閥(D1Dn)以控制載熱介質(zhì)的輸入量。另外，則只用一臺(tái)以控制載熱介質(zhì)的輸入量。另外，則只用一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)和一個(gè)微型計(jì)算機(jī)和一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。和圖轉(zhuǎn)換器。和圖14.6不同不同的是，這里多了一個(gè)多路開關(guān)的是，這里多了一個(gè)多路開關(guān)M，一個(gè)邏輯電，一個(gè)邏輯電路路LC和一臺(tái)微型打印機(jī)和一臺(tái)微型打印機(jī)PR。圖圖14.8多路開關(guān)多路開關(guān)M可以定時(shí)循環(huán)接通幾個(gè)檢測(cè)器可以

51、定時(shí)循環(huán)接通幾個(gè)檢測(cè)器(WT1至至WTn)，輪流將，輪流將n個(gè)模擬量送至個(gè)模擬量送至A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量后送入計(jì)算機(jī)量后送入計(jì)算機(jī)MC。每接通一個(gè)。每接通一個(gè)WT即有即有8條并行條并行線將線將8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)的位二進(jìn)制數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)的PA口的口的8條引線。條引線。此數(shù)據(jù)到達(dá)此數(shù)據(jù)到達(dá)PA口之后計(jì)算機(jī)即按照上節(jié)關(guān)于圖口之后計(jì)算機(jī)即按照上節(jié)關(guān)于圖14.6系統(tǒng)的控制過程進(jìn)行判斷，然后將結(jié)果送至系統(tǒng)的控制過程進(jìn)行判斷，然后將結(jié)果送至PB7及及PB6。PB7及及PB6的數(shù)據(jù)是用以控制電動(dòng)閥的正反轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)是用以控制電動(dòng)閥的正反轉(zhuǎn)的，但是，現(xiàn)在有幾個(gè)電動(dòng)閥的，但是，現(xiàn)在有幾個(gè)電動(dòng)閥(

52、D1Dn)，究竟應(yīng)去，究竟應(yīng)去控制哪一個(gè)呢控制哪一個(gè)呢?當(dāng)然應(yīng)該控制送來檢測(cè)信號(hào)的那個(gè)當(dāng)然應(yīng)該控制送來檢測(cè)信號(hào)的那個(gè)對(duì)象的電動(dòng)閥。邏輯電路對(duì)象的電動(dòng)閥。邏輯電路LC就是用以達(dá)到這個(gè)目就是用以達(dá)到這個(gè)目的的。為了使的的。為了使WT與與D能一一對(duì)應(yīng)而不致混亂，能一一對(duì)應(yīng)而不致混亂，MC還要送一個(gè)同步信號(hào)還要送一個(gè)同步信號(hào)SYN給多路開關(guān)給多路開關(guān)M及邏輯電路及邏輯電路LC。有了有了M和和LC以及以及SYN，每個(gè)對(duì)象就能在一個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)對(duì)象就能在一個(gè)周期內(nèi)(比如一分鐘比如一分鐘)輪流被檢測(cè)一次和接受控制一次。這輪流被檢測(cè)一次和接受控制一次。這就叫做分時(shí)控制。對(duì)于每個(gè)對(duì)象來說，其電動(dòng)閥是就叫做分時(shí)控

53、制。對(duì)于每個(gè)對(duì)象來說，其電動(dòng)閥是在被檢測(cè)的瞬間接受控制的。這樣，如對(duì)象較多，在被檢測(cè)的瞬間接受控制的。這樣，如對(duì)象較多，循環(huán)周期較短，則控制電動(dòng)閥開或關(guān)的時(shí)間太短，循環(huán)周期較短，則控制電動(dòng)閥開或關(guān)的時(shí)間太短，以致不起作用。這時(shí)可在邏輯電路以致不起作用。這時(shí)可在邏輯電路LC中加一延時(shí)中加一延時(shí)電路，使得每次電動(dòng)閥開或閉的時(shí)間保持一段時(shí)間電路，使得每次電動(dòng)閥開或閉的時(shí)間保持一段時(shí)間(如如5秒秒)，這樣就可以得到滿意的控制作用。，這樣就可以得到滿意的控制作用。為要得到各次檢測(cè)的溫度值，可以將每個(gè)對(duì)象的溫為要得到各次檢測(cè)的溫度值，可以將每個(gè)對(duì)象的溫度存于度存于RAM的一定的存儲(chǔ)單元中。在每次循環(huán)，的一

