微型计算机控制技术（第2版）（网络资源版）

书籍目录

第 1章 微型计算机控制系统概述 ............... 1

1.1 微型计算机控制系统的组成....................... 1

1.1.1 微型机控制系统的硬件结构................................. 2

1.1.2 微型机控制系统的软件........................................ 3

1.2 微型机控制系统的分类........................................ 4

1.2.1 操作指导控制系统............................................... 4

1.2.2 直接数字控制系统（DDC）...................................... 4

1.2.3 计算机监督系统（SCC）........................................... 5

1.2.4 嵌入式系统（EMS）................................................. 6

1.2.5 物联网系统（ITS）................................................... 8

1.2.6 现场总线控制系统（FCS）..................................... 10

1.3 微型计算机控制系统的发展概况及趋势......................... 11

1.3.1 单片微型计算机................................................ 11

1.3.2 可编程逻辑控制器............................................. 13

1.3.3 现场可编程门阵列（FPGA）.................................... 14

1.3.4 工业 PC机........................................................ 18

1.3.5 微型计算机控制系统的发展趋势........................ 19

习题一..................... 20

第 2章 模拟量输入/输出通道的接口技术................................... 22

2.1 多路开关及采样 -保持器..................................... 22

2.1.1 多路开关.......................................................... 22

2.1.2 采样 -保持器..................................................... 27

2.2 模拟量输出通道的接口技术.......................................... 29

2.2.1 8位 D/A转换器及其接口技术............................ 29

2.2.2 高于 8位的 D/A转换器及其接口技术................. 33

2.3 模拟量输入通道的接口技术.......................................... 35

2.3.1 8位 A/D转换器................................................. 36

2.3.2 8位 A/D转换器的接口技术................................ 38

2.3.3 8位 A/D转换器的程序设计................................ 41

2.3.4 高于 8位的 A/D转换器及其接口技术................. 44

2.3.5 串行 A/D转换器及其接口技术........................... 48

习题二................. 52

第 3章 人机交互接口技术..................... 55

3.1 键盘接口技术................................. 55

3.1.1 键盘设计需解决的几个问题............................... 55

3.1.2 少量功能键的接口技术 .........................................57

3.1.3 矩阵键盘的接口技术..........................................58

3.1.4 电子薄膜开关的应用..........................................63

3.1.5 键盘特殊功能的处理..........................................67

3.2 红外遥控键盘接口技术.................................................69

3.2.1 红外发射电路（NB9148）..........................................69

3.2.2 红外接收电路（NB9149/NB9150）.....................................72

3.2.3 红外遥控键盘系统的设计...................................75

3.2.4 简单红外遥控键盘系统的设计............................77

3.3 LED显示接口技术.....................79

3.3.1 LED数码管的结构及显示原理............................80

3.3.2 LED动态显示接口技术......................................82

3.3.3 LED静态显示接口技术......................................85

3.3.4 硬件译码显示电路.............................................88

3.4 LED电子显示屏技术....................................................89

3.4.1 LED显示屏的分类.............................................89

3.4.2 LED显示屏的结构.............................................90

3.4.3 LED显示屏的设计.............................................91

3.5 LCD的显示接口技术..................................................103

3.5.1 LCD的基本结构及工作原理.............................103

3.5.2 LCD的驱动方式..............................................104

3.5.3 4位 LCD静态驱动芯片 ICM7211............................106

3.5.4 点阵式 LCD的接口技术...................................108

习题三.............................117

第 4章 常用控制程序的设计.................120

4.1 报警程序的设计.........................120

4.1.1 常用的报警方式..............................................120

4.1.2 简单报警程序的设计........................................122

4.1.3 越限报警程序的设计........................................126

4.1.4 远程自动报警系统的设计.................................129

4.2 开关量输出接口技术..................................................133

4.2.1 光电隔离技术..................................................133

4.2.2 继电器输出接口技术........................................134

4.2.3 固态继电器输出接口技术.................................134

4.2.4 大功率场效应管开关接口技术..........................137

4.2.5 可控硅接口技术..............................................138

4.2.6 电磁阀接口技术..............................................139

4.3 电机控制接口技术..............140

4.3.1 小功率直流电机调速原理.................................141

4.3.2 开环脉冲宽度调速系统....................................142

4.3.3 PWM调速系统设计.........................................143

4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统....................................147

