單片機控制系統的設計與調試方法

隨著(zhù)材料科學(xué)、工藝技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，電路系統向著(zhù)集成度極高的方向發(fā)展。CPU的生產(chǎn)制造技術(shù)，也朝著(zhù)綜合性、技術(shù)性、實(shí)用性發(fā)展。如 CPU的運算位數從4位、8位 ……到32位機的發(fā)展，運算速度從8 MHz、32 MHz……到1.6 GHz?？梢哉f(shuō)是日新月異的發(fā)展著(zhù)。其中單片機在控制系統中的應用是越來(lái)越普遍了。單片機控制系統是以單片機（CPU）為核心部件，擴展一些外部接口和設備，組成單片機工業(yè)控制機，主要用于工業(yè)過(guò)程控制。要進(jìn)行單片機系統設計首先必須具有一定的硬件基礎知識；其次，需要具有一定的軟件設計能力，能夠根據系統的要求，靈活地設計出所需要的程序；第三，具有綜合運用知識的能力。最后，還必須掌握生產(chǎn)過(guò)程的工藝性能及被測參數的測量方法，以及被控對象的動(dòng)、靜態(tài)特性，有時(shí)甚至要求給出被控對象的數學(xué)模型。

單片機系統設計主要包括以下幾個(gè)方面的內容：控制系統總體方案設計，包括系統的要求、控制方案的選擇，以及工藝參數的測量范圍等；選擇各參數檢測元件及變送器；建立數學(xué)模型及確定控制算法；選擇單片機，并決定是自行設計還是購買(mǎi)成套設備；系統硬件設計［1］，包括接口電路，邏輯電路及操作面板；系統軟件設計，包括管理、監控程序以及應用程序的設計，應用系統設計包含有硬件設計與軟件設計兩部分［2］；系統的調試與試驗。

1單片機控制系統總體方案的設計

確定單片機控制系統總體方案，是進(jìn)行系統設計最重要、最關(guān)鍵的一步?？傮w方案的好壞，直接影響整個(gè)控制系統的性能及實(shí)施細則?？傮w方案的設計主要是根據被控對象的任務(wù)及工藝要求而確定的。設計方法大致如下：根據系統的要求，首先確定出系統是采用開(kāi)環(huán)系統還是閉環(huán)系統，或者是數據處理系統。選擇檢測元件，在確定總體方案時(shí)，必須首先選擇好被測參數的測量元件，它是影響控制系統精度的重要因素之一。選擇執行機構，執行機構是微型機控制系統的重要組成部件之一。執行機構的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據被控對象的實(shí)際情況確定。選擇輸入/輸出通道及外圍設備。選擇時(shí)應考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：被控對象參數的數量；各輸入/輸出通道是串行操作還是并行操作；各通道數據的傳遞速率；各通道數據的字長(cháng)及選擇位數；對顯示、打印有何要求；畫(huà)出整個(gè)系統原理圖。

單片機控制系統中控制算法的選用一般有：

(1) 直接數字控制 當被控對象的數學(xué)模型能夠確定時(shí)，可采用直接數字控制。所謂數學(xué)模型就是系統動(dòng)態(tài)特性的數學(xué)表達式，它表示系統輸入輸出及其內部狀態(tài)之間的關(guān)系。一般多用實(shí)驗的方法測出系統的特性曲線(xiàn)，然后再由此曲線(xiàn)確定出其數學(xué)模型?，F在經(jīng)常采用的方法是計算機仿真及計算機輔助設計，由計算機確定出系統的數學(xué)模型，因而加快了系統模型的建立。當系統模型建立后，即可選定上述某一種算法，設計數字控制器，并求出差分方程。

(2) 數字化PID控制 由于被控對象是復雜的，因此并非所有的系統均可求出數學(xué)模型，有些即使可以求出來(lái)，但由于被控對象環(huán)境的影響，許多參數經(jīng)常變化，因此很難進(jìn)行直接數字控制。此時(shí)最好選用數字化PID（比例積分微分）控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型2種PID為基礎，根據系統的要求，可對PID控制進(jìn)行必要的改進(jìn)。通過(guò)各種組合，可以得到更圓滿(mǎn)的控制系統，以滿(mǎn)足各種不同控制系統的要求。例如串級PID就是人們經(jīng)常采用的控制方法之一。

