单片机控制技术

单片机控制技术

单片机控制技术随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度极高的方向发展。CPU的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。如CPU的运算位数从4位、8位…到32位机的发展，运算速度从8 MHz、32 MHz…到1.6GHz。可以说是日新月异的发展着。其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机（CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次，需要具有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第三，具有综合运用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。

单片机系统设计主要包括以下几个方面的内容：控制系统总体方案设计，包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等；选择各参数检测元件及变送器；建立数学模型及确定控制算法；选择单片机，并决定是自行设计还是购买成套设备；系统硬件设计〔1〕，包括接口电路，逻辑电路及操作面板；系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计，应用系统设计包含有硬件设计与软件设计两部分〔2〕；系统的调试与试验。

1单片机控制系统总体方案的设计

确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下：根据系统的要求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。选择执行机构，执行机构是微型机控制系统的重要组成部件之一。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况确定。选择输入/输出通道及外围设备。选择时应考虑以下几个问题：被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求；画出整个系统原理图。

单片机控制系统中控制算法的选用一般有：

(1) 直接数字控制

当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般多用实验的方法测出系统的特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型。现在经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计，由计算机确定出系统的数学模型，因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后，即可选定上述某一种算法，设计数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算并输出控制量，进而实现控制。

(2) 数字化PID控制

由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型，有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID（比例积分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2种PID为基础，根据系统的要求，可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。例如串级PID就是人们经常采用的控制方法之一。所谓串级控制就是第一级数字PID的输出不直接用来控制执行机构，而是作为下一级数字PID的输入值，并与第二级的给定值进行比较，其偏差作为第二级数字PID的控制量。当然，也可以用多级PID嵌套。

2单片机系统硬件设计

尽管单片机集成度高，内部含有I/O控制线，ROM，RAM和定时/计数器。但在组成单片机系统时，扩展若干接口仍是设计者必不可少的任务。扩展接口有2种方案，一种是购置现成的接口板，另一种是根据系统实际需要，选用适合的芯片进行设计控制系统。就后一种而言，主要包括以下几个方面的内容。

基本系统的构成：一个独立的单片机核心系统，一般由时钟电路、地址锁存器电路、地址译码器、存储器扩展、模拟量输入通道的扩展、模拟量输出通道的扩展、开关量的I/O接口设计、键盘输入和显示电路等组成。

(1)存储器扩展

由于单片机有4种不同的存储器，且程序存储器和数据存储器是分别编址的，所以单片机的存储器容量与同样位数的微型机相比扩大了一倍多。扩展时，首先要注意单片机的种类；另一方面要把程序存储器和数据存储器分开。

(2)模拟量输入通道的扩展

主要有以下2个问题：一个是数据采集通道的结构形式，一般单片机控制系统都是多通道系统。因此选用何种结构形式采集数据，是进行模拟量输入通道设计首先要考虑的问题。多数系统都采用共享A/D和S/H形式。但是当被测参数为几个相关量时，则需选用多路S/H，共享A/D形式。对于那些参数比较多的分布式控制系统，可把模拟量先就地进行A/D转换，然后再送到主机中处理。对于那些被测参数相同（或相似）的多路数据采集系统，为减少投资，可采用模拟量多路转换，共享仪用放大器、S/H和A/D的所谓地电平多路切换形式。另外一个问题是A/D转发器的选择，设计时一定要根据被控对象的实际要求选择A /D转换器，在满足系统要求的前提下，尽量选用位数比较低的A/D转换器。

(3)模拟量输出通道的扩展

模拟量输出通道是单片机控制系统与执行机构（或控制设备）连接的纽带和桥梁。设计时要根据被控对象的通道数及执行机构的类型进行选择。对于那些可直接接受数字量的执行机构，可由单片机直接输出数字量，如步进电机或开关、继电器系统等。对于那些需要接收模拟量的执行机构，则需要用D/A转化，即把数字量变成模拟量后，再带动执行机构。

(4)开关量的I/O接口设计

由于开关量只有2种状态“1”或“0”，所以，每个开关量只需一位二进制数

表示即可。因为MCS—51系列单片机设有一个专用的布尔处理机，因而对于开关量的处理尤为方便。为了提高系统的抗干扰能力，通常采用光电隔离器把单片机与外部设备隔开。

(5)操作面板

操作面板是人机对话的纽带，它根据具体情况，可大可小。为了便于现场操作人员操作，单片机控制系统设计一个操作面板的要求：操作方便、安全可*、并具有自保功能，即使是误操作也不会给生产带来恶果。

(6)系统速度匹配

在不影响系统总功率的前提下，时钟频率选得低一些较好，这样可降低系统对其他元器件工作速度的要求，从而降低成本和提高系统的可*性。但系统频率选的比较高时，要设法使其他元器件与主机匹配。

(7)系统负载匹配系统中各个器件之间的负载匹配问题，主要表现在以下几个方面。

①逻辑电路间的接口及负载：在进行系统设计时，有时需要采用TTL和CMO S混合电路，由于二者要求的电平不一样，因此一定要注意电流及负载的匹配问题。

②MCS—51系列单片及负载：8031的外部扩展功能是很强的，但是8031

的P0口和P2口以及控制信号ALE的负载能力都是有限的，P0口能驱动8个LSTTL电路，P2口能驱动4个LSTTL电路。硬件设计时应仔细核对8031的负载，使其不超过总的负载能力的70%。

3单片机控制系统的软件设计

单片机控制系统的软件设计一般分2类，系统软件和应用软件设计。系统软件的主要任务是：管理整个控制系统的全过程，比如，POWERUP自诊断功能，KEY

INPIT 的管理功能，PRINTER

OUTPUT报表功能，DISPLAY功能等等。是控制系统的核心程序，也称之为M ONITER监控管理程序其作用类似PC机的DOS

系统。软件设计的几个方面如下：

(1)可*性设计为保证系统软件的可*性，通常设计一个自诊断程序，定时对系统进行诊断。在可*性要求较高的场合，可以设计看门狗电路，也可以设计软件陷阱，防止程序跑飞。

(2)软件设计与硬件设计的统一性在单片机系统设计中，通常一个同样的功能，通过硬件和软件都可以实现，确定那些由硬件完成，那些由软件完成，这就是软件、硬件的折衷问题。一般来说，在系统可能的情况下，尽量采用软件，因为这样可以节省经费。若系统要求实时性比较强，则可采用硬件。

(3)应用软件的特点

①实时性：由于工业过程控制系统是实时控制系统，所以对应用软件的执行速度都有一定的要求，即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。换言之，要求整个应用软件必须在一个采样周期内处理完毕。所以一般