微型計算機控制技術（第2版）

本書內容全面，深入淺出，注重實用。

本書全面系統地講述了微型計算機在嵌入式系統中的各種應用技術。主要內容有：微型計算機控制系統的組成及分類、A/D和D/A轉換、數據採集、鍵盤接口技術、LED及LCD顯示、報警技術、馬達控制、步進電機控制、I/C卡接口技術、串行通信及其接口總線（RS-232-C、SPI、I2C）、現場總線、數字濾波、標度變換、自動量程轉換、非線性補償、PID控制、模糊控制、微型計算機控制系統設計方法及實例、微型計算機控制系統抗干擾措施等。全書的介紹以目前應用最多的MCS-51系列單片機為主，也兼顧一些其他型號的單片機。書中雖然以單片機為例進行講述，但書中所涉及的全部內容都是目前所流行的嵌入式系統所需要的，完全適用於嵌入式系統。

為了適應微型計算機控制技術發展的需要，本書在原來《微型計算機控制技術》的基礎上，進行了大量的增刪，去掉了一些理論推導和原理性的論述，增加一些更加實用的內容。主要有：嵌入式系統在物聯網中的應用、FPGA系統、串行A/D轉換器、LED點陣顯示器的設計、遙控鍵盤的設計、觸摸式電子開關接口技術、遠程報警系統的設計、IC卡和射頻識別技術（RFID）以及微型計算機控制系統抗干擾措施等。

本書可作為高等院校、職業技術學院的微型計算機應用、自動化、儀器儀表、電子、通信、機電一體化等專業的《微型計算機控制技術》課程的教材，也是廣大從事微型計算機過程控制系統設計技術人員的一本實用參考書。

光陰荏苒，一晃本書已經出版25年了（1985年8月第1版）。在這25年中，得到了廣大師生和技術人員的厚愛，在此，對所有讀者表示深深的謝意。隨着微型計算機控制技術的發展，先後在不同的出版社出版了6次，本書是第7次出版，也是在電子工業出版社出版的本書的第2版。由作者主講的以該書為內容的同名電視講座於1989—1990年先後在湖北電視台和天津電視台舉辦，後來又由國務院電振辦、中央電視台和國家技術監督局聯合在中央電視台舉辦“微型計算機控制技術”講座，聽眾大約十幾萬人之多，當時，在全國具有相當大的影響。

隨着大規模集成電路的發展，微型計算機的應用愈加廣泛、日益深入。其中，由單片微型計算機（簡稱單片機）構成的嵌入式系統已經愈來愈受到人們的關注。現在可以毫不誇張地説，作者在十幾年前預言的“沒有微型計算機的儀器不能稱為先進的儀器，沒有微型計算機的控制系統不能稱其為現代控制系統”的時代已經到來。

嵌入式系統正是為適應這一領域的需要而發展起來的一門新技術。嵌入式系統是內部含有微型計算機用於完成智能化功能的電子系統。它是先進的半導體技術、計算機技術和電子技術與各個行業的具體應用相結合的產物。一般由嵌入式微處理器、I/O接口設備、嵌入式操作系統及應用程序4部分組成。嵌入式系統的最大特點是它的“嵌入”性，也就是它“嵌入”到儀器儀表和控制系統的內部，使用者甚至感覺不到它的存在。但是，它卻在那裏“默默”地工作着。

嵌入式系統的優點是體積小、成本低、功能強、智能化。現在，隨着社會對嵌入式系統開發人員的需求，講述嵌入式系統的《微型計算機控制技術》已成為我國高等院校的計算機應用、自動化、電子與電氣工程和機電一體化等專業的主幹課程，同時也是廣大技術人員更新知識的必備參考書。

