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1、计算机控制技术全册配套最计算机控制技术全册配套最 完整精品课件完整精品课件2 高等学校计算机专业规划教材高等学校计算机专业规划教材 计算机控制技术计算机控制技术 编著编著 目目 录录 第一部分计算机控制系统的基础知识 第1章绪论 第2章输入输出接口技术 第3章人机交互接口技术 第4章程序控制与数值控制 第5章过程控制数字处理方法 第6章数字PID控制算法 第二部分 计算机控制系统的设计与实践 第7章计算机控制系统设计介绍 第8章监控组态软件设计与应用 第9章PLC控制系统设计 第10章单片机控制系统设计 第11章IPC控制系统设计 第12章嵌入式控制系统设计 第1章 绪 论 1.1计算机控制系

2、统概述 1.2计算机控制系统的分类 1.3计算机控制系统的发展趋势 1.1计算机控制系统概述 1.1.1计算机控制系统的概念 计算机控制系统就是利用 计算机(单片机、ARM、PLC、 PC机、工控机等)来实现生产过 程自动控制的系统。顾名思义， 计算机控制系统强调计算机是 构成整个控制系统的核心。将 自动控制系统中的模拟调节器 由计算机来实现，就组成了一 个典型的计算机控制系统，如 图 1-1所示。 图1-1典型的计算机控制系统框图 1.1.2计算机控制系统的组成 1 计算机控制系统的硬 件 计算机控制系统的组成框 图如图1-2所示。 1) 主机 2) 外部设备 3) 输入输出通道 4) 测量

3、元件和执行机构 图1-2计算机控制系统组成框图 2. 计算机控制系统的软件 1) 系统软件 2) 应用软件 1.2计算机控制系统的分类 1 操作指导控制系统 如图1-3所示，计算机根据 一定的算法，依据检测元件测 得的信号数据，数据处理系统 对生产过程的大量参数进行巡 回检测、处理、分析、记录以 及参数的超限报警等。 图1-3操作指导控制系统组成框图 2 直接数字控制系统 (Direct Digital Control， DDC) 如图1-4所示，计算机通过 测量元件对一个或多个物理量 进行循环检测，经采样、A/D 转换将被测参量转换为数字量， 并根据规定的规律进行运算， 然后发出控制信号直接

4、控制执 行机构，使各个被控量达到预 定的要求。 图1-4直接数字控制系统示意图 3. 监督控制系统 (Supervisory Computer Control, SCC) 1) SCC+模拟调节器控制系 统 该系统原理图如图1-5所示。 图1-5SCC+模拟调节器控制系统 2) SCC+DDC控制系统 该系统原理图如图1-6所示。 图1-6SCC+DDC控制系统 4. 集散控制系统 (Distributed Control System， DCS) DCS以计算机为核心，把 计算机、工业控制计算机、数 据通信系统、显示操作装置、 输入输出通道等有机地结合起 来，既实现地理上和功能上的 分散控制

5、，又通过高速数据通 道把各个分散点的信息集中进 行监视和操作，并实现高级复 杂规律的控制。 图1-7集散控制系统示意图 5. 现场总线控制系统 现场总线是用于现场仪表 与控制室之间的一种开放、全 数字化、双向、多站的通信系 统，它使系统成为具有测量、 控制、执行和过程诊断的综合 能力的控制网络。 1.3计算机控制系统的发展趋势 计算机控制系统的发展与 其核心组成部分微型计算 机的发展紧密相连。微型计算 机和微处理器自 20 世纪 70 年 代以来发展极为迅猛：芯片的 集成度越来越高，半导体存储 器的容量越来越大，控制系统 和计算机性能几乎每两年就提 高一个数量级。另外，大量新 型接口和专用芯片

6、不断涌现， 软件日益完善和丰富，这些都 大大扩展了微型计算机的功能， 为促进计算机控制系统的发展 创造了条件。 目前，计算机控制技术正 向智能化、网络化和集成化方 向发展。计算机控制系统的发 展趋势表现在以下几个方面： (1) 以工业 PC为基础的低 成本工业控制自动化将成为主 流。 (2) PLC在向微型化、网 络化、PC化和开放性方向发展。 (3) 面向测控管一体化设 计的 DCS系统。 (4) 控制系统正在向现场 总线(FCS)方向发展。 第2章 输入输出接口技术 2.1多路开关及采样/保持器 2.2开关量输入输出接口 2.3模拟量输入通道接口技术 2.4模拟量输出通道接口技术 2.5电

