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单片机控制技术

单片机控制技术随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统

向着集成度极高的方向发展。CPU的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、

实用性发展。如CPU的运算位数从4位、8位…到32位机的发展，运算速度

从8MHz、32MHz…到1.6GHz。可以说是日新月异的发展着。其中单片机

在控制系统中的应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机（CPU）为核

心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程

控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次，需要具

有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第

三，具有综合运用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参

数的测量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数

学模型。

单片机系统设计主要包括以下几个方面的内容：控制系统总体方案设计，

包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等；选择各参数检

测元件及变送器；建立数学模型及确定控制算法；选择单片机，并决定是自行设

计还是购买成套设备；系统硬件设计〔1〕，包括接口电路，逻辑电路及操作面

板；系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计，应用系统设计包

含有硬件设计与软件设计两部分〔2〕；系统的调试与试验。

1单片机控制系统总体方案的设计

确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方

案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。总体方案的设计主要是根

据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下：根据系统的要求，

首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。选择检测

元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制

系统精度的重要因素之一。选择执行机构，执行机构是微型机控制系统的重要组

成部件之一。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对

象的实际情况确定。选择输入/输出通道及外围设备。选择时应考虑以下几个问

题：被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道

数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求；画出

整个系统原理图。

单片机控制系统中控制算法的选用一般有：

(1)直接数字控制

当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制。所谓数学模型就是系

统动态特性的数学表达式，它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般

多用实验的方法测出系统的特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型。现在

经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计，由计算机确定出系统的数学模

型，因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后，即可选定上述某一种算法，

设计数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算并

输出控制量，进而实现控制。

(2)数字化PID控制

由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型，有些即使可以

求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数

字控制。此时最好选用数字化PID（比例积分微分）控制。在PID控制算法中，

以位置型和增量型2种PID为基础，根据系统的要求，可对PID控制进行必要

的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统

的要求。例如串级PID就是人们经常采用的控制方法之一。所谓串级控制就是

第一级数字PID的输出不直接用来控制执行机构，而是作为下一级数字PID的

输入值，并与第二级的给定值进行比较，其偏差作为第二级数字PID的控制量。

当然，也可以用多级PID嵌套。

2单片机系统硬件设计

尽管单片机集成度高，内部含有I/O控制线，ROM，RAM和定时/计数器。但

在组成单片机系统时，扩展若干接口仍是设计者必不可少的任务。扩展接口有2

种方案，一种是购置现成的接口板，另一种是根据系统实际需要，选用适合的芯

片进行设计控制系统。就后一种而言，主要包括以下几个方面的内容。

基本系统的构成：一个独立的单片机核心系统，一般由时钟电路、地址