本書正是為了適應這一形式而編寫的，專門講述嵌入式系統設計的專業教科書，全書共分11章。第1章介紹微型計算機控制系統的組成及分類，這是本書的開篇，全面提出了微型計算機控制技術的主要內容及它們之間的關係，給讀者以整體概念；第2章介紹模擬量輸入/輸出通道接口技術，主要包括採樣-保持器、多路開關、A/D和D/A轉換和數據採集方法，這是微型計算機溝通模擬世界的重要通路；第3章介紹人機交互接口技術，主要有鍵盤接口技術、遙控鍵盤技術、LED顯示接口技術及LCD顯示接口技術，這是人機交互的橋樑；第4章介紹常用控制程序設計，主要內容有報警技術、開關量輸出接口技術、電機控制接口技術和步進電機控制等，這是實現微型計算機控制的關鍵技術；第5章是IC卡技術，主要講述目前在物聯網中廣泛應用的接觸式I/C卡和射頻識別技術（RFID），這是現代信息社會中物聯網不可或缺的重要前端接口技術；第6章介紹串行通信及其接口總線，如RS-232-C、RS-485、SPI、I2C及現場總線等，這是微型計算機控制系統信息傳遞的動脈和紐帶；第7章介紹過程控制的數據處理方法，主要講述數字濾波、標度變換、自動量程轉換、非線性補償及DSP技術等，這是微型計算機控制軟件設計的基礎；第8章介紹數字PID及其算法，內容包括PID數字化、PID的發展、PID參數的整定方法等，這是微型計算機控制系統應用最多、最簡單的一種控制算法；第9章介紹模糊控制，講述模糊控制的規律及在微型計算機中的實現方法，這是解決控制算法的萬能鑰匙；第10章介紹微型計算機控制系統的設計方法及實例，這是本書全部知識應用的範例，通過本章的學習，可以逐步掌握微型計算機控制系統的設計真諦；第11章為微型計算機控制技術抗干擾技術，主要介紹各種軟件、硬件抗干擾措施，這些是微型計算機控制系統從理論到實際不可忽視的知識。

本書的主要特點。

1．以點帶面。以目前應用最多的MCS-51系列單片機為主，同時也兼顧其他類型的單片機。雖然以單片機為例進行講述，但書中所涉及的全部內容都是目前所流行的嵌入式系統所需要的，完全適用於嵌入式系統。

2．與時俱進。為了適應微型計算機控制技術發展的需要，本書在原來《微型計算機控制技術》的基礎上，進行了大量的增刪，去掉了一些理論推導和原理性的論述，增加了一些更加實用的內容。主要有：嵌入式系統在物聯網中的應用、FPGA系統、串行A/D轉換器、LED點陣顯示器的設計、遙控鍵盤的設計、觸摸式電子開關接口技術、遠程報警系統的設計、IC卡和射頻識別技術（RFID）及微型計算機控制系統抗干擾措施等。

3．軟件和硬件相結合。本書既對硬件接口進行了詳細的論述，同時又對軟件的設計思想、程序流程圖及彙編語言程序進行了全面的説明。

4．實用性強。本書很多實例都取自於作者多年的科研課題。學完本書後，只要把本書的內容稍加修改，串聯起來即可構成一個實用的課題。因此，本書對學生畢業設計、首次涉足嵌入式微型計算機系統設計的人員特別有用。

5．內容精練。本書摒棄了一些較深的理論推導，深入淺出、言簡意賅、精練實用。

6．信息流概念清楚。本書在編寫過程中，有意識地培養和建立讀者的思維能力，使讀者真正建立數據流及信息流的概念，以便在控制應用中，能夠使軟件和硬件有機地結合。通過對各章實例進行分析，可使廣大讀者真正掌握微型計算機嵌入式系統的設計方法。

7．強化練習。每章最後都附有習題，內容包括選擇題、思考題和練習題，而且書後附有部分習題參考答案及課程設計選題。

8．資源共享。本書配有電子光盤，把我們在福建省級精品課建設中積累的一些資料與大家共享。主要內容有：教學大綱、教學計劃（參考）、教學課件、用Proteus開發的部分章節仿真系統及課程設計範例等。同時，為了顧及熟悉C語言的讀者，還附錄了書中部分內容的C語言程序，詳見附錄中的光盤目錄。

