Микропроцессорные системы автоматического управления

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Кафедра электроэнергетики электрооборудования 

 
 
 
 
 
 
 
 

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ 

 АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Санкт-Петербург 

2017 

Министерство сельского 
хозяйства РФ

УДК 681.3.01 
Микропроцессорные системы автоматического управления:  
учебное пособие / Л.А. Пигарев, энергетический факультет, 
каф. «Электроэнергетики и электрооборудования. СПбГАУ, 
2017. – 178 с. 
 

Рецензенты: 
Доктор технических наук, профессор кафедры «Электро
энергетики  и электрооборудования» А.П. Епифанов;   

Доктор технических наук, профессор кафедры «Энерго
обеспечение и электротехнологии  в АПК» Т.Ю. Салова. 
 

Рассматриваются структуры микропроцессоров и микро
контроллеров неймановской и гарвардской архитектур. Излагаются принципы преобразования цифро-аналоговой и аналогоцифровой информации, рассматриваются вопросы прерывания 
в микропроцессорных системах, операции ввода-вывода информации. В конспекте рассматриваются вопросы  построения 
систем управления на базе микроконтроллеров, реализации методов регулирования нагрузкой переменного и постоянного тока. Излагаются вопросы реализации типовых законов управления на базе микроконтроллеров. 

 Учебное пособие предназначено для подготовки магист
ров очной формы обучения по направлению 35.04.06 «Агроинженерия», магистерская программа  «Электроэнергетика и автоматизация энергетических систем в АПК».  

Рекомендовано к публикации  согласно соответствующе
му договору Учебно-методическим советом СПбГАУ, протокол   
№ 8     от  « 02 »   ноября 2017 г. 
 

 

© Л.А. Пигарев, 2017
© ФГБОУ ВО СПбГАУ, 2017

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение…………………………………………………………...
6

Раздел 1. Арифметические и логические основы микропроцессорной техники …………………………………………..
10

1.1. Системы счисления………………………………………...
10

1.2. Логические функции и логические схемы……………….
14

1.3. Двоичная арифметика……………………………………..
17

1.4. Двоичные числа со знаком………………………………...
20

1.5. Двоично-десятичные системы кодирования……………..
22

1.6. Алфавитно-цифровой код…………………………………
23

1.7. Вопросы для самоконтроля по разделу 1………………...
23

Раздел 2.  Архитектура микропроцессоров …………………..
24

2.1. Принцип построения ЭВМ…………………………
24

2.2. Архитектура микропроцессоров и их функционирова
ние…………………………………………………………..
25

2.2.1. RISC- и CISC-архитектуры микропроцессоров……...
32

2.2.2. Цифровые сигнальные процессоры ………………….
33

2.3. Вопросы для самоконтроля по разделу 2………………..
34

Раздел  3. Микроконтроллеры …………………………………
34

3.1. Структура микроконтроллеров…………………………...
34

3.2. Память микроконтроллеров………………………………
37

3.2.1. Память с произвольным доступом……………………..
38

3.2.2. Память с последовательным доступом………………...
42

3.3. Прерывания в микропроцессорных системах…………...
43

3.4. Ввод-вывод данных в микропроцессорных системах…..
46

3.5. Вопросы для самоконтроля по разделу 3………………...
49

Раздел 4. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи ……………………………………………………
50

4.1. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)…………….
50

4.1.1. Разновидности ЦАП………………………………
51

4.1.2. Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей...
55

4.2. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)…………….
57

4.2.1. АЦП прямого преобразования……………………….
57

4.2.2. АЦП последовательного счета……………………….
59

4.2.3. АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
60

4.2.4. Сигма –дельтаАЦП…………………………………...
62

4.2.5. Интерфейсы аналого-цифровых преобразователей...
64

4.2.6. Статические и динамические параметры АЦП……..
66

4.3. Вопросы для самоконтроля по разделу 4………………...
68

Раздел 5. Промышленный  микроконтроллер М167-2……...
69

5.1. Организация памяти………………………………………
69

5.2. Центральное процессорное устройство………………….
74

5.3. Система прерываний микроконтроллера Siemens

80С167……………………………………………………...
83

5.4. Генерация системного такта и управление энергопо
треблением…………………………………………………
88

5.5. Порты ввода-вывода данных микроконтроллера 80С167
90

5.6. Аналого-цифровой преобразователь……………………..
93

5.7. Генераторы широтно-импульсной модуляции………….
99

5.8. Блоки «Захват / Сравнение»……………………………...
104

5.9. Таймеры……………………………………………………
5.10. Сторожевой таймер………………………………………

107
109

5.11. Последовательный интерфейс…………………………..
111

5.12. Вопросы для самоконтроля по разделу 5……………….
119

Раздел 6. Общие сведения о микропроцессорных системах 
автоматического управления ………………………………….
121

6.1. Структуры микропроцессорных САУ…………………...
121

6.2. Особенности применения микропроцессоров в системах управления…………………………………………………
126

6.3. Реализация функций классической  САР на микрокон
троллерах.........................................................................
128

