《機(jī)電一體化技術(shù)》課件-第六章 計算機(jī)控制技術(shù)

第6章計算機(jī)控制技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)6.1概述6.1概述21、計算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)給定計算機(jī)輸出電路D/A轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象輸出+輸入電路A/D轉(zhuǎn)換反饋測量-6.1概述3計算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可分為三個步驟（1）實時采集數(shù)據(jù)。該步對系統(tǒng)輸出（被控對象）的瞬時值進(jìn)行檢測，并輸入計算機(jī)中進(jìn)行處理（2）實時決策。該步對實時給定的值與被控參數(shù)的數(shù)據(jù)按已定的控制規(guī)律，進(jìn)行運(yùn)算和推理，決定控制過程（3）實時控制。該步根據(jù)決策實時地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令1、計算機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)上述過程中，信號的輸入、運(yùn)算和輸出都在一定的時間（采樣間隙）內(nèi)完成。通過不斷地執(zhí)行上述過程，使整個系統(tǒng)能按照一定的靜態(tài)和動態(tài)指標(biāo)工作。42、計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成6.1概述計算機(jī)控制系統(tǒng)軟件硬件運(yùn)算器控制器儲存器輸入設(shè)備外部組成設(shè)備輸出設(shè)備5（1）硬件組成1）主機(jī)2）輸入/輸出通道（接口）3）外圍設(shè)備4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器2、計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成6.1概述串行通信操作臺（鍵盤）（顯示器）打印機(jī)計算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出傳感器及變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)受控對象硬件由計算機(jī)主機(jī)、接口及外部設(shè)備組成，受控對象的被測參數(shù)經(jīng)過傳感器、變換器換成同意的標(biāo)準(zhǔn)信號，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)接口送入計算機(jī)。6（1）軟件組成1）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指用來管理計算機(jī)本身的資源和便于用戶使用計算機(jī)的軟件。2）應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的具體控制問題二編制的控制和管理程序，如數(shù)據(jù)采集和濾波程序、控制程序、人機(jī)接口程序，打印顯示程序等。其中，控制程序是應(yīng)用軟件程序的核心。2、計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成6.1概述軟件是指用于完成操作、監(jiān)控、控制、管理、計算和自我診斷等各個功能的程序的總稱。一般將計算機(jī)控制軟件分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件兩大類。6.1概述7（1）接口功能的完備及可擴(kuò)展性3、計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求為滿足不同信號形式，計算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)配置不同的輸入輸出接口電路。（2）實時控制功能和高精度計算機(jī)應(yīng)具備完整的中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘及高速數(shù)據(jù)通道。（3）較強(qiáng)可靠性、適應(yīng)性和抗干擾能力計算機(jī)必須具有非常高的可靠性和電磁兼容性，此外控制計算機(jī)還應(yīng)對惡劣作業(yè)環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。