2022年单片机控制系统概述.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单片机原理与应用,天津工程师范学院自动化工程系,卢胜利 主讲,第,1,章,概述,微型计算机可分为两类：一类是,独立使用的微机系统,。如个人电脑、各类办公用微机、工作站等；一类是,嵌入式微机系统,，它是作为其它系统的组成部分使用的，物理结构上嵌于其它系统之中。英文为,Embedded Systems,。嵌入式系统是将计算机硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能和任务。单片机最早是以嵌入式微控制器的面貌出现的，是系统中最重要和应用最多的智能器件。单片机以其集成度和性价比高、体积小等优点在工业自动化，过程控制、数字仪器仪表、通信系统以及家用电器产品中有着不可替代的作用。,全书十一章，分为概述、51系列单片机,CPU,的硬件结构、指令系统、程序设计、存储器与并行,I/O,接口的扩展、过程输入通道与接口、过程输出通道与接口、人机接口、数字控制器、抗干扰技术、系统设计及综合实验等。,C51,高级语言编程在程序设计一章中单列一节，综合实验在最后一章系统设计及综合实验中单列一节。,单片机,也叫微控制器,(,英文为,Microcontroller),与控制技术之间有着不可分割的联系,是自动控制方面必不可少的先备知识。现代控制技术是以微控制器作为核心部件的技术。由此构成的控制系统作为当今工业控制的主流系统，已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作管理的人工职能，并具有较高级复杂的计算方法和处理方法，使受控对象的动态过程按规定方式和技术要求运行，以完成各种过程控制、操作管理等任务。特别是近年来随着嵌入式系统在交通、通信、工业、仪器、医疗等领域的广泛应用而深入到各行业的诸多领域。,单片机与控制技术是关于单片机与控制系统方面的技术，是单片机、控制、电子、网络通信等多学科内容的集成。,1,.,1,单片机控制系统的概念,一、,单片机控制系统的发展概况,电子计算机,于,1946,年在美国诞生。在随后的几十年里飞速发展，特别是自,1972,年微机诞生以来，在信息处理、逻辑分析决策判断、输入输出管理等方面显示了优异的性能，引起了自动控制领域的兴趣，并且,嵌入到对象,体系，如舰船、机车、生产线、车间、大型机床中去，,承担信号采集、实时数据处理、智能化决策、输出驱动控制等功能。,这些计算机系统嵌入到对象体系中后，便失去了通用计算机系统的形态和功能，变成了形形色色的自动化系统，也,既所谓的嵌入式系统,。可分为,系统级、板级和芯片级,。系统级为各种类型的工控机，各种总线方式的工控机或模块组成的工控机；板极有各种类型的带,CPU,主板及,OEM,产品；,器件级则以单片机最为典型,。而单片机自,1974,年问世以来，发展非常迅速。世界上几大计算机公司，如,GI,公司、,Rockwell,公司、,Intel,公司、,Zilog,公司、,Motorola,公司、,NEC,公司等，都纷纷推出了自己的单片机系列。目前，,8,位和,16,位单片机已普遍使用，,32,位超大规模集成电路单片机也已面世，同时性能也在不断提高。,与此同时，计算机控制理论也与计算机技术同步发展，为计算机控制系统提供了分析设计的理论基础。香农（,Shannon,）,在,1949,年完成的采样定理解决了采样值复现信号的理论问题。,1952,年被定义的,Z,变换经改进，在,50,年代末成熟并引出脉冲传递函数的概念，提供了分析设计采样系统的有效数学工具。当时，可用差分方程描述离散系统，用差分方程的特征根来定义系统稳定性。对于现代工业日趋复杂的问题，,1962,年庞特里亚金确定了最优化控制的极大值理论，,Kalman,建立了控制系统的状态空间表示法，奠定了现代控制理论发展的基础。由于现代控制理论应用于现代航天工业取得辉煌的成果，,60,年代初到,70,年代末掀起了现代控制理论向过程控制领域推广应用的热潮。除线性多变量系统和最优控制理论外，随机控制，自适应控制，大系统控制等理论逐步成熟起来。,二十多年来的应用事实证明，单片机性能稳定可靠。较好实现了以软件取代模拟或数字电路硬件并提高系统性能的功效，改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。许多国内外厂家工业控制计算机系统的各类插版或功能块也较多采用,51,系列芯片，如美国,Honewell,公司,TDC-3000,系统的过程管理机,PM,等。,51,系列,8,位单片机,既经典又具生命力，其历史可以划分三个发展阶段。,第一阶段,是,MCS,51,系列迅速推进到,80,C51,系列，满足各种嵌入式应用要求。,第二阶段,是基于,FLASH ROM,技术的,AT89CXX,系列，目前国内使用较多。,第三阶段,是当前推出的,C8051F,产品，其性价比更具优势。