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自动化技术基础
知识点串讲

一、计算机控制器

1.掌握目前主流的数字处理单元类型，并了解他们各自的主要特征

本章介绍了目前主流的数字处理单元，包括 IPC、ARM处理器、PLC 和DSP 处理器、MSP430单片机、8051单片机等嵌入式平台的功能特点、技术参数、选型注意事项和发展趋势等。

2. 典型的工业自动化系统的三层网络结构及其图示

图 5.9 给出了一个典型的工业自动化系统的三层网络结构，其低层是以DeviceNet 现场总线将设备、PLC 的远程 I/O 点连接在一起的设备层，中间是以ControlNet（或DH＋、DH485等）将PLC、工控机以及操作员界面连接在一起的控制层网络，而上层的Ethernet以PC或工作站为主完成管理和信息服务任务。三层网络各司其职，代表了工业控制的典型结构。

图5.9 典型工业自动化系统的网络结构

3.PLC的定义

可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网
络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。
在1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：一种数字运算操作电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

4. PLC的特点

（1）通用性强，控制程序可变，使用方便。
PLC有品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。当硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需修改程序即可。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
（2）功能完善，适应面广。
现代PLC已经形成大、中、小各种规模的系列化产品，可用于各种规模的控制场合。除逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能外，还具有数字量和模拟量的输入/输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。加上PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易，既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
（3）编程简单，容易掌握。
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。它既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。
（4）减少了控制系统的设计及建造的工作量，维护方便。
由于 PLC 采用了软件存储逻辑来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件的接线逻辑，使控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量，使控制系统设计及建造的周期大为缩短。并且由于PLC的低故障率及很强的监视功能和模块化等，使其维修也极为方便。
（5）可靠性高，抗干扰能力强。
工业生产对控制设备的可靠性要求有：
① 平均故障间隔时间长；
② 故障修复时间短。
（6）体积小、重量轻、功耗低。
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑、坚固、体积小、重量轻、功耗低。并且由于PLC的抗干扰能力强，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

5. PLC基本组成

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。
1. PLC的硬件结构（见图5.11）
（1）微处理器（CPU）—— 控制器的核心。
（2）存储器（RAM、ROM）。
（3）输入/输出部件（I/O部件）—— 连接现场设备与CPU之间的接口电路。
（4）电源部件—— 为PLC内部电路提供能源。
整体结构的 PLC，四部分装在同一机壳内；模块式结构的 PLC 各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成；I/O 的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机）；另外，还必须有编程器将用户程序写进规定的存储器内。

图5.11 PLC硬件结构
2. PLC的软件结构
在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分：
（1）系统监控程序，它用于控制可编程控制器本身的运行，主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块组成，系统调用。
（2）用户程序。它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。

6.PLC工作原理

PLC的基本工作模式（见图5.12）有：
（1）运行模式。它分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理5个阶段。
（2）停止模式。当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。

图5.12 PLC基本工作模式
PLC的工作过程（见图5.13）如下：
（1）内部处理阶段。在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其他的内部工作。
（2）通信服务阶段。在此阶段，PLC与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。
（3）输入处理阶段。输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读取所有输入端子的通断状态，并将所读取的信息存到输入映像寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。

图5.13 PLC工作过程
（4）程序执行阶段。按先上后下、先左后右的顺序，对梯形图程序进行逐句扫描，并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关的映像寄存器中。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
（5）输出刷新阶段。程序处理完毕后，将所有输出映像寄存器中各点的状态，转存到输出锁存器中，再通过输出端驱动外部负载。

7. PLC的多种程序设计语言

在PLC中有多种程序设计语言，如梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。
梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能。例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等。通过扩展或增强指令集，它们也能执行其他的基本操作。
梯形图语言有以下特点：
（1）每个梯形图由多个梯级组成。
（2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。
（3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。
（4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。
（5）输入继电器受外部信号控制，只出现触点，不出现线圈。
功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作。例如，模拟量的控制、数据的操纵、报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。
功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用。