6.3.1. Структурная схема системы управления на микро
контроллере…………………………………………...
128

6.3.2. Структура регулятора………………………………...
131

6.3.3. Измерение регулируемых параметров………………
132

6.3.4. Формирование задающих воздействий……………...
135

6.3.5. Формирование регулирующего воздействия……….
136

6.4. Вопросы для самоконтроля по разделу 6………………...
138

Раздел 7. Реализация методов управления нагрузкой переменного и постоянного напряжения на микроконтроллерах ………………………………………………………………….
139

7.1. Методы регулирования переменного напряжения……...
139

7.1.1. Настройка модуля ШИМ  и блока «Захват / Сравне
ние» для управления нагрузкой переменного тока 
при импульсно-фазовом способе управления………
142

7.1.2. Управление нагрузкой переменного тока…………...
146

7.2. Особенности управления нагрузкой с помощью ключей 

постоянного тока…………………………………………..
147

7.3. Управление нагрузкой постоянного тока……………….
150

Раздел 8.  Реализация типовых законов управления на 
микроконтроллерах……………………………………………...
153

8.1. Позиционный регулятор…………………………………..
153

8.1.1. Статические характеристики двухпозиционных ре
гуляторов……………………………………………...
153

8.1.2. Программная реализация микропроцессорных 

двухпозиционных регуляторов………………………
157

8.1.3. Достоинства и недостатки двухпозиционных регу
ляторов………………………………………………...
159

8.2. Пропорциональный регулятор……………………………
161

8.2.1. Параметры и характеристики пропорциональных 

регуляторов…………………………………………….
161

8.2.2. Программная реализация П-регулятора……………..
163

8.3. Пропорционально-интегральное регулирование………..
163

8.3.1 Основные параметры и характеристики ПИ- регуля
торов……………………………………………………
163

8.4. Пропорционально-интегрально-дифференциальный ре
гулятор……………………………………………………...
165

8.4.1. Представление ПИД-регулятора в операторной 

форме…………………………………………………..
165

8.4.2. Дискретная форма ПИД-регулятора…………………
166

8.4.3. Особенности реальных ПИД-регуляторов…………..
168

8.5. Вопросы для самоконтроля по разделу 8………………...
172

Раздел 9.  Программирование микроконтроллеров…………
173

9.1. Этапы разработки для встраиваемых приложений……...
173

Библиографический список…………………………………….
178

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время микропроцессорные  системы управ
ления являются основными системами, которые применяются 
для решения задач управления технологическими процессами. 
Микропроцессорная система (МПС) представляет собой функционально законченное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным из которых является микропроцессор и/или микроконтроллер.  

Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет со
бой функционально и конструктивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит 
микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора функций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление. 

Основные преимущества микропроцессорных систем по 

сравнению с цифровыми системами на «жесткой логике»: 

 Многофункциональность - большее количество функций 

может быть реализовано на одной элементной базе; 

 гибкость: возможность исправления и модификации про
граммы микропроцессора для реализации различных режимов 
работы системы; 

 компактность: миниатюрные габариты микросхем и 

уменьшения их количества по сравнению с реализацией на «жесткой логике» позволяют уменьшить габариты устройств; 

 повышение помехоустойчивости: меньшее количество со
единительных проводников способствует повышению надежности устройств; 

 производительность: возможность применения больших 

рабочих частот и более сложных алгоритмов обработки информации. 

В современной технике микроконтроллеры  находят очень 

широкое применение. На их основе строятся датчики измерения 
физических параметров с линейными характеристиками, регуляторы параметров технологических процессов, системы сбора 
и передачи данных, информационные системы и системы автоматического управления различного класса. Современное понятие микроконтроллер возникло в связи с развитием и совершенствованием микроэлектроники и является естественным разви

тием более старых понятий, таких как ЭВМ, микро-ЭВМ, мик-
ропроцессор, употреблявшихся в 80 – 90 годы прошлого столетия. Однако, базовые принципы организации функционирования вычислительных систем остаются.  

Первым микропроцессором (МП) был 4-х разрядный Intel 

4004, выпущенный фирмой Intel в 1971 г., который предназначался для использования в счетно-решающих машинах. Intel 
4004 – это процессор, который был выполнен в виде большой 
интегральной схемы (БИС) на основе МОП-технологии. Дальнейшим развитием явилась разработка 8-разрядного микропроцессора второго поколения Intel 8080, изготавливавшегося по nканальной МОП-технологи. Он имел повышенное быстродействие - время основного цикла 2 мкс. К подобному классу относился и микропроцессор 6800 фирмы MOTOROLA, Z8 - фирмы 
Zilog и ряд других МП. 

 Отдельные области применения микропроцессоров тре
буют реализации определенных специфических вариантов их 
структуры и архитектуры. Поэтому по функциональному признаку выделяются два класса: 
- микропроцессоры общего назначения; 
- специализированные микропроцессоры. 