,同时，,16,位、,32,位处理器的强大发展势头，特别是,32,位嵌入式,CPU,的丰富功能，如,ARM7,、,ARM9,等系列芯片，在工业控制领域不断占据了高端微控制器市场的较大份额，同时也在逐步向低端控制器领域扩展。,对普通高等学校的学生而言，国内普及的,51,系列单片机及其在控制方面的主要技术有代表性，也比较容易学习和掌握。教学选用这种机型可以达到举一反三的效果。,二、,单片机控制系统,（应用系统）,的组成,单片机控制系统由单片机系统和工业对象组成。单片机系统有硬件和软件两部分，硬件是指单片机本身及外围设备实体，,包括单片机、过程输入输出通道及接口、人机联系设备及接口、外部存储器等。,软件是指管理单片机的程序以及过程控制的应用程序，,由系统软件和应用软件组成。,生产过程包括被控对象,、测量变送、执行机构和电气开关等装置。,一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时系统必定是在线系统。,四、,单片机控制系统的特点,与常规模拟系统相比，单片机控制系统具有 突出的特点：,1,技术集成和系统复杂程度高,2,可靠性高和可维修性好,3,抗干扰能力强,4,控制的多功能性,5,应用的灵活性,此外，单片机控制系统还具有,技术更新快、信息综合性强、内涵丰富、操作便利,等特点。,12 单片机控制系统的分类,五种类型：,1,、计算机操作指导控制系统,2,、直接数字控制系统,3,、监督计算机控制系统,4,、集散型控制系统,5,、现场总线控制系统,计算机操作指导系统,直接数字控制系统,(,DDC),监督计算机控制系统（,SCC,）,集散型控制系统（,DCS,）,现场总线控制系统（,FCS）,1.3,单片机控制的主要研究内容,一、,技术性能指标,从系统稳定性、稳态精度、动态特性、使用特性、先进可靠程度和产品质量等方面考察：,1,控制系统的稳定裕量,控制系统在给定输入作用或干扰作用下，输出量必须是稳定的，即过渡过程只能是振荡衰减或单调衰减，不允许出现发散或等幅振荡的情况。,在连续系统中为了衡量控制系统的稳定程度，引进稳定裕量的概念，稳定裕量包括相角裕量和幅值裕量。同样，微机控制系统中，可以引入连续系统中稳定裕量的概念。因此，也可以用相角裕量和幅值裕量来衡量微机控制系统的稳定程度。,2,稳态指标,稳态指标是衡量微机控制系统精度的指标，用稳态误差来表征。稳态误差是输出量,Y,（,t的稳态值,Y(),与要求值,Y,0,的差值，定义为,e,ss,=Y,0,Y(),（）,e,ss,表示了控制精度，越小越好。稳态误差,e,ss,与控制系统本身特性有关，也与作用于系统的输入信号类型有关。,3,动态指标,包括超调量,p,，,调节时间,t,s,，,峰值时间,t,p,，,振荡次数,N,和衰减比,。,图,1-10,是系统过渡过程特性,二、,研究内容,输入数据处理,对模拟量来说，一般要进行采样、增益最佳化、,A/D,转换、规格化、合理性检查、零偏校正、热电偶冷端补偿、线性化处理、超限制判断、工程量变换、数字滤波、温度和压力校正、开方处理、上、下限报警等处理，对脉冲序列进行瞬时值变换及累积计算。,2,输出处理,数字输出可有三种不同的形式：,1,）,瞬时输出式,信号一消失，触点断开。,2,）,延时输出式,信号消失，延时一段时间后触点才断开。,3,）,锁定输出式,触点闭合后，待下次信号来时才断开。,3 单片机控制的主要研究内容一、技术性能指标,单片机以其集成度和性价比高、体积小等优点在工业自动化，过程控制、数字仪器仪表、通信系统以及家用电器产品中有着不可替代的作用。,单片机把通过测量元件、变送单元和A/D转换接口送来的数字信号直接反馈到输入端与设定值进行比较。,7）对通信总线上所连接的设备进行组态，并将组态结果装载到对应设备；,现场总线控制系统（FCS）,监督计算机控制系统（SCC）,三、单片机控制系统的结构和原理,3抗干扰能力强,嵌入式系统是将计算机硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能和任务。,这些计算机系统嵌入到对象体系中后，便失去了通用计算机系统的形态和功能，变成了形形色色的自动化系统，也既所谓的嵌入式系统。,卢胜利 主讲,单片机最早是以嵌入式微控制器的面貌出现的，是系统中最重要和应用最多的智能器件。,8）完成系统的自诊断和故障维修。,主要功能有以下几个方面：,（4）计算机方式（COMP）,2,）逻辑控制,3,）顺序控制,4,）批量控制,人,-,机接口功能,主要功能有以下几个方面：,1,）,对全部过程变量进行各种格式的显示，并允许操作人员对过程进行干预，如参数调整、状态切换、紧急处理等；,2,）,对过程变量的历史数据进行处理和存贮；,3,）,显示和打印过程报警；,4,）,编制和调用各种用户显示画面；,5,）,编制和打印各种报表；,6,）,组态和装载监视、控制和管理软件；,7,）,对通信总线上所连接的设备进行组态，并将组态结果装载到对应设备；,8,）,完成系统的自诊断和故障维修。,