有关单片机化电气传动及控制系统的设计探讨

1.前言

单片机即微控制器，于1971年由Intel公司首次推出，由于其简便轻巧、功能强大、稳定可靠及其价格实惠等优势而被广泛应用于各个领域[1]。无论是交通、通讯还是电子领域、办公自动化或电气设备等都可以看到单片机的存在。电气设备即是变压器、发电机等设备的统称，其在电气传动系统中发挥着十分关键的作用，然而传统电气设备的控制线路中触点较多，使得控制线路在使用过程中可靠性变差，且使用寿命也会因此而明显降低。自单片机推出后，即被广泛应用于电气传动系统的线路控制中，更进一步提高了电气传动系统运行的安全性和可靠性，且操作更为简便，由此可知单片机对于电气传动及控制系统的重要性，为此，我们应寻求一套行之有效电气转动及控制系统设计方法，使单片机在电气传动和控制系统的到充分发挥。

2.单片机化电气传动及控制系统的概念

2.1 单片机的概念以及结构

单片机是一种集成电路芯片，单片机技术是指将把中央处理器（CPU）、只读内存（ROM）、随机存储器（RAM）等计算机系统的重要部件在一个芯片上集成[2]。单片机不仅仅只是一个芯片，它具备了微型计算机系统的重要组成结构以及主要功能。因此，它可同时满足两个及两个以上控制领域的应用需求。

单片机从他的组成和功能角度可以分为两个基本的结构形式。一是Princeton结构，又称冯.诺依曼结构，在此结构中，程序和数据的存储都是共用一个存储空间的。二是Harvard结构，在此结构中程序和数据的存储空间与前面结构不同，它们是分开的。由于单机片主要以控制功能为主，并具有简便的主要特点，因此当前单机片通常采用最多的程序和数据存储空间分开的结构形式，也就是Harvard结构形式。

2.2 电气传动控制的概念

电气传动控制技术是工业自动化生产十分重要的技术之一，它主要是以电动机为动力的转动装置或系统为对象，实现生产控制技术的自动化。电气传动控制系统一般由电动机、信息装置以及控制装置所组成，电气传动控制系统关系到科学合理使用电动机以节约电能以及控制工业机械的运转状态（速度、位置等），实现电能转换成机械能，达到高产、优质、低耗目的。随着社会经济以及技术发展带动了计算机的应用，逐渐增多的新型控制策略使得电气传动控制技术得到了不断的革新。在控制方法上，自动化的控制代替了传动手动控制；在操作以及功能上，实现了信息化和智能化控制处理。

2.3 单片机电气传动及控制系统

单片机的电气传动和控制系统指的是把单片机嵌入系统中，使之成为系统中的一个零部件，且单片机嵌入的同时系统本身不需要额外增加能耗或者体积等[3]。在对单片机电气传动与控制系统进行设计时，应了解到单片机并非传统意义上的计算机，而是一种新型的嵌入式控制器，如此一来才能充分发挥它的优势，开发出性价比高、性能好的系统。

3.系统硬件设计

电气系统方案的确定是硬件设计进行的基础，即想要进行系统硬件设计，就要先确定电气系统的方案，硬件设计主要包括以下几项内容：

（1）单机片的选择。日前单片机的品种比较多，大致可分专用型与通用型两大类。专用型比较容易开发，开发的系统较为简单，且专业型芯片具备一些特殊功能，所以，在选择芯片时应尽可能的选择合适的专用型芯片。通用型芯片具有供货市场范围大、全国各地都可买到的优势，且掌握通用型芯片的人员相对较多，有利于开发工作全体的组成。在电气传动与控制系统中，8位机通常便可满足需要。必须使用16位机的有少数，也有些用4位机便可很好的工作。具体选择哪种单片，还应根据实际情况来决定。

（2）其他芯片的选择。当程序以及数据所需的存储单元超出了芯片内的只读内存（ROM）或者没有只读内存时，就得对程序存储器进行扩充。一般使用EPROM，比如2764和2716等。假如需要处理的数据量偏大时，则需对数据存储器进行扩充，可采用6116、2441等静态随机存储器（RAM）。如果数据量非常大时，也可选择6264、2464或62256等芯片。扩展的数据存储器或者程序存储器还可选择E2PROM如2864和2816等，也可使用具有掉电保护功能的静态RAM，如9964等。除此外，有时还需要使用到各种数字集成电路芯片以及可编程序借口芯片、信号调理模块等。其他芯片选用的原则是，最大程度的简化线路，特别是采用各种专用型单片机时，应对其特殊功能进行充分的利用。