7、动机控制接口技术 2.1多路开关及采样/保持器 1. 多路开关 不少微控制器具有A/D转 换通道，但通道数有限，当采 集的模拟量较多时需扩展大量 的A/D转换器， 致使成本增加。 当模拟量的变化不是很快时， 可以采用多路开关来实现用较 少的通道采集较多模拟量的功 能。 图2-1CD4051原理电路图 在图2-1中，逻辑转换单 元完成TTL到CMOS的电平转 换。由此，这种多路开关输入 电平范围大，数字控制信号逻 辑“1”的电平可选为315 V， 模拟量可达15 V。CD4051可 以用做二进制3-8译码器，对 选择输入端C、B、A的状态进 行译码，以控制开关电路T， 使某一路开关接通，从而连接

8、 输入和输出通道。CD4051的 真值表见表2-1。 2. 采样/保持器 采样保持器的主要作用是： (1) 保持采样信号不变，以 便完成A/D转换； (2) 同时采样几个模拟量， 以便进行数据处理和测量； (3) 减少D/A转换器的输出 毛刺，从而消除输出电压的峰 值及缩短稳定输出值的建立时 间； (4) 把一个D/A转换器的输 出分配到几个输出点，以保证 输出的稳定性。 2.2开关量输入输出接口 计算机用于生产过程的自 动控制，需处理一类最基本的 输入输出信号，即开关量(数字 量)信号，这些信号包括开关的 闭合与断开、指示灯的亮与灭、 继电器或接触器的吸合与释放、 电机的启动与停止、阀门的打

9、 开与关闭等，这些信号的共同 特征是信号只有两个状态： “导通”和“截止”。 1. 开关量输入接口 设片选地址为PORT，可用 如下指令来完成取数操作： 2. 开关量输出接口 当执行OUT指令周期时， 产生IOW信号，使IOWCS 0，设片选端口地址为PORT， 可利用以下指令完成数据的输 出控制： 2.3模拟量输入通道接口技术 2.3.1A/D转换原理 A/D转换的常用方法有： 计数器式A/D转换、逐次逼近 型A/D转换、 双积分式A/D转 换和V/F变换型A/D转换。在这 些转换方式中，计数器式A/D 转换线路比较简单，但转换速 度较慢，所以现在很少应用。 这里介绍逐次逼近型A/D转换 原

10、理， 如图2-2所示。 图2-2逐次逼近型A/D转换原理 2.3.28位A/D转换器 1. 电路组成及转换原理 ADC08080809都是带有 8位A/D转换器、8路多路开关、 与微型计算机兼容的控制逻辑 的CMOS组件。8位A/D转换器 采用逐次逼近法。在A/D转换 器内部含有一个高阻抗斩波稳 定比较器、一个带有模拟开关 树组的256电阻分压器，以及一 个逐次逼近寄存器。8路的模拟 开关由地址锁存器和译码器控 制，可以在8个通道中任意访问 一个单边的模拟信号。其原理 框图如图2-3所示。 图2-3ADC0808/0809原理框图 2 ADC0808/0809的引脚 功能 ADC0808/08

11、09的引脚图如 图2-4所示。 图2-4ADC0808/0809引脚图 3 时序 ADC0808/0809的启动脉冲 START和地址锁存允许脉冲 ALE的上升沿将地址送上地址 总线，模拟量经C、B、A选择 开关所指定的通道送至A/D转 换器，在START信号下降沿的 作用下，逐次逼近过程开始； 在时钟的控制下，一位一位地 逼近。 转换结束后，信号EOC 呈低电平状态。由于逐次逼近 需要一定的过程， 在此期间， 模拟输入值应维持不变，比较 器需一次次进行比较，直到转 换结束。此时，若计算机发出 一个允许命令(OE呈高电平)， 则可读出数据。 4 ADC0808/0809的技术 指标 (1) 单

12、一电源，+5 V供电， 模拟输入范围为05 V。 (2) 分辨率为8位。 (3) 最大不可调误差： ADC08081/2LSB； ADC08091LSB。 (4) 功耗为15 mW。 (5) 转换速度取决于芯片的 时钟频率，时钟频率范围为 101280 kHz。当CLOCK等于 500 kHz时，转换速度为128 s。 (6) 可锁存三态输出，输出 与TTL兼容。 (7) 无需进行零位及满量程 调整。 (8) 温度范围为- 40+85。 2.3.38位A/D转换器接口技术 1. 模拟量输入信号的连 接 2. 数字量输出引脚的连 接 3. A/D转换器的启动方式 4. 转换结束信号的处理 方法

13、5. 参考电平的连接 6. 时钟的连接 7. 接地问题 2.3.48位AD转换器的程序 设计 例2.1如图2-5所示，试 用中断方式编写程序，对IN5通 道上的数据进行采集，并将转 换结果送入内部RAM20H单元。 图2-5ADC0809与8031的接线图 2.4模拟量输出通道接口技术 2.4.1D/A转换器原理 D/A转换器由参考电源(标 准电源)、数字开关控制、模拟 转换、数字接口及放大器组成， 其原理图如图2-6 所示。 图2-6D/A转换器原理图 R2R T形解码网络的原 理电路图如图2-7所示。 在图2-7中，整个电路由若 干个相同的支路组成，每个支 路包括两个电阻和一个开关。 开关

