1、范立南 李雪飛 編著 機械工業(yè)出版社,計算機控制技術 第8章 計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn),第8章 計算機控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn),8.1 系統(tǒng)設計的基本要求和特點 8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟 8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng) 8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng) 8.5 自動剪切機控制系統(tǒng),8.1 系統(tǒng)設計的基本要求和特點,8.1.1 系統(tǒng)設計的基本要求,計算機控制系統(tǒng)設計的基本要求主要包括五個部分。,1安全可靠,為了保證安全可靠，通常采用如下做法：,第一，選用高性能的工業(yè)控制計算機，保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境下，系統(tǒng)仍能正常運行。 第二，設計可靠的控制方案，并具有各種安全保護措施，比如設計報警、事故

2、預測、事故處理、不間斷電源等。 第三，附加后備裝置。對于一般的控制回路，選用手動操作作為后備；對于重要的控制回路，選用常規(guī)控制儀表作為后備。這樣，一旦計算機出現(xiàn)故障，就把后備裝置切換到控制回路中，以維持生產(chǎn)過程的正常運行。,8.1 系統(tǒng)設計的基本要求和特點,第四，對于承擔網(wǎng)絡控制、信息處理、管理的計算機，應采用雙機備用系統(tǒng)，其工作方式有四種，即：備份工作方式、主從工作方式、雙工工作方式和分級分布式控制方式。,8.1 系統(tǒng)設計的基本要求和特點,2操作維護方便,操作方便體現(xiàn)在控制設備投入運行后，應當使系統(tǒng)便于掌握、操作簡便，顯示畫面直觀形象。既要體現(xiàn)操作的先進性，又要兼顧原有的操作習慣。在硬件配置

3、方面系統(tǒng)的控制開關不能太多，操作順序要簡單；軟件方面，應盡可能采用匯編語言，并配有高級語言，以便于用戶掌握。,維護方便體現(xiàn)在易于查找故障，易于排除故障。硬件方面，應盡可能采用標準的功能模塊化產(chǎn)品，便于更換故障模板。軟件方面，應配置診斷程序，一旦故障發(fā)生，通過程序來查找故障發(fā)生的部位，從而縮短排除故障的時間。,8.1 系統(tǒng)設計的基本要求和特點,3實時性強,所謂實時性，就是計算機系統(tǒng)對內(nèi)部和外部時間能夠及時地響應，并作出相應的處理，不丟失信息，不延誤操作。 計算機處理的事件一般分為兩類，即：定時事件和隨機事件。對于數(shù)據(jù)的定時采集、運算控制等定時事件，可以設置系統(tǒng)時鐘，保證定時處理。對于各種故障等隨

4、機事件，可以設置中斷，并根據(jù)故障的輕重緩急，預先分配中斷級別，一旦出現(xiàn)故障，保證優(yōu)先處理緊急故障。,8.1 系統(tǒng)設計的基本要求和特點,4通用性好、便于擴充,在系統(tǒng)設計時，要考慮以下三點：,第一，硬件設計應標準化，采用標準總線結構并配置各種通用的功能模板，以便于進行功能擴充時，只需要增加功能模板即可。 第二，軟件設計時采用標準模塊結構，用戶使用時不需要二次開發(fā)，只需按照要求選擇各種功能模塊即可。 第三，在系統(tǒng)設計時，各個設計指標留有一定的余量，便于擴充。,8.1 系統(tǒng)設計的基本要求和特點,5經(jīng)濟效益高,計算機控制系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)基本要求的前提下，還應該帶來高的經(jīng)濟效益，要有市場競爭意識。所以在系統(tǒng)

5、設計中要考慮以下三個方面： 一是提高系統(tǒng)的性能價格比； 二是盡可能縮短設計周期； 三是降低投入產(chǎn)出比。,8.1 系統(tǒng)設計的基本要求和特點,8.1.2 系統(tǒng)設計的特點,1過程參量多、控制任務重 2處理的信息量大 3網(wǎng)絡化 4控制算法復雜,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,計算機控制系統(tǒng)的設計一般包括下列幾個步驟： 控制系統(tǒng)總體方案的確定； 計算機及接口的選擇； 控制算法的選擇； 控制系統(tǒng)的硬件設計； 控制系統(tǒng)的軟件設計； 計算機控制系統(tǒng)的調(diào)試。,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,8.2.1 控制系統(tǒng)總體方案的確定,1選擇控制系統(tǒng)的結構和類型 2選擇檢測元件 3選擇執(zhí)行機構 4選擇輸入

6、/輸出通道及外圍設備 5可靠性設計 6分配硬件和軟件的功能,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,8.2.2 計算機及接口的選擇,選擇合適的計算機是計算機控制系統(tǒng)設計的關鍵。在具體選擇計算機時，可以選擇成品的計算機系統(tǒng)，也可以自主開發(fā)設計。,成品計算機系統(tǒng)具有多種裝置的主機系統(tǒng)板，配備各種接口板，如多通道模擬量輸入輸出板，開關量輸入輸出板，CRT圖形顯示板，擴展用RS-232C，RS-422和RS-485總線接口板，EPROM智能編程板等。具有很強的硬件功能和靈活的IO擴展能力，和較強的開發(fā)能力。不僅可使用匯編語言，而且可使用高級語言，在工業(yè)PC中，還配有專用的組合軟件。,8.2 計算機控制