6.1概述8（1）按控制裝置分類4、計算機(jī)控制系統(tǒng)的分類比較項目系統(tǒng)類型單片機(jī)控制系統(tǒng)基于PC的控制系統(tǒng)基于PLC的控制系統(tǒng)普通PC系統(tǒng)工業(yè)PC系統(tǒng)中小型PLC系統(tǒng)大型PLC系統(tǒng)系統(tǒng)組成自行開發(fā)按要求配置各個功能接口板卡整機(jī)已系統(tǒng)化，外設(shè)需另行設(shè)置按要求選擇主機(jī)和擴(kuò)展單元系統(tǒng)功能簡單的處理功能和控制功能數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大具備完整的控制功能邏輯控制為主復(fù)雜多點(diǎn)控制程序語言匯編語言為主，也可使用高級語言匯編語言和高級語言高級語言為主梯形圖支持多種高級語言人機(jī)界面較差好很好一般好執(zhí)行速度快很快很快一般很快抗干擾能力較差一般好很好很好環(huán)境適應(yīng)性較差差一般很好很好應(yīng)用場合智能儀表/簡單控制實驗室環(huán)境的信號采集和控制較大規(guī)模工業(yè)現(xiàn)場控制一般規(guī)模工業(yè)現(xiàn)場控制大規(guī)模工業(yè)現(xiàn)場控制開發(fā)周期較長一般一般短短成本低較高高中很高6.1概述9（2）按控制計算機(jī)應(yīng)用方式分類1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(DPS)計算機(jī)操作指導(dǎo)參數(shù)數(shù)據(jù)測量值人調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器多路開關(guān)傳感器生產(chǎn)過程6.1概述102）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC)計算機(jī)顯示打印執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器控制臺傳感器生產(chǎn)過程D/A轉(zhuǎn)換器報警測量值控制量6.1概述113）監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC)計算機(jī)模擬調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器多路開關(guān)測量元件受控對象多路D/A轉(zhuǎn)換器6.1概述124）分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)(DCS)裝置控制級裝置控制級受控對象企業(yè)經(jīng)營管理級工廠生產(chǎn)管理級車間控制管理級車間控制管理級…6.2MCS-51系列單片機(jī)13單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型：普林斯頓結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)1、MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS-51系列單片機(jī)按存儲器配置形式可分為三種類型：①無ROM型：片內(nèi)沒有配置程序存儲器，需外接EPROM②ROM型：片內(nèi)程序存儲器為ROM③EPROM型：片內(nèi)程序存儲器為EPROM6.2MCS-51系列單片機(jī)141、MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS-51系列單片機(jī)包括中央處理器（CPU）、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、定時器/計數(shù)器、64位總線擴(kuò)展控制接口、可編程I/O接口、可編程全雙工串行接口和中斷系統(tǒng)8051CPU程序存儲程序存儲程序存儲定時器/計數(shù)器中斷系統(tǒng)可編程I/O接口可編程全雙工串行接口64位總線擴(kuò)展控制接口P0P1P2P3T0T1外部時鐘源TXDRXDINT0INT16.2MCS-51系列單片機(jī)152、MCS-51單片機(jī)引腳名稱及功能（1）電源及時鐘電路引腳VCC（40腳）：電源引腳GND(20腳)：接地引腳XYAL1（19腳）：時鐘信號輸入腳XTAL2（18腳）：時鐘信號輸出腳（2）輸入/輸出引腳MCS-51有4組8位I/O口：P0\P1\P2\P3引腳P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7第二功能串行輸入口（RXD）串行輸出口（TXD）外部中斷0（INT0)外部中斷1（INT1)定時/計數(shù)器0的外部輸入口（T0）定時/計數(shù)器1的外部輸入口（T1）外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通（WR）外部存儲器讀選通(RD)6.2MCS-51系列單片機(jī)16