8. PLC性能指标
PLC 性能指标是指反映 PLC 性能高低的一些相关的技术指标，主要包括工作速度、控制规模、组成模块、内存容量、指令系统、支持软件、可靠控制和经济指标8个方面。
1. 工作速度
工作速度是指PLC的CPU执行指令的速度及对亟须处理的输入信号的响应速度，常以执行一条基本指令的时间来衡量。工作速度关系到PLC对输入信号的响应速度，是PLC对系统控制是否及时的前提。控制不及时，就不可能准确与可靠，特别是对一些需要作快速响应的系统，这就是把工作速度作为PLC第一指标的原因。
2. 控制规模
控制规模代表PLC对输入、输出点数及多路模拟控制的能力。与速度，内存区的大小，输入、输出点数和PLC指令系统有关。
3. 组成模块
一般来说，规模大、档次高的PLC模块的种类和规格较多，反映其特点的性能指标也高，但模块的功能较单一。相反，规模小、档次低的PLC模块种类和规格较少，指标也低，但功能则多样化些，以至于集成为箱体。组成PLC的
模块是PLC的硬件基础，只有弄清所选用的PLC都具有哪些模块及特点，才能正确选用模块，去组成一台完整的PLC，以满足控制系统对PLC的要求。
常见的PLC模块有：
（1）CPU模块。它是PLC的硬件核心，PLC的主要性能，如速度、规模都由它的性能来体现。
（2）电源模块。它为PLC运行提供内部工作电源，而且有的还可为输入信号提供电源。
（3）I/O模块。它集成了PLC的I/O电路，分为开关量输入（DI）、开关量输出（DO）、模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）等模块，按I/O点数确定模块规格及数量。
（4）内存模块。它主要存储用户程序，有的还为系统提供附加的工作内存。在结构上内存模块都是附加于CPU模块之中的。
（5）底板、机架模块。它为PLC各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口。不同厂家或同一厂家但不同类型的PLC都不大相同。
箱体式的小型PLC的主箱体就是把上述几种模块集成在一个箱体内，并依据可能提供I/O点数的多少，划分为不同的规格。
（6）通信模块。它接入PLC后，可使PLC与计算机或PLC与PLC之间进行通信，有的还可实现与其他控制部件如变频器、温控器通信，组成局部网络。通信模块代表PLC的组网能力，代表着当今PLC性能的重要方面。
4. 内存容量
PLC内存有用户及系统两大部分。用户内存主要用来存储用户程序，个别的还将其中的一部分划为系统所用。系统内存是与CPU配置在一起的。CPU既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质。
内存器件种类越多，数量越多，越便于PLC进行各种逻辑量及模拟控制。它也是代表PLC性能的重要指标。
PLC内部器件有I/O继电器、内部继电器、定时器、计数器、数据存储区等。
5. 指令系统
PLC的指令有基本逻辑指令、数据处理指令、数据运算指令、流程控制指令、状态监控指令等。除了指令，为进行通信，PLC还有相应的协议与通信指令或命令，这些也反映了PLC的性能。
6. 支持软件
为了便于编制PLC程序，多数PLC厂家都开发相关计算机的支持软件。
7. 可靠控制
为使PLC能可靠工作，在硬件与软件两个方面PLC厂家都采取了很多措施，对一些特殊可靠性要求的PLC，还有相应的特殊措施，如热备、冗余等。
8. 经济指标
以上七条都是PLC的技术性能方面，其实使用PLC还需考虑其经济指标。对经济指标还需作综合分析，即分析使用PLC能否带来效益，还有使用哪个厂家的PLC效益更好。

9.DSP芯片及其特点

DSP芯片也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法。
1. DSP芯片的特点
根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：
（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。
（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。
（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线对两块同时访问。
（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。
（5）快速的中断处理和硬件I/O支持。
（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
（7）可以并行执行多个操作。
（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

10.DSP芯片的基本结构

DSP芯片的基本结构包括：
1）哈佛结构
当前大部分的处理器采用冯·诺依曼结构，其指令、数据的传送采用同一条总线。由于取指令和存取数据是在同一存取空间通过同一总线传输，因而指令的执行只能是顺序进行，不可能重叠进行，所以无法提高运算速度。
哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问，如图5.17所示。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和存储器在两个分开的空间中，因此，取指和执行能完全重叠。