所謂串級控制就是第一級數字PID的輸出不直接用來(lái)控制執行機構，而是作為下一級數字PID的輸入值，并與第二級的給定值進(jìn)行比較，其偏差作為第二級數字PID的控制量。當然，也可以用多級PID嵌套。

2單片機系統硬件設計

盡管單片機集成度高，內部含有I/O控制線(xiàn)，ROM，RAM和定時(shí)/計數器。但在組成單片機系統時(shí)，擴展若干接口仍是設計者必不可少的任務(wù)。擴展接口有 2種方案，一種是購置現成的接口板，另一種是根據系統實(shí)際需要，選用適合的芯片進(jìn)行設計控制系統。就后一種而言，主要包括以下幾個(gè)方面的內容。

基本系統的構成：一個(gè)獨立的單片機核心系統，一般由時(shí)鐘電路、地址鎖存器電路、地址譯碼器、存儲器擴展、模擬量輸入通道的擴展、模擬量輸出通道的擴展、開(kāi)關(guān)量的I/O接口設計、鍵盤(pán)輸入和顯示電路等組成。

(1)存儲器擴展 由于單片機有4種不同的存儲器，且程序存儲器和數據存儲器是分別編址的，所以單片機的存儲器容量與同樣位數的微型機相比擴大了一倍多。擴展時(shí)，首先要注意單片機的種類(lèi)；另一方面要把程序存儲器和數據存儲器分開(kāi)。

(2)模擬量輸入通道的擴展 主要有以下2個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是數據采集通道的結構形式，一般單片機控制系統都是多通道系統。因此選用何種結構形式采集數據，是進(jìn)行模擬量輸入通道設計首先要考慮的問(wèn)題。多數系統都采用共享A/D和S/H形式。但是當被測參數為幾個(gè)相關(guān)量時(shí)，則需選用多路S/H，共享A/D形式。對于那些參數比較多的分布式控制系統，可把模擬量先就地進(jìn)行A/D轉換，然后再送到主機中處理。對于那些被測參數相同（或相似）的多路數據采集系統，為減少投資，可采用模擬量多路轉換，共享儀用放大器、S/H和A/D的所謂地電平多路切換形式。另外一個(gè)問(wèn)題是A/D轉發(fā)器的選擇，設計時(shí)一定要根據被控對象的實(shí)際要求選擇A/D轉換器，在滿(mǎn)足系統要求的前提下，盡量選用位數比較低的A/D轉換器。

(3)模擬量輸出通道的擴展 模擬量輸出通道是單片機控制系統與執行機構（或控制設備）連接的紐帶和橋梁。設計時(shí)要根據被控對象的通道數及執行機構的類(lèi)型進(jìn)行選擇。對于那些可直接接受數字量的執行機構，可由單片機直接輸出數字量，如步進(jìn)電機或開(kāi)關(guān)、繼電器系統等。對于那些需要接收模擬量的執行機構，則需要用D/A轉化，即把數字量變成模擬量后，再帶動(dòng)執行機構。

(4)開(kāi)關(guān)量的I/O接口設計 由于開(kāi)關(guān)量只有2種狀態(tài)“1”或“0”，所以，每個(gè)開(kāi)關(guān)量只需一位二進(jìn)制數表示即可。因為MCS—51系列單片機設有一個(gè)專(zhuān)用的布爾處理機，因而對于開(kāi)關(guān)量的處理尤為方便。為了提高系統的抗干擾能力，通常采用光電隔離器把單片機與外部設備隔開(kāi)。

(5)操作面板 操作面板是人機對話(huà)的紐帶，它根據具體情況，可大可小。為了便于現場(chǎng)操作人員操作，單片機控制系統設計一個(gè)操作面板的要求： 操作方便、安全可靠、并具有自保功能，即使是誤操作也不會(huì )給生產(chǎn)帶來(lái)惡果。