6.2MCS-51系列單片機(jī)173、MCS-51單片機(jī)存儲器結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)物理上設(shè)有4個存儲器空間：片內(nèi)程序存儲器片外程序存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器。由于片內(nèi)、片外程序存儲器采用統(tǒng)一尋址方式，故實際上有3個邏輯空間：

片內(nèi)、片外統(tǒng)一尋址的64KB程序存儲器地址空間

片內(nèi)256B數(shù)據(jù)存儲器地址空間

片外64KB數(shù)據(jù)存儲器地址空間6.2MCS-51系列單片機(jī)183、MCS-51單片機(jī)存儲器結(jié)構(gòu)

000H0003H000BH0013H001BH0023H002BH復(fù)位后PC初始地址外部中斷0的入口地址定時器0溢出中斷入口地址外部中斷1的入口地址定時器1溢出中斷入口地址串行口中斷入口地址定時器2溢出中斷入口地址（8052）特有6.2MCS-51系列單片機(jī)193、MCS-51單片機(jī)存儲器結(jié)構(gòu)（2）數(shù)據(jù)存儲器地址空間

數(shù)據(jù)存儲器主要用于存放運(yùn)算中間結(jié)果、數(shù)據(jù)緩沖、標(biāo)志位及待調(diào)試的程序。分為片內(nèi)256B的RAM和片外最大可擴(kuò)充64KB的RAM兩部分。1）00H-7FH單元：低128B的片區(qū)RAM區(qū)。00H-1FH共32個單元通常作為工作寄存區(qū)，共分4個組，每組由8個單元組成通用寄存器（R0-R7）。特殊功能寄存器SFR數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可位尋地址區(qū)3區(qū)(R0-R7)2區(qū)(R0-R7)1區(qū)(R0-R7)0區(qū)(R0-R7)字節(jié)尋址/位只可字節(jié)尋址全部可位尋址4組通用寄存器R0-R7，其中R0、R1可位尋址00H-1FH

6.2MCS-51系列單片機(jī)202）高128B的RAM：特殊功能寄存器。符號地址含義Acc0E0H累加器B0F0H寄存器BPSW0D0H程序狀態(tài)寄存器SP81H堆棧指針DPTR82H,83H數(shù)據(jù)指針寄存器，16位，分為高8位（DPH）和低8位（DPL)IE0A8H中斷允許控制寄存器IP0B8H中斷優(yōu)先級控制寄存器P080HI/O端口0寄存器P190HI/O端口1寄存器P20A0HI/O端口2寄存器P30B0HI/O端口3寄存器PCON87H電源控制與波特率選擇寄存器SCON98H串口通信控制寄存器SBUF99H串口數(shù)據(jù)緩沖寄存器TCON88H定時器/計數(shù)器控制寄存器TMOD89H定時器/計數(shù)器工作模式控制寄存器TL08AH定時器/計數(shù)器0低8位TH08CH定時器/計數(shù)器0高8位TL18BH定時器/計數(shù)器1低8位TH18DH定時器/計數(shù)器1高8位6.2MCS-51系列單片機(jī)214、MCS-51單片機(jī)編程基礎(chǔ)（1）程序設(shè)計語言MCS-51系列單片機(jī)的程序設(shè)計語言主要有3種：機(jī)器語言、匯編語言和高級語言（C51）

機(jī)器語言：完全面向機(jī)器并能被單片機(jī)直接識別和執(zhí)行的語言。

匯編語言：一種符號化語言，采用英文字符替代二進(jìn)制代碼，本質(zhì)同機(jī)器語言一樣，也是面向機(jī)器，必須翻譯成二進(jìn)制機(jī)器語言后才能送給機(jī)器執(zhí)行。

高級語言：以C語言為例，它易于讀寫和掌握，針對性較強(qiáng)，表達(dá)方式靈活，編寫程序方便快捷，移植性好，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計。和匯編語言一樣，必須翻譯成二進(jìn)制機(jī)器語言后才能送給機(jī)器執(zhí)行6.2MCS-51系列單片機(jī)221）C51語言程序設(shè)計

從結(jié)構(gòu)上分為：順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)

①順序結(jié)構(gòu)

例：將片內(nèi)RAM的30H單元存放一個0-9之間的數(shù)，用查表法獲得該數(shù)的平方值并放入31H單元中voidmain(){chardatax,*p;charcodetab[10]={0,1,4,9,16,25,36,49,64,81};//平方數(shù)存放在片內(nèi)程序存儲器p=0x30;//指向片內(nèi)RAM30H單元x=tab[*p];//訪問數(shù)據(jù)p++;//指向31H單元*p=x;//保存在31H單元}（2）MCS-51高級語言程序編寫基礎(chǔ)

6.2MCS-51系列單片機(jī)23

②循環(huán)結(jié)構(gòu)