14、Si是按二进制位进行控制 的。当Di=1时，开关置向左方， 使加权电阻与电流输出端Iout1接 通；Di=0时，开关动作，将加 权电阻与电流输出端Iout2连通。 由于Iout2接地，Ioutl为虚地， 所以 图2-7R2R T形解码网络的原理图 流过每个权电阻Ri的电流依 次为 由于Iout1端输出的总电流是 置“1”各位加权电流的总和， Iout2端输出的总电流是置“0”各 位加权电流的总和， 所以，当D/A转换器输入为全 “1”时，Iout1和Iout2分别为 当运算放大器的反馈电阻 Rf等于反向端输入电阻R时， 其输出模拟电压为 对于任意二进制码，其输出模 拟电压为 当ai1或ai=0

15、时，由上式便可 得到相应的模拟量输出。 2.4.28位D/A转换器及其接口 技术 1. DAC0832的结构及原理 DAC0832 D/A转换器的内 部具有两级输入数据缓冲器和 一个R2R T形电阻网络，其 原理框图如图2-8所示。 图2-8DAC0832原理框图 2. DAC0832的引脚功能 DAC0832芯片的引脚排列 如图2-9所示。 图2-9DAC0832引脚排列 3. D/A转换器的输出方式 (1) 单极性电压输出。 (2) 双极性电压输出。 图2-10DAC0832单极性电压输出电路 图 图2-11DAC0832双极性电压输出电路 由图2-11可求出D/A转换器 的总输出电压:

16、代入R1(2R)、R2(R)、R3(2R)的 值可得 (3) 标准电流输出。 4. 8位D/A转换器与单片机 的接口及程序设计 (1) 数字量输入端的连接。 (2) 外部控制信号的连接。 (3) D/A转换器与单片机的 接口及程序设计应用举例。 直通方式。 单缓冲方式。 图2-12DAC0832单缓冲方式接线 例2.2DAC0832用作波 形发生器。试根据图2-12接线， 分别写出产生锯齿波、三角波 和方波的程序，产生的波形如 图2-13所示。 图2-13例2.2所产生的波形 解针对图2-12， DAC0832采用的是单缓冲单极 性的接线方式，它的选通地址 为7FFFH。 锯齿波程序： 三角波

17、程序： 方波程序： 双缓冲方式。所谓双缓 冲方式，就是把DAC0832 的两个锁存器都接成受控锁存 方式。双缓冲方式DAC0832的 连接如图2-14所示。 图2-14带数据锁存器的D/A转换器与单片机 的连接 例2.3DAC0832用作波 形发生器。试根据图2-14接线， 分别写出产生锯齿波、三角波 和方波的程序，产生的波形如 图2-15所示。 图2-15例2.3所产生的波形 解由图2-14可以看出， DAC0832采用的是双缓冲双极 性的接线方式，输入寄存器的 地址为FEH，DAC寄存器的地 址为FFH。 锯齿波程序： 三角波程序： 方波程序： 2.5电动机控制接口技术 1. 电机控制接口

18、 直流电机与微型机接口可 采用以下几种方法： 光电隔离器+大功率场效应 管； 固态继电器； 专用接口芯片； 专用接口板。 图2-16采用固态继电器的直流电机控制电路 原理图 2. 交流电机控制接口技 术 1) 交流电机接口方法 图2-17所示为OPTO公司生 产的MODEL S51203/ 240D3交流电机控制用固态继 电器。 图2-17交流电机用固态继电器 2) 交流电流专用控制接口 板 美国Pro-Log公司研制的 7504是一种可用于STD总线工 业控制机中的交流电机控制接 口板。7504有8路三端双向晶闸 管开关，每路允许40280 V交 流电压和2 A电流。该板采用光 电隔离技术，

19、每路一个光电隔 离器，把TTL电平与交流信号 隔开，从而大大地提高了系统 的抗干扰能力，并保护计算机， 使之免于损坏。 3. 步进电机控制接口技 术 由于步进电机的驱动电流 比较大，所以单片机与步进电 机的连接都需要专门的接口电 路及驱动电路。接口电路可以 是单片机内部的I/O接口，也可 以是可编程接口芯片，如8255、 8155等。驱动器可用大功率复 合管，也可以用专门的驱动器。 有时为了抗干扰，或避免一旦 驱动电路发生故障造成功率放 大器中的高电平信号进入单片 机而烧毁器件，在驱动器与单 片机之间可以加一级光电隔离 器，其原理接口电路图如图2- 18和图2-19所示。 图2-18步进电机与