7、系統(tǒng)的設計方法及步驟,自主開發(fā)設計時應考慮到所選擇的微處理器的字長、運行速度、存儲容量、中斷處理能力，以及是否需要內(nèi)部A/D轉換器、內(nèi)部存儲器，需要多少個I/O口和UART口等。,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,8.2.3 控制算法的選擇,在系統(tǒng)設計時，首先要建立被控對象的數(shù)學模型，并根據(jù)被控對象的數(shù)學模型確定系統(tǒng)的控制算法。,1直接數(shù)字控制 當被控對象的數(shù)學模型能夠確定時，可采用直接數(shù)字控制，如最少拍隨動系統(tǒng)，最少拍無波紋系統(tǒng)，以及大林算法等；,2數(shù)字PID控制 很難求出其數(shù)學模型的系統(tǒng)最好選用數(shù)字PID控制。除了位置型和增量型兩種普通PID算法外，還可以采用改進型PID控制算法，以

8、滿足各種不同控制系統(tǒng)的要求。,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,3模糊控制,它是一種非常靈活的控制方法，只要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)找出Fuzzy控制規(guī)律，便能達到所要求的控制效果。,由于計算機控制系統(tǒng)種類很多，所以控制算法也各不相同，每個計算機控制系統(tǒng)都有一個特定的控制規(guī)律，并且有相應的控制算法。,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,8.2.4 控制系統(tǒng)的硬件設計,1存儲器的擴展,在擴展時，要注意單片機的種類（片內(nèi)是否含有程序存儲器），另外，要把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分別安排。,擴展接口有兩種方案：一種是購置成品的接口板，如A/D轉換接口板、D/A轉換接口板、開關量I/O接口板等；另一種是根據(jù)

9、系統(tǒng)設計的需要，選擇合適的芯片自行設計，這主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,在目前計算機系統(tǒng)中廣泛采用的接口器件有： 可編程通用并行接口：如8255A、8155等。 可編程串行接口：如8251等。 顯示鍵盤接口：如8279等。 定時器接口：如8253等。 多功能輸入輸出接口：如TMS5501，其中有一個8位并行輸入接口，一個8位并行輸出接口，一個串行接口和五個定時器電路。 通信接口電路：可以是RS-232C，RS-422和RS-485或者現(xiàn)場總線通信接口。,2接口電路的設計,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,3輸入/輸出通道的選擇,一個計算機控制系統(tǒng)，

10、除了主機外，還必須具有各種輸入、輸出通道模板，其中包括模擬量輸入（AI）模板、模擬量輸出（AO）模板、數(shù)字量輸入（DI）模板和數(shù)字量輸出（DO）模板。以上模板可以選擇市場已有的產(chǎn)品，比如MS-1209（32路A/D，6路D/A，12位），MS-1210（8路D/A，12位）等。也可以自行設計。,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,4操作面板的設計,它的主要功能有： 輸送源程序到存儲器，或者通過面板操作來監(jiān)視程序執(zhí)行情況； 打印、顯示中間結果或最終結果； 根據(jù)工藝要求，修改一些檢測點和控制點的參數(shù)及給定值； 設置報警狀態(tài)，選擇工作方式以及控制回路等； 完成系統(tǒng)控制的各種狀態(tài)切換； 完成手動自

11、動無擾動切換； 完成各種畫面顯示。,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,8.2.5 控制系統(tǒng)的軟件設計,軟件主要分為兩大類，即系統(tǒng)軟件和應用軟件。而根據(jù)其功能，應用軟件又分為兩類，即執(zhí)行軟件和監(jiān)控軟件。執(zhí)行軟件能完成各種實質性的功能，如測量、計算、顯示、打印、輸出控制等；監(jiān)控軟件是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系，在系統(tǒng)軟件中充當組織調(diào)度角色。,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,優(yōu)秀的軟件都應具有以下特征：,1實時性 2針對性 3靈活性和通用性 4可靠性,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,8.2.6 計算機控制系統(tǒng)的調(diào)試,計算機控制系統(tǒng)的調(diào)試通常分為離線仿真調(diào)試和在線調(diào)試運

12、行兩個階段。,離線仿真調(diào)試一般在實驗室進行，并盡可能地模仿實際操作時可能出現(xiàn)的各種情況，因為有些特殊情況是在線無法調(diào)試的。,離線仿真調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。,8.2 計算機控制系統(tǒng)的設計方法及步驟,在線調(diào)試運行要制定調(diào)試計劃、實施方案、安全保障措施、分工協(xié)作細則等；遵循從小到大、從易到難、從手動到自動、從簡單回路到復雜回路、先開環(huán)后閉環(huán)、循序漸進的原則；合理安排設備裝置的安裝位置及各種連接線路的走向；盡最大可能地采取各種抗干擾和安全防護措施；冷靜分析現(xiàn)場運行過程可能出現(xiàn)的各種奇異現(xiàn)象，從現(xiàn)象入手尋找出現(xiàn)問題的根源，穩(wěn)妥地實現(xiàn)控制系統(tǒng)的投入運行。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),該系統(tǒng)的被控