本書第2章、第3章、第4章、第5章和第7章由王燕芳編寫，其餘部分由潘新民編寫。此外，潘莉、潘峯也參與了本書的部分編寫工作。

雖然我們付出了很大的努力，但書中錯誤和不當之處在所難免，歡迎廣大讀者批評指正。

作 者

2010年6月

第1章 微型計算機控制系統概述 1

1.1 微型計算機控制系統的組成 1

1.1.1 微型機控制系統的硬件結構 2

1.1.2 微型機控制系統的軟件 3

1.2 微型機控制系統的分類 4

1.2.1 操作指導控制系統 4

1.2.2 直接數字控制系統（DDC） 4

1.2.3 計算機監督系統（SCC） 5

1.2.4 嵌入式系統（EMS） 6

1.2.5 物聯網系統（ITS） 8

1.2.6 現場總線控制系統（FCS） 10

1.3 微型計算機控制系統的發展概況及趨勢 11

1.3.1 單片微型計算機 11

1.3.2 可編程邏輯控制器 13

1.3.3 現場可編程門陣列（FPGA） 14

1.3.4 工業PC 18

1.3.5 微型計算機控制系統的發展趨勢 19

習題一 20

第2章 模擬量輸入/輸出通道的接口技術 22

2.1 多路開關及採樣-保持器 22

2.1.1 多路開關 22

2.1.2 採樣-保持器 27

2.2 模擬量輸出通道的接口技術 29

2.2.1 8位D/A轉換器及其接口技術 29

2.2.2 高於8位的D/A轉換器及其接口技術 33

2.3 模擬量輸入通道接口技術 35

2.3.1 8位A/D轉換器 36

2.3.2 8位A/D轉換器的接口技術 38

2.3.3 8位A/D轉換器的程序設計 41

2.3.4 高於8位的A/D轉換器及其接口技術 44

2.3.5 串行A/D轉換器及其接口技術 48

習題二 52

第3章 人機交互接口技術 55

3.1 鍵盤接口技術 55

3.1.1 鍵盤設計需解決的幾個問題 55

3.1.2 少量功能鍵的接口技術 57

3.1.3 矩陣鍵盤的接口技術 58

3.1.4 電子薄膜開關的應用 63

3.1.5 鍵盤特殊功能的處理 67

3.2 紅外遙控鍵盤接口技術 69

3.2.1 紅外發射電路（NB9148） 69

3.2.2 紅外接收電路（NB 9149/NB9150） 72

3.2.3 紅外遙控鍵盤系統的設計 75

3.2.4 簡單紅外遙控鍵盤系統的設計 77

3.3 LED顯示接口技術 79

3.3.1 LED數碼管的結構及顯示原理 80

3.3.2 LED動態顯示接口技術 82

3.3.3 LED靜態顯示接口技術 85

3.3.4 硬件譯碼顯示電路 88

3.4 LED電子顯示屏技術 89

3.4.1 LED顯示屏的分類 89

3.4.2 LED顯示屏的結構 90

3.4.3 LED顯示屏的設計 91

3.5 LCD的顯示接口技術 103

3.5.1 LCD的基本結構及工作原理 103

3.5.2 LCD的驅動方式 104

3.5.3 4位LCD靜態驅動芯片ICM7211 106

3.5.4 點陣式LCD的接口技術 108

習題三 117

第4章 常用控制程序的設計 120

4.1 報警程序的設計 120

4.1.1 常用的報警方式 120

4.1.2 簡單報警程序的設計 122

4.1.3 越限報警程序的設計 126

4.1.4 遠程自動報警系統的設計 129

4.2 開關量輸出接口技術 133

4.2.1 光電隔離技術 133

4.2.2 繼電器輸出接口技術 134

4.2.3 固態繼電器輸出接口技術 134

4.2.4 大功率場效應管開關接口技術 137

4.2.5 可控硅接口技術 138

4.2.6 電磁閥接口技術 139

4.3 電機控制接口技術 140

4.3.1 小功率直流電機調速原理 141

4.3.2 開環脈衝寬度調速系統 142

