Практикум по микропроцессорным системам управления

 
 
 
 
М. В. Виноградов, Е. М. Самойлова 
 
 
 
 
 
 
ПРАКТИКУМ  
ПО МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ  
СИСТЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ  
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 681.5/.3 
ББК 32.96 
В49 
 
 
Рецензенты: 
кафедра «Металлорежущие станки и инструменты» 
Донского государственного технического университета; 
кандидат технических наук, доцент 
Саратовского государственного университета генетики,  
биотехнологии и инженерии имени Н. И. Вавилова 
А. В. Ключиков  
 
 
 
 
 
 
 
Виноградов, М. В.  
В49   
Практикум по микропроцессорным системам управления : учебное пособие / М. В. Виноградов, Е. М. Самойлова. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 168 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1978-9  
 
Рассматриваются методы и примеры проектирования логических, а на их основе – 
принципиальных схем микропроцессорных систем управления. Представлены различные аппаратные средства и программное обеспечение для проектирования, моделирования и реализации схем современных микропроцессорных систем управления. Излагаются общие принципы построения микропроцессорных систем управления (МПСУ). 
Рассматриваются их особенности, а также способы микропроцессорной реализации алгоритмов управления. Приведены сведения о программировании промышленных микроконтроллеров. 
Для студентов направлений 15.03.04, 15.04.04, изучающих дисциплины «Схемотехника систем управления», «Схемотехника микропроцессорных структур», «Системы 
автоматизации и управления», «Проектирование систем автоматизации и управления», 
«Микропроцессорные системы управления». 
 
УДК 681.5/.3 
ББК 32.96 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1978-9 
© Виноградов М. В., Самойлова Е. М., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
.......................................................................................................... 5 
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ........................................................................... 6 
1.1. Логические схемы .................................................................................... 6 
1.2. Микроконтроллеры 
................................................................................ 11 
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 
............................................................. 24 
2.1. Практическая работа 1  
Использование таблиц истинности для описания работы  
комбинационных логических схем ............................................................. 25 
2.2. Практическая работа 2  
Оптимизация логических выражений с помощью карт Карно ................ 30 
2.3. Практическая работа 3 
Синтез электронных схем на логических элементах ................................ 35 
2.4. Практическая работа 4 
Исследование ситуаций риска в логических схемах ................................. 41 
2.5. Практическая работа 5 
Моделирование ЦАП и АЦП ....................................................................... 48 
2.6. Практическая работа 6 
Моделирование цифрового преобразователя аналогового сигнала ........ 54 
2.7. Практическая работа 7 
Преобразователь на интегральном таймере ............................................... 58 
2.8. Практическая работа 8 
Оптимизация компоновки и размещения элементов 
на печатных платах ....................................................................................... 63 
2.9. Практическая работа 9 
Программируемые реле ................................................................................ 76 
2.10. Практическая работа 10 
Управление стеллажным краном-штабелером  
с использованием микроконтроллера ATmega2560 .................................. 95 
2.11. Практическая работа 11 
Управление стеллажным краном-штабелером 
с использованием контроллера STM 32 
.................................................... 104 
3 
 

2.12. Практическая работа 12 
Составление программы дистанционного управления роботом  
в среде Blockly RISDK 
................................................................................ 126 
2.13. Практическая работа 13 
Разработка программы управления технологическим роботом  
на основе языка программирования «Python» ......................................... 139 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 147 
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 
.............................................................................. 149 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ............................................................................................ 150 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ............................................................................................ 159 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Продолжается чрезвычайно быстрый рост производства средств 
микропроцессорной техники, которые проникают во все сферы человеческой деятельности – от космических исследований и автоматизации промышленного производства до медицины и повседневного быта в виде автоматизированных и автоматических систем сбора и обработки информации, управления и контроля. Вследствие этого повышается интерес все более широкого круга специалистов самых различных отраслей знаний 
к микропроцессорной технике, ее потенциальным возможностям. В таких 
условиях естественно возникает необходимость в пособии по методам 
и технике проектирования микропроцессорных устройств на базе современных достижений технологии производства средств вычислительной 
техники, не требующем от читателя специальной подготовки в теории переключательных (логических) функций. Спроектированное устройство 
минимизируется по количеству элементов для повышения его надежности 
и снижения стоимости. 
Одной из задач настоящего пособия является рассмотрение основного этапа разработки микропроцессорных устройств – их логического проектирования на базе цифровых интегральных микросхем. Это поможет 
овладеть методами и техникой проектирования не только отдельных логических схем, но и больших функционально законченных систем. 
Рассмотрены также варианты проектирования асинхронных последовательностных схем. Отличительной особенностью логического проектирования является использование теоретических положений булевой алгебры, графов переходов и техники моделирования схем с использованием 
программ Electronics Workbench (EWB) и OWEN Logic. 
Приведены практические примеры использования микропроцессорных систем для управления реальными объектами путем реализации конкретных алгоритмов на примере как удаленного робота, так и реального 
лабораторного стенда в реальном времени. Это способствует приобретению определенных навыков и получению необходимых компетенций 
в процессе обучения. 
5 
 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 
 
С начала 70-х годов прошлого столетия разработчики систем управления имеют принципиально новые технические средства – микропроцессоры для управления и микроЭВМ для отладки процесса управления. С их 
появлением стало возможным привлекать современные средства автоматики и вычислительной техники к решению обычных (не уникальных) технических задач. 
 