13、對象為儀器用溫箱，被測參數(shù)為溫箱的溫度，測溫范圍為0300，誤差不超過0.1。儀器用溫箱中的被測氣體通過溫箱的管狀加熱交換器加熱后，送入儀器中進行測量。為了保證測量條件，溫箱或按照預定的升溫速率升溫，或保持恒定的溫度不變。溫箱是用電熱絲來加熱的。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),8.3.1 溫度控制系統(tǒng)的組成,儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖8-1所示。,圖8-1 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng)原理圖,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),被測參數(shù)溫度值由測溫元件測量后得到0.51V信號，經(jīng)放大后轉換成510V的電壓信號，經(jīng)電壓頻率變換器LM331變換成頻率信號，再經(jīng)可編程定時器/計數(shù)器8253轉換成數(shù)字信

14、號送入單片機。在CPU中進行數(shù)據(jù)處理后，一方面送去顯示，一方面與鍵盤輸入的設定值進行比較，若低于設定值，則進行PID調(diào)節(jié)后，輸出控制信號，驅動電加熱絲加熱。達到溫度控制的目的。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),8.3.2 溫度控制系統(tǒng)的硬件設計,1溫度檢測和模擬量輸入通道,（1）溫度檢測和放大電路,由于本系統(tǒng)的控制精度要求在0300范圍內(nèi)，誤差不超過0.1的高精度，選用了精度高、性能穩(wěn)定可靠的測溫元件鉑電阻。其測量及放大電路如圖8-2所示。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),圖8-2 鉑電阻測溫、放大及V/F轉換電路圖,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),在圖8-2中，Rt為測溫鉑電阻，跨接在運算放

15、大器OP07的反饋回路上，使得鉑電阻的阻值變化轉換成運算放大器的輸出電壓變化。VREF為一個精密穩(wěn)壓源。輸入端的電阻為溫度系數(shù)很小的精密電阻。在所測的溫度范圍內(nèi)，此級運算放大器的電壓變化范圍為0.5V1V。此電壓送到下一級運放LM358放大后得到5V10V的電壓信號。經(jīng)檢測和放大的模擬信號送A/D轉換器。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),（2）用V/F轉換器LM331實現(xiàn)A/D轉換器,LM331是一種廉價、精密的電壓頻率轉換專用集成電路。它的主要特點是：V/F變化特性為10Hz/mV，其非線性誤差?。?.01），電源適應能力強，可使用單5V電源。V/F的轉換范圍寬（1Hz100kHz），溫度穩(wěn)

16、定性好，輸出負載能力強，能同時兼容CMOS和TTL邏輯電平。,用V/F轉換器實現(xiàn)A/D轉換器，需要與頻率計數(shù)器配合使用，由LM331實現(xiàn)A/D轉換器的框圖如圖8-3所示。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),圖8-3 由LM331實現(xiàn)A/D轉換器的框圖,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),圖中，模擬信號經(jīng)壓/頻轉換器LM331，把電壓信號轉化為脈沖信號，脈沖信號送到計算機的計數(shù)器/定時器的端口。同時啟動頻率計數(shù)器和定時器，頻率計數(shù)器用V/F轉換器輸出的頻率信號作為計數(shù)脈沖，定時器采用基準頻率作為定時脈沖，當定時結束時，定時器產(chǎn)生輸出信號使頻率計數(shù)器停止計數(shù)，這樣計數(shù)器的計數(shù)值與頻率之間的關系是,（8-

17、1）,而,（8-2）,因此，,（8-3）,式中，D計數(shù)值；T計數(shù)時間；Ds定時計數(shù)器計數(shù)初值；fs基準頻率；fLM331的輸出頻率。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),在本系統(tǒng)中用LM331實現(xiàn)A/D轉換器的電路如圖8-2和8-4所示。,在圖8-2中，模擬信號經(jīng)積分電路積分處理后,在INPUT端（7引腳）變成與輸入電壓成正比的穩(wěn)定電流輸入，通過LM331芯片進行V/F轉換后，變成與電壓成正比的頻率信號，F(xiàn)OUT端（3引腳）輸出的頻率信號送到計算機的計數(shù)/定時端口，計算機對頻率信號進行采集、處理、存儲。從而實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉換。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),圖8-4頻率信號轉換成數(shù)字信

18、號的電路圖,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),在圖8-4中，8253是可編程間隔定時器/計數(shù)器芯片，用來將LM331的輸出頻率信號轉換成數(shù)字信號，并送至單片機。A/D轉換器框圖中的定時器和頻率計數(shù)器由8253和D觸發(fā)器共同完成，它們的作用有：, 定時器定時1s時間間隔。選用8253芯片的計數(shù)器2和計數(shù)器1串聯(lián)得到。它的計數(shù)脈沖由80C51的晶振頻率經(jīng)分頻后送入。分頻器的輸出連接至8253的CLK2端。, 計數(shù)器由8253芯片的計數(shù)器0來實現(xiàn)，即LM331的V/F輸出脈沖端連接至8253芯片的CLK0端。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng), 為保證1s的精確定時，采用了由軟件發(fā)出選通，硬件關閉的辦法