4.3.5 交流电机控制接口技术....................................150

4.4 步进电机控制接口技术...............................................151

4.4.1 步进电机的工作原理........................................152

4.4.2 步进电机控制系统的原理.................................152

4.4.3 步进电机与微型机的接口及程序设计................155

4.4.4 步进电机步数及速度的确定方法...................... 159

4.4.5 步进电机的变速控制....................................... 160

习题四....................... 161

第5章  IC卡技术.................................. 166

5.1 IC卡....................... 166

5.1.1 IC卡分类...................................... 167

5.1.2 接触式 IC卡的物理特性................................... 168

5.2 IC卡系统硬件结构................................ 169

5.2.1 IC卡读写器.................................................... 169

5.2.2 IC卡的供电电路.............................................. 170

5.3 IC卡接口软件设计....................................... 171

5.3.1 IC卡的操作系统.............................................. 171

5.3.2 IC卡的应用软件.............................................. 172

5.4 射频识别（RFID）技术.............................................. 173

5.4.1 RFID卡的结构与原理...................................... 175

5.4.2 RFID技术的分类............................................. 177

5.4.3 RFID技术标准................................................ 178

5.4.4 125 kHz RFID技术........................................... 179

5.4.5 13.56 MHz RFID技术....................................... 191

习题五.............................. 199

第 6章 总线接口技术..................... 201

6.1 串行通信基本概念..................................... 201

6.1.1 数据传送方式.................................................. 201

6.1.2 异步通信和同步通信....................................... 202

6.2 串行通信标准总线...................................... 204

6.2.1 RS-232-C................................................. 204

6.2.2 RS-485.................................................. 208

6.2.3 多机通信........................................................ 211

6.3 SPI总线......................................... 214

6.3.1 SPI的内部结构............................................... 215

6.3.2 SPI的工作原理............................................... 217

6.3.3 多机 SPI系统.................................................. 218

6.3.4 串行时钟的极性和相位.................................... 219

6.3.5 SPI中断.......................................................... 220

6.3.6 直接采用 SPI总线接口芯片的应用................... 220

6.3.7 SPI总线模拟程序设计..................................... 220

6.4 I2C总线......................... 222

6.4.1 I2C总线概述.................................................... 222

6.4.2 I2C总线的数据传送......................................... 223

6.4.3 寻址.......................................... 226

6.4.4 仲裁和时钟同步化........................................... 229

6.4.5 I2C总线的电气特性......................................... 230

6.4.6 I2C时序规范.................................................... 232

6.4.7 直接采用 I 2C总线接口芯片的应用.................... 232

6.4.8 I2C总线模拟实用程序...................................... 234

6.5 现场总线技术................................................... 238

6.5.1 现场总线技术的发展概况.................................238

6.5.2 现场总线控制系统的特点.................................239

6.5.3 5种典型的现场总线.........................................240

6.5.4 现场总线的应用..............................................242

习题六..............243

第 7章 过程控制数据处理的方法...........................245

7.1 数字滤波技术..............................246

7.1.1 程序判断滤波..................................................246

7.1.2 算术平均值滤波..............................................248

7.1.3 加权平均值滤波..............................................250

7.1.4 滑动平均值滤波..............................................251

7.1.5 RC低通数字滤波.............................................251

7.1.6 复合数字滤波..................................................252

7.1.7 各种数字滤波性能的比较.................................253

7.2 量程自动转换和标度变换...........................................253

7.2.1 量程自动转换..................................................254

7.2.2 线性参数标度变换...........................................258

7.2.3 非线性参数标度变换........................................259

7.3 测量数据预处理技术..................................................260

7.3.1 线性插值算法..................................................261

7.3.2 分段插值算法程序的设计方法..........................261

7.3.3 插值法在流量测量中的应用.............................262

7.3.4 系统误差的自动校正........................................266

7.4 DSP在数据处理中的应用...........................................267

7.4.1 DSP简介.........................................................267

7.4.2 DSPS芯片........................................................268

7.4.3 DSP在数据处理中的应用.................................270

习题七........................271

第 8章 数字 PID及其算法..................................274

8.1 PID调节算法..................................... 275

8.1.1 比例（P）调节器.............................................276

8.1.2 比例 -积分调节器（PI）.......................................276

8.1.3 比例 -微分调节器............................................277

8.1.4 比例 -积分-微分作用调节器（PID）.....................278

8.2 PID算法的数字实现...................................................278