图5.17 哈佛结构
2）流水线操作
计算机在执行一条指令时，要通过取指、译码、取数、执行等阶段的流水线处理，使得若干条指令的不同执行阶段可以并行执行，由于DSP的哈佛结构，指令的各个阶段可以重叠进行，最大化地利用流水线处理，这样对每一条指令在理论上似乎都是在一个周期内完成，可以把指令周期减到最小，增加数据吞吐量，因而能够提高程序的执行速度。
流水线与哈佛结构相关，DSP 芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理 2～4 条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。
3）专用的硬件乘法器和高效的MAC指令
乘法速度越快，DSP处理器的性能就越高。由于具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。
在DSP算法中，乘法累加操作是大量的运算，因而DSP芯片都有硬件乘法器，使得乘法运算可在一个周期内完成。与之配合的指令为MAC-乘法累加指令，它可以在单周期内取两个操作数相乘，并将结果加载到累加器。
4）特殊的DSP指令
DSP芯片采用的是精简指令集（RISC），与复杂指令集（CISC）的异同点如下：
（1）CISC（Complex Instruction Set Computer）：具有大量的指令和寻址方式；大多数程序只使用少量的指令就能够运行。
（2）RISC（Reduced Instruction Set Computer）：8/2原则：80%的程序只使用20%的指令；在通道中只包含最有用的指令；确保数据通道快速执行每一条指令；使CPU硬件结构设计变得更为简单。
RISC具有流水线技术：几个指令可以并行执行；提高了 CPU 的运行效率；内部信息流要求通畅流动。
5）快速的指令周期
哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令，再加上集成电路的优化设计，可使DSP芯片的指令周期在200 ns以下。
6）多功能单元
为了进一步提高速度，DSP设置了多个并行操作的功能单元（ALU、乘法器和地址产生器等）。
以C6000为例，其CPU内部有8个功能单元，包括2个乘法器和6个ALU。这8个功能单元最多可以在一个周期内同时执行8条32位指令。
7）其他优势
专用的数据地址发生器（DAG）；独立的传输总线（DMA）及其控制器；带有片内存储器（包括程序RAM和数据RAM，以及Cache）；含有丰富的外设，如定时器、HPI、I2C、EMAC；与结构相配合的RISC指令集（Reduced Instruction Set Computer）；带有JTAG边界扫描逻辑电路（IEEE标准1149.1），便于对DSP处理器作片上在线仿真、多处理器情况下的调试以及程序下载。

11. DSP系统设计开发

2.DSP系统设计过程
DSP系统的设计过程如图5.18所示。

图5.18 DSP系统的设计过程
3. 硬件设计阶段
DSP系统硬件设计过程如图5.19所示。

图5.19 DSP系统硬件设计过程
4. 软件设计阶段
DSP系统软件设计过程如图5.20所示。

图5.20 DSP系统软件设计过程
5. DSP开发环境—— 片上调试
DSP系统片上调试示意图如图5.21所示。

图5.21 DSP系统片上调试示意图

12.MSP430系列单片机的特点

1. 超低功耗
MSP430系列单片机的电源采用1.8～3.6 V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1 mA，活动模式耗电250 mA/MIPS（MIPS：每秒百万条指令数），I/O输入端门漏电流最大仅50 nA。
2. 强大的处理能力
MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集（RISC）结构，一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCS51单片机12个时钟周期才可以执行一条指令），使MSP430在8 MHz晶振工作时，指令速度可达8 MIPS（注意：同样8 MIPS的指令速度，在运算
性能上 16 位处理器比 8 位处理器高远不止两倍）。TI不久还将推出25～30 MIPS的产品。
同时，MSP430系列单片机中的某些型号，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘-加（积之和）功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法（如FFT、DTMF等）。这种结构在其他系列单片机中尚未使用。
3. 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块
MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。视型号不同可能组合有以下功能模块：看门狗（WDT），模拟比较器A，定时器A（Timer_A），定时器B（Timer_B），串口0，1（USART0、1），硬件乘法器，液晶驱动器，10位/12位/l4位ADC，12位DAC，I2C总线，直接数据存取（DMA），端口0（P0），端口1～6（P1～P6），基本定时器（Basic Timer）等。
4. 系统工作稳定
软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作 CPU 时钟MCLK 时发生故障，DCO 会自动启动，以保证系统正常工作。这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为－40～＋85 °C，运行稳定，可靠性高，所设汁的产品适用于各种民用和工业环境。
5. 方便高效的开发环境
只需要一台PC和一个JTAG调试器，而不需要专用仿真器和编程器。开发语言用汇编语言和C语言。
6. 多种时钟模块
MSP430单片机有3种时钟源可供ACLK、SMCLK、MCLK 选择。其中LFXTI提供给外围设备32 768 Hz的时钟，LFXT2可以提供高达8 MHz的时钟供单片机运行使用，DCO为单片机内部提供，并具有锁相环，为系统提供一个内部时钟源，当XTALT2没有提供时，系统依靠DCO运行，整个时钟配置可以通过DCOCTL、BCSCTLI、BCSCTL2和SR等控制寄存器中相应的位来选择和控制，以满足用户对系统的要求。
13. 典型的嵌入式系统结构