4.3.3 PWM調速系統設計 143

4.3.4 閉環脈衝寬度調速系統 147

4.3.5 交流電機控制接口技術 150

4.4 步進電機控制接口技術 151

4.4.1 步進電機的工作原理 152

4.4.2 步進電機控制系統的原理 152

4.4.3 步進電機與微型機的接口及程序設計 155

4.4.4 步進電機步數及速度的確定方法 159

4.4.5 步進電機的變速控制 160

習題四 161

第5章 IC卡技術 166

5.1 IC卡 166

5.1.1 IC卡分類 167

5.1.2 接觸式IC卡的物理特性 168

5.2 IC卡系統硬件結構 169

5.2.1 IC卡讀寫器 169

5.2.2 IC卡的供電電路 170

5.3 IC卡接口軟件設計 171

5.3.1 IC卡的操作系統 171

5.3.2 IC卡的應用軟件 172

5.4 射頻識別（RFID）技術 173

5.4.1 非接觸式IC卡的結構與原理 175

5.4.2 RFID技術的分類 177

5.4.3 RFID技術標準 178

5.4.4 125 kHz RFID技術 179

5.4.5 13.56 MHz RFID技術 191

習題五 199

第6章 總線接口技術 201

6.1 串行通信基本概念 201

6.1.1 數據傳送方式 201

6.1.2 異步通信和同步通信 202

6.2 串行通信標準總線 204

6.2.1 RS-232-C 204

6.2.2 RS-485 208

6.2.3 多機通信 211

6.3 SPI總線 214

6.3.1 SPI的內部結構 215

6.3.2 SPI的工作原理 217

6.3.3 多機SPI系統 218

6.3.4 串行時鐘的極性和相位 219

6.3.5 SPI中斷 220

6.3.6 直接採用SPI總線接口芯片的應用 220

6.3.7 SPI總線模擬程序設計 220

6.4 I2C總線 222

6.4.1 I2C總線概述 222

6.4.2 I2C總線的數據傳送 223

6.4.3 尋址 226

6.4.4 仲裁和時鐘同步化 229

6.4.5 I2C總線的電氣特性 230

6.4.6 I2C時序規範 232

6.4.7 直接採用I2C總線接口芯片的應用 232

6.4.8 I2C總線模擬實用程序 234

6.5 現場總線技術 238

6.5.1 現場總線技術的發展概況 238

6.5.2 現場總線控制系統的特點 239

6.5.3 5種典型的現場總線 240

6.5.4 現場總線的應用 242

習題六 243

第7章 過程控制數據處理的方法 245

7.1 數字濾波技術 246

7.1.1 程序判斷濾波 246

7.1.2 算術平均值濾波 248

7.1.3 加權平均值濾波 250

7.1.4 滑動平均值濾波 251

7.1.5 RC低通數字濾波 251

7.1.6 複合數字濾波 252

7.1.7 各種數字濾波性能的比較 253

7.2 量程自動轉換和標度變換 253

7.2.1 量程自動轉換 254

7.2.2 線性參數標度變換 258

7.2.3 非線性參數標度變換 259

7.3 測量數據預處理技術 260

7.3.1 線性插值算法 261

7.3.2 分段插值算法程序的設計方法 261

7.3.3 插值法在流量測量中的應用 262

7.3.4 系統誤差的自動校正 266

7.4 DSP在數據處理中的應用 267

7.4.1 DSP簡介 267

7.4.2 DSPS芯片 268

7.4.3 DSP在數據處理中的應用 270

習題七 271

第8章 數字PID及其算法 274

8.1 PID調節算法 275

8.1.1 比例（P）調節器 276

8.1.2 比例-積分調節器（PI） 276

8.1.3 比例-微分調節器 277

