【摘 要】本文介紹基于單片機的工業(yè)控制系統(tǒng)的結構和設計步驟，讓讀者初步了解單片機控制系統(tǒng)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(tǒng)；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(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用，但是諸如此類的控制系統(tǒng)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(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。但是計算機專業(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(tǒng)作為一次性的試驗投入，而采用單片機的控制系統(tǒng)成本不足千元，并且可以滿足相當一部分工業(yè)控制系統(tǒng)的需要。本文從工業(yè)控制角度出發(fā)介紹單片機控制系統(tǒng)的設計方法。單片機系統(tǒng)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(tǒng)的要求、選擇控制方案，以及工藝參數(shù)的測量范圍，建立數(shù)學模型及確定控制算法；其次是控制系統(tǒng)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(tǒng)軟件設計，軟件應依據(jù)控制方案與硬件的元件進行編寫；最后是系統(tǒng)的調試與試驗，經(jīng)過反復調試最終達到控制要求。

一、單片機控制系統(tǒng)的總體方案設計

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。總體方案的設計主要是根據(jù)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(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。

二、單片機控制系統(tǒng)的硬件設計

單片機系統(tǒng)硬件設計就是為單片機機設計一個工作環(huán)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(guī)用法。系統(tǒng)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(shù)及使用極限參數(shù)等幾個方面來考慮的。在設計硬件時要重視系統(tǒng)的運行可靠安全性，影響單片機系統(tǒng)可靠安全運行的因素主要來自系統(tǒng)內部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)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(tǒng)的干擾因素常會導致單片機系統(tǒng)運行失常，輕則影響產(chǎn)品質量和產(chǎn)量，重則會導致事故，造成重大經(jīng)濟損失。

三、單片機控制系統(tǒng)軟件設計

單片機控制軟件是實現(xiàn)單片機接受外界各種信號和輸出控制信號實現(xiàn)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(fā)點實現(xiàn)系統(tǒng)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(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。

四、單片機控制系統(tǒng)的調試

單片機控制系統(tǒng)設計完成后在投入運行之前需要進行調試，以使系統(tǒng)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(jù)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(jù)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(guī)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(xiàn)在有些單片STD工業(yè)控制機或者開發(fā)系統(tǒng)，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(tǒng)在設計時，無論是從方案的制定還是系統(tǒng)的調試都要結合生產(chǎn)的情況從實際出發(fā)，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(xiàn)不了的，這是初學者最容易忽視的。