第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
第六章 微型计算机控制系统的设计
与实践
?6.1微机控制系统设计的基本要求和特点
?6.2 微机控制系统的设计方法及步骤
?6.3 微机控制系统设计举例
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
6.1 微机控制系统设计的基本要求
和特点
1,设计的基本要求
（ 1）系统操作性能要好
（ 2） 通用性好, 便于扩充
（ 3） 可靠性要高
①采用双机系统。
②采用集散控制系统。
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第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
2,设计特点
在进行微机控制系统设计时，系统设计人
员必须把系统要执行的任务和应具备的功能合
理地分配给硬件和软件来实现，做到合理权衡
硬件、软件的配置，并尽量节省机器时间和内
存空间。硬件设计主要采用大规模集成电路。
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第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
6.2 微机控制系统的设计方法及步骤
1,确定系统整体控制方案
第一：要从系统构成上考虑，是采用开环控
制还是闭环控制。
第二：考虑执行机构采用什么方案，是采用
电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，比
较各种方案，择优而用。
第三：考虑是否有特殊控制要求。
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第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
2,确定控制算法
（ 1）确定算法能否满足控制速度、精度和系
统稳定性的要求。
（ 2）确定某些情况下要进行修改与补充。
（ 3）确定为设计、调试方便，可将控制算法
作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获
得最好的控制效果。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
3,选择微型计算机和外围设备
（ 1）较完善的中断系统
（ 2）足够的存储容量
（ 3） 完备的输入输出通道和实时时钟
（ 4） 字长
（ 5） 速度
（ 6） 指令种类和数量
（ 7）寻址范围和寻址方式
（ 8）内部存储器的种类和数量
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
4,系统总体设计
（ 1） 估计内存容量, 进行内存分配
（ 2） 过程通道和中断处理方式的确定
（ 3）系统总线的选择
（ 4）操作台的控制
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
5,硬件和软件的具体设计
（ 1）硬件设计,根据系统总体框图，设计
出系统电气原理图，再按照电气原理图着
手元件的选购和开始施工设计工作。
（ 2） 软件设计,① 实时性 。 ② 针对性 。
③ 灵活性和通用性 。 ④ 可靠性如图 6-1所示 。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
6,系统联调
系统联调是要把已调好的各程序功能
块按照总体设计要求连成一个完整的程序 。
程序调试完成后, 还要进行在线仿真, 然
后进行试运行 。 经过一段考机和试运行后,
即可投入正式运行 。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
图
6-
1
控
制
系
统
设
计
步
骤
流
程
图
返回本节
控制对象的功能和工作过程分析
估算及分配I / O 口,存储器
容量及外围设备
画系统工艺流程图
I / O 口的具体分配 画系统程序框图
系统部件的详细设计 编制源程序
部件芯片老化
筛选和测试
汇编
布线及安装 形成目标程序
系统试运行调试硬件 调试和仿真
完成否?硬件错否? 完成否?
写入E P R O M结束设计
硬件设计 软件设计
是
是
是
否 否
否
开 始
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
6.3 微机控制系统设计举例
? 6.3.1 硬件电路
? 6.3.2 数字控制器的数学模型
? 6.3.3 控制系统程序设计
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第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
图 6-2 电阻炉炉温控制系统原理图
6.3.1 硬件电路
变送器
键盘与显示
T 0
T 1
P 1.3
P 1.2
P 1.1
P 1.0
P 2.4
P 2.3
P 2.2
P 2.1
P 2.0
A L E
P 0
P SEN
WR
RD
EA
P 3.3
8 0 3 1
7 4 L S
3 7 3
2 7 3 2
8 1 5 5
CE
~
OC D 7 0
~
A L E
CE
I O / M
~
A 7 0A 7 0
1 / 2
WR
RDA 0 A 1 A 2
红
绿
红
A
B
C
C L K
~
D 7 0
OE
A L E
S T A R T
IN 0
E O C
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
光
耦
驱
动
器
MC
1 4 5 2 8
2 2 0 V
~
加热丝
L M 3 1 1
7 4 L S 0 0
T I L 1 1 7
.