54、定的存儲(chǔ)單元中。在每次循環(huán)，或若干次循環(huán)后，可定時(shí)由打印機(jī)打出來，這就是或若干次循環(huán)后，可定時(shí)由打印機(jī)打出來，這就是巡回檢測(cè)。巡回檢測(cè)。由此可見，這個(gè)系統(tǒng)可以達(dá)到：由此可見，這個(gè)系統(tǒng)可以達(dá)到： 巡回控制；巡回控制； 巡巡回檢測(cè)；回檢測(cè)； 溫度程序控制溫度程序控制(即變溫管理即變溫管理)； 閉環(huán)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)；自動(dòng)調(diào)節(jié)； 自動(dòng)報(bào)警自動(dòng)報(bào)警(需另加報(bào)警器件需另加報(bào)警器件)。所有這些功能，都是由于計(jì)算機(jī)的可編程序而實(shí)現(xiàn)所有這些功能，都是由于計(jì)算機(jī)的可編程序而實(shí)現(xiàn)的。這就是為什么計(jì)算機(jī)控制能夠有很大的適應(yīng)性的。這就是為什么計(jì)算機(jī)控制能夠有很大的適應(yīng)性的原因。的原因。14.6 微型計(jì)算機(jī)在多變量尋優(yōu)系統(tǒng)中

55、的應(yīng)微型計(jì)算機(jī)在多變量尋優(yōu)系統(tǒng)中的應(yīng)用用在一個(gè)多變量在一個(gè)多變量x1，x2，x3的系統(tǒng)中，各個(gè)變量可以在其的系統(tǒng)中，各個(gè)變量可以在其受限制的范圍內(nèi)受到控制。當(dāng)這些變量改變時(shí)，系統(tǒng)受限制的范圍內(nèi)受到控制。當(dāng)這些變量改變時(shí)，系統(tǒng)中的某一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)中的某一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)y也將隨之而變。即也將隨之而變。即y=f(x1，x2，x3)我們希望能控制我們希望能控制x1，x2，x3的大小，使的大小，使y為其最為其最優(yōu)值優(yōu)值(最大或最小最大或最小)。這樣的問題稱為多變量尋優(yōu)的問題。這樣的問題稱為多變量尋優(yōu)的問題。這種問題在工農(nóng)業(yè)的科研和生產(chǎn)實(shí)踐中常會(huì)遇到。舉這種問題在工農(nóng)業(yè)的科研和生產(chǎn)實(shí)踐中常會(huì)遇到。舉一個(gè)具體例子

56、，也許有助于讀者的理解。一個(gè)具體例子，也許有助于讀者的理解。在一個(gè)人工氣候箱中培養(yǎng)植物，我們想考察一下光照強(qiáng)在一個(gè)人工氣候箱中培養(yǎng)植物，我們想考察一下光照強(qiáng)度度(L)、溫度、溫度(T)、濕度、濕度(H)以及空氣中二氧化碳含量濃以及空氣中二氧化碳含量濃度度(CO2)對(duì)植物光合作用的影響。光合作用的明顯現(xiàn)象對(duì)植物光合作用的影響。光合作用的明顯現(xiàn)象為植物對(duì)二氧化碳吸收為植物對(duì)二氧化碳吸收(或稱攝取或稱攝取)的的程度。如果我們以植物對(duì)二氧化碳攝取的快慢程度。如果我們以植物對(duì)二氧化碳攝取的快慢(y)作為作為光合作用的指標(biāo)，則可得一個(gè)多變量系統(tǒng)的關(guān)系式：光合作用的指標(biāo)，則可得一個(gè)多變量系統(tǒng)的關(guān)系式：yfL