20、单片机接口电路(一) 图2-19步进电机与单片机接口电路(二) 第3章 人机交互接口技术 3.1人机接口概述 3.2键盘与键盘接口 3.3其它输入设备及接口 3.4显示设备及接口 3.5打印机及接口 3.1人机接口概述 1. 人机交互设备 人机交互设备是计算机系 统中最基本的设备之一，是人 和计算机之间建立联系、交换 信息的外部设备。常见的人机 交互设备可分为输入设备和输 出设备两类。 (1) 输入设备：使用者向 计算机输入信息的设备。 (2) 输出设备：向使用者提 供计算机运行结果的设备。 2. 人机接口的功能 人机接口是计算机与人机 交互设备之间实现信息传输的 控制电路。 3.2键盘与键盘

21、接口 3.2.1按键抖动及其消除方法 目前的按键绝大部分利用 了机械触点的合、断作用。机 械触点由于机械弹性作用的影 响，在闭合和断开瞬间均有抖 动过程，从而使电压信号出现 抖动，如图3-1所 示。抖动时间的长短与按键开 关的机械特性有关，一般为 510 ms。 图3-1按键抖动波形 1硬件消抖 硬件消抖是指采用硬件电 路的方法对按键的按下抖动及 释放抖动进行消抖，经过消抖 电路后使按键的电平信号只有 两种稳定的状态。常用的消抖 电路有触发器消抖电路和滤波 消抖电路两种。硬件消抖电路 见图3-2。 图3-2硬件消抖电路 2软件消抖 当系统中需要按键数量比 较多时，可采用软件消抖方法。 3.2.

22、2键开关与键盘类型 键盘上的每个按键都起着 一个开关的作用，故又被称为 键开关。键开关分为接触式和 非接触式两大类。 图3-3独立式键盘工作原理 图3-4矩阵式键盘工作原理 3.2.3键识别方法 采用非编码键盘，CPU必 须对所有按键进行监视，一旦 发现按键按下，CPU应通过程 序加以识别，并转入相应键的 处理程序，实现该键功能。 1扫描法 设图3-4中的行线H1H4连 接到51单片机P1口的P1.0P1.3， 列线L1L4连接到P1口的P1.4 P1.7上，可通过如下程序判断哪 一个键被按下： 2 线反转法 扫描法采用逐行(列)扫描 的方法获得按键的位置，当被 按下的键在最后一行时需要扫 描

23、N次(N为行数)，当N比较大 时键盘工作速度较慢。而线反 转法则不论键盘有多少行和多 少列，只需经过两步即可获得 按键的位置。 3.2.4键盘工作方式 1扫描方式 键盘的扫描方式又可分为 编程扫描和定时扫描。 2 中断方式 中断方式是指： 当无键按 下时，CPU处理其他工作而不 必进行键的扫描；当有键被按 下时，通过硬件电路向CPU申 请键盘中断，在键盘中断服务 程序中完成键盘处理。该种方 法可提高CPU的工作效率。 例3.1参见图3-5，试编 制中断方式键盘扫描程序，将 键盘序号存入RAM 30H。 解程序如下： 图3-5工作于中断方式的矩阵式键盘接 口电路 3.3其它输入设备及接口 1.

24、鼠标 鼠标是控制显示器光标移 动的输入设备，它能在屏幕上 实现快速精确的光标定位，可 用于编辑、菜单选择和作图。 2. 扫描仪 扫描仪是一种光机电一体 化的高科技产品，它是将各种 形式的图像信息输入计算机的 重要工具，是继键盘和鼠标之 后的第三代计算机输入设备， 也是功能极强的一种输入设备。 3.4显示设备及接口 3.4.1CRT显示器及接口 CRT(Cathode Ray Tube， 阴极射线管)显示器由显示适配 器(显示卡)和显示器(监视器)两 部分组成，显示卡通常插在PC 机的总线插槽上，也有的计算 机主板上集成有显示卡电路。 显示卡与显示器通过显示专用 接口连接。 3.4.2LCD显示

25、器 LCD(Liquid Crystal Display) 液晶显示器有4种类型：无源阵 列单色LCD、无源阵列彩色 LCD、有源阵列模拟彩色LCD 和最新的有源阵列数字彩色 LCD。 LCD的技术指标包括： (1) 速度。 (2) 亮度。 (3) 对比度。 (4) 视角。 3.4.3字母数字显示器 1 LED显示器 LED显示器是由发光二极 管按照一定的排列规律组成的 显示器件，有共阳极和共阴极 两种形式。常用的七段LED显 示器的内部结构和外引脚排列 见图3-6。 图3-6LED结构及引脚排列图 1) LED显示器的显示方式 (1) 静态显示方式。 如图3- 7所示，所有的位选线com连接