.,
.
..
.
.
过零信号发生器
A C D
0 8 0 9
.
热电偶
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
1,检测元件及变送器
检测元件选用镍铬 -镍铝热电偶, 分度号为
EU,适用于 0℃ ~1000℃ 的温度测量范围, 相应
输出电压为 0mV~41.32mV。
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 0~41.32mV变换
成 0~10mA范围内的电流；电流 /电压变送器用于
把毫伏变送器输出的 0~10mA电流变换成 0~5V范
围内的电压。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
表 6-1 温度 -数字量对照表
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
2,接口电路
8031的接口电路有 ADC0809,8155和
2732等 。 本系统采用 ADC0809型 A/D转换器,
该芯片为 8 位逐次逼近型 A/D 转换器 。
ADC0809为温度测量电路的输入接口；
8155用于键盘和显示接口； 2732作为 8031
外部程序 (ROM)存储器 。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
3,温度控制电路 如图
双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因
此可控硅导通时间决定加热丝的 加热功率。图
6-3给出了可控硅在给定周期 T内具有不同导通
时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时
刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波
过零后触发导通。过零同步脉冲由过零触发电
路产生，如图 6-4所示。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
图 6-3 输出功率与通断时间的关系
u
u
u
u
t
t
t
t
1 2, 5 %
2 5 %
5 0 %
1 0 0 %
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
图 6-4 过零触发电路
返回本节
.,
.
.
.
.
.
..
.
..
.
.
...
.,,
.
LM
3 1 1
MC
Q 1
Q 2
7 4 L S 0 0
1 4 5 2 8
T I L 1 1 7
+ 5 V
+ 5 V + 1 2 V
2 2 0 V
~
加热器
+ 5 V
A
1
P 1.3
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
6.3.2 数字控制器的数学模型
闭环调节系统可近似看成一阶惯性环节加一
个延迟环节 。 因此, 根据第 4章第 5节的推导,
可以得出,
]z)e-(1ze-1)[e1(K
)e1)(ze1(D ( z )
1-N-T/-1-T/-T/-
P
- T /-1- T /
1
1
???
??
??
???
经化简后得到,
1-N-1-
-1
z)C-(1Cz1
Bz-AD ( z )
??
?
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
式中,A=
)e1(K
e1
1T/-P
- T /
?
?
?
?
B=A
C= 1-T/e ?
?-T/e
因为, D(z)=R(z)/E(z),得,
E ( z ))BzA(R ( z )]z)C(1Cz1[ -11--N-1 ?????
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
y(n)=A× e(n)-B× e(n-1)+C× y(n-1)+(1-
C)× y(n-N-1)
式中,
y(n)—— n时刻的输出值；
e(n)—— n时刻的偏差值；
e(n-1)—— n-1时刻的偏差值；
y(n-N-1)—— n-N-1时刻的输出值 。
由系统的飞升特性曲线确定出 τ和 τ1后, 系
数 A,B,C则可分别求出 。
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第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
6.3.3 控制系统程序设计
图
6-
5
主
程
序
流
程
图
1,
主
程
序
设定堆栈指针
清标志和暂存单元
清显示缓冲区
T 0 初始化
开C P U 中断
扫描键盘
温度显示
T 1 中断程序
清标志D 5 H
停止输出
T 1 中断服务程序
开 始
开 始
返 回
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
2,T0中断服务程
T0中断服务程序是此系统的主体程序，用
于启动 A/D转换、读入采样数据、数字滤波、
越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输
出可控硅的同步触发脉冲等。在 T0中断服务程
序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、
数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程
序、标度变换程序和温度显示程序等。 T0中断
服务程序流程图如图 6-6所示。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
图
6-
6 T
0
中
断
服
务
程
序
流
程
图
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保护现场
采样炉温
数字滤波
U ( n )= Y m a x 否？
清上次越限标志
U ( n ) > Y m a x 否？
U ( n ) > = Y m i n 否？
温度标度转换
初始化 T 1
从 P 1.3 输出
求 补
计算Y ( n )
温度显示
( D 5 H ) = 1 否?