19、。3個計數(shù)器的門控位均連在一起，以保證準確地同步。測量時，先由80C51發(fā)出一條輸出指令，地址譯碼器74LS139譯碼，使2 有效，將74LS74的Q2端置為高電平，為向 申請中斷作準備，然后80C51再發(fā)出一條輸出指令，地址譯碼器74LS139譯碼，使2 有效，將74LS74的Q1端置為高電平，開始定時，同時對V/F輸出脈沖計數(shù)。當定時時間到，8253的OUT1有效。此信號作為兩個D觸發(fā)器的CP信號。其中一個D觸發(fā)器的輸出令GATE信號變低，停止計數(shù)。另一個D觸發(fā)器的輸出連接至80C51的 端，表示測量完成，向80C51申請中斷。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),2鍵盤與顯示電路,鍵盤用以設

20、定給定溫度。顯示器用來顯示當前溫箱的溫度值。其具體連接情況如圖8-5所示。,圖8-5 鍵盤與顯示電路,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),圖8-5中，LED采用共陰極方式，動態(tài)掃描方式。鍵盤采用中斷的工作方式，采用定時器T0作為外部中斷源。設置T0工作在方式2（自動恢復常數(shù)）外部計數(shù)方式，定時器TH0、TL0初值均為0FFH。,3可控硅（SCR）過零觸發(fā)電路與輸出控制,該系統(tǒng)采用數(shù)字實現(xiàn)SCR過零控制，它主要解決以下兩個問題： 要能實現(xiàn)工頻電壓的正負過零檢測，并在過零時產(chǎn)生脈沖信號。 過零脈沖信號必須受單片機輸出控制信息控制，從而控制SCR過零觸發(fā)脈沖的個數(shù)。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),數(shù)字

21、實現(xiàn)SCR的過零控制示意圖如圖8-6所示。由圖可見，過零脈沖控制電平信號的寬度與單片機輸出控制信號成正比關系。,圖8-6 數(shù)字實現(xiàn)SCR過零控制信號關系示意圖,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),數(shù)字實現(xiàn)SCR過零控制的硬件電路如圖8-7所示。,圖8-7 數(shù)字實現(xiàn)SCR過零控制硬件接口電路圖,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),它由緩沖放大器U1，電壓比較器U2A、U2B、U2C，單穩(wěn)態(tài)電路與門控電路所組成。其工作原理敘述如下：,將幅值為40V的工頻電壓Usr施加到緩沖放大器U1的輸入端。經(jīng)緩沖后，將其負半周電壓削波（這是為了與電壓比較器相匹配所必需的），送至電壓比較器U2A、U2B、U2C。,U2A

22、是電壓比較器組成的一個施密特觸發(fā)器，通過U2A的工頻正弦信號被整形成矩形波V2。V2再去觸發(fā)后一級的單穩(wěn)態(tài)電路，形成一個頻率為50Hz、脈寬約為7s的負脈沖信號。這個信號連至80C51單片機的 端，作為工頻電壓過零的同步信號。這就意味著，只要中斷請求 信號有效，即工頻電壓過零時刻到來。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),U2B、U2C組成工頻電壓的正負過零檢測電路。U2B、U2C輸出經(jīng)微分電路復合后去驅動后一級的單穩(wěn)態(tài)電路。單穩(wěn)態(tài)電路輸出一個頻率為100Hz、脈寬約為400s的正脈沖序列。然后通過門控電路U3去實現(xiàn)SCR的過零觸發(fā)。 80C51單片機設定P1.0位為輸出控制電平信號，加至門控電路

23、U3，用以控制SCR過零觸發(fā)的觸發(fā)脈沖數(shù)。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),圖8-7中各有關參考點的信號波形如圖8-8所示。,圖8-8 各參考點的信號波形,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),8.3.3 數(shù)字控制器的數(shù)學模型,1溫箱的數(shù)學模型和控制算法的選擇,根據(jù)實際測量，溫箱是一個近似一階慣性環(huán)節(jié)，以加熱功率為輸入，箱內(nèi)溫度為輸出，其傳遞函數(shù)可表示為,（8-4）,式（8-4）中T01000s，K010，由于采樣周期遠遠小于系統(tǒng)時間常數(shù)，所以可以應用模擬系統(tǒng)數(shù)字PID控制算法進行實時控制。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),2PID算法程序,PID算法采用增量式計算，位置式輸出。,（8-5）,式（8

24、-5）中，R為溫度給定值； 為第k次采樣值；ek為第k次誤差值；T為采樣周期；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間；Td為微分時間。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),8.3.4 溫度控制系統(tǒng)軟件設計,1數(shù)據(jù)采集程序,（1）采樣周期定時 根據(jù)溫度的采樣周期經(jīng)驗公式，選用采樣周期為15s。 采樣周期定時由50Hz工頻過零脈沖申請中斷次數(shù)累計得到。此功能由外部中斷1的中斷服務程序來實現(xiàn)。,（2）啟動A/D轉換 在外部中斷1的中斷服務程序中，若判斷采樣周期到時，發(fā)啟動A/D轉換信號，軟件選通8253的觸發(fā)信號，使8253的計數(shù)器工作。,（3）數(shù)據(jù)采集 當8253定時1s到時，即A/D轉換結束。此時由中斷設備

25、通知80C51。在外部中斷0的中斷服務程序中對被測的溫度數(shù)據(jù)進行采集。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),外部中斷0的中斷服務程序流程圖如圖8-9所示。,圖8-9 外部中斷0的中斷服務程序流程圖,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),程序清單如下：,ORG9000H PUSHACC；保護現(xiàn)場 PUSHPSW PUSHDPH PUSHDPL MOVDPTR, #2000H；讀入數(shù)據(jù) MOVXA, DPTR；先讀低8位數(shù)據(jù) CPLA MOV33H, A MOVXA, DPTR；再讀入高8位數(shù)據(jù) CPLA MOV32H, A,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),CLRC LCALLSUBA；求偏差 JB77H,