26、 到一起接低电平(共阴极)或接 高电平(共阳极)，每一位LED 的段选线连接到一个8位显示输 出口上，这样N位显示器共需 要8N根显示输出线，显示时 位与位之间是相互独立的。 图3-7N位LED静态显示原理图 (2) 动态显示方式(见图3-8)。 动态显示与静态显示相比需要 的I/O口线少，功耗小，但控制 程序较复杂，显示亮度低。 图3-8N位LED动态显示原理图 2) LED显示器接口电路 LED显示器的接口电路分 静态显示接口电路和动态显示 接口电路两类，每一类又可分 为软件译码和硬件译码两种控 制方式。 (1) 软件译码动态显示电路 如图3-9所示。 图3-9软件译码动态显示电路 PA、

27、PB口均设定为输出工 作方式，其控制字为 10000000B。控制程序如下： (2) 硬件译码电路。硬件译 码是指采用硬件译码电路来完 成显示字符到显示七段码的转 换。硬件集成译码 电路类型较多，有BCD七段译 码器、BCD七段译码驱动器、 BCD七段锁存译码驱动器、十 六进制七段锁存译码驱动器等。 表3-2给出了常用的硬件译码集 成电路及其 性能。 图3-10硬件译码驱动器与单片机及显 示器的连接 3) LED驱动电路 LED的驱动是一个非常重 要的问题。如果驱动器驱动能 力差，显示亮度就会降低，而 且动态和静态显示方式对驱动 电路的要求是不一样的。 如果是静态显示，不需要 考虑LED驱动，

28、一般情况下只 要将单片机I/O口与数码管的段 代码连接即可。 图3-11三极管放大驱动电路 2 LCD显示器 1) LCD显示器基本原理 液晶是介于固体和液体之 间的一种有机化合物，可流动， 又具有晶体的某些光学性质， 即在不同方向上它的光电效应 不同。液晶显示器为被动显示 器，本身不发光，它通过电压 控制环境光在显示部位的反射 或透射来实现显示。 图3-12LCD显示器基本结构 2) 特点 LCD显示器的特点有： (1) 功耗小，为每平方厘米1 W以下，是LED显示器的几百 分之一。 (2) 可在明亮环境下正常使 用，清晰度不受环境光影响。 (3) 外形薄，约为LED的1/3。 (4) 显示

29、内容多。 (5) 响应时间和余辉时间长， 响应速度为ms级。 (6) 通常需辅助光源。 (7) 使用寿命较长(50 000 h 以上)。 (8) 工作温度范围窄( 5+50)。 3) 参数 (1) 响应时间：从加脉冲电 压算起，到透光率达饱和值 90%所需的时间。 (2) 余辉：从去掉脉冲电压 算起，到透光率达饱和值10% 所需的时间。 (3) 阈值电压Uth：当脉冲 电压大于Uth时液晶显示，否则 不显示。 (4) 对比度： 在0 V时光透 过率与在工作电压下透过率的 比值。 (5) 刷新率：每秒刷新次数。 (6) 分辨率： 屏幕上水平 和垂直方向所能够显示的点数。 (7) 视角：可视角度，

30、 目 前最好的LCD已达160，接近 纯平CRT的180。 4) 背光源 由于液晶显示器是靠反射光 线进行显示的器件，因此在环境 光线较弱时，需要有光源来使显 示变得清晰，这就是液晶显示的 采光技术。目前背光源的类型一 般分为LED型(DC 5 VDC 24 V)、 EL型(场致发光灯, AC 100 V, 400 Hz)、 CCFL型(冷阴极荧光 灯，AC 1000 V)。 5) LCD的驱动方式 (1) 静态驱动方式：静态驱 动回路及波形如图3-13所示， 图中LCD表示某个液晶显示段。 (2) 时分割驱动电压平均化： 当显示字段增多时，为减少引 出线和驱动回路数，需要采用 时分割驱动法。

31、时分割驱动方 式通常采用电压平均化方法， 其占空比有1/2、1/8、1/11、 1/16、1/32、1/64等，偏比有 1/2、1/3、1/4、1/5、1/7、1/9 等。 图3-13静态驱动回路及波形 6) LCD接口实例 图3-14为6位液晶静态显示 电路。 3.5打印机及接口 1 打印机概述 按照打印的工作原理的不 同，可分为击打式打印机和非 击打式打印机；按照输出工作 方式的不同，可分为串行打印 机、行式打印机和页式打印机； 按印字机构的不同，可分为固 定字模(活字)式打印机和点阵 式打印机。 打印机通常有两种工作模 式，即文本模式(字符模式)和 图形模式。 2 打印机的主要性能指 标

32、 (1) 分辨率(DPI)。打印机 的打印质量是指打印出的字符 的清晰度和美观程度，用分辨 率表示，单位为每英寸打印的 点数(DPI)。 (2) 打印速度。针式打印机 打印速度常用“字/秒”或“行/ 秒”来表示，喷墨激光打印机 打印速度则用“页/分”(ppm) 来表示。 (3) 打印幅面。打印机的打 印幅面有许多种， 如A3、A4 等。 (4) 接口方式。打印机的接 口大多数为标准配置并行接口。 (5) 缓冲区。打印机的缓冲 区相当于计算机的内存，单位 为KB或MB。 3. 针式打印机工作原理 针式打印机是由若干根打 印针印出mn个点阵组成的字 符或汉字、图形。这里m表示 打印的列数，n表示打

