基于單片機(jī)的工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

【摘 要】本文介紹基于單片機(jī)的工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)步驟，讓讀者初步了解單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所需要的知識(shí)，為單片機(jī)的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；控制系統(tǒng)；存儲(chǔ)器；接口電路

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步自動(dòng)化控制領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，諸如PLC、DCS、PAC等控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用，但是諸如此類的控制系統(tǒng)的應(yīng)用需要相對(duì)昂貴的成本，一方面為了方便客戶使用，控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠家都推行了自己的編程語言，使得編程語言專業(yè)化。但是計(jì)算機(jī)專業(yè)人員都已熟練掌握了C語言、VB等編程語言，一些科研項(xiàng)目的建設(shè)完全沒有必要采用PLC、DCS等動(dòng)輒幾萬甚至幾十萬元的控制系統(tǒng)作為一次性的試驗(yàn)投入，而采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)成本不足千元，并且可以滿足相當(dāng)一部分工業(yè)控制系統(tǒng)的需要。本文從工業(yè)控制角度出發(fā)介紹單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：首先要了解設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的要求、選擇控制方案，以及工藝參數(shù)的測(cè)量范圍，建立數(shù)學(xué)模型及確定控制算法；其次是控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，軟件應(yīng)依據(jù)控制方案與硬件的元件進(jìn)行編寫；最后是系統(tǒng)的調(diào)試與試驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試最終達(dá)到控制要求。

一、單片機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)總體方案，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步。總體方案的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)被控對(duì)象的任務(wù)及工藝要求而確定的。選擇檢測(cè)元件，在確定總體方案時(shí)，必須正確地選擇檢測(cè)元件（又稱傳感器），它是影響控制系統(tǒng)精度的重要因素之一。選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是微型機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部件之一。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際情況確定。

二、單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)就是為單片機(jī)機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)工作環(huán)境，包括單片機(jī)及外圍電路它由時(shí)鐘電路、地址鎖存器電路、地址譯碼器、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、模擬量輸入通道的擴(kuò)展、模擬量輸出通道的擴(kuò)展、開關(guān)量的I/O接口設(shè)計(jì)、鍵盤輸入和顯示電路等部分組成。在硬件組成中單片機(jī)是核心元件，在選用時(shí)要從運(yùn)算速度、存儲(chǔ)器的容量大小、通訊模塊及AD轉(zhuǎn)換模塊等幾個(gè)方面考慮，選擇原則是即要夠用又要有足夠擴(kuò)展或可升級(jí)單片機(jī)的余地。接口電路設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。系統(tǒng)中的相關(guān)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(shù)及使用極限參數(shù)等幾個(gè)方面來考慮的。在設(shè)計(jì)硬件時(shí)要重視系統(tǒng)的運(yùn)行可靠安全性，影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素常會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會(huì)導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

三、單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制軟件是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)接受外界各種信號(hào)和輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的控制的程序，這種程序以服務(wù)于硬件電路為出發(fā)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。設(shè)計(jì)時(shí)與應(yīng)遵循可靠性設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)的統(tǒng)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(yīng)用軟件。但是，對(duì)于那些計(jì)算工作量比較大的系統(tǒng)，也可以采用高級(jí)語言和匯編語言混合使用的辦法，即數(shù)據(jù)采集、判斷、及控制輸出程序用匯編語言，而對(duì)于那些較為復(fù)雜的計(jì)算可采用高級(jí)語言。

四、單片機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試

單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在投入運(yùn)行之前需要進(jìn)行調(diào)試，以使系統(tǒng)達(dá)到理想的控制要求，調(diào)試包括以下三個(gè)方面。（1）硬件調(diào)試。根據(jù)設(shè)計(jì)的原理電路做好實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，便進(jìn)入硬件調(diào)試階段。調(diào)試工作的主要任務(wù)是排除樣機(jī)故障，其中包括設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和工藝性故障。（2）軟件調(diào)試。軟件的調(diào)試方法很多，可以根據(jù)自己在編寫程序時(shí)使用的編程方法進(jìn)行選擇。交叉匯編法：用IBM PC/XT機(jī)對(duì)MCS—51系列單片機(jī)程序進(jìn)行交叉匯編時(shí)，可借助IBM PC/XT機(jī)的行編輯和屏幕編輯功能，將源程序按規(guī)定的格式輸入到PC機(jī)，生成MCS—51 HEX目標(biāo)代碼和LIST文件。用匯編語言法：現(xiàn)在有些單片STD工業(yè)控制機(jī)或者開發(fā)系統(tǒng)，可直接使用匯編語言，借助CRT進(jìn)行。匯編語言調(diào)試法：手工匯編這種方法是最原始，但又是一種最簡(jiǎn)捷的調(diào)試方法，且不必增加調(diào)試設(shè)備。這種方法的實(shí)質(zhì)就是對(duì)照MCS—51指令編碼表，將源程序指令逐條地譯成機(jī)器碼，然后輸入到RAM重新進(jìn)行調(diào)試。在進(jìn)行手工匯編時(shí)，要特別注意轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用指令、查表指令。必須準(zhǔn)確無誤地計(jì)算出操作碼、轉(zhuǎn)移地址和相對(duì)偏移量，以免出錯(cuò)。

總之，一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，無論是從方案的制定還是系統(tǒng)的調(diào)試都要結(jié)合生產(chǎn)的情況從實(shí)際出發(fā)，特別是在對(duì)硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(biāo)也實(shí)現(xiàn)不了的，這是初學(xué)者最容易忽視的。