26、 INTA1 MOVA, 2EH ORLA, 2FH JZINTA1；偏差0，轉INTA1 LCALLPID；否則，轉PID控制算法 LCALLCOVR；將控制量轉換成N SJMPINTA2 INTA:SETBPSW.3；選擇內(nèi)部寄存器組1 MOVR2,#00H；置N=0，N放在R2、R3內(nèi)部寄存器中 MOVR3,#00H CLRPSW.3,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),INTA2:POPDPL；恢復現(xiàn)場 POPDPH POPPSW POPACC RETI SUBAEQU9800H PIDEQU9910H COVREQU9A20H,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),2輸出控制程序,輸出控制程序

27、主要完成兩個任務：,（1）識別工頻的過零時刻，并在過零時刻開啟和關閉控制門，以保證SCR主回路產(chǎn)生整數(shù)個正弦全波。 （2）保證門控電路的打開時間正比于單片機輸出控制量。,要完成上述任務，首先將單片機輸出控制量在主程序中換算成SCR回路中整數(shù)正弦全波個數(shù)N。由于信號反映工頻電壓過零時刻，因此只要在外部中斷1的中斷服務程序中執(zhí)行下述功能，主程序可以按照運算結果控制量的要求，實現(xiàn)SCR的過零控制。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),外部中斷1的中斷服務程序具體實現(xiàn)的功能是： 中斷時，完成控制門的開啟和關閉，即單片機P1.0位置“1”或“0”。 利用中斷服務次數(shù)，對控制量N進行計數(shù)和判斷，即每中斷一次，

28、對N進行減1計數(shù)。如果N0，保持控制電平P1.0為“1”，繼續(xù)打開控制門。如果N=0，則使控制電平P1.0復位為“0”，使SCR過零觸發(fā)脈沖不再通過，從而達到按控制量控制的效果。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),由于本系統(tǒng)的控制方式是一種“調(diào)功”方式。對于工頻交流電（f=50Hz），電熱絲在全導通時的功率為PH，則實際輸出功率P將和實際導通次數(shù)N成正比（設控制周期為1s），即,（8-6）,將uk變換為N的運算在主程序中運行。,外部中斷1的中斷服務程序流程圖如圖8-10所示。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),圖8-10 外部中斷1的 中斷服務程序流程圖,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),外部中斷1

29、的中斷服務程序清單如下：,ORG0050H PUSHACC；保護現(xiàn)場 PUSHPSW PUSHDPH PUSH DPL SETBPSW.3 MOVA, R2 ORLA, R3 JNZINTB1；判斷N=0？ CLRP1.0；N=0，轉INTB2，P1.0清0 SJMPINTB2,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),INTB1：SETBP1.0；N0，置P1.0為1 DECR3 MOVA, R2 SUBBA, #00H MOVR2, A；N-1N INTB2：DECR5 MOVA, R4 SUBBA, #00H MOVR4, A ORLA, R5；采樣周期數(shù)減1 JZINTB3 SJMPINTB4,

30、8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),INTB3：MOVR5, #0EEH；采樣周期數(shù)為0，恢復采樣周期計數(shù)單元初值 MOVR4, #02H MOVDPTR, #4001H MOVXDPTR, A；啟動A/D INTB4：CLRPSW.3 POPDPL；恢復現(xiàn)場 POPDPH POPPSW POPACC RETI：中斷返回,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),3主程序,（1）系統(tǒng)初始化 包括清數(shù)據(jù)存儲區(qū)、建棧、定時器T0初始化、8253初始化（送控制字和計數(shù)初值）、確定中斷優(yōu)先權、開中斷等。,（2）中斷等待 完成了系統(tǒng)初始化任務后，主程序執(zhí)行中斷等待程序。等待工頻過零同步中斷與A/D轉換結束中斷。為了保

31、證正弦波的完整，工頻過零同步中斷被確定為高一級的中斷源。,主程序的程序流程圖如圖8-11所示。,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),圖8-11 主程序的程序流程圖,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),主程序的程序清單如下：,ORG0000H START：MOVR1, #10H MOVR0, #30H MOVA, #00H；清數(shù)據(jù)區(qū) ATAT1：MOVR0, A INCR0 DJNZR1, ATAT1 SETBPSW.3 MOVR4, #02H；賦采樣周期值 MOVR5, #0EEH CLRPSW.3 MOVSP, #60H；建棧 MOV TMOD, #06H；置單片機定時器T0為工作方式2 MOVTL

32、0, #0FFH；置計數(shù)器初值,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),MOVTH0, #0FFH MOVDPTR, #2003H；寫控制字 MOVA, #34H；選計數(shù)器0為方式2 MOVXDPTR, A；讀寫方式為先低后高，二進制計數(shù) MOVA, #64H；選計數(shù)器1為方式2 MOVXDPTR, A；只讀/寫低位字節(jié) MOVA, #0B4H；選計數(shù)器2為方式2 MOVXDPTR, A；讀寫方式為先低后高，二進制計數(shù) MOVDPTR, #2000H；指向計數(shù)器0的口地址 MOVA, #0FFH；送計數(shù)器0初值的 MOVXDPTR, A；低8位 MOVXDPTR, A；高8位 MOVDPTR, #20