典型的嵌入式系统结构框图如图5.32所示。

图5.32 典型嵌入式系统结构框图
14. 典型的嵌入式操作系统：

免费产品：uCLinux（非实时）、RTLinux（实时）、μC/OS（实时）。
商用产品：Symbian、Windows Mobile、SmartPhone（用于手机、非实时）、WindowsCE 、Palm、Pocket PC、EPOC（用于PDA、非实时）、VxWorks（实时）、DSP/BIOS（针对DSP）。

二、人机交互界面

1.人机交互常用的串行通信方式及其特点
对于信息的发送方式：一种是用 232 通信，利用计算机串行口 COM1～COM4通信，此方式通信速度较慢，且距离不能太远，只有30 m左右；另一种是采用在计算机上加插一块通信卡的422/485通信方式，此方式通信速度快，且距离远，可达1 000 m左右。

2. LED数码管及其动态显示原理
1. 八段数码管介绍

图6.3 八段数码管
图6.3是一个两位一体的共阳极八段数码管。其中的第10引脚对应左边（十位）八段码的控制阳极，第5引脚对应右边（个位）八段码的控制阳极。其余八个引脚7，6，4，1，3，8，9，2分别对应的数码管a，b，c，d，e，f，g，dp八段显示管。
只要在阳极和某段引脚间加上1 V左右的直流正向电压，或者在阳极和段码引脚间有5～10 mA的电流通过，该8段数码管码就会发亮。比如，在10引脚和7引脚间加一个正向1 V左右的电压，则左边的a段码就会发亮。在5引脚和6引脚间通过8 mA左右的电流，右边的b段码就会亮。
需要注意的是，7，6，4，1，3，8，9，2这八个段码的引脚是左右两个数码管公用的，所以是左边的亮还是右边的亮就取决于左边还是右边的阳极相对这八个引脚具有正向压降。
当将这样的数码管接入到单片机等数字处理芯片中时，就可以通过芯片的I/O口对这样的数码管进行亮灭控制，从而显示00～99数字和其他字符。
2. 数码管的动态显示原理
一般来讲，动态显示并不是人眼看上去的一个八段数码管亮了之后另外一个再亮，而是指人眼看上去两个数码管都是亮的，只是实际上把时间缩小到毫秒级，一个亮了之后再让另外一个亮，这中间的间隔时间在10毫秒之内，利用人眼的“余辉”效应，看上去好像是同时亮的。
根据上面的叙述，如果将单片机的端口P1按表6.1与数码管的七段码引脚对应连接时，则要显示的十位和个位的数字字符与P1端口的值有表6.2所示的对应关系。
表6.1 端口P1、数码管引脚和七段LED对应关系表
P1端口引脚
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
P3.7
七段LED
g
f
a
b
c
e
d
十位阳极
个位阳极
数码管引脚
9
8
7
6
4
3
1
10
5
表6.2 端口P1的值与要显示的数字字符之间的对应情况表
要显示的数字字符
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
端口
P1的值
个位时
0×80
0×E6
0×48
0×44
0×26
0×14
0×10
0×C6
0×00
0×04
十位时
0×81
0×E7
0×49
0×45
0×27
0×15
0×11
0×C7
0×01
0×05
在分析表6.4时，需要注意的是，在显示个位时有P1.0＝0，P3.7＝1，对任何数字字符都成立；而在显示十位时，有P1.0＝1；P3.7＝0，对任何数字字符都成立。另外，本文所用的数码管是共阳极的数码管，要让数码管的某一个段如a段亮，就要使a段对应的P1端口引脚P1.5置为低电平，即逻辑电位为0。
例如，当要在个位显示1时，就可以利用指令P1＝0×E6，给P1端口赋值0×E6，同时P3.7引脚置高电平，这样数码管就只有个位显示，且只有P1.4和P1.3引脚被拉为低电平，即只有对应的b段和c段LED亮，所以数显结果就为个位“1”。
我们最常用的是七段式和八段式LED数码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。其原理图如下。