（3）地址空间的分配。地址空间分配方式主要是根据各个芯片里的地址单元数量以及可寻址芯片数量来确定的。假如所选用的单元数比较多，则选用全译码方式，地址空间要依照顺序来依次进行分配。假如所选用的单元数比较少，则选用线选法，其地址空间不必连续分配，采用P2口的某些线选通芯片。选通如果确定，那么地址就确定了。然而地址在此时是浮动的，编程时对于这点应引起注意。

（4）系统硬件（线路）图的画出。在对由专用型单片机组成的系统进行设计时，依照输入输出的信息、所需功能和希望达到指标选择使用合适的芯片是其最关键的环节。芯片在选定完毕之后，以单片机为主要核心，根据其所需的外围电路以及前、后通达便可设计出硬件（线路）图。

系统如果使用了通用型芯片，可通过三种总线把各组成部分分别联系起来形成系统线路。系统地址总线由P0口和P0口或者P2口组成。P0口的地址信号要通过锁存器连接到片外存储器或者端口的地址线上，锁存器采用ALE作为锁存信号。数据总线采用P0口，将他与存储器和端口的数据连接起来[4]。其他的I/O口可与外界直接联系，且其地址在芯片内的胡数据储存空间里，使用较简便。控制线的选用根据实际需要决定。

4.程序的编制设计

程序的编制过程主要分为两大步骤（程序编制过程如图1所示）：首先，按照系统所设计的硬件线路及其要求把程序分为用于接口、系统管理以及系统工作等部分，研究分析每一部分又可分为哪些模块，模块与模块之间有什么关联，根据分析结果建立数学模式。在有些数学关系较简单的程序可将这一步忽略不计，但对于电气传动和控制系统，这一步通常是很必须的。在对数学模式进行建立时，应充分考虑到功能的完成，并要满足抗干扰以及容错的要求；其次，按照数学模型拟定程序的思路，并用图形的形式将它表现出来，一般采用流程图。流程图要由始至终的的依次细化，直至能够具体反映程序的时候便可编制程序。有些专用型单片机采用梯形图，其可直接直接反映程序的过程，或采用状态流程图，无需经过多次细化便可编程。在进行编制程序时按照系统的应用对象以及开发环境选择语言，一般选择汇编语言，如果程序量比较大也可选用C语言或者PLM语言。

编制完毕的程序也有可能存在缺陷，要经过多次调试发现问题的所在，并修改程序和流程图将缺陷予以纠正。经过调试后的程序可尝试进行运行。假如运行结果不满意，应修改数学模式，并对程序进行重新编制。

5.其他方面的设计

（1）抗干扰的措施。电气传动及控制系统运行的场所往往会存在较大的电磁干扰，它可能会对系统正常工作造成影响，甚至引起事故的发生。为确保系统正常稳定的工作，应严格按照相关原则进行接地。另外，为使得抗干扰的性能得到提高效果，还应采取低通滤波器、数字滤波以及隔离变压器、光电锅合等措施，也可使用抗干扰的编程方法和Watehdog技术等。

图1 程序编制过程

图2 数控锁相环

（2）脉冲产生方法。电气系统所需要的脉冲有时要求其频率可调，可以通过在硬件上安置震荡器来实现，也可由单片机的计数器或者定时来实现。如果感觉单片机产生的脉冲会随着分辨率的提升而变差，可以借助单片机中的计数器、定时形成一个数控锁相环（如图2所示），假如要求可以对脉冲宽度进行调节，如PWM，也可由单片机的部分来实现。如果采用8XC562或8XC552等芯片，为使得PWM信号产生而进行的硬件和软件设计均可大为简化。

6.结束语

将单片机技术应用于电气传动及控制系统中，可使系统控制线路更加准确可靠，且通过对单片机运行程序的改革，可实现不一样的电路控制要求。单片机化电气传动及控制系统在设计过程中，硬件设计和软件设计以及其他方面的设计是紧密相连的，不应单独将他们分割开来。设计时应充分考虑到实际需要，并需大量参考单片机等相关资料，将最好的电气传动及控制系统设计出来，最大程度的将其功能进行充分利用。

[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,2011,20(09):724-729.

[2]李柱涛.单片机的发展趋势及其在设备自动化系统改造中的应用[J].黑龙江科技信息,2011,19(24):672-675.

[3]梁凯淋.单片机技术的发展及应用[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2009,15(04):541-546.

[4]肖金凤,扶文静,徐祖华,伍云政.步进电机控制系统的设计与实现[J].南华大学学报(自然科学版),2010,13(04):355-358.