33、印的行数。 点阵越密，印字的质量就越高。 需要注意的是，一个字符由 mn个点阵组成，并不意味着 打印头就装有mn根打印针。 串行针式打印机的打印头上一 般只装有一列n根打印针。 4. 喷墨打印机工作原理 喷墨打印机的喷墨方式有 两种：连续式和随机式。连续 式喷墨打印机是指连续不断地 喷射墨水；随机式喷墨打印机 的墨滴只在需要打印时才从喷 嘴中喷出(又称按需式喷墨打印 机)。 5. 激光打印机工作原理 激光打印机是一种光机电 一体、高度自动化的计算机输 出设备，其成像原理与静电复 印机相似，结构比针式打印机 和喷墨打印机都复杂得多。激 光打印机主要由激光器、激光 扫描系统、以碳粉与感光鼓为 主的

34、碳粉盒、字型发生器、电 子照相转印机构和电路部分组 成。 6. TPP-40A/16A打印机接 口实例 TPP-40A与TPP-16A打 印机的接口与时序要求完全相 同。TPP-40A每行打印40个字 符，TPP-16A每行打印16个字 符。 图3-15插脚安排(从打印机背视) 图3-16接口信号时序 1) 字符代码 TPP-40A/16A中全部字符 代码为10HFFH，字符串的结 束代码或称回车换行代码为 0DH。但是，当输入代码满 40/16个时，打印机自动回车。 TPP-40A打印命令代码及 功能见表3-3，字符代码串实例 如下。 (1) 打印字符串“ 3265.37”，输送的代码串为2

35、4， 33，32，36，35，2E，33，37， 0D。 (2) 打印“This is Micro- Printer”，输送的代码串为54， 68，69，73，20，69，73，20， 4D，69，63，72，6F，2D，70， 72，69，6E，74，65，72，2E， 0D。 (3) 打印“32.8cm2”，输送 的代码为33，32，2E，38，63， 6D，9D，0D。 2) 命令代码 TPP-40A的控制打印命令 由一个命令字和若干个参数字 节组成，其格式如下： CCXX0XXn 3) 错误代码 当主机向TPP-40A输入非 法命令时，打印机即打 印出错代码，用以提示用户。 出错代码信

36、息打印格式如图3- 17所示。 图3-17出错代码信息 4) TPP-40A/16A与MCS- 51单片机接口 TPP-40A/16A没有读写信 号线，只有一对握手线和一条 BUSY线，接口如图3-18所示。 图3-19是通过单片机应用 系统中的扩展I/O口连接的打印 机接口电路。 图3-18、图3-19中打印机 的口地址由地址线P2口线决定， 使用时，口地址设为7FFFH。 图3-18TPP-40A/16A与8031数据总线 接口电路图 图3-19TPP-40A/16A与8031扩展I/O口连接 的接口电路图 5) 打印程序实例 下面以图3-19作为打印机 接口，介绍一种使用TPP-16A

37、打印机打印1616点阵汉字 “作业”的程序。程序清单如 下： 第4章 程序控制与数值控制 4.1顺序控制 4.2开环数值控制 4.1顺 序 控 制 1. 顺序控制概念 顺序控制是指以预先规定 好的时间或条件为依据，按预 先规定好的动作次序，对控制 过程各阶段顺序地进行自动化 控制。在工业控制方面，顺序 控制的应用极为广泛。 2. 顺序控制原理 根据应用的场合和工艺要 求，划分各种不同的工步，然 后按预先规定好的时间或条件， 按次序完成各工步的动作并保 证各工步动作所需要的持续时 间。持续时间随产品类型和材 料性能不同而定，常常可通过 操作员来设定或调整。 例4.1冷加工自动线中钻 孔动力头钻孔

38、过程的顺序控制 原理如图4-1所示。 钻孔过程分为以下5步： (1) 动力头在起始位置(行 程开关SQ1受压)，按启动开关 按钮后，电磁阀YA1通电，动 力头快进。 (2) 快进到位时压下行程开 关SQ2，使电磁阀YA2通电 (YA1保持通电)，动力头由快 进转工进(钻孔)，即一边加工 一边进给。 (3) 工进到位时压下行程开 关SQ3，使YA1、YA2断电， 开始定时延迟，动力头原地旋 削(精镗)。 (4) 延迟时间到，YA3通电， 动力头快退。 (5) 动力头退回到原位，行 程开关SQ1又受压，YA3断电， 动力头停止。 图4-1钻孔动力头工步图 例4.2机械手。本例中的 机械手实际上是一