其中引脚图的两个COM端连在一起，是公共端，共阴数码管要将其接地，共阳数码管将其接正5伏电源。一个八段数码管称为一位，多个数码管并列在一起可构成多位数码管，它们的段选线（即a,b,c,d,e,f,g,dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。
数码管的8段，对应一个字节的8位，a对应最低位，dp对应最高位。所以如果想让数码管显示数字0，那么共阴数码管的字符编码为00111111，即0x3f；共阳数码管的字符编码为11000000，即0xc0。可以看出两个编码的各位正好相反。如下图。

3.键盘
矩阵式键盘输入原理
矩阵式键盘如图6.7所示。

图6.7 矩阵式键盘接口示意图
在行线与列线之间接入按键，以4×4为例（共16键）。
（1）键结构：图6.7中行线P1.0～P1.3为检测输入线，列线P1.4～P1.7为扫描输出线。键盘无键闭合时，P1.0～P1.3检测输入线全部为高电平“1”。键盘有键按下时，如 4号键按下，此时P1.1检测输入电平由P1.4的扫描输出电平所决定。
（2）按键识别方法：扫描法、线反转法。
① 扫描法：输出P1.7～P1.5＝1，P1.4＝0，则扫描P1.4列，读行线P1.0～P1.3，若有0出现，则表示当前键按下，由行列即可决定键号；若P1.0至P1.3为全1，则表示无键按下，继续扫描下一列线。根据按下键的行、列号求键号，可采用计算法或查表法。
② 线反转法：扫描法要逐列扫描查询，当被按下的键处于最后一列时，则要经过多次扫描才能最后获得此按键所处的行和列，而线反转法则显得很简练，无论被按键是处于第1列还是最后一列，均只需经过两步便能获得此按键所在的行列值，线反转法的原理及步骤如下：
第一步：将行线编程为输入线，列线编程为输出线，并使输出线输出全为零电平，则行线中电平由高到低的所在行为按键所在行；
第二步：同第一步完全相反，将行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线输出全为低电平，则列线中电平由高到低的所在列为按键所在列。
结合两步的结果，便可确定按键所在行和列，从而识别所按的键。
（3）键盘的编码：对于独立式按键盘，由于按键的数目较少，可根据实际
需要灵活编码。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。
键盘输入的去抖技术
由于键存在机械弹性，按键动作产生的电信号存在抖动。为保证键值唯一，在CPU查询按键之前应消除抖动，常用的消抖动法有：
（1）硬件滤波去抖。采用RC低通滤波器或采用RS触发器，缺点是，一键占用一根I/O线，键多时，占用较多的系统硬件资源；优点是，应用简单，主要用于命令键场合。
（2）软件延时去抖。在查询到有键按下时，不忙于处理按键，而是延时 10 ms 左右再次查询按键的状态，如果仍是按下状态，表示键的确被按下。之所以延时取10 ms，是因为抖动期的时间最多为10 ms。
（3）综合去抖。在关键重要场合，采用硬件和软件的办法进行综合去抖。
键盘的工作方式
（1）程序扫描方式：单片机系统中，在 CPU 空闲时，调用键盘扫描子程序，查询键盘情况。扫描键盘子程序有以下几个步骤：
① 判断有无键按下。令所有列线为“0”，查行线有无“0”，有“0”则表示有键按下，接着查出键号，为“1”则说明无键按下，转显示子程序。
② 有键按下，用软件延时（5～10 ms）的方法进行消抖。
③ 扫描键盘，得按键参数，即行列值。
④ 计算键号（用计算法）。
⑤ 判断闭合键是否释放。
⑥ 执行键操作子程序。
⑦ 返回。
（2）中断扫描方式：采用硬件电路，当有按键产生时向 CPU 申请中断，CPU接收到中断后转向中断处理，进行按键处理，这可以节约CPU时间。
（3）定时器扫描方式：为了使 CPU 更多地发挥作用，用 CTC 定时，每 10 ms中断一次以对键盘进行扫描。