1.1. Логические схемы 
 
Современные устройства микропроцессорной электроники проникают во все сферы нашей жизни: электронные часы, электронные замки 
в подъездах, ЭВМ, ЧПУ и т. д. Основу всех этих устройств составляют 
цифровые схемы логических цепей, регистров, счетчиков, таймеров, коммутаторов, дешифраторов, сумматоров, преобразователей и т. п. Понимание физических принципов работы этих схем и методов конструирования 
сложных систем на их основе является необходимым условием надежной 
работы средств автоматизации. 
Появление микропроцессорных БИС позволяет уменьшить стоимость микроЭВМ, сравнимых по своим параметрам с ранее созданными 
ЭВМ на 3…4 порядка, габаритные размеры на 4 порядка, потребляемую 
мощность в 105 раз это дает возможность увеличить при тех же затратах 
производство ЭВМ в сотни и тысячи раз перевести устройства на базе 
микропроцессоров из разряда специальных в обыденные: кухонные таймеры, роботы, станки, станочные линии и т. д. 
Специалист, использующий ЭВМ в своей повседневной деятельности должен иметь правильное представление о ее возможностях и построении. Он должен понимать, каким образом ЭВМ управляет оборудованием, как она собирает и обрабатывает информацию, какие возможности 
ЭВМ можно использовать для повышения производительности труда. 
Надо уметь создать схему, обеспечивающую связь ЭВМ с управляемым 
объектом. Замена дискретных устройств ЧПУ на микропроцессор позволило создать системы, в которых программа меняется без участия человека – оператора. 
Управление – это процесс воздействия на объект с целью привести 
его в желаемое состояние или положение (из кибернетики). 
6 
 

Объектом управления называется объект, нуждающийся в специально организованном управляющем воздействии для успешного взаимодействия с другими объектами или внешней средой. 
Чтобы появилась возможность управлять объектом, необходимо 
наличие набора правил, позволяющих достигать поставленной цели управления в различных ситуациях, т. е. алгоритма управления и устройства 
управления – способного создавать управляющее воздействие в соответствии с алгоритмом. 
Система управления – это совокупность объекта управления 
и устройства управления, взаимодействие которых приводит к выполнению поставленной цели управления. Все технологические процессы на 
производстве являются объектами управления. Управление техпроцессом, 
оборудованием, транспортом – это выполнение алгоритма управления. 
Технологические процессы делятся по характеру на непрерывные, периодические и дискретные. 
Непрерывным является техпроцесс, в котором конечный продукт вырабатывается лишь тогда, когда поступает сырье, энергия, расходные материалы и т. д. 
В периодическом процессе за сравнительно короткий промежуток 
времени (часов, дней) вырабатывается ограниченное количество продукции. Сырье и полуфабрикаты вводятся строго заданными дозами и в строго заданной последовательности. Операции обработки регламентированы. 
Конечная продукция появляется только после выполнения всех условий и 
операций. Примеры: выплавка стали в кислородных конверторах, выпечка 
хлеба, полевые работы и т. п. 
Дискретные техпроцессы характерны для машиностроения, приборостроения, легкой промышленности и отличаются наличием множества 
компонентов, качество которых необходимо контролировать, чтобы конечный продукт отвечал заданным стандартам, например, сборка. 
Целью управления технологическим процессом является поддержание в заданных пределах всех условий, необходимых для получения 
выходной продукции заданного качества и в требуемых количествах 
(рис. 1.1). Управление должно также обеспечивать максимальную экономическую эффективность и минимальное отрицательное воздействие 
на окружающую среду. 
Изменение внешних условий должно вызывать компенсирующее изменение соответствующих параметров технологического процесса для сохранения постоянного уровня качества конечного продукта. 
7 
 

 
 
Рис. 1.1. Обобщенная схема управления: 
Д1…Д3 – датчики – приборы, воспринимающие изменение параметров 
и преобразующие эти изменения во входной (электрический) сигнал;  
ИМ – исполнительный механизм – устройство,  
непосредственно воздействующее на объект управления 
 