8.2.1 PID算法的数字化............................................278

8.2.2 PID算法的程序设计........................................280

8.3 数字 PID调节中的几个实际问题.................................282

8.3.1 正、反作用问题..............................................282

8.3.2 饱和作用的抑制..............................................282

8.3.3 手动/自动跟踪及手动后援问题.........................285

8.4 PID算法的发展...................286

8.4.1 不完全微分的 PID算式....................................286

8.4.2 积分分离的 PID算式.......................................288

8.4.3 变速积分的 PID算式.......................................289

8.4.4 带死区的 PID算式...........................................290

8.4.5 PID比率控制.................................................. 290

8.5 PID参数的整定方法............................. 292

8.5.1 采样周期 T的确定........................................... 293

8.5.2 归一参数整定法.............................................. 293

8.5.3 优选法........................... 294

习题八...................... 294

第 9章 模糊控制技术........................... 297

9.1 模糊控制概述..................................... 297

9.1.1 模糊控制的发展概况....................................... 297

9.1.2 模糊控制的特点.............................................. 298

9.1.3 模糊控制的应用.............................................. 298

9.1.4 模糊控制的发展.............................................. 299

9.2 模糊控制算法的设计.............................................300

9.2.1 常见的模糊控制规则....................................... 300

9.2.2 反映控制规则的模糊关系................................. 302

9.3 基本模糊控制器........................................... 302

9.3.1 查询表的建立.................................................. 302

9.3.2 基本模糊控制器实例....................................... 303

9.4 模糊数模型的建立............................................ 307

9.4.1 模糊控制器语言变量值的选取.......................... 307

9.4.2 双输入单输出模糊控制器的模糊控制规则......... 307

9.4.3 建立模糊数模型.............................................. 308

9.5 模糊 -PID复合控制器......................................... 311

9.5.1 比例 -模糊-PI控制器...................................... 311

9.5.2 参数模糊自整定 PID控制器............................. 312

习题九......................................... 315

第 10章 微型机控制系统的设计................................... 316

10.1 微型机控制系统的设计方法及步骤............................ 316

10.1.1 控制系统总体方案的确定............................... 317

10.1.2 微型计算机及接口的选择............................... 319

10.1.3 控制算法的选择............................................. 320

10.1.4 控制系统的硬件设计...................................... 321

10.1.5 控制系统软件设计......................................... 324

10.1.6 Proteus仿真软件简介..................................... 325

10.2 微型计算机控制的自动装箱系统............................... 328

10.2.1 自动装箱控制系统的原理............................... 328

10.2.2 控制系统硬件设计......................................... 329

10.2.3 控制系统软件设计......................................... 331

10.3 智能型 FR1151压力变送器....................................... 337

10.3.1 FR1151压力变送器的组成原理....................... 337

10.3.2 FR1151系统的硬件设计................................. 338

10.3.3 FR1151系统的软件设计................................. 343

10.4 加热炉温度控制系统................................................ 346

10.4.1 温度控制系统的组成...................................... 347

10.4.2 温度控制系统的硬件设计............................... 347

10.4.3 数字控制器的设计......................................... 350

10.4.4 温度控制系统软件设计...................................351

10.4.5 手动后援问题................................................357

习题十.......................................358

第 11章 微型机控制系统抗干扰技术.......................................359

11.1 电源、地线、传输干扰及其对策...............................359

11.1.1 电源干扰及其对策.........................................360

11.1.2 地线干扰及其对策.........................................363

11.1.3 传输线的干扰及其对策...................................365

11.2 微型机控制系统硬件抗干扰措施...............................367

11.2.1 模拟量输入通道的干扰及其对策.....................367

11.2.2 P监控电路..................................................369

11.3 微型机控制系统软件抗干扰措施...............................373

11.3.1 提高数据采集可靠性的方法............................374

11.3.2 输入/输出软件抗干扰措施..............................374

11.3.3 防止“死机”的对策......................................375

习题十一............................. 378

附录 A 微型计算机控制技术课程设计任务书...........................379

附录 B 选择题参考答案..........................385

附录 C 微型计算机控制技术网络资源资料索引.......................386

参考文献.......................................388

作者简介

微型计算机控制技术（第2版）》内容全面，深入浅出，注重实用。

《微型计算机控制技术（第2版）》全面系统地讲述了微型计算机在嵌入式系统中的各种应用技术。主要内容有：微型计算机控制系统的组成及分类、A/D和 D/A转换、数据采集、键盘接口技术、 LED及 LCD显示、报警技术、马达控制、步进电机控制、 I/C卡接口技术、RFID技术、串行通信及其接口总线（ RS-232-C、SPI、I2C）、现场总线、数字滤波、标度变换、自动量程转换、非线性补偿、 PID控制、模糊控制、微型计算机控制系统设计方法及实例、微型计算机控制系统抗干扰措施等。全书的介绍以目前应用最多的 MCS-51系列单片机为主，也兼顾一些其他型号的单片机。书中虽然以单片机为例进行讲述，但书中所涉及的全部内容都是目前所流行的嵌入式系统所需要的，完全适用于嵌入式系统。

为了适应微型计算机控制技术发展的需要，本书在原来《微型计算机控制技术》的基础上，进行了大量的增删，去掉了一些理论推导和原理性的论述，增加一些更加实用的内容。主要有：嵌入式系统在物联网中的应用、 FPGA系统、串行 A/D转换器、 LED点阵显示器的设计、遥控键盘的设计、触摸式电子开关接口技术、远程报警系统的设计、 IC卡和射频识别技术（RFID）以及微型计算机控制系统抗干扰措施等。

《微型计算机控制技术（第2版）》可作为高等院校、职业技术学院的微型计算机应用、自动化、仪器仪表、电子、通信、机电一体化等专业的《微型计算机控制技术》课程的教材，也是广大从事微型计算机过程控制系统设计技术人员的一本实用参考书。

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