4.简单声光报警电路

图6.8 光报警原理图
当选用参数为 24 V 的蜂鸣器时，其控制电路非常简单，只需在上面的光报警电路中，与光报警指示灯及其限流电阻并联即可。这样就实现了声光同时报警。

三、驱动器及执行器

1. 电磁继电器

电磁继电器是自动控制电路中常用的一种元件。实际上它是用较小电流控制较大电流的一种自动开关，因此，广泛应用于电子设备中。电磁继电器一般由一个线圈、铁芯、一组或几组带触点的簧片组成。触点有动触点和静触点之分，在工作过程中能够动作的称为动触点，不能动作的称为静触点。电磁继电器实现了机电绝对隔离，但是存在机械惯性、动作迟滞疲劳、电火花等现象，不能用于快速控制系统。
1. 电磁继电器的工作原理
当线圈通电以后，铁芯被磁化产生足够大的电磁力，克服弹性力吸动衔铁并带动簧片，使动触点和静触点闭合或分开；当线圈断电后，电磁吸力消失，在弹性力作用下衔铁返回原来的位置，动触点和静触点又恢复到原来闭合或分开的状态。应用时只需把要控制的电路接到触点上，就可利用继电器达到控制目的。

2. 固态继电器及其应用原理

固态继电器（Solid State Relay，SSR）是用分离的电子元器件、集成电路（或芯片）及混合微电路技术结合发展起来的一种具有继电特性的无触点式电子开关。具有寿命长、可靠性高、开关速度快、电磁干扰小、无噪声、无火花、抗干扰能力强、输出功率范围宽等优点，可广泛应用于航天、航海、家电、机床、通信、化工、煤矿等工业自动化领域。
（1）交流过零固态继电器原理分析：
固态继电器由输入电路、隔离（耦合）和输出电路组成，如图7.2所示，在输入电路控制端加入信号后，IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态，R1串接电阻对输入信号进行限流，以保证光耦合器不致损坏。LED发光二极管指示输入端控制信号，VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。

图7.2 交流固态继电器原理图
V1在线路中起到交流电压检测作用，使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。当IC1光敏三极管截止时（控制端无信号输入时），V1通过R2获得基极电流使之饱和导通，从而使SCR可控硅门极触发电压UGT被 箝在低电位而处于关断状态，最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。
当IC1光敏三极管导通时（控制端有信号输入时），SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其工作状态。如电源电压经R2与R3分压，A 处电压大于过零电压时（VA＞VBE1），V1处于饱和导通状态，SCR、BTA可控硅都处于关断状态；如电源电压经R2与R3分压，A处电压小于过零电压时（VA＞VBE1）V1处于截止状态，SCR可控硅通过R4获得触发信号而导通，从而使BTA在R6上也获得触发信号，也呈导通状态，对负载电源进行关断控制。如果此时控制端信号关断后，负载电流也随之减小至BTA双向可控硅的维持电流IH时，可自行关断，切断负载电源。
交流过零型固态继电器，因其电压过零时开启，负载电流过零时关断的特性，它的最大接通、关断时间是半个电源周期，在负载上可得到一个完整的正弦波形。也相应地减少了对负载的冲击。而在相应的控制回路中产生的射频干扰也大大减少。
（2）直流固态继电器原理分析：
直流固态继电器原理图如图7.3所示。
在输入控制回路中，电阻R1串接在IC1光电耦合器输入端对其发光管进行限流保护，发光管LED对输入控制信号给予指示，VD1对输入端的反偏电压进行保护。当控制端无信号输入时，IC1光电耦合器中的光敏三极管呈截止高阻状态，V1通过R2获得基极电流使之饱和导通，从而导致V2、V3、V4均处于截止状态，使其固态继电器呈关断状态。