При ручном управлении человек принимает информацию, перерабатывает ее, принимает решение и выполняет регулировочные действия. Если отдельные операции поручить специальным устройствам, процесс управления 
будет автоматизированным, т. к. человек будет принимать окончательное 
решение. С передачей всех функций человека автоматическому управляющему устройству получим полностью автоматическую систему управления. 
Набор датчиков исполнительных механизмов, АЦП и ЦАП, устройства, передающие по одиночным проводам дискретные сигналы типа «включить-выключить» и т. п. образуют систему связи УЭВМ с объектом управления. Во многих автоматических системах управления используется принцип 
отрицательной обратной связи, когда регулируемое значение того или иного 
параметра (скорости резания) сравнивается с заданным значением. В зависимости от вида оборудования микроЭВМ может использовать различные 
принципы числового программного управления оборудованием. 
Большинство динамических объектов работают непрерывно (в непрерывном времени). Их входные и выходные сигналы также существуют 
непрерывно. Используются термины аналоговые сигналы, аналоговые регуляторы и т. п. С появлением высоконадежных микропроцессоров и микроЭВМ вместо аналоговых регуляторов стали применять цифровые. МикроЭВМ работает при этом в режиме прямого цифрового регулирования 
(ПЦР). Особенностью этого режима является необходимость сопряжения 
непрерывного процесса в объекте управления с дискретным характером 
работы микропроцессора. 
8 
 

Переход от непрерывных сигналов к дискретным и обратно решается 
применением АЦП и ЦАП. ЭВМ воспринимает и выдает информацию 
порциями, т. к. для каждой операции нужен квант времени, а для хранения 
каждой цифры – ячейка памяти. Даже с увеличением скорости до бесконечности возникнут проблемы с объемом памяти. 
Кроме того, обработать в реальном масштабе времени большой объем памяти машине не хватит быстродействия. Поэтому в системах микропроцессорного управления машина с помощью АЦП отбирает себе для работы лишь отдельные отсчеты сигнала. При этом часть информации об исходном сигнале теряется, причем тем больше, чем меньше частота отсчетов. Таким образом, при разработке схемы микропроцессорного управления должны учитываться не только динамические свойства объекта, но 
и используемая частота отсчетов. 
В системах микропроцессорного управления интерфейс между 
микроЭВМ и объектом управления обязательно содержит блоки АЦП 
и ЦАП. Вне зависимости от характера технологического процесса можно выделить типовые связи с ОУ (объектом управления): вывод и ввод 
релейных сигналов (или цифровых кодов), вывод и ввод аналоговых 
сигналов. 
Действие автоматического устройства можно описать функциональными зависимостями между входными и выходными величинами. При 
решении задач программного и логического управления приходится синтезировать схемы, описываемые уравнениями трех видов: 
– обыкновенными невременными булевыми функциями, которые характеризуют работу различных комбинационных схем: 


n
X
X
X
f
F
...,
,
,
2
1
1
1  
; 
– временными булевыми функциями, характеризующими поведение 
схем, работа которых зависит от дискретного времени: 
 


t
X
X
X
f
F
n,
...,
,
,
2
1
2
2  
; 
 
– рекуррентными булевыми функциями, отражающими поведение 
схем с обратной связью или конечных автоматов: 














k
3
1
3
r
1
1
1
1
1
3
3
,...,
,
,...,
,...,
,...,
,
...,
,






 
t
t
t
n
r
t
t
n
t
nt
t
F
F
X
X
X
X
X
X
f
F
 
F30 = a        F3 = 0  при  t  0 
Xi (i = 1, 2, 3, …,n) – двоичные аргументы, принимающие значения «0» или 
«1»; t – дискретное время, принимающее любые целочисленные значения 
в интервале 0 d t d S-1 
9 
 

r = 1, 2,…, t           k = 0, 1, 2, …, t 
F30 – начальное значение функции F3t при t = 0. 
Синтез схем, описываемых функциями F2 и F3 сложнее, чем функцией F1, поэтому иногда специальными математическими методами, например, заменой переменных функцию F2 можно свести к системе функций 
вида F1. В некоторых простых случаях функции F3 можно также свести 
к системе функций F1 с добавлением соотношения, описывающего многократный элемент задержки. 
При построении комбинационных схем систем управления приходится решать задачу минимизации исходной булевой функции. Используются чаще всего приложения булевой алгебры и карты Карно. 
В алгебре переключательных схем имеются, по существу, всего три 
основные операции. Другие операции могут быть построены как их комбинации. Чтобы проиллюстрировать смысл этих основных операций, рассмотрим прямоугольник, представляющий множество всех элементов, 
к которым эти операции применимы. Подмножество точек прямоугольника может быть изображено кругом внутри него. Два подмножества Y и Z 
представляются в виде двух кругов внутри одного и того же прямоугольника (рис. 1.2). Исходя из такого изображения, называемого диаграммой 
Венна, может быть определена операция и, обозначаемая также символом. 
Заштрихованная область на рис. 1.3 представляет объединение подмножеств, описываемое выражением Y˜Z, и является графической иллюстрацией определения операции И. 
 
                      
 
 
Рис. 1.2. Множества и подмножества           Рис. 1.3. Изображение операции И, Y˜Z 
 
Операция И относится к основным операциям алгебры логики, поскольку обеспечивает выбор определенной минимальной области. Под минимальной областью здесь понимается множество точек с определенным 
сочетанием состояний принадлежности этих точек множествам Y и Z и их 
дополнениям CY и CZ. Минимальные области являются графическими аналогами понятия минитерма. 
10