嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

前言

　　嵌入式控制系統(tǒng)是將計算機芯片嵌入儀器、儀表或電氣設(shè)備的內(nèi)部，使用計算機控制設(shè)備的運行狀態(tài)。借助計算機的快速信息處理能力，利用計算機進行自動控制可以比人工操作控制的速度更快，精度更高，完成許多人力操控?zé)o法進行的過程控制，達到提高生產(chǎn)效率，降低能耗，減少排放，促進制造業(yè)技術(shù)進步的應(yīng)用目的。一個國家制造業(yè)的技術(shù)水平體現(xiàn)了國家經(jīng)濟和科技的競爭力，可以這樣講，制造業(yè)中應(yīng)用計算機控制技術(shù)的水平就代表了制造業(yè)的整體技術(shù)水平。我們國家為了提高制造業(yè)的技術(shù)水平，引進了許多自動化生產(chǎn)線，是花了大價錢的?？墒亲钕冗M的技術(shù)是花錢也買不來的，還是要靠自力更生?！　榱伺囵B(yǎng)計算機控制技術(shù)的專業(yè)人才，許多高等院校的多個專業(yè)都開設(shè)計算機控制技術(shù)的課程，有的講授工控微型機的應(yīng)用，有的講授嵌入式控制系統(tǒng)的集成。作者從事了多年的嵌入式控制技術(shù)的教學(xué)工作，感到要通過一個學(xué)期的教學(xué)就帶領(lǐng)初學(xué)者跨進這個技術(shù)領(lǐng)域的門檻，的確是一項富有挑戰(zhàn)性的工作。系統(tǒng)設(shè)計是多門專業(yè)技術(shù)的綜合應(yīng)用，對于初學(xué)者來說，缺少實踐機會，無法積累系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗，在短期內(nèi)僅僅通過書本知識的學(xué)習(xí)，就能掌握一門應(yīng)用技術(shù)，實屬不易。作者的嘗試是改進教學(xué)的方法和手段，為同學(xué)們提供能夠在教學(xué)實驗室進行的嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計的實驗，使同學(xué)們能夠在實驗室里集成自己的控制系統(tǒng)，能夠發(fā)揮自己的聰明才智，設(shè)計融入自己智能的控制模式，并能通過系統(tǒng)的實際運行觀察控制效果。為了配合實驗教學(xué)，也需要有一本與實驗教學(xué)配套的、適宜在課堂講授的教材。作者希望在教材中介紹實用的控制系統(tǒng)集成所需的各種功能電路，詳細說明最后進行控制系統(tǒng)的集成設(shè)計時需要考慮的技術(shù)問題以及所采用的技術(shù)手段，使初學(xué)者通過模仿、借鑒，進而改進教材中的設(shè)計實例，掌握嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)，培養(yǎng)系統(tǒng)集成創(chuàng)新的能力。