33、01H；指向計數(shù)器1的口地址 MOVA, #16H；送計數(shù)器1初值的,8.3 儀器用溫箱溫度控制系統(tǒng),MOVXDPTR, A；低8位 MOVDPTR, #2002H；指向計數(shù)器2的口地址 MOVA, #60H；送計數(shù)器2初值的 MOVXDPTR, A；低8位 MOVA, #0E3H；送計數(shù)器2初值的 MOVXDPTR, A；高8位 SETBIT0；外部中斷0為邊沿觸發(fā)方式 SETBIT1；外部中斷1為邊沿觸發(fā)方式 SETBTR0；啟動定時器T0 MOVIP, #06H；送中斷優(yōu)先權控制字 MOVIE, #87H；送中斷控制字 MAIN: ；主程序,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),8.4.1 產(chǎn)品

34、自動裝箱控制系統(tǒng)的原理及操作流程,1產(chǎn)品自動裝箱系統(tǒng)的原理,產(chǎn)品自動裝箱系統(tǒng)的原理，如圖8-12所示。,圖8-12 產(chǎn)品自動裝箱系統(tǒng)的原理圖,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),該系統(tǒng)有兩個傳送帶，即包裝箱傳送帶1和產(chǎn)品傳送帶2。包裝箱傳送帶1用來傳送產(chǎn)品包裝箱，其功能是把己經(jīng)裝滿的包裝箱運走，并用一只空箱來代替。為使空箱恰好對準產(chǎn)品傳送帶的末端，使傳來的產(chǎn)品剛好落入箱中，在包裝箱傳送帶1的中間裝一光電檢測器1，當包裝箱到位時，光電檢測器1發(fā)出一個脈沖。產(chǎn)品傳送帶2將產(chǎn)品從生產(chǎn)車間傳送到包裝箱。當某一產(chǎn)品被送到傳送帶的末端，會自動落入箱內(nèi)，同時檢測器2輸出一個計數(shù)脈沖。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng)

35、,2產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng)的操作流程,系統(tǒng)操作流程如下：, 用鍵盤設置每個包裝箱的滿箱零件數(shù)量以及每批產(chǎn)品的箱數(shù)，并分別存放在PRODUCTS和BOXES單元中。 接通電源，使傳送帶1的驅動電機運轉，帶動包裝箱前行。通過檢測光電傳感器1的狀態(tài)，判斷傳送帶l上的包裝箱是否到位。若光電傳感器1的狀態(tài)為0，說明包裝箱沒到位，否則說明到位。 若包裝箱運行到位，則關斷電機電源，使傳送帶1停止運動，等待產(chǎn)品裝箱。 啟動傳送帶2的驅動電機，使產(chǎn)品沿傳送帶向前運動，并裝入箱內(nèi)。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng), 當產(chǎn)品一個一個地落下時，檢測器2將產(chǎn)生一系列脈沖信號，由計算機進行計數(shù)，并不斷地與存放在PRODUCT

36、S單元中的給定值進行比較。 當零件數(shù)值未達到給定值時，控制傳送帶2繼續(xù)運動（裝入產(chǎn)品），直到零件個數(shù)與給定值相等時，停止傳送帶2，不再裝入零件。 再次啟動傳送帶1，使裝滿產(chǎn)品的箱體繼續(xù)向前運動，并把存放箱子數(shù)的內(nèi)存單元加1，然后再與給定的產(chǎn)品箱數(shù)進行比較。如果箱數(shù)不夠，則帶動下一個空箱到達指定位置，繼續(xù)上述過程。直到產(chǎn)品箱數(shù)與給定值相等，停止裝箱過程，等待新的操作命令。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),8.4.2 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng)的硬件設計,產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng)的原理圖如圖8-13所示。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),1鍵盤及顯示電路,為了使系統(tǒng)簡單，設計了一個由二極管矩陣組成的編碼鍵盤，用

37、以輸入包裝箱滿箱產(chǎn)品數(shù)量及每批產(chǎn)品的箱數(shù)，如圖8-14所示。,顯示電路部分采用PB口和PC口的高4位分別作為段選線和位選線，采用動態(tài)顯示。,當任何一個鍵按下時，四輸入與非門74LS20產(chǎn)生一個高電平選通信號KEYSTROBE，此信號經(jīng)反相器后向80C51申請中斷。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),圖8-14 編碼鍵盤原理圖,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),2電機控制電路,包裝系統(tǒng)控制電路主要有兩部分：一是信號檢測，光電檢測器1判斷包裝箱是否到位，光電檢測器2用于裝箱產(chǎn)品計數(shù)；二是傳送帶電機控制。,本系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器驅動電機，其控制電路原理如圖8-15所示。由于其內(nèi)部采用了光電隔離技術，因此其具有