恢复现场
取Y m a x 值输出
下限报警
置本次越限标志
上次越限否?
越限计数器加1
越限 N 次否?
清越限标志
上限报警
本次越限标志送 5 F H
清零 5 E H 单元
上限处理
是
是
是
是
是
是
否
否
否
否
否
否
返 回
开 始
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
THANK YOU VERY MUCH ！
?本章到此结束,
?谢谢您的光临！
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?6.3 微机控制系统设计举例
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6.1 微机控制系统设计的基本要求
和特点
1,设计的基本要求
（ 1）系统操作性能要好
（ 2） 通用性好, 便于扩充
（ 3） 可靠性要高
①采用双机系统。
②采用集散控制系统。
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2,设计特点
在进行微机控制系统设计时，系统设计人
员必须把系统要执行的任务和应具备的功能合
理地分配给硬件和软件来实现，做到合理权衡
硬件、软件的配置，并尽量节省机器时间和内
存空间。硬件设计主要采用大规模集成电路。
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第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
6.2 微机控制系统的设计方法及步骤
1,确定系统整体控制方案
第一：要从系统构成上考虑，是采用开环控
制还是闭环控制。
第二：考虑执行机构采用什么方案，是采用
电机驱动、液压驱动还是其他方式驱动，比
较各种方案，择优而用。
第三：考虑是否有特殊控制要求。
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第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
2,确定控制算法
（ 1）确定算法能否满足控制速度、精度和系
统稳定性的要求。
（ 2）确定某些情况下要进行修改与补充。
（ 3）确定为设计、调试方便，可将控制算法
作合理的简化，逐步将控制算法完善，直到获
得最好的控制效果。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
3,选择微型计算机和外围设备
（ 1）较完善的中断系统
（ 2）足够的存储容量
（ 3） 完备的输入输出通道和实时时钟
（ 4） 字长
（ 5） 速度
（ 6） 指令种类和数量
（ 7）寻址范围和寻址方式
（ 8）内部存储器的种类和数量
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4,系统总体设计
（ 1） 估计内存容量, 进行内存分配
（ 2） 过程通道和中断处理方式的确定
（ 3）系统总线的选择
（ 4）操作台的控制
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
5,硬件和软件的具体设计
（ 1）硬件设计,根据系统总体框图，设计
出系统电气原理图，再按照电气原理图着
手元件的选购和开始施工设计工作。
（ 2） 软件设计,① 实时性 。 ② 针对性 。
③ 灵活性和通用性 。 ④ 可靠性如图 6-1所示 。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
6,系统联调
系统联调是要把已调好的各程序功能
块按照总体设计要求连成一个完整的程序 。
程序调试完成后, 还要进行在线仿真, 然
后进行试运行 。 经过一段考机和试运行后,
即可投入正式运行 。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
图
6-
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控
制
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统
设
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骤
流
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控制对象的功能和工作过程分析
估算及分配I / O 口,存储器
容量及外围设备
画系统工艺流程图
I / O 口的具体分配 画系统程序框图
系统部件的详细设计 编制源程序
部件芯片老化
筛选和测试
汇编
布线及安装 形成目标程序
系统试运行调试硬件 调试和仿真
完成否?硬件错否? 完成否?