內(nèi)容概要

本書以avr單片機atmega 16為核心數(shù)據(jù)處理單元，介紹嵌入式控制系統(tǒng)的實用設(shè)計技術(shù)。書中選擇介紹了一些常用的組成控制系統(tǒng)的應(yīng)用電路，按照電路的功能分類，以單元電路模塊的形式分別介紹系統(tǒng)集成設(shè)計所需的各種功能電路和相應(yīng)的控制程序，并以設(shè)計訓(xùn)練題的形式進行電路模塊應(yīng)用和功能拓展的設(shè)計訓(xùn)練。在控制系統(tǒng)綜合設(shè)計章節(jié)，選擇便于進行課程實驗的微型加熱器和微型直流電機作為控制對象，分別采用應(yīng)用最廣泛的數(shù)字pid算法和應(yīng)對復(fù)雜控制對象的模糊控制算法作為控制模式，詳細介紹控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。教學(xué)目的是使讀者通過模仿、借鑒，進而改進教材中的設(shè)計實例，掌握嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)，培養(yǎng)系統(tǒng)集成創(chuàng)新的能力。    書中各章節(jié)的應(yīng)用程序全部使用c語言編寫，便于閱讀和理解。程序采用模塊化的結(jié)構(gòu)組成，便于移植到不同的設(shè)計項目中。全部程序都在實際電路的運行中得到驗證。    本書可作為高等院校自動化、機電一體化、儀器儀表、電子技術(shù)和計算機應(yīng)用等專業(yè)的嵌入式控制技術(shù)課程的教材，也可供從事嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章  嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用與組成   1.1  自動控制的概念與應(yīng)用   1.2  計算機控制系統(tǒng)的組成   1.3  應(yīng)用單片機實現(xiàn)嵌入式控制     1.3.1  32位arm單片機     1.3.2  32位dsp單片機     1.3.3  msc-51系列8位單片機     1.3.4  avr 8位單片機 第2章  atmegal6單片機的應(yīng)用   2.1  cpu與片內(nèi)存儲器     2.1.1  通過程序指令的運行實現(xiàn)cpu的功能     2.1.2  片內(nèi)存儲器的應(yīng)用   2.2  引腳配置與通用i／o口   2.3  i／o口的復(fù)用功能     2.3.1  片內(nèi)ad轉(zhuǎn)換器的工作方式設(shè)置     2.3.2  定時／計數(shù)器t／c0的工作方式設(shè)置     2.3.3  定時／計數(shù)器t／c1的工作方式設(shè)置     2.3.4  spi串口的工作方式設(shè)置     2.3.5  usart串口的工作方式設(shè)置   2.4  單片機基本系統(tǒng)與工作方式的設(shè)置   單元設(shè)計訓(xùn)練 第3章  顯示器件的接口設(shè)計   3.1  七段發(fā)光數(shù)碼管接口設(shè)計     3.1.1  共陰極led數(shù)碼管的動態(tài)顯示并行接口電路     3.1.2  共陽極led數(shù)碼管的動態(tài)顯示并行接口電路     3.1.3  共陰極數(shù)碼管動態(tài)顯示串行接口電路     3.1.4  共陰極數(shù)碼管靜態(tài)顯示并行接口電路   3.2  七段數(shù)字顯示液晶屏接口設(shè)計     3.2.1  31/2位液晶屏的靜態(tài)顯示并行接口電路     3.2.2  31/2位液晶屏的靜態(tài)顯示串行接口電路   3.3  點陣液晶顯示器接口設(shè)計   單元設(shè)計訓(xùn)練 第4章  按鍵與觸摸屏的接口設(shè)計   4.1  少量按鍵接口設(shè)計   4.2  矩陣鍵盤接口設(shè)計   4.3  觸摸屏接口設(shè)計     4.3.1  四線電阻式觸摸屏的結(jié)構(gòu)與工作原理     4.3.2  四線電阻式觸摸屏的觸點位置檢測方法     4.3.3  四線電阻式觸摸屏的接口電路   單元設(shè)計訓(xùn)練 第5章  測量信號輸入通道接口設(shè)計   5.1  數(shù)字信號的輸入接口     5.1.1  電壓轉(zhuǎn)換與限幅電路     5.1.2  脈沖整形電路     5.1.3  輸入信號通道的擴展     5.1.4  單片機對輸入脈沖信號的處理   5.2  模擬信號的輸入通道     5.2.1  電阻—電壓轉(zhuǎn)換電路     5.2.2  電壓放大電路     5.2.3  模擬信號輸入通道的擴展   5.3  ad轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用與接口設(shè)計     5.3.1  ad轉(zhuǎn)換器的選擇     5.3.2  atmega16片內(nèi)ad轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用     5.3.3  擴展并行數(shù)據(jù)接口的12位ad轉(zhuǎn)換器     5.3.4  擴展串行數(shù)據(jù)接口的12位ad轉(zhuǎn)換器     5.3.5  rs-485通信接口電路   單元設(shè)計訓(xùn)練 第6章  控制信號輸出通道接口設(shè)計   6.1  直流用電器的開關(guān)控制     6.1.1  功率晶體管與功率達林頓管驅(qū)動電路     6.1.2  功率場效應(yīng)管驅(qū)動電路     6.1.3  絕緣柵雙極晶體管與直流固態(tài)繼電器     6.1.4  單向可控硅     6.1.5  h橋電路控制直流電流的方向   6.2  直流用電器的脈寬調(diào)制控制     6.2.1  應(yīng)用avr單片機產(chǎn)生pwm輸出     6.2.2  應(yīng)用專用電路芯片產(chǎn)生pwm輸出     6.2.3  pwm輸出的手動后援   6.3  交流用電器的控制     6.3.1  雙向可控硅的移相觸發(fā)電路     6.3.2  雙向可控硅的過零觸發(fā)驅(qū)動電路     6.3.3  交流固態(tài)繼電器的接口電路     6.3.4  繼電器的接口電路   6.4  da轉(zhuǎn)換器輸出模擬控制信號     6.4.1  擴展并行數(shù)據(jù)接口的10位da轉(zhuǎn)換器     6.4.2  擴展spi串行數(shù)據(jù)接口的da轉(zhuǎn)換器   單元設(shè)計訓(xùn)練 第7章  采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字處理   7.1  利用數(shù)字濾波減小隨機誤差     7.1.1  限幅濾波     7.1.2  算術(shù)平均值濾波     7.1.3  數(shù)字低通濾波   7.2  采樣數(shù)據(jù)的標度變換     7.2.1  線性標度變換     7.2.2  非線性標度變換   7.3  引入修正量校正系統(tǒng)誤差     7.3.1  線性系統(tǒng)誤差的修正     7.2.2  非線性系統(tǒng)誤差的修正   7.4  測量數(shù)據(jù)的打印   7.5  使用usart進行數(shù)據(jù)通信     7.5.1  rs-232c的數(shù)據(jù)格式和信號傳輸標準     7.5.2  rs-232通信接口電路     7.5.3  制定用戶層通信協(xié)議與通信程序   單元設(shè)計訓(xùn)練 第8章  數(shù)字pid控制與模糊控制算法   8.1  線性控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析     8.1.1  拉普拉斯變換     8.1.2  控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)     8.1.3  線性系統(tǒng)的控制模式   8.2  數(shù)字pid算法     8.2.1  從模擬pid算法到數(shù)字pid算法     8.2.2  數(shù)字pid算法的改進   8.3  模糊控制算法     8.3.1  確定模糊控制規(guī)則     8.3.2  模糊數(shù)模型的建立     8.3.3  模糊控制器的實現(xiàn)   單元設(shè)計訓(xùn)練 第9章  嵌入式控制系統(tǒng)的系統(tǒng)集成   9.1  確定系統(tǒng)設(shè)計方案     9.1.1  系統(tǒng)設(shè)計的大致步驟     9.1.2  合理選擇系統(tǒng)的硬件模塊     9.1.3  合理組合系統(tǒng)的軟件模塊   9.2  自整定pid溫度控制器     9.2.1  控制對象與設(shè)計任務(wù)     9.2.2  根據(jù)設(shè)計任務(wù)選擇系統(tǒng)的電路模塊     9.2.3  組合各電路模塊并畫出系統(tǒng)電路原理圖     9.2.4  組合軟件模塊   9.3  直流電機模糊調(diào)速器     9.3.1  控制對象與設(shè)計任務(wù)     9.3.2  根據(jù)設(shè)計任務(wù)選擇系統(tǒng)的電路模塊     9.3.3  組合各電路模塊并畫出系統(tǒng)電路原理圖     9.3.4  組合軟件模塊   綜合設(shè)計訓(xùn)練 參考文獻