39、台水平/垂直 位移的机械设备。 机械手搬动工件取放动作 示意图如图4-2所示。图中限位 开关用来检测上升、下降、左 移、右移的终点位置，执行装 置由下降、夹紧、上升、右移、 左移5个电磁阀组成。机械手的 动作顺序为：下降，夹紧，上 升，右移，下降，放松，上升， 左移。机械手每搬送完一个工 件，就回到原点，等待下一次 重复动作。 图4-2机械手取放动作示意图 3. 顺序控制系统的组成 一个典型的顺序控制系统 由系统控制器、输入电路、输 入接口、输出电路、输出接口、 信号检测、显示电路、报警电 路以及操作台等组成，参见图 4-3。 图4-3顺序控制系统组成框图 4. 顺序控制应用举例 1) 硬件连

40、接 在该例中，因为输入、输 出的点数不多，故用单片机内 的P1口作为输入输出端口。现 场的输入信号SB1、SQ1、 SQ2、SQ3经过输入电路处理 后分别送到P1口的P1.0P1.3。 当触点闭合时，P1口对应的位 为“1”，当触点断开时，P1口 对应的位为“0”。计算机发出 的控制信号经P1口的P1.5P1.7 输出至输出电路放大后驱动执 行机构完成相应的动作。 2) 控制程序流程图及控制 程序 控制程序流程图如图4-4所 示。 图图4-4钻孔动力头顺序控制流钻孔动力头顺序控制流 程图程图 根据程序流程图以及输入、 输出信号排列，用8031汇编语 言编写的控制程序如下： 4.2开环数值控制

41、4.2.1数值控制的基本原理 让我们先看图4-5所示的平 面图形，如何用计算机在绘图 仪或加工装置上重现该图形？ 图4-5曲线分段 第一步，将此曲线分割成 若干线段，可以是直线段，也 可以是曲线段，本图把它分割 成3段，即ab、bc和弧线cd，然 后把a、b、c、d 四点坐标记下 来并送给计算机。图形分割原 则应保证线段所连接成的曲线 与原图形的误差在允许范围之 内。由图可见，显然采用ab、 bc和弧线cd比采用ab，bc和直 线cd要精确得多。 第二步， 当给定a、b、c、 d各点坐标和x、y值之后，如何 确定各中间点的坐标值?求得 这些中间值的数值计算方法称 为插值或插补方法。插补计算 的

42、宗旨是通过给定的基点坐标， 以一定的速度连续定出一系列 中间点，而这些中间点的坐标 值是以一定的精度逼近给定的 线段的。 第三步， 把插补运算过程 中定出的各中间点，以脉冲信 号形式去控制x、y方向上的步 进电机，带动画笔、刀具或线 电极运动，从而绘出图形或加 工出符合要求的轮廓。这里的 每一个脉冲信号代表步进电机 走一步，即画笔或刀具在x方向 或y方向移动一个位置。我们把 对应于每个脉冲移动的相对位 置称为脉冲当量，又称为步长， 常用x和y来表示，并且总是 取x=y。 图4-6是一段用折线逼近直 线的直线插补线段，其中(x0， y0)代表该线段的起点坐标值， (xe，ye)代表终点坐标值，则

43、x方 向和y方向应移动的总步数为Nx 和Ny，则： 如果把x和y约定为坐标 增量值，即x0、y0、 xe、ye均是 以脉冲当量定义的坐标值，则： 所以，插补运算就是指如 何分配x和y两个方向上的脉冲 数，使实际的中间点轨迹尽可 能地逼近理想轨迹。由图4-6可 见，实际的中间点连接线是一 条由x和y增量值组成的折线， 只是由于实际的x和y的值很 小，眼睛分辨不出来，看起来 似乎与直线一样而已。显然， x和y的增量值越小，就越逼 近于理想的直线段。 图4-6用折线逼近直线插补线段 4.2.2逐点比较差补法 1. 逐点比较法直线插补 1) 直线插补计算原理 设如图4-7所示直线oP，将 加工起点预先

44、调整到坐标原点， 以不超过一步(一个脉冲当量) 的误差，沿直线oP 进给到终点P(xe，ye)。 图4-7直线插补判别函数区域图 直线上任一加工点M(xi，yi) 满足关系： 即 若M点在直线oP的下方， 即直线与x轴所夹区域内，则 若M点在直线oP的上方， 即直线与y轴所夹区域内，则 取直线加工的偏差函数FM为 于是有如下结论： 当加工点落在oP上方时， 显然F0，下一步应向+x方向 进给一步，到达M(xi+1，yi)点， 令M点的新偏差为F，可得： 式中，F代表进给前的老偏差， ye为已知终点的坐标值。所以， 当F0时，下一步应向+x方向 进给一步而到达新的一点，而 该点的新偏差 F等于前