38、很高的抗干擾能力。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),圖8-15 電機控制電路,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),在圖8-15中，8255A的PC0控制傳送帶1的驅動電機，PC1控制傳送帶2的驅動電機。當按下啟動鍵（START）后，使PC0輸出高電平，經(jīng)反相后變?yōu)榈碗娖?，固態(tài)繼電器（SSRl）發(fā)光二極管亮，因而使得SSRl導通，交流電機通電，使傳送帶1帶動包裝箱一起運動。當包裝箱行至光源與光電檢測器1之間時，光被擋住，使光電傳感器輸出為高電平。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),當單片機檢測到此高電平后，PC0輸出低電平，傳送帶1電機停止。并同時使傳送帶2電機通電（PC1輸出高電平），帶動產(chǎn)品運動，使產(chǎn)品

39、落入包裝箱內(nèi)。當產(chǎn)品經(jīng)過檢測器2的光源與光電傳感器之間時，光電傳感器輸出高電平。當單片機檢測到此信號后在計數(shù)器中加1，并送顯示。然后再與給定的產(chǎn)品的數(shù)量值進行比較。如果計數(shù)值小于給定值，則繼續(xù)計數(shù)；一旦計數(shù)值等于給定值，則停止計數(shù)：此時關斷傳送帶2的電源，并接通傳送帶1的電源，讓裝滿產(chǎn)品的箱子移開，同時帶動下一個空箱到位，并重復上述過程。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),8.4.3 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng) 的軟件設計,產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng) 主程序流程圖如圖8-16所示。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),在輸入給定值中斷服務程序中，讀入該鍵盤給定值，一方面存入相應的給定單元（PRODUCTS或BOXE

40、S），另一方面送去顯示，以便操作者檢查輸入的給定值是否正確。本程序輸入的順序是先輸入包裝箱數(shù)（4位，最大值為9999，按千位、百位、十位、個位順序輸入），然后再輸入每箱裝的產(chǎn)品數(shù)（4位，最大值為9999，輸入順序同包裝箱）。完成上述任務的中斷服務程序流程如圖8-17所示。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),圖8-17 輸入給定值中斷服務程序,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),在編制程序時設置的有關內(nèi)存單元如圖8-18所示。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),其中20H單元的00H03H位分別代表電機1、電機2、報警和正常運行標志單元；21H單元的08H和09H兩位作為產(chǎn)品及包裝箱計數(shù)標志單元。若08H單元

41、的計數(shù)值等于給定值時，則此位標志單元置1，停止計數(shù)，并把裝滿的包裝箱運走且重新運來一個空箱；否則該單元置0。若09H單元的計數(shù)值等于給定值時，則此位標志單元置1，說明包裝箱數(shù)已夠，可以重新開始下一輪包裝生產(chǎn)控制過程。若如果計數(shù)單元的值超過給定值，將產(chǎn)生報警，告知操作人員計數(shù)有誤，此時系統(tǒng)會自動停下來，等待操作人員處理。,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),部分程序清單如下：,ORG0000H AJMPMAIN ORG0003H AJMPINT0 LED1EQU22H LED2EQU23H LED4EQU24H LED5EUQ25H BOX1EQU26H BOX2EQU27H BOX3EQU28H B

42、OX4EQU29H PRICNTEQU32H BUFFEQU33H,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),LEDADD1EQU8000H；千位數(shù)顯示地址 LEDADD2EQU8400H；百位數(shù)顯示地址 LEDADD3EQU8800H；十位數(shù)顯示地址 LEDADD4EQU8C00H；個位數(shù)顯示地址 ；控制主程序 MAIN:MOVSP, #50H CLRPSW.4 SETBPSW.3；選擇寄存器組1 MOVR0, #22H MOVA, #00H MOVR1, #12H,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),CLRZERO:MOVR0, A；清計數(shù)、給定值單元 INCR0 DJNZR1, CLRZERO MOV20

43、H, #00H；清控制單元 MOV21H, #00H MOVDPTR, #7FFFH；8255A初始化 MOVA, #90H MOVXDPTR, A SETBIT0；設置邊沿觸發(fā)方式 SETBEX0；設置中斷方式0 SETBEA；開中斷 MOVR0, #2AH MOVDPTR, #LEDADD1；保護顯示位地址,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),WAIT:MOVA, PRECNT；等待設置給定參數(shù) CJNEA, #08H, WAIT；判斷是否輸入完給定值 WOKS:SETB00H；設置啟動傳送帶電機1位 SETB03H；設置工作正常指示燈位MOVA, 20H；啟動電機1和正常指示燈 MOVDPTR

44、, #7FFEH MOVXDPTR, A MOVDPTR, #7FFCH LOOP1:MOVXA, DPTR JNBACC.7, LOOP1；判斷包裝箱是否到位 MOVLED1, #00H；清產(chǎn)品件數(shù)計數(shù)單元 MOVLED2, #00H MOVLED3, #00H MOVLED4, #00H,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),LCALLDISPLAY；顯示產(chǎn)品件數(shù) CLR00H；停包裝箱傳送帶電機位 SETB01H；設置啟動產(chǎn)品傳送電機位 MOVA, 20H；啟動產(chǎn)品傳送電機 MOVDPTR, #7FFEH MOVXDPTR, A LOOP2:MOVDPTR, #7FFCH MOVXA, DPTR