例：將片內(nèi)30H-39H單元單元的數(shù)據(jù)傳送到片外的1000H-1009H單元中#include<absacc.h>//存儲器訪問#definea0x30//片內(nèi)RAM首地址#defineb0x1000//片外RAM首地址voidmain(){unsignedcharI;for(i=0;i<10;i++)XBYTE[b+i]=DBYTE[a+i];//數(shù)據(jù)傳送}（2）MCS-51高級語言程序編寫基礎(chǔ)

6.2MCS-51系列單片機(jī)24

③分支結(jié)構(gòu)

if語句：若條件表達(dá)式為真（非0值），就執(zhí)行后面相應(yīng)的語句；反之若條件表達(dá)式為假（0值），就不執(zhí)行后面的語句

switch語句：switch(){case常量表達(dá)式1：語句1break；case常量表達(dá)式2：語句2

break；default；}（2）MCS-51高級語言程序編寫基礎(chǔ)

6.2MCS-51系列單片機(jī)25

2）C51語言中常用的庫函數(shù)C51編輯器擁有相當(dāng)豐富的庫函數(shù)，可簡化程序設(shè)計工作。C51庫函數(shù)又分為本征庫函數(shù)和非本征庫函數(shù)。調(diào)用本征庫函數(shù)：#include<intrins.h>（2）MCS-51高級語言程序編寫基礎(chǔ)

函數(shù)名稱及定義函數(shù)功能說明Externunsignedchar_crol_(unsignedcharval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)左移n位Externunsignedint_irol_(unsignedintval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)左移n位Externunsignedlong_lrol_(unsignedlongval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)左移n位Externunsignedchar_crol_(unsignedcharval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)右移n位Externunsignedint_iror_(unsignedintval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)右移n位Externunsignedlong_lror_(unsignedlongval,unsignedcharn)將VAL循環(huán)右移n位Externunsignedchar_chkfloat_(floatual)測試并返回float的狀態(tài)Externbit_testbit_(bitbitval)測試該位變量并跳轉(zhuǎn)同時清除Externvoid_nop_(void)相當(dāng)于插入?yún)R編指令nop26一、PLC的硬件組成6.3可編程邏輯控制器PLC

PLC基本結(jié)構(gòu)示意圖中央處理器運(yùn)算器控制器輸出單元輸入單元電源存儲器系統(tǒng)程序用戶程序外設(shè)接口IO擴(kuò)展接口27一、PLC的硬件組成1.中央處理器

中央處理器（CPU）是PLC的核心部件，由微處理器和控制接口電口組成，目前PLC使用的CPU主要分為以下幾種：（1）通用微處理器：8080、8086等，特點(diǎn)是價格便宜，通用性強(qiáng)（2）單片機(jī)：8051、68HC系列，特點(diǎn)是集成度高，體積小，可擴(kuò)充性好，適用于小型機(jī)（3）位片式微處理器，例如AMD2900系列等，其特點(diǎn)是可以使用多個微處理器，將任務(wù)劃分為多個平行處理的部分，多個微處理器同時處理，適用于高速運(yùn)算的PLC6.3可編程邏輯控制器PLC

28一、PLC的硬件組成2.存儲器PLC的存儲器分為只讀存儲器(ROM)和隨機(jī)存儲器(RAM)兩種，主要用于存放程序、變量和各種參數(shù)。PLC的操作系統(tǒng)程序、用戶解釋程序、系統(tǒng)診斷程序、管理程序、鍵盤輸入處理程序等一般均固化在ROM中。數(shù)據(jù)存儲通常采用RAM,存儲PLC在工作過程中經(jīng)常變化的數(shù)據(jù)，包括輸入/輸出數(shù)據(jù)、邏輯部件數(shù)據(jù)、中間變量等。6.3可編程邏輯控制器PLC

