基于單片機的工業控制系統設計方法

【摘 要】本文介紹基于單片機的工業控制系統的結構和設計步驟，讓讀者初步了解單片機控制系統的設計所需要的知識，為單片機的學習打好基礎。

【關鍵詞】單片機；控制系統；存儲器；接口電路

隨著科學技術的進步自動化控制領域的發展日新月異，諸如PLC、DCS、PAC等控制系統在工業控制中得到越來越廣泛的應用，但是諸如此類的控制系統的應用需要相對昂貴的成本，一方面為了方便客戶使用，控制系統生產廠家都推行了自己的編程語言，使得編程語言專業化。但是計算機專業人員都已熟練掌握了C語言、VB等編程語言，一些科研項目的建設完全沒有必要采用PLC、DCS等動輒幾萬甚至幾十萬元的控制系統作為一次性的試驗投入，而采用單片機的控制系統成本不足千元，并且可以滿足相當一部分工業控制系統的需要。本文從工業控制角度出發介紹單片機控制系統的設計方法。單片機系統設計主要包括以下幾個方面的內容：首先要了解設計的控制系統的要求、選擇控制方案，以及工藝參數的測量范圍，建立數學模型及確定控制算法；其次是控制系統的硬件設計，這包括接口電路、邏輯電路、操作面板以及顯示電路；再次是系統軟件設計，軟件應依據控制方案與硬件的元件進行編寫；最后是系統的調試與試驗，經過反復調試最終達到控制要求。

一、單片機控制系統的總體方案設計

單片機控制系統總體方案，是進行系統設計最重要、最關鍵的一步。總體方案的設計主要是根據被控對象的任務及工藝要求而確定的。選擇檢測元件，在確定總體方案時，必須正確地選擇檢測元件（又稱傳感器），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際情況確定。

二、單片機控制系統的硬件設計

單片機系統硬件設計就是為單片機機設計一個工作環境，包括單片機及外圍電路它由時鐘電路、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、開關量的I/O接口設計、鍵盤輸入和顯示電路等部分組成。在硬件組成中單片機是核心元件，在選用時要從運算速度、存儲器的容量大小、通訊模塊及AD轉換模塊等幾個方面考慮，選擇原則是即要夠用又要有足夠擴展或可升級單片機的余地。接口電路設計時盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規用法。系統中的相關器件要盡可能做到性能匹配，這里的匹配是指器件的輸入輸出電壓、電流等參數及使用極限參數等幾個方面來考慮的。在設計硬件時要重視系統的運行可靠安全性，影響單片機系統可靠安全運行的因素主要來自系統內部和外部的各種電氣干擾，并受系統結構設計、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構成單片機系統的干擾因素常會導致單片機系統運行失常，輕則影響產品質量和產量，重則會導致事故，造成重大經濟損失。

三、單片機控制系統軟件設計

單片機控制軟件是實現單片機接受外界各種信號和輸出控制信號實現對控制對象的控制的程序，這種程序以服務于硬件電路為出發點實現系統的控制功能。設計時與應遵循可靠性設計、軟件設計與硬件設計的統一性、透明性和可讀性、可修改性等原則。一般都采用匯編語言編寫應用軟件。但是，對于那些計算工作量比較大的系統，也可以采用高級語言和匯編語言混合使用的辦法，即數據采集、判斷、及控制輸出程序用匯編語言，而對于那些較為復雜的計算可采用高級語言。

四、單片機控制系統的調試

單片機控制系統設計完成后在投入運行之前需要進行調試，以使系統達到理想的控制要求，調試包括以下三個方面。（1）硬件調試。根據設計的原理電路做好實驗樣機，便進入硬件調試階段。調試工作的主要任務是排除樣機故障，其中包括設計錯誤和工藝性故障。（2）軟件調試。軟件的調試方法很多，可以根據自己在編寫程序時使用的編程方法進行選擇。交叉匯編法：用IBM PC/XT機對MCS—51系列單片機程序進行交叉匯編時，可借助IBM PC/XT機的行編輯和屏幕編輯功能，將源程序按規定的格式輸入到PC機，生成MCS—51 HEX目標代碼和LIST文件。用匯編語言法：現在有些單片STD工業控制機或者開發系統，可直接使用匯編語言，借助CRT進行。匯編語言調試法：手工匯編這種方法是最原始，但又是一種最簡捷的調試方法，且不必增加調試設備。這種方法的實質就是對照MCS—51指令編碼表，將源程序指令逐條地譯成機器碼，然后輸入到RAM重新進行調試。在進行手工匯編時，要特別注意轉移指令、調用指令、查表指令。必須準確無誤地計算出操作碼、轉移地址和相對偏移量，以免出錯。

總之，一個單片機控制系統在設計時，無論是從方案的制定還是系統的調試都要結合生產的情況從實際出發，特別是在對硬件設計時應充分考慮器件的安全和外界的干擾，否則軟件再完善控制目標也實現不了的，這是初學者最容易忽視的。