45、一点的 老偏差减去终点坐标值ye。 同理，当加工点落在oP下 方时，显然F0，下一步应向 +y方向进给一步而到达M(xi， yi+1)点，则M点的新偏差F为 即到达M点时的新偏差F等于 前一点的老偏差加上终点坐标 值xe。 2) 终点判别方法 加工点到达终点(xe，ye)时 必须自动停止进给。因此，在 插补过程中，每走一步就要和 终点坐标比较一下。如果没有 到达终点，就继续插补运算， 如果已到达终点就必须自动停 止插补运算。 3) 其他象限中的偏差判别及 进给方向 不同象限直线插补的偏差符 号及进给方向如图4-8所示。 图4-8四个象限直线的偏差符号和进给 方向 4) 直线插补程序流程图 综上

46、所述，逐点比较法直 线插补工作过程可归纳为以下 四步： (1) 偏差判别。判断上一步 进给后的偏差值F0还是F0， 根据判别结果来决定下一步作 哪个方向的进给。 (2) 坐标进给。根据偏差判 别的结果和所在象限决定在哪 个坐标轴上以及在哪个方向上 进给一步。 (3) 偏差计算。计算出进给 一步后的新偏差值，作为下一 步进给的判别依据。 (4) 终点判别。终点判别计 数器减1，判断是否到达终点， 若已到达终点就停止插补，若 未到达终点，则返回到第一步， 如此不断循环直至到达终点为 止。 用8031单片机汇编语言编 写的程序如下： 2. 逐点比较法圆弧插补 1) 圆弧插补计算原理 以第一象限逆时针

47、方向圆 弧为例来讨论偏差计算公式的 推导方法。设如图4-9所示的一 段逆圆弧AB，圆心在原点，半 径为R，起点的坐标为(x0， y0)， 终点的坐标为(xe， ye)。 若将 加工点预先调整到起点A，并 以不超过一步(即一个脉冲当量) 的误差，沿圆弧自起点A进给 到终点 B。圆弧上任一加工点M(xi， yi) 满足方程： 图4-9第一象限逆圆插补的进给 从图4-9可以看出，当加工 点M(xi ，yi)在圆弧上时，满足： 当M(xi，yi)在圆弧内时，满足： 当M(xi，yi)在圆弧外时，满足： 显然，对于圆内的点，到 圆心的距离小于半径R，而对 于圆外的点，到圆心的距离大 于半径R。因此，可以

48、定义任 一点到圆心的距离与半径之差 作为偏差判别函数： 如图4-9所示，当加工点落 在圆弧AB外时, 显然F0,下一 步应向x方向进给一步到达新 的一点M(xi1，yi)点。令M 点的新偏差为F，可得： 当加工点落在圆弧AB内时， F0，应向+y方向进给一步到 达新的一点M(xi，yi+1)点，令 M点的新偏差为F，可得： 2) 终点判别方法 圆弧插补的终点判别方法 和直线插补相同。可将x、y轴 走步步数的总和存入一个计数 器，每走一步总的步数计数器 减1，减至0时发出终点到信号。 3) 四个象限的圆弧插补计 算公式 在实际应用中，所要加工 的圆弧可以在不同的象限中， 可以按逆时针的方向加工，

49、也 可以按顺时针的方向来加工。 为了便于表示圆弧所在的象限 及加工方向，可用SR1、SR2、 SR3、SR4依次表示第一、二、 三、四象限中的顺圆弧，用 NR1、NR2、NR3、NR4分别表 示第一、 二、三、四象限中的逆圆弧。 如图4-10所示的一段顺圆 弧CD，起点C，终点D，设加 工点现处于M(xi，yi)。从图中 可以看出，若F0，则下一步 应沿+x方向进给一步, 新的加工 点坐标将是(xi+1, yi), 可求出新 的偏差为 若F0，则下一步应沿+y方向 进给一步，新的加工点坐标将 是(xi，yi+1)，可求出新的偏差 为 图4-10第二象限的顺圆 4) 圆弧插补程序流程图 根据逐点

50、比较法的特点和 圆弧插补规律，可概括出圆弧 插补程序的流程图如图4-11所 示。 图4-11圆弧插补程序的流程图 用8031单片机汇编语言编 制的第一象限逆圆插补计算程 序如下： 4.2.3数字积分差补法 1. 数字积分器的工作原 理 设有一函数yf(t)，如图4- 12所示。要求出曲线t0tn区间 的面积，一般应用如下的积分 公式： 图4-12函数yf(t)的积分 若将ti取得足够小，曲线 下面的面积可以近似地看成是 许多小长方形面积之和，即 如果将ti取为一个单位时 间(如等于一个脉冲周期的时 间)，则有 2. 数字积分法直线插补 1) 直线插补原理 设在x，y平面中有一直线 oA，其起点