單片機在設備自動化改造中的應用

王 晅

（揚州高等職業(yè)技術學校，江蘇 揚州 225000）

1 單片機概述

（1）單片機的發(fā)展。單機片即單片微型計算機，是一種采用超大規(guī)模集成電路技術處理的集成電路芯片，主要由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成。擁有完整的計算機系統(tǒng)，是工業(yè)上比較典型的微控制器。單片機自從問世以來，以快速的速度發(fā)展，引起了世界半導體廠家的關注，出現(xiàn)了各式各樣的單片機，從大體上講，電子計算機經(jīng)歷了從電子管到晶體管、到中小大體集成電路，最終到大規(guī)模集成電路這四個階段。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，單片微型計算機技術也日漸成熟，滲透到各行各業(yè)。

（2）單片機的特點。單片機的重量輕，體積小，易于使用，價格較適宜。有很好的抗干擾性，在工業(yè)的應用中，芯片能夠適應工業(yè)環(huán)境，CPU的性能更優(yōu)，提高了可靠性和安全性。在存儲方面，雖然受集成度限制，內(nèi)存儲較小，但是外部擴展容量較大。控制性能好，運行的速度快速，整個的構造能夠滿足工業(yè)控制的要求。更重要的是單片機的開發(fā)比較容易，研發(fā)的周期很短，易于產(chǎn)品化。

（3）單片機的應用。單片微型計算機由于其自身的特點，受到了眾多行業(yè)的青睞，本文主要介紹了幾個常見的應用方面：在智能儀表上的應用，在各行各業(yè)中常采用不同的智能儀表記錄和控制整個生產(chǎn)過程，而引進單片機在這些智能儀器中，可以讓儀表的記錄和控制更加準確，單片機還能根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)或是突發(fā)狀況做出相應的調(diào)節(jié)，更加實現(xiàn)數(shù)字化和智能化，采用單片機的智能儀表眾多，例如有智能電度表、精密數(shù)字溫度計等；在工業(yè)測控中的應用，單片機參與到工業(yè)測控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中可以讓測控的結果更加準確；在計算機網(wǎng)絡語通信技術中的應用，單片機可以運用到列車的無信通信和自動應答系統(tǒng)等；Internet的應用，Internet的發(fā)展是以PC技術為發(fā)展平臺，由于單片機的標準還沒有比較成熟的定義，所以在Internet與單片機的結合的領域中，既能夠充分應用Internet資源，又能夠獲得電子設備的信息，將會促進儀器、儀表、控制產(chǎn)品結構的變化和發(fā)展。

2 設備自動化改造

本文主要以工業(yè)為分析主體，在生產(chǎn)過程中，有些設備的操作難度和強度比較大，不需要時刻改變，此時對設備進行自動化改造是十分可行的，可以節(jié)約不少的人力，進行設備改造后，可以大大減少操作誤差，提高生產(chǎn)過程的安全性。在設備的自動化改造中，主要是將單片機應用到設備中，形成自動化的生產(chǎn)系統(tǒng)。可以將系統(tǒng)該劃分為以下幾部分：信號輸入、光隔、輸入擴展、MCS-51單片機信號處理、輸出擴展、光隔、放大電路、驅動電路。主要采用的單片機技術和電力電子技術，本文主要介紹了利用單片機技術解決的保護電路和控制電路問題，即利用軟件的方法更加數(shù)字化話地實現(xiàn)設備電路的控制和保護。

（1）軟件設計。在設備的自動化改造中，軟件是整個系統(tǒng)的核心，整個自動化系統(tǒng)是在軟件的基礎平臺上運行的。在軟件的設計中需要考慮設備系統(tǒng)的需求，將輸入的變量進行處理和邏輯運算后，經(jīng)由輸出口輸出。主要采用模塊化的設計，即每個模塊的程序任務明確簡單，可以將程序進行局部的分開的修改和調(diào)試，不影響其他的模塊，而且采用該種設計方法可以便于整個軟件的擴充和升級，便于分工合作。