图7.3 直流固态继电器原理图
当控制端有信号输入时，IC1中光敏三极管导通，使V1呈截止状态，从而使 V2、V3、V4导通，使其固态继电器呈接通状态，并将电源加至负载上，直流固态继电器的输出端随着输入端信号的加入而导通、信号的消失而关断。
另外，大功率、低电压的直流固态继电器的输出开关普遍采用功率场效应管来替代功率三极管，以此来降低输入功率。
3. 各种负载浪涌特性对SSR的选择

许多被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，由于热量来不及散发，很可能使SSR内部可控硅损坏，所以用户在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进行分析，然后再选择继电器。使继电器在保证稳态工作的前提下能够承受该浪涌电流，选择时可参考表7.1中各负载的降额系数（常温下）。
表7.1 负载类型与降额系数参考表
负载类型
电阻
电热
白炽灯
交流电磁铁
变压器
电机
降额系数
1
0.8
0.5
0.5
0.5
0.2
如所选用的继电器需在工作较频繁、寿命以及可靠性要求较高的场合工作时，则应在表7.1的基础上再乘以0.6以确保工作可靠。
一般在选用时遵循上述原则，在低电压且要求信号失真小时，可选用场效应管作输出器件的直流固态继电器；如对交流阻性负载和多数感性负载，可选用过零型继电器，这样可延长负载和继电器的寿命，也可减小自身的射频干扰。如作为相位输出控制时，应选用随机型固态继电器。

4. 电磁阀概述

电磁阀是过程控制中的主要器件之一。用于通过电力的方式远动控制气路、水路、油路等过程介质的通断，或通过其控制介质通过过程通道的流量比例。电磁阀属于执行器，并不限于液压、气动。电磁阀用于控制液压流体的流动方向，大型机械的机械执行装置一般都由液压缸控制驱动，所以就会用到电磁阀。
电磁阀是由电磁线圈和磁芯组成，是包含一个或几个孔的阀体。当线圈通电或断电时，磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断，以达到改变流体方向的目的。电磁阀的电磁部件由固定铁芯、动铁芯、线圈等部件组成；阀体部分由滑阀芯、滑阀套、弹簧底座等组成。电磁线圈被直接安装在阀体上，阀体被封闭在密封管中，构成一个简洁、紧凑的组合。生产中常用的电磁阀有二位三通、二位四通、二位五通等。
电磁阀的一般工作原理如下：
电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，
腔中间是阀，两面是两块电磁铁，阀体就会被吸引到通电的磁铁线圈那一边，通过控制阀体的移动来挡住或露出不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置运动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
电磁阀从原理上分为三大类：直动式、分步直动式、先导式，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类：直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。

5. 电磁阀选型要领

电磁阀选型首先应该依次遵循安全性、可靠性、适用性、经济性四大原则，其次是根据六个方面的现场工况，即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求进行选择。
（1）根据管道参数选择电磁阀的通径规格（即DN）、接口方式。
① 按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径（DN）尺寸。
② 接口方式，一般DN＞50要选择法兰接口，DN≤50则可根据用户需要自由选择。
（2）根据流体参数选择电磁阀的材质、温度组。
① 腐蚀性流体：宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢；食用超净流体：宜选用食品级不锈钢材质电磁阀。
② 高温流体：要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀，而且要选择活塞式结构类型的。
③ 流体状态：大致有气态、液态或混合状态，特别是口径 DN大于25，订货时一定要区分开来。
④ 流体黏度：通常在 50 cSt 以下可任意选择，若超过此值，则要选用高黏度电磁阀。
（3）根据压力参数选择电磁阀的原理和结构品种。
① 公称压力：这个参数与其他通用阀门的含义是一样的，是根据管道公称压力来定的。
② 工作压力：如果工作压力低，则必须选用直动或分步直动式原理；最低工作压差在0.04 MPa以上时