1、微机原理及应用课程设计指导书兰州理工大学电子信息工程系前 言“微机原理及应用” 是一门实践性和实用性都很强的课程，学习的目的在于应用。本课程设计是配合“微机原理及应用” 课堂教学的一个重要的实践教学环节，在本课程设计指导书中列举了一些常用的小型设计系统，旨在起到巩固课堂和书本上所学知识，加强综合能力，提高系统设计水平，启发创新思想的效果。全书共分两部分，第一部分是实例，书中所举实例均是在多年教学、实践的基础上开发、整理出来的。第二部分是要求学生所作的一些课程设计题目。我们希望每个学生都能自己动手独立设计完成一个典型的微机应用小系统。本书由电工教研室多年从事“微机原理及应用”的教师编写而成。电工
2、教研室2005 年 4 月目 录第一部分：实例第一章：微型计算机系统的设计步骤第二章：微型计算机系统的设计实例第二部分：微型计算机系统设计题目题目 1：微机控制的顺序控制系统题目 2：汽车倒车测距仪题目 3：机械手专用控制器的设计题目 4：家用电热淋浴器控制器的设计题目 5：公共场所安全报警系统题目 6：微型机控制的自动钻床系统题目 7：交通灯控制系统题目 8：温度多路数据采集系统题目 9：小型自动售货机计算可控制系统题目 10：步进电机控制系统题目 11：多功能密码锁题目 12：微型计算机退火炉温度控制系统题目 13：题目 14：第一章 微型计算机系统的设计步骤微型计算机控制系统的被控对象多
3、种多样，设备类型、控制方式和生产过程规模各有不同，但系统设计的基本任务和步骤大致是相同的。本节主要介绍一般的微型计算机控制系统设计过程中应考虑的问题。 设计微型计算机控制系统时，首先应考虑被控系统采用微型计算机控制的必要性，应用微型机控制后对被控系统的主要性能、生产技术指标和安全性、可靠性、可维护性是否有所改善，以及在采用微型机控制后的经济效益是否显著等。在进行了上述综合分析的基础上，再决定是否选用微型机控制。微型机控制系统的设计步骤：1、首先要通过调研熟悉控制系统的生产过程及工艺要求，根据工艺要求确定系统应完成的任务，再提出不同的总体方案进行比较后确定出系统的总体方案。2、确定控制算法，要测
4、出被控对象的数学模型，根据系统品质指标确定控制算法。控制系统中要求以计算机为控制中心，通过外围和接口电路，与被控对象联系起来。3、选择总线标准及微型计算机系统，根据被控系统对控制方式和外围设备以及计算速度进行实时控制的要求来选择微型计算机机型。4、根据系统的总体方案和所选微型计算机对系统进行硬件设计。5、根据微型机的总体方案、硬件系统及控制算法进行系统软件的设计。6、控制系统调试。下面就上述设计步骤分别作一介绍。一、确定控制系统的总体方案 在进行系统设计之前，必须先熟悉被控制对象的生产过程和工艺要求，对控制对象的工作过程进行深入的调查，根据实际应用中的问题提出具体控制要求，以确定系统所要完成的
5、任务；然后提出不同的总体方案进行比较论证，确定出系统的总体方案。1. 确定系统采用的控制方式从系统结构上考虑，是采用开环控制还是闭环控制，或者是控制加管理系统。对闭环控制系统，还要确定系统是采用直接数字控制(DDC)、监督控制 (SCC)，还是分级控制。2. 选择检测元件及执行机构根据被测参数和精度要求，选择检测元件。根据不同的被控对象选择合适的执行机构，如采用电机驱动、液压驱动或其他方式的驱动。易燃易爆环境则可采用气动阀等。3选择输人输出通道及外围设备根据被控对象的控制、监视和管理的具体要求，选择输入输出通道的配置并配备所需的外围设备。4画出整个系统的原理框图在上述讨论的基础上，进行方案的比
6、较论证，包括可行性分析和性能价格分析。在确定系统的总体方案时，对系统的硬件和软件功能应进行综合性考虑，因为系统的一个控制功能一般是既可以用硬件来完成，也可以由软件来完成，究竟采用什么方式，则要根据系统的实时性及硬件系统的性能价格比综合平衡后加以确定。一般情况下，用硬件来完成速度快，可节省 CPU 的大量时间，但这会使系统比较复杂，而且价格会高一些；用软件实现价格便宜，但要占用 CPU 较多的时间。所以一般的原则是在 CPU 时间允许的情况下，尽量采用软件，如果控制回路较多或者有些软件设计比较困难，则可考虑用硬件来完成。总之，一个控制系统哪一部分用硬件实现，哪一部分用软件实现，要结合具体情况进行
7、比较后再确定。二、确定控制算法当微型机控制系统总体方案确定后，采用什么控制算法才能使系统达到控制要求，是非常重要的问题。这一步工作的主要任务，就是确定系统的数学模型，根据数学模型确定系统的控制算法。所谓数学模型，就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输人输出及其内部状态之间的关系。通过实验测出系统的飞升曲线，由此曲线可确定出系统的数学模型。现经常采用计算机记录并绘制飞升曲线。确定出系统的数学模型以后，就可根据数字控制器的设计方法选择合适的控制算法。对于控制算法的选择，由于控制对象各不相同，控制对象的数学模型也各异，控制算法也是很多，如 PID 控制、纯滞后补偿，最小拍无波纹控制、自适应控制等