57、，T，H，(CO2)問題就變成：如何控制問題就變成：如何控制L，T，H和和CO2以得：以得：y=Max這個(gè)問題的解決，還將涉及最優(yōu)化理論的問題。這里不這個(gè)問題的解決，還將涉及最優(yōu)化理論的問題。這里不便在理論方面多加闡述，只是在如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)試驗(yàn)過便在理論方面多加闡述，只是在如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)試驗(yàn)過程中應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)的問題作一點(diǎn)介紹。也就是說，程中應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)的問題作一點(diǎn)介紹。也就是說，這里只介紹這樣的系統(tǒng)在硬件上應(yīng)包括哪些主要器件。這里只介紹這樣的系統(tǒng)在硬件上應(yīng)包括哪些主要器件。至于尋優(yōu)過程的控制則是軟件設(shè)計(jì)的問題了。至于尋優(yōu)過程的控制則是軟件設(shè)計(jì)的問題了。圖圖14.9就是根據(jù)上述的具體實(shí)例而作的相

58、應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)圖。就是根據(jù)上述的具體實(shí)例而作的相應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)圖。其中各方框所代表的意義如所標(biāo)出的符號(hào)，已在上面其中各方框所代表的意義如所標(biāo)出的符號(hào)，已在上面各個(gè)圖中提到了。這里補(bǔ)充一些上面未有過的符號(hào)的各個(gè)圖中提到了。這里補(bǔ)充一些上面未有過的符號(hào)的意義。意義。圖圖14.9CB控制電器板，其中包括繼電器及其驅(qū)動(dòng)放大控制電器板，其中包括繼電器及其驅(qū)動(dòng)放大器。器。X1X4是是4個(gè)傳感器，它們都是根據(jù)被檢測(cè)的變個(gè)傳感器，它們都是根據(jù)被檢測(cè)的變量而選用的。如它們測(cè)定的變量為光照，則為光照量而選用的。如它們測(cè)定的變量為光照，則為光照度傳感器，為溫度則為溫度傳感器，為濕度則為濕度傳感器，為溫度則為溫度傳感器，為濕

59、度則為濕度傳感器等。度傳感器等。Y為質(zhì)量指標(biāo)變送器，如此指標(biāo)為二氧化碳攝取為質(zhì)量指標(biāo)變送器，如此指標(biāo)為二氧化碳攝取量，則此變送器將把植物攝取二氧化碳的快慢變成量，則此變送器將把植物攝取二氧化碳的快慢變成電量輸出。電量輸出。D1D4也是執(zhí)行元件，這里可以是電動(dòng)閥，也也是執(zhí)行元件，這里可以是電動(dòng)閥，也可以是別的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？梢允莿e的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程是根據(jù)用戶程序來進(jìn)行的。這這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程是根據(jù)用戶程序來進(jìn)行的。這個(gè)程序應(yīng)該編得能滿足下述各點(diǎn)要求：個(gè)程序應(yīng)該編得能滿足下述各點(diǎn)要求：(1) 各個(gè)被測(cè)變量能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)于某一恒值，以便各個(gè)被測(cè)變量能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)于某一恒值，以便Y在一在一定時(shí)間內(nèi)

60、接受這些參數(shù)的影響。這就是說，在某一段定時(shí)間內(nèi)接受這些參數(shù)的影響。這就是說，在某一段時(shí)間內(nèi)，要求溫度、濕度、光照度等為一定值時(shí)，則時(shí)間內(nèi)，要求溫度、濕度、光照度等為一定值時(shí)，則系統(tǒng)處于這幾個(gè)變量的循環(huán)控制狀況，以保證它們自系統(tǒng)處于這幾個(gè)變量的循環(huán)控制狀況，以保證它們自動(dòng)穩(wěn)定于該給定值。動(dòng)穩(wěn)定于該給定值。(2) 在循環(huán)控制在循環(huán)控制X1X4的過程中，指標(biāo)的過程中，指標(biāo)Y的值也在循環(huán)檢的值也在循環(huán)檢測(cè)而被存入存儲(chǔ)器的一個(gè)指定的單元中。測(cè)而被存入存儲(chǔ)器的一個(gè)指定的單元中。(3) 當(dāng)當(dāng)Y值趨于穩(wěn)定值趨于穩(wěn)定(即不上升或下降即不上升或下降)后，保存此后，保存此Y值，記值，記作作Y先，以備下次比較之用。先