章節(jié)摘錄

　　自動控制技術(shù)是人類在長期的生產(chǎn)勞動中創(chuàng)造并逐步發(fā)展起來的一項應(yīng)用技術(shù)。采用自動控制技術(shù)的新型勞動工具，可以完成許多依靠人類自身的腦力和體力不可能做到的任務(wù)，使人類社會的生產(chǎn)力水平產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。隨著半導(dǎo)體集成電路設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)的進步和計算機技術(shù)的提高、應(yīng)用的普及，計算機在自動控制中得到了廣泛的應(yīng)用。得益于計算機的快速信息處理能力，計算機控制系統(tǒng)的控制速度和控制精度都獲得了極大的提高，而且隨著計算機性能的提高和價格的不斷降低，計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。出于對計算機控制技術(shù)的需求不斷增加，計算機控制技術(shù)也形成了一門專業(yè)課程。　　一個國家制造業(yè)的技術(shù)水平體現(xiàn)了國家經(jīng)濟和科技的競爭力。在制造業(yè)的生產(chǎn)中，廣泛應(yīng)用計算機控制技術(shù)，進行生產(chǎn)過程的自動控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，同時不斷進行數(shù)字化、智能化新產(chǎn)品的研發(fā)，提升新產(chǎn)品的技術(shù)含量和性能，都是提升制造業(yè)技術(shù)水平的重要舉措。培養(yǎng)更多、更優(yōu)秀的掌握計算機控制技術(shù)的專業(yè)人才，從國家層面上講，可以提高整個制造業(yè)研發(fā)的產(chǎn)品的技術(shù)水平，提高生產(chǎn)流程的生產(chǎn)效率，并提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終是提高了國家的經(jīng)濟競爭力，反映國家的科技水平。從學(xué)習(xí)者自身的角度看，掌握好計算機控制技術(shù)，可以提高自己的專業(yè)技能，更好地適應(yīng)人才市場對技術(shù)型人力資源的需求，在今后的科學(xué)實驗研究或應(yīng)用技術(shù)研發(fā)的工作中做出系統(tǒng)集成創(chuàng)新的成果，在為社會多做貢獻的同時，也會得到社會更多的回報。　　在這一章里，我們首先了解自動控制的概念和自動控制技術(shù)的發(fā)展進程，對控制技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用領(lǐng)域有一個初步的認識。接下來是計算機控制系統(tǒng)的基本組成形式的介紹，了解一個計算機控制系統(tǒng)需要由哪一些功能電路的有序連接組成，然后學(xué)習(xí)嵌入式控制系統(tǒng)組成的技術(shù)解決方案和應(yīng)用方向，了解應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的單片微處理器和微控制器。

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