（2）控制總電路的設計。單機片的機構緊湊，資源雖小但是比較齊全，指令系統(tǒng)功能比較強，覆蓋面很廣，所以，單機片可以不用借助外界的硬件資源構成一個獨立的小型的應用系統(tǒng)，而且可以根據(jù)不同的要求進行系統(tǒng)的擴展，主要包括程序存儲器ROM/EPROM擴展、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）擴展、I/O口擴展、定時/計數(shù)器擴展、中斷系統(tǒng)擴展以及其他特殊功能的擴展。

（3）光隔、放大、保護和驅動電路設計。單片機的輸入輸出信號主要有模擬信號、開關信號、數(shù)字信號。在單片機實現(xiàn)自動化過程控制中，主要控制的開關器件是繼電器和效應晶體管。主要的單片機接口有：單片機與繼電器的接口；單片機與固態(tài)繼電器接口；單片機與大功率場效應晶體管接口；光電耦合器驅動接口，主要的工作原理是將單片機與控制器件相連，單片機的電壓幅值和負載能力都有限，一般在單片機的輸出端都加有相應的放大驅動電路，起到緩沖隔離和放大驅動的作用。通常開關輸出信號驅動的執(zhí)行元件有可控硅，繼電器等，開關輸出主要控制的是動力電，單片機將輸出信號放大后，執(zhí)行元件根據(jù)單片機發(fā)出的信號進行相應的工作，起到光隔、放大、保護和驅動電路的作用。

3 系統(tǒng)的干擾與抗干擾

隨著單片機技術的不斷發(fā)展，越來越來越多的行業(yè)在生產(chǎn)過程中采用單片機技術。例如在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程控制、智能化儀表、軍事研究等方面。但是往往由于使用環(huán)境的惡劣和復雜，會干擾到設備系統(tǒng)的正常使用，影響其工作的可靠性和安全性，常常出現(xiàn)誤動作和誤顯示的現(xiàn)象，造成巨大的經(jīng)濟損失。根據(jù)影響的因素分類，主要的干擾耦合方式是有直接耦合方式、公共阻抗耦合方式、電容耦合方式、電磁感應耦合方式和輻射耦合方式。在抗干擾方面，主要的是軟件抗干擾和硬件抗干擾。

（1）軟件抗干擾。軟件主要是在程序執(zhí)行的過程中抗干擾，在CPU開始運作的的過程中，受到外界的干擾而引起的程序的混亂，因此在程序執(zhí)行的過程中，對軟件實行抗干擾是十分必要的。主要是采用“軟件陷阱”來實行抗干擾的目的即采用一條引導指令，強行的將捕獲的程序引向另一個指定的不影響程序正常工作的區(qū)域，在該指定區(qū)域有專門處理錯誤的程序。主要是將軟件陷阱安排在未使用的中斷向量區(qū)、未使用的大片EPROM 空間、數(shù)據(jù)表格和散轉表格、程序區(qū)。

（2）硬件抗干擾。主要從干擾源上抑制達到抗干擾的效果，主要是在干擾源兩端并聯(lián)電容。只要的方法有：繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾；給電機加濾波電路；電路板上每個IC要并接一個0.01～0.1μF高頻電容，以減小IC對電源的影響；布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。

總而言之，單片機的出現(xiàn)，是計算機在控制領域的一次大的變革，促進了各行業(yè)智能化，數(shù)字化和自動化的發(fā)展，例如在工業(yè)，軍事等方面都取得了很大的成就。單片機的應用提高了整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性，在設備的自動化的改造中，起了很大的作用，迎合了未來工業(yè)發(fā)展的高效率、低誤差的機器自動化運作的特點。隨著科技的不斷進步，將會不斷有新的技術涌現(xiàn)，為社會發(fā)展做出新的貢獻。

[1] 吳巖.單片機在電子技術中的應用和開發(fā)技術研究[J].黑龍江科技信息，2011，（9）.

[2] 范仁周，劉多偉，張錫明，等.Intel公司單片機及微處理器在測控系統(tǒng)中的應用[J].電訊技術，1989，（4）.