单片机在设备自动化改造中的应用

王 晅

（扬州高等职业技术学校，江苏 扬州 225000）

1 单片机概述

（1）单片机的发展。单机片即单片微型计算机，是一种采用超大规模集成电路技术处理的集成电路芯片，主要由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。拥有完整的计算机系统，是工业上比较典型的微控制器。单片机自从问世以来，以快速的速度发展，引起了世界半导体厂家的关注，出现了各式各样的单片机，从大体上讲，电子计算机经历了从电子管到晶体管、到中小大体集成电路，最终到大规模集成电路这四个阶段。随着大规模集成电路技术的发展，单片微型计算机技术也日渐成熟，渗透到各行各业。

（2）单片机的特点。单片机的重量轻，体积小，易于使用，价格较适宜。有很好的抗干扰性，在工业的应用中，芯片能够适应工业环境，CPU的性能更优，提高了可靠性和安全性。在存储方面，虽然受集成度限制，内存储较小，但是外部扩展容量较大。控制性能好，运行的速度快速，整个的构造能够满足工业控制的要求。更重要的是单片机的开发比较容易，研发的周期很短，易于产品化。

（3）单片机的应用。单片微型计算机由于其自身的特点，受到了众多行业的青睐，本文主要介绍了几个常见的应用方面：在智能仪表上的应用，在各行各业中常采用不同的智能仪表记录和控制整个生产过程，而引进单片机在这些智能仪器中，可以让仪表的记录和控制更加准确，单片机还能根据所采集的数据或是突发状况做出相应的调节，更加实现数字化和智能化，采用单片机的智能仪表众多，例如有智能电度表、精密数字温度计等；在工业测控中的应用，单片机参与到工业测控系统、数据采集系统中可以让测控的结果更加准确；在计算机网络语通信技术中的应用，单片机可以运用到列车的无信通信和自动应答系统等；Internet的应用，Internet的发展是以PC技术为发展平台，由于单片机的标准还没有比较成熟的定义，所以在Internet与单片机的结合的领域中，既能够充分应用Internet资源，又能够获得电子设备的信息，将会促进仪器、仪表、控制产品结构的变化和发展。

2 设备自动化改造

本文主要以工业为分析主体，在生产过程中，有些设备的操作难度和强度比较大，不需要时刻改变，此时对设备进行自动化改造是十分可行的，可以节约不少的人力，进行设备改造后，可以大大减少操作误差，提高生产过程的安全性。在设备的自动化改造中，主要是将单片机应用到设备中，形成自动化的生产系统。可以将系统该划分为以下几部分：信号输入、光隔、输入扩展、MCS-51单片机信号处理、输出扩展、光隔、放大电路、驱动电路。主要采用的单片机技术和电力电子技术，本文主要介绍了利用单片机技术解决的保护电路和控制电路问题，即利用软件的方法更加数字化话地实现设备电路的控制和保护。

（1）软件设计。在设备的自动化改造中，软件是整个系统的核心，整个自动化系统是在软件的基础平台上运行的。在软件的设计中需要考虑设备系统的需求，将输入的变量进行处理和逻辑运算后，经由输出口输出。主要采用模块化的设计，即每个模块的程序任务明确简单，可以将程序进行局部的分开的修改和调试，不影响其他的模块，而且采用该种设计方法可以便于整个软件的扩充和升级，便于分工合作。

（2）控制总电路的设计。单机片的机构紧凑，资源虽小但是比较齐全，指令系统功能比较强，覆盖面很广，所以，单机片可以不用借助外界的硬件资源构成一个独立的小型的应用系统，而且可以根据不同的要求进行系统的扩展，主要包括程序存储器ROM/EPROM扩展、数据存储器（RAM）扩展、I/O口扩展、定时/计数器扩展、中断系统扩展以及其他特殊功能的扩展。

（3）光隔、放大、保护和驱动电路设计。单片机的输入输出信号主要有模拟信号、开关信号、数字信号。在单片机实现自动化过程控制中，主要控制的开关器件是继电器和效应晶体管。主要的单片机接口有：单片机与继电器的接口；单片机与固态继电器接口；单片机与大功率场效应晶体管接口；光电耦合器驱动接口，主要的工作原理是将单片机与控制器件相连，单片机的电压幅值和负载能力都有限，一般在单片机的输出端都加有相应的放大驱动电路，起到缓冲隔离和放大驱动的作用。通常开关输出信号驱动的执行元件有可控硅，继电器等，开关输出主要控制的是动力电，单片机将输出信号放大后，执行元件根据单片机发出的信号进行相应的工作，起到光隔、放大、保护和驱动电路的作用。

3 系统的干扰与抗干扰

随着单片机技术的不断发展，越来越来越多的行业在生产过程中采用单片机技术。例如在工业自动化生产过程控制、智能化仪表、军事研究等方面。但是往往由于使用环境的恶劣和复杂，会干扰到设备系统的正常使用，影响其工作的可靠性和安全性，常常出现误动作和误显示的现象，造成巨大的经济损失。根据影响的因素分类，主要的干扰耦合方式是有直接耦合方式、公共阻抗耦合方式、电容耦合方式、电磁感应耦合方式和辐射耦合方式。在抗干扰方面，主要的是软件抗干扰和硬件抗干扰。

（1）软件抗干扰。软件主要是在程序执行的过程中抗干扰，在CPU开始运作的的过程中，受到外界的干扰而引起的程序的混乱，因此在程序执行的过程中，对软件实行抗干扰是十分必要的。主要是采用“软件陷阱”来实行抗干扰的目的即采用一条引导指令，强行的将捕获的程序引向另一个指定的不影响程序正常工作的区域，在该指定区域有专门处理错误的程序。主要是将软件陷阱安排在未使用的中断向量区、未使用的大片EPROM 空间、数据表格和散转表格、程序区。

（2）硬件抗干扰。主要从干扰源上抑制达到抗干扰的效果，主要是在干扰源两端并联电容。只要的方法有：继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰；给电机加滤波电路；电路板上每个IC要并接一个0.01～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响；布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。

总而言之，单片机的出现，是计算机在控制领域的一次大的变革，促进了各行业智能化，数字化和自动化的发展，例如在工业，军事等方面都取得了很大的成就。单片机的应用提高了整个控制系统的效率和可靠性，在设备的自动化的改造中，起了很大的作用，迎合了未来工业发展的高效率、低误差的机器自动化运作的特点。随着科技的不断进步，将会不断有新的技术涌现，为社会发展做出新的贡献。

[1] 吴岩.单片机在电子技术中的应用和开发技术研究[J].黑龙江科技信息，2011，（9）.

[2] 范仁周，刘多伟，张锡明，等.Intel公司单片机及微处理器在测控系统中的应用[J].电讯技术，1989，（4）.