探讨单片机在工业控制中的应用

探讨单片机在工业控制中的应用

高士喜

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摘要：随着科学技术的进步和制造业的发展，工业控制中更多的应用到了单片机，同时单片机的大量应用也促进了工业控制的进步。本文介绍了单片机的出现背景、内部构成、功能和应用。

关键词：单片机；发展；应用；MCU；工业探测机器人

引言

近年来集成芯片技术的工艺大大提高，栅长从90nm、65nm、14nm已经缩小到7nm。从当前的科技来看，其中7nm已经是栅长的物理极限。如果栅长比7 nm更小，两个相邻的晶体管就距离太近，两个晶体管之间的硅板可以产生电子流动，会增加芯片的损耗。集成芯片制造工艺的提高，也促使单片机的研发、生产取得了飞速的发展，单片机在工业控制中得到了大量的应用。

1单片机概述

1.1单片机的应用特征

　单片机是一种自动化单片微型的计算机，也是一种微型控制器， 其具有体积小、消耗低、使用便捷等优点^[1]。早期的电路是以模拟电子为基础的，所以电路的构成都是以模拟元器件为主。后来数字电路的出现，并且迅速的发展。使得电路的体积减小了，精度也提高了。单片机就是在数字电路发展的基础上出现并且发展的。当今单片机已经应用于工业控制的方方面面，比如：医疗设备、工业机器人、电力设备、智能家居、消费类电子、通信设备。由于单片机有着强大的外设接口，使以前费力的数学运算和逻辑运算变的越来越容易。

单片机正常的工作的前提，就要在单片机的Flash中固化程序，从而达到初始化硬件，配置端口，完成逻辑运算，实现算法等目的。单片机的主流编程语言也是由汇编语言发展到C语言的，使人们应用单片机更加方便、高效、简单。汇编语言和C语言编程各自有自身的优势：汇编语言由于直接操作寄存器，所以速度比较快；但是直接操作寄存器比较复杂，使程序员的工作量大大的增加。而C语言是相对于汇编语言更加高级的语言，编程语句更容易为程序员所理解和掌握，但是程序编译要把C语言转化为汇编语言，所以使用C语言比较汇编语言执行速度要慢。但是随着技术的发展，以及硬件技术的大大提高。应用C语言给单片机编程执行速率的问题有了很大的改善，对于程序员来说越来越方便，使得单片机的应用也越来越普遍。

1.2单片机的结构设计

单片机是一种由复杂的集成电路封装的芯片，它是把一个简单的计算机系统集中在一起，相当于一个简单的微型计算机。虽然没有计算机的功能强大，但是相对于其微小的体积，更能适用于工业和民用应用。

单片机的内部构造有时钟系统、包括多个定时器定时器、电源供电系统、多个I/O口（I/O口可以根据应用的需要进行配置）和中断系统、计数器、随机存储器RAM、中央处理器CPU、存放程序的Flash等模块。编程人员可以根据自身的使用需求去配置单片机的外设结构，从而实现预定的计算和逻辑控制的功能。

当编程人员把程序编好后，就可以进行在线调试与仿真，省去了现场调试的环境制约。如果调试没有问题就可以做批量生产和测试，当小批量测试也完成后，也就可以用于产品大批量的生产了。

2单片机在工业探测机器人控制中的应用

当今科学技术飞速发展，人类探索世界的范围和科学技术的应用领域也越来越广泛，有些工作环境是对人体有害的或者人类无法生存的，这时工业的探测机器人也就发挥了强大的作用，它可以代替人类的工作。工业探测机器人最主要的应用是管道的探测和检修：一般的工业管道复杂而狭窄，而且有可能存在一定的危险性，所以这些工作就需要工业探测机器人来完成。

工业探测机器人一般包括供电系统、控制系统、和由各种传感器组成的反馈系统。

工业探测机器人一般是以电池作为其动力源，电池可以反复的充电，即环保又可以节省能源。当然为了安全，也要给工业探测机器人安装辅助的供电系统，即使在主电池供电系统发生故障时，辅助的供电系统（辅助供电电池）也会继续为机器人继续供电，供电系统会设计电池的保护电路。一旦电池发生短路等故障，也会对设备进行保护。

如果探测距离不太长可以使用超外差的无线遥控方式控制机器人。通过超外差遥控器的几个按键可以控制工业探测机器人的向前、向后、向左、向右的动作。机器人操作者控制超外差遥控器，利用按键控制工业探测机器人的前后左右的任意一个方向运动。当机器人的超外差模块就收到遥控器发出的无线指令信号时，单片机会判断这帧信号是否按照通信协议的正确指令，单片机判断如果接收到的指令帧是正确的，就执行该指令。使该指令控制的单片机I/O口电平进行翻转，驱动三极管饱和导通，使三极管的集电极和发射极有电流流过，控制直流电机转动，从而控制工业机器探测机器人向某个方向运动的目的。如果接收到的指令是错误的，单片机就将其丢弃，等待接收到下一帧的正确指令。而且工业探测机器人有一套完备的传感器保护和避障系统。如果前进到某一个位置前方有障碍物，传感器就会测量其与障碍物的有效距离，使控制该方向运动的电机停止工作，避免造成被检测设备的损坏和工业探测机器人自身的故障。工业机器人中单片机的I/O口也可以驱动LED，操作者可以根据探测环境的需要，打开一个或者多个LED，从而解决景物辨识度的问题。

3单片机在工业采样中的应用

在工业控制系统中和工业产品中会应用到许多的参数，比如说温度、湿度、电压、电流、压力等参数。单片机的重要的功能模块就是A/D模块，即模数转化模块。比如说工业上的电镀设备需要检测其电流值。可以采用四线制的采样电阻把电流值变换成电压值，再把电压值发送到单片机的A/D端口。让模数转换电路读出其电压值。转化为数字信号，在根据电流与采样电压的比例进行换算，最终推算出电流的大小。

其它也是类似，比如现在工业上常用的温湿度传感器，压力传感器、距离传感器、速率传感器也都是把它们的采样信号转化为电信号，经过模数转换得到采样值。并且可以在单片机内部做滤波函数，使采样出来的值更加的准确。

4 结束语

上面所举得例子只是单片机在工业控制和产品制造方面的冰山一角，当今单片机应用已经渗透到工业生产和人们生活的方方面面。由于单片机的价格比较低廉，应用也不太复杂，所以对于单片机的大量应用有着更好地前景。也正是由于单片机的应用，提高了工业控制的高效性，使人们许多工作从许多工作中解放出来，避免了人为的错误，提高了生产的效率。

参考文献

[1]曹益凌.单片机在电气工程自动化控制中的应用[J].山东工业技术,2017(04):1.