写入E P R O M结束设计
硬件设计 软件设计
是
是
是
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否
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6.3 微机控制系统设计举例
? 6.3.1 硬件电路
? 6.3.2 数字控制器的数学模型
? 6.3.3 控制系统程序设计
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图 6-2 电阻炉炉温控制系统原理图
6.3.1 硬件电路
变送器
键盘与显示
T 0
T 1
P 1.3
P 1.2
P 1.1
P 1.0
P 2.4
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7 4 L S 0 0
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过零信号发生器
A C D
0 8 0 9
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热电偶
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
1,检测元件及变送器
检测元件选用镍铬 -镍铝热电偶, 分度号为
EU,适用于 0℃ ~1000℃ 的温度测量范围, 相应
输出电压为 0mV~41.32mV。
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 0~41.32mV变换
成 0~10mA范围内的电流；电流 /电压变送器用于
把毫伏变送器输出的 0~10mA电流变换成 0~5V范
围内的电压。
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表 6-1 温度 -数字量对照表
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
2,接口电路
8031的接口电路有 ADC0809,8155和
2732等 。 本系统采用 ADC0809型 A/D转换器,
该芯片为 8 位逐次逼近型 A/D 转换器 。
ADC0809为温度测量电路的输入接口；
8155用于键盘和显示接口； 2732作为 8031
外部程序 (ROM)存储器 。
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3,温度控制电路 如图
双向可控硅和加热丝串接在交流回路，因
此可控硅导通时间决定加热丝的 加热功率。图
6-3给出了可控硅在给定周期 T内具有不同导通
时间的情况。过零信号是正弦交流电压过零时
刻的同步脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波
过零后触发导通。过零同步脉冲由过零触发电
路产生，如图 6-4所示。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
图 6-3 输出功率与通断时间的关系
u
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1 2, 5 %
2 5 %
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LM
3 1 1
MC
Q 1
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7 4 L S 0 0
1 4 5 2 8
T I L 1 1 7
+ 5 V
+ 5 V + 1 2 V
2 2 0 V
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加热器
+ 5 V
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P 1.3
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
6.3.2 数字控制器的数学模型
闭环调节系统可近似看成一阶惯性环节加一
个延迟环节 。 因此, 根据第 4章第 5节的推导,
可以得出,
]z)e-(1ze-1)[e1(K
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1-N-T/-1-T/-T/-
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经化简后得到,
1-N-1-
-1
z)C-(1Cz1
Bz-AD ( z )
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第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
式中,A=
)e1(K
e1
1T/-P
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C= 1-T/e ?
?-T/e
因为, D(z)=R(z)/E(z),得,
E ( z ))BzA(R ( z )]z)C(1Cz1[ -11--N-1 ?????
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
y(n)=A× e(n)-B× e(n-1)+C× y(n-1)+(1-
C)× y(n-N-1)
式中,
y(n)—— n时刻的输出值；
e(n)—— n时刻的偏差值；
e(n-1)—— n-1时刻的偏差值；
y(n-N-1)—— n-N-1时刻的输出值 。
由系统的飞升特性曲线确定出 τ和 τ1后, 系
数 A,B,C则可分别求出 。
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图
6-
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主
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流
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主
程
序
设定堆栈指针
清标志和暂存单元
清显示缓冲区
T 0 初始化
开C P U 中断
扫描键盘
温度显示
T 1 中断程序
清标志D 5 H
停止输出
T 1 中断服务程序
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2,T0中断服务程
T0中断服务程序是此系统的主体程序，用
于启动 A/D转换、读入采样数据、数字滤波、
越限温度报警和越限处理、大林算法计算和输
出可控硅的同步触发脉冲等。在 T0中断服务程
序中，要用到一系列子程序。如：采样子程序、
数字滤波子程序、越限处理程序、大林算法程
序、标度变换程序和温度显示程序等。 T0中断
服务程序流程图如图 6-6所示。
第六章 微型计算机控制系统的设计与实践
图
6-
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断
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程
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图
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保护现场
采样炉温
数字滤波
U ( n )= Y m a x 否？
清上次越限标志
U ( n ) > Y m a x 否？
U ( n ) > = Y m i n 否？
温度标度转换
初始化 T 1
从 P 1.3 输出
求 补
计算Y ( n )
温度显示
( D 5 H ) = 1 否?
恢复现场
取Y m a x 值输出
下限报警
置本次越限标志
上次越限否?
越限计数器加1
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清零 5 E H 单元
上限处理
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