45、 JNBACC.6, LOOP2；判斷是否有產(chǎn)品 JNBACC.4, STOP；判斷是否按下停止鍵 LCALLPARTADD1；產(chǎn)品件數(shù)加1 LCALLDISPLAY；顯示已經(jīng)裝入的產(chǎn)品件數(shù) LCALLPARTCOMP；與給定值比較 JB08H, STOPM；已經(jīng)裝滿 AJMPLOOP2；未裝滿，繼續(xù)等待裝入,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),STOPM:LCALLBOXADD1；包裝箱數(shù)加1 LCALLBOXCOMP；看是否已經(jīng)裝夠箱數(shù) JB09H, FINISH；如果箱數(shù)已經(jīng)裝夠，則結束 LJMPWORK；否則，繼續(xù)換新箱包裝 FINISH:CLR00H；全部裝完，不用重新設置參 數(shù)，則可繼續(xù)

46、包裝 CLR01H MOVA, 20H MOVDPTR, #7FFEH MOVXDPTR, A MOVBOX1, #00H MOVBOX2, #00H MOVBOX3, #00H MOVBOX4, #00H,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),LOOP3:MOVDPTR, #7FFCH MOVXA, DPTR JBACC.5, LOOP3 LJMPWORK；再進行下一輪包裝,；停止鍵處理子程序 STOP:CLR00H；停止傳送帶電機 CLR01H MOVA, 20H MOVDPTR, #7FFEH MOVXDPTR, A LJMPMAIN；轉到主程序，等待重新輸入新的給 定值,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控

47、制系統(tǒng),；設置給定值中斷服務子程序 INT0:MOVDPTR, #7FFCH；讀入給定值 MOVXA, DPTR MOVR0, A MOVDPTR, #7FFDH；送8255A的PB口 MOVXDPTR, A POPDPL；取出顯示位地址 POPDPH MOVXDPTR, A MOVA, DPH ADDA, #04H；求出下一個顯示位地址 MOVDPH, A PUSHDPH ；保護下一位顯示地址 PUSHDPL INCR0；計算下一個給定值地址 INCPRECNT；設置參數(shù)計數(shù) RETI,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),；產(chǎn)品件數(shù)加1子程序 PARTADD1:MOVR0, #LED4 MOVA,

48、 R0 ADDA, #01H DA A JB2CH, PARTADD2 RET PARTADD2:CLR2CH DECR0 MOVA, R0 ADDA, #01H DA A JB24H, PARTADD3 RET,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),PARTADD3:CLR24H DECR0 MOVA, R0 ADDA, #01H DAA JB1CH, PARTADD4 RET PARTADD4:CLR1CH DECR0 MOVA, R0 ADDA, #01H DAA JB14H, PARTADD5 RET PARTADD5:CLR14H MOVR0, #00H RET,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng)

49、,；產(chǎn)品件數(shù)比較子程序 PARTCOMP:MOVR0, #2EH；給定產(chǎn)品件數(shù)地址 MOVR1, #LED1；產(chǎn)品件數(shù)單元首地址 MOVR2, #04H COMP1:MOVA, R0 MOVBUFF, R1 CJNEA, BUFF, COMP2 INCR0 INCR1 DJNZR2, COMP1 SETB08H；已經(jīng)裝滿，置裝滿標志 RET,8.4 產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng),COMP3:CLR08H RET COMP2:JNCCOMP3 LJMPALARM,；報警處理子程序 ALARM:SETB02H CLR00H CLR01H CLR03H MOV A, 20H MOVDPTR, #7FFEH

50、MOVXDPTR, A LJMPMAIN,8.5 自動剪切機控制系統(tǒng),8.5.1 自動剪切機的組成及工作過程,自動剪切機就是要求剪開大塊板材，并由裝運小車運到包裝線。其工作原理圖如圖8-19所示，它由送料機構、工作臺、壓塊、剪切刀、裝運小車等組成。,8.5 自動剪切機控制系統(tǒng),圖中一些限位開關的初始狀態(tài)為：當被剪切的板材未送足夠長度時，SA1斷開；壓塊未壓下時，上限開關SA2和下限開關SA3均斷開；剪切機未落下時，SA4斷開；裝運小車空載時，SA6斷開；小車未到裝板位置時，SA5斷開。自動剪切機的工作過程如下：, 讀入限位開關SA6的狀態(tài)，判斷裝運小車是否空載。若是空載，則可以開始工作。 啟動

51、控制電機M，使裝運小車向左運動，到達限定位置時，SA5閉合，M停轉，裝運小車等待裝載剪切下來的板料。 啟動送料機構電動機M3，帶動板料C向右運動。當板料碰到限位開關SA1時，SA1閉合，停止送料。,8.5 自動剪切機控制系統(tǒng), 啟動電動機M2，壓塊下落，上限開關SA2閉合。當壓塊壓緊板料時，下限開關SA3也閉合。 啟動電動機M1，帶動剪刀下落，SA4閉合，直到把板料剪斷。當板料下落通過光電開關SA7時，SA7輸出一個脈沖，使T0計數(shù)器加1。 使M1、M2斷電，壓塊和剪刀在機械機構作用下向上抬起。當回到初始位置時，SA2、SA3、SA4均斷開。 判斷裝運小車上的板料是否夠數(shù)，如果不夠，則繼續(xù)重復步驟；若夠數(shù)，則啟動電動機M右行，把切好的板料送到包裝線。板料卸下后，再啟動裝運小車重新返回到剪板機下，并開始下一車的裝料工作。,8.5 自動剪切機控制系統(tǒng),在上述的4臺電動機中，M1、M2、M3是單相交流電動