單片機控制系統(tǒng)的設計與調試方法

隨著材料科學、工藝技術、計算機技術的發(fā)展與進步，電路系統(tǒng)向著集成度極高的方向發(fā)展。CPU的生產(chǎn)制造技術，也朝著綜合性、技術性、實用性發(fā)展。如 CPU的運算位數(shù)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是日新月異的發(fā)展著。其中單片機在控制系統(tǒng)中的應用是越來越普遍了。單片機控制系統(tǒng)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)過程控制。要進行單片機系統(tǒng)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(jù)系統(tǒng)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)過程的工藝性能及被測參數(shù)的測量方法，以及被控對象的動、靜態(tài)特性，有時甚至要求給出被控對象的數(shù)學模型。

單片機系統(tǒng)設計主要包括以下幾個方面的內容：控制系統(tǒng)總體方案設計，包括系統(tǒng)的要求、控制方案的選擇，以及工藝參數(shù)的測量范圍等；選擇各參數(shù)檢測元件及變送器；建立數(shù)學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成套設備；系統(tǒng)硬件設計［1］，包括接口電路，邏輯電路及操作面板；系統(tǒng)軟件設計，包括管理、監(jiān)控程序以及應用程序的設計，應用系統(tǒng)設計包含有硬件設計與軟件設計兩部分［2］；系統(tǒng)的調試與試驗。

1單片機控制系統(tǒng)總體方案的設計

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

單片機控制系統(tǒng)中控制算法的選用一般有：

(1) 直接數(shù)字控制 當被控對象的數(shù)學模型能夠確定時，可采用直接數(shù)字控制。所謂數(shù)學模型就是系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學表達式，它表示系統(tǒng)輸入輸出及其內部狀態(tài)之間的關系。一般多用實驗的方法測出系統(tǒng)的特性曲線，然后再由此曲線確定出其數(shù)學模型。現(xiàn)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(tǒng)的數(shù)學模型，因而加快了系統(tǒng)模型的建立。當系統(tǒng)模型建立后，即可選定上述某一種算法，設計數(shù)字控制器，并求出差分方程。

(2) 數(shù)字化PID控制 由于被控對象是復雜的，因此并非所有的系統(tǒng)均可求出數(shù)學模型，有些即使可以求出來，但由于被控對象環(huán)境的影響，許多參數(shù)經(jīng)常變化，因此很難進行直接數(shù)字控制。此時最好選用數(shù)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(jù)系統(tǒng)的要求，可對PID控制進行必要的改進。通過各種組合，可以得到更圓滿的控制系統(tǒng)，以滿足各種不同控制系統(tǒng)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(shù)字PID的輸出不直接用來控制執(zhí)行機構，而是作為下一級數(shù)字PID的輸入值，并與第二級的給定值進行比較，其偏差作為第二級數(shù)字PID的控制量。當然，也可以用多級PID嵌套。

2單片機系統(tǒng)硬件設計

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

基本系統(tǒng)的構成：一個獨立的單片機核心系統(tǒng)，一般由時鐘電路、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(shù)據(jù)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(shù)的微型機相比擴大了一倍多。擴展時，首先要注意單片機的種類；另一方面要把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開。

(2)模擬量輸入通道的擴展 主要有以下2個問題：一個是數(shù)據(jù)采集通道的結構形式，一般單片機控制系統(tǒng)都是多通道系統(tǒng)。因此選用何種結構形式采集數(shù)據(jù)，是進行模擬量輸入通道設計首先要考慮的問題。多數(shù)系統(tǒng)都采用共享A/D和S/H形式。但是當被測參數(shù)為幾個相關量時，則需選用多路S/H，共享A/D形式。對于那些參數(shù)比較多的分布式控制系統(tǒng)，可把模擬量先就地進行A/D轉換，然后再送到主機中處理。對于那些被測參數(shù)相同（或相似）的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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。另外一個問題是A/D轉發(fā)器的選擇，設計時一定要根據(jù)被控對象的實際要求選擇A/D轉換器，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡量選用位數(shù)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(tǒng)與執(zhí)行機構（或控制設備）連接的紐帶和橋梁。設計時要根據(jù)被控對象的通道數(shù)及執(zhí)行機構的類型進行選擇。對于那些可直接接受數(shù)字量的執(zhí)行機構，可由單片機直接輸出數(shù)字量，如步進電機或開關、繼電器系統(tǒng)等。對于那些需要接收模擬量的執(zhí)行機構，則需要用D/A轉化，即把數(shù)字量變成模擬量后，再帶動執(zhí)行機構。

(4)開關量的I/O接口設計 由于開關量只有2種狀態(tài)“1”或“0”，所以，每個開關量只需一位二進制數(shù)表示即可。因為MCS—51系列單片機設有一個專用的布爾處理機，因而對于開關量的處理尤為方便。為了提高系統(tǒng)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。

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

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

(7)系統(tǒng)負載匹配 系統(tǒng)中各個器件之間的負載匹配問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

① 邏輯電路間的接口及負載：在進行系統(tǒng)設計時，有時需要采用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8個 LSTTL電路，P2口能驅動4個LSTTL電路。硬件設計時應仔細核對8031的負載，使其不超過總的負載能力的70%。

3單片機控制系統(tǒng)的軟件設計

單片機控制系統(tǒng)的軟件設計一般分2類，系統(tǒng)軟件和應用軟件設計。系統(tǒng)軟件的主要任務是：管理整個控制系統(tǒng)的全過程，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(tǒng)的核心程序，也稱之為MONITER監(jiān)控管理程序其作用類似PC機的DOS 系統(tǒng)。軟件設計的幾個方面如下：

(1)可靠性設計為保證系統(tǒng)軟件的可靠性，通常設計一個自診斷程序，定時對系統(tǒng)進行診斷。在可靠性要求較高的場合，可以設計看門狗電路，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(tǒng)一性在單片機系統(tǒng)設計中，通常一個同樣的功能，通過硬件和軟件都可以實現(xiàn)，確定那些由硬件完成，那些由軟件完成，這就是軟件、硬件的折衷問題。一般來說，在系統(tǒng)可能的情況下，盡量采用軟件，因為這樣可以節(jié)省經(jīng)費。若系統(tǒng)要求實時性比較強，則可采用硬件。

(3)應用軟件的特點

①實時性：由于工業(yè)過程控制系統(tǒng)是實時控制系統(tǒng)，所以對應用軟件的執(zhí)行速度都有一定的要求，即能夠在被控對象允許的時間間隔內對系統(tǒng)進行控制、計算和處理。換言之，要求整個應用軟件必須在一個采樣周期內處理完畢。所以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(tǒng)，也可以采用高級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，而對于那些較為復雜的計算可采用高級語言。為了提高系統(tǒng)的實時性，對于那些需要隨機間斷處理的任務，通常采用中斷系統(tǒng)來完成。

② 通用性：在應用程序設計中，為了節(jié)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成子程序，如算術和邏輯運算程序、A/D、D/A轉換程序、延時程序、PID運算程序、數(shù)字濾波程序、標度變換程序、報警程序等。

(4)軟件開發(fā)步驟軟件開發(fā)大體包括：劃分功能模塊及安排程序結構；畫出各程序模塊詳細流程圖；選擇合適的語言編寫程序；將各個模塊連接成一個完整的程序。