8、，选择哪一种控制算法主要取决于系统的特性和要求。(1)一般的控制可采用数字 PID 算法。(2)对于系统变化比较快的系统，如数字随动系统等，可采用最小拍无波纹调节控制。(3)对于具纯滞后的系统，如温度等可采用滞后补偿，如大林算法或 Smith 预估调节器等。以上所述仅是一般情况，某一个系统究竟采用何种控制算法要根据实验调试来确定。三、选择总线标准及微型机系统1总线标准(1)微型机总线 总线是一组传送规定信号或数据的公共通道。在计算机与测控系统中，广泛采用标准并行总线。市场上流行的总线有许多种，需要根据具体情况选用。(2)现场总线现场总线技术在进人 20 世纪 90 年代中期以来发展十分迅速，现
9、场总线是智能化仪表与计算机网络相结合的新一代产品。2选择微型计算机系统在系统的总体方案确定之后，微型机的选型就成为组成整个控制系统的关键。对此一般应考虑以下几个方面。(1)选型的根据和出发点选型要根据计算机的实时性、可靠性、处理能力、通信功能、运算速度、数据库、软件支持和性能价格比等。实时性 在过程控制中计算机对信号的输人和输出运算都要在一定的允许时间范围内，超出了这个时间范围，就失去了控制时机，如针织提花圆机针头的向上织线若错过，则所织花帽的花形就会出错，就会使花形走样。对于导弹控制系统目标状态变化量，必须在几毫秒内或几十毫秒内进行控制，否则就不能击中目标。可靠性及可维护性 可靠性和可维护性
10、是衡量数字控制系统的两个重要方面，它决定了数字控制系统的可利用率(运转率) 。如果两个故障引起的系统停机时间间隔越长，则对生产和科研的影响越小。处理能力 这里主要是指浮点运算、并行处理、快速存储等能力。(2)微型机控制系统的结构形式根据生产过程对控制和管理复杂程度、可靠性的要求以及生产系统处理上的分散程度来考虑选择集中式或分布式等。(3)微型计算机的选择 、根据生产过程、生产设备和生产环境的不同具体要求，以及系统的实时性、可靠性、可维护性选择不同的微型机设备。可选用一般的台式微型计算机、工业控制机、可编程控制器、单片微型机，也可选用标准系统总线的不同功能模块集成系统或利用开发系统自行设计开发。
11、四、 系统硬件及软件设计 1系统硬件设计系统硬件设计的主要任务是对接口电路、逻辑电路、电平转换电路、驱动放大电路、抗干扰电路及操作台等进行设计，其中大部分内容在相应课程中都有介绍，这里仅简单介绍操作台设计。 操作控制台是人机对话的纽带，其主要功能如下：(1)能将源程序输送到内存，或通过操作监视现场的工作情况。(2)具有显示和打印功能，能在显示装置或显示屏上显示生产过程的各状态参数生产流程画面及故障指示等，并能根据需要打印有关生产过程中的各种参数。(3)可根据生产工艺要求，修改检测点和控制点的控制参数及给定值。(4)能选择工作方式，起动、停止系统或完成某指定的功能和控制回路等。(5)能完成手动及
12、自动无扰切换，并应设有报警装置及紧急停止按钮，在紧急事故出现时使系统停止运行、进行故障处理。设计操作台时，应以操作方便简单、安全可靠为原则，并具有自保功能，即使是操作人员误操作也不会给生产带来严重后果。2系统的软件设计系统软件的设计应以实时性、针对性、灵活性和可靠性为原则，四者相辅相成，互为制约，缺二不可。微型机控制系统中的软件分为系统软件、应用软件和数据库管理软件三大部分。系统软件是由微型机设计者提供的，用来使用和管理计算机本身的程序；应用软件是面向用户的程序，它包括过程监视、过程控制计算及公共服务程序；多数据库及数据库管理系统软件主要应用于大量的数据管理及资料检索系统，比如建立存放数据的表
13、格和形式，以及查询、显示、调用和修改这些数据等。其中后两大部分一般均由用户自己编程，但近些年市场上也出现了一些具有不同功能的通用性用户软件。 用户采用哪一种语言来编写应用程序，主要取决于控制系统软件配备的情况和整个系统的要求。用户可以选用机器语言、汇编语言或高级语言来编写程序。用汇编语言编制应用软件较繁琐、工作量大、开发周期长、通用性差，有一定局限性，不便于交流推广，但优点是程序执行速度快。在工业控制中可采用结构化高级语言，如C 等。在一些系统中，有些功能不能用高级语言实现，或要求某个过程运行速度快一些，这时可采用高级语言带汇编语言的方法来实现，也是将汇编子程序作为一个外部过程，由高级语言来调用。 五、控制系统的调试 微型机控制系统设计完成之后，需对整个系统进行调试。调试的内容和具体步骤如下： (1)系统硬件调试 ： 首先应对系统硬件的不同功能部件进行调试，检查硬件各部件的正确性，然后进行系统硬件联调，最后