29一、PLC的硬件組成3.輸入/輸出單元輸入/輸出單元是PLC與工業(yè)設(shè)備信號連接的重要接口，是完成電平轉(zhuǎn)換的橋梁。PLC通過輸入單元獲取被控設(shè)備的各種參數(shù)，將各種各樣的信息電平轉(zhuǎn)換成PLC所能處理的標(biāo)準(zhǔn)電平，程序執(zhí)行結(jié)果通過輸出單元送給被控設(shè)備，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輸入/輸出單元根據(jù)端子組織形式可分為匯點(diǎn)式、分組式和分隔式。匯點(diǎn)式輸入/輸出端子有一個公共端子COM。分組式輸入單元的輸入端子分為若干組，每組共用一個公共端子和一個電源。分隔式輸入單元的輸入端子相互隔離，各自使用獨(dú)立電源。6.3可編程邏輯控制器PLC

30一、PLC的硬件組成4.輸入/輸出（I/O）擴(kuò)展單元當(dāng)輸入/輸出接口數(shù)量不能滿足控制要求時，整體式PLC可以通過輸入/輸出擴(kuò)展接口獲得一定數(shù)量的輸入/輸出接口，模塊組合式則可通過總線連接擴(kuò)展輸入/輸出接口。此外，也可通過輸入/輸出接口對PLC功能進(jìn)行拓展，例如模擬量輸入/輸出單元、溫度模塊、高速計數(shù)模塊等。6.3可編程邏輯控制器PLC

31一、PLC的硬件組成5.電源

PLC的電源用于將外部交流電源轉(zhuǎn)換成供CPU、存儲器、輸入輸出接口電路等使用時直流電源，以保證PLC正常工作。其電源包括系統(tǒng)的電源和后備電源，通常為交流220V或直流24V輸入，通過PLC電源單元，轉(zhuǎn)換成PLC所需的不同等級的直流電源。對于箱體式PLC，電源一般封裝在基本單元的機(jī)殼內(nèi)部；對于模塊式PLC,則采用獨(dú)立的電源模塊。此外，還可以使用鋰電池作為備用電源，以保證外部供電中斷時PLC內(nèi)部信息致丟失。6.3可編程邏輯控制器PLC

32二、PLC的工作方式、特點(diǎn)及性能指標(biāo)1.工作方式

PLC采用周期性循環(huán)掃描的工作方式，PLC工作過程主要包括CPU自檢、通信處理、讀取輸入、執(zhí)行程序和輸出刷新。PLC采取掃描工作方式就是按照定義和設(shè)計、連續(xù)和重復(fù)地檢測系統(tǒng)輸入，求解目前的控制邏輯，以及修正系統(tǒng)輸出。根據(jù)不同的PLC產(chǎn)品，掃描時間般為10～100ms。此外，進(jìn)行I0服務(wù)的時間極短，而掃描周期的大部分時間的干擾都被擋在PLC之外，所以PLC掃描過程具有很強(qiáng)的抗干擾能力。6.3可編程邏輯控制器PLC

33二、PLC的工作方式、特點(diǎn)及性能指標(biāo)1.工作方式掃描工作方式的不同是PLC與微型計算機(jī)的基本區(qū)別，還有以下區(qū)別(1)微機(jī)與外部環(huán)境連接時，需要專門的接口電路板，而PLC帶有各種IO模塊可供直接使用，且輸入/輸出線可達(dá)數(shù)百條。(2)PLC具有多種診斷能力，模塊式結(jié)構(gòu)，易于維修。(3)PLC可采用梯形圖編程，編程語言簡單直觀，容易掌握。

6.3可編程邏輯控制器PLC

34二、PLC的工作方式、特點(diǎn)及性能指標(biāo)2.PLC的主要特點(diǎn)（1)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高（2)功能完善，通用性強(qiáng)（3)簡單易學(xué)、易于編程（4)設(shè)計、安裝、調(diào)試周期短、維修方便（5)體積小、能耗低6.3可編程邏輯控制器PLC

35二、PLC的工作方式、特點(diǎn)及性能指標(biāo)3.PLC的性能指標(biāo)（1）IO點(diǎn)數(shù)（2)存儲容量（3)掃描速度（4)