8.1.4 比例-積分-微分作用調節器（PID） 278

8.2 PID算法的數字實現 278

8.2.1 PID算法的數字化 278

8.2.2 PID算法的程序設計 280

8.3 數字PID調節中的幾個實際問題 282

8.3.1 正、反作用問題 282

8.3.2 飽和作用的抑制 282

8.3.3 手動/自動跟蹤及手動後援問題 285

8.4 PID算法的發展 286

8.4.1 不完全微分的PID算式 286

8.4.2 積分分離的PID算式 288

8.4.3 變速積分的PID算式 289

8.4.4 帶死區的PID算式 290

8.4.5 PID比率控制 290

8.5 PID參數的整定方法 292

8.5.1 採樣週期T的確定 293

8.5.2 歸一參數整定法 293

8.5.3 優選法 294

習題八 294

第9章 模糊控制技術 297

9.1 模糊控制概述 297

9.1.1 模糊控制的發展概況 297

9.1.2 模糊控制的特點 298

9.1.3 模糊控制的應用 298

9.1.4 模糊控制的發展 299

9.2 模糊控制算法的設計 300

9.2.1 常見的模糊控制規則 300

9.2.2 反映控制規則的模糊關係 302

9.3 基本模糊控制器 302

9.3.1 查詢表的建立 302

9.3.2 基本模糊控制器實例 303

9.4 模糊數模型的建立 307

9.4.1 模糊控制器語言變量值的選取 307

9.4.2 雙輸入單輸出模糊控制器的模糊控制規則 307

9.4.3 建立模糊數模型 308

9.5 模糊-PID複合控制器 311

9.5.1 比例-模糊-PI控制器 311

9.5.2 參數模糊自整定PID控制器 312

習題九 315

第10章 微型機控制系統的設計 316

10.1 微型機控制系統的設計方法及步驟 316

10.1.1 控制系統總體方案的確定 317

10.1.2 微型計算機及接口的選擇 319

10.1.3 控制算法的選擇 320

10.1.4 控制系統的硬件設計 321

10.1.5 控制系統軟件設計 324

10.1.6 Proteus仿真軟件簡介 325

10.2 微型計算機控制的自動裝箱系統 328

10.2.1 自動裝箱控制系統的原理 328

10.2.2 控制系統硬件設計 329

10.2.3 控制系統軟件設計 331

10.3 智能型FR1151壓力變送器 337

10.3.1 FR1151壓力變送器的組成原理 337

10.3.2 FR1151系統的硬件設計 338

10.3.3 FR1151系統的軟硬件設計 343

10.4 加熱爐温度控制系統 346

10.4.1 温度控制系統的組成 347

10.4.2 温度控制系統的硬件設計 347

10.4.3 數字控制器的數學模型 350

10.4.4 温度控制系統軟件設計 351

10.4.5 手動後援問題 357

習題十 358

第11章 微型機控制系統抗干擾技術 359

11.1 電源、地線、傳輸干擾及其對策 359

11.1.1 電源干擾及其對策 360

11.1.2 地線干擾及其對策 363

11.1.3 傳輸線的干擾及其對策 365

11.2 微型機控制系統硬件抗干擾措施 367

11.2.1 模擬量輸入通道的干擾及其對策 367

11.2.2 ?P監控電路 369

11.3 微型機控制系統軟件抗干擾措施 373

11.3.1 提高數據採集可靠性的方法 374

11.3.2 輸入/輸出軟件抗干擾措施 374

11.3.3 防止“死機”的對策 375

習題十一 378

附錄A 微型計算機控制技術課程設計任務書 379

附錄B 選擇題參考答案 385

附錄C 微型計算機控制技術光盤資料索引 386

參考文獻 388