(6)系統速度匹配 在不影響系統總功率的前提下，時(shí)鐘頻率選得低一些較好，這樣可降低系統對其他元器件工作速度的要求，從而降低成本和提高系統的可靠性。但系統頻率選的比較高時(shí)，要設法使其他元器件與主機匹配。

(7)系統負載匹配 系統中各個(gè)器件之間的負載匹配問(wèn)題，主要表現在以下幾個(gè)方面。

① 邏輯電路間的接口及負載：在進(jìn)行系統設計時(shí)，有時(shí)需要采用TTL和CMOS混合電路，由于二者要求的電平不一樣，因此一定要注意電流及負載的匹配問(wèn)題。

② MCS—51系列單片及負載：8031的外部擴展功能是很強的，但是8031的P0口和P2口以及控制信號ALE的負載能力都是有限的，P0口能驅動(dòng)8個(gè) LSTTL電路，P2口能驅動(dòng)4個(gè)LSTTL電路。硬件設計時(shí)應仔細核對8031的負載，使其不超過(guò)總的負載能力的70%。

3單片機控制系統的軟件設計

單片機控制系統的軟件設計一般分2類(lèi)，系統軟件和應用軟件設計。系統軟件的主要任務(wù)是：管理整個(gè)控制系統的全過(guò)程，比如，POWERUP自診斷功能，KEY INPIT 的管理功能，PRINTER OUTPUT報表功能，DISPLAY功能等等。是控制系統的核心程序，也稱(chēng)之為MONITER監控管理程序其作用類(lèi)似PC機的DOS 系統。軟件設計的幾個(gè)方面如下：

(1)可靠性設計為保證系統軟件的可靠性，通常設計一個(gè)自診斷程序，定時(shí)對系統進(jìn)行診斷。在可靠性要求較高的場(chǎng)合，可以設計看門(mén)狗電路，也可以設計軟件陷阱，防止程序跑飛。

(2)軟件設計與硬件設計的統一性在單片機系統設計中，通常一個(gè)同樣的功能，通過(guò)硬件和軟件都可以實(shí)現，確定那些由硬件完成，那些由軟件完成，這就是軟件、硬件的折衷問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，在系統可能的情況下，盡量采用軟件，因為這樣可以節省經(jīng)費。若系統要求實(shí)時(shí)性比較強，則可采用硬件。

(3)應用軟件的特點(diǎn)

①實(shí)時(shí)性：由于工業(yè)過(guò)程控制系統是實(shí)時(shí)控制系統，所以對應用軟件的執行速度都有一定的要求，即能夠在被控對象允許的時(shí)間間隔內對系統進(jìn)行控制、計算和處理。換言之，要求整個(gè)應用軟件必須在一個(gè)采樣周期內處理完畢。所以一般都采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)應用軟件。但是，對于那些計算工作量比較大的系統，也可以采用高級語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合使用的辦法，即數據采集、判斷、及控制輸出程序用匯編語(yǔ)言，而對于那些較為復雜的計算可采用高級語(yǔ)言。為了提高系統的實(shí)時(shí)性，對于那些需要隨機間斷處理的任務(wù)，通常采用中斷系統來(lái)完成。

② 通用性：在應用程序設計中，為了節省內存和具有較強的適應能力，通常要求程序有一定的靈活性和通用性。為此，可以采用模塊結構，盡量將共用的程序編寫(xiě)成子程序，如算術(shù)和邏輯運算程序、A/D、D/A轉換程序、延時(shí)程序、PID運算程序、數字濾波程序、標度變換程序、報警程序等。

(4)軟件開(kāi)發(fā)步驟軟件開(kāi)發(fā)大體包括：劃分功能模塊及安排程序結構；畫(huà)出各程序模塊詳細流程圖；選擇合適的語(yǔ)言編寫(xiě)程序；將各個(gè)模塊連接成一個(gè)完整的程序。