Среди специализированных микропроцессоров наиболее 

широкое распространение получили микропроцессоры, предназначенные для выполнения функций управления различными 
объектами, и цифровые сигнальные процессоры (DSP – Digital 
Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур, обеспечивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов. 

Идея размещения на одном кристалле микропроцессора и 

периферийных устройств принадлежит инженерам М. Кочрену 
и Г. Буну (фирма Texas Instruments). Первым микроконтроллером (1972 год) был 4-х разрядный TMS1000 от Texas 
Instruments, который содержал ОЗУ (32 байта), ПЗУ (1 кбайт), 
часы и поддержку ввода-вывода данных.  

В 1976 году  первый микроконтроллер выпустила фирма 

Intel. У Intel 8048 помимо центрального процессора, на кристалле находились: 1 кбайт памяти программ, 64 байта памяти 
данных, два восьмибитных таймера, генератор часов и 27 линий 

портов ввода-вывода. Микроконтроллеры семейства 8048 использовались в клавиатурах первых IBM PC, в игровых консольных приставках и в ряде других устройств. 

Следующий микроконтроллер Intel 8051, выпущенный в 

1980 году, стал классическим образцом устройств данного 
класса. Этот 8-битный  чип достаточно долго занимал лидирующие позиции. Аналоги 8051 выпускали советские предприятия в Минске, Новосибирске, Воронеже. 

Большинство фирм производителей микроконтроллеров, 

такие как  Philips, Microchip, Atmel, Dallas, Siemens, Infineon и 
другие и сегодня выпускают устройства, основанные на этой 
архитектуре. Более подробно разновидности микроконтроллеров будут рассмотрены в последующих разделах. 

Учебное пособие по дисциплине «Микропроцессорные 

системы автоматического управления» направлено на углубленное изучение элементной базы микропроцессорных систем 
управления, способов преобразования аналоговой и цифровой 
информации, изучение структуры микропроцессоров и микроконтроллеров. Большое внимание уделено изучению типовых 
периферийных устройств  микроконтроллеров, способов их настройки и программирования. Рассмотрены способы и особенности управления нагрузкой постоянного и переменного напряжения. В пособии подробно  рассмотрены типовые законы 
автоматических систем управления, особенности их использования в дискретной (цифровой) форме с целью  реализации на 
микроконтроллерах, а так же вопросы программирования микроконтроллеров. 

Пособие направлено на формирование у обучающихся 

элементов следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВО 
по данному направлению подготовки: способности анализировать современные проблемы науки и производства в агроинженерии и вести поиск их решения (ОПК-7); готовности к участию в проведении исследований рабочих и технологических 
процессов (ПК-2); способности и готовности применять знания 
о современных методах исследований (ПК-4). 
 

 

Учебное пособие может быть полезно при подготовке ма
гистров очной формы обучения по направлению подготовки  
35.04.06 «Агроинженерия», магистерская программа  «Электроэнергетика и автоматизация энергетических систем в АПК» в 
процессе  изучении дисциплины «Микропроцессорные системы 
автоматического управления», а так же  выполнении курсовых 
работ по дисциплине «Автоматизация технологических процессов» и ВКР. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РАЗДЕЛ 1.  АРИФМЕТИЧКСКИЕ И ЛОГИЧЕСКИЕ 
 ОСНОВЫ МИКРОПРЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ 
 

1.1. Системы счисления 

В цифровой и вычислительной технике сигналы и ин
формация представляются в дискретной форме. Для удобства 
последующего преобразования дискретный сигнал подвергается 
кодированию. Большинство кодов основано на системах счисления, причем использующих позиционный принцип образования числа, при котором значение каждой цифры зависит от ее 
положения (позиции, веса) в числе. 

Примером позиционной формы записи чисел является та, 

которой мы пользуемся (так называемая арабская форма чисел). 
Так, в числах 123 и 321 значения цифры 3, например, определяются ее положением в числе: в первом случае она обозначает 
три единицы (т.е. просто три), а во втором – три сотни (т.е. триста).  

В современной информатике и цифровой технике исполь
зуются в основном три системы счисления (все – позиционные): 
двоичная, шестнадцатеричная и десятичная. 

Двоичная система счисления используется для кодирова
ния дискретного сигнала (низкий уровень – логический нуль 
«0», высокий уровень - логическая единица «1»), потребителем 
которого является  вычислительная техника. Это сложилось исторически, поскольку двоичный сигнал проще представлять на 
аппаратном уровне. В этой системе счисления для представления числа применяются два цифры – 0 и 1. 

Шестнадцатеричная система счисления  используется 

для кодирования дискретного сигнала, потребителем которого 
является хорошо подготовленный пользователь. В такой форме 
представляется содержимое любого файла, затребованное через 
интегрированные оболочки операционной системы, например, 
средствами Norton Commander в случае MS DOS, коды команд 
и данные в микропроцессорах. Используемые знаки для представления числа – десятичные цифры от 0 до 9 и буквы латинского алфавита – A, B, C, D, E, F. 

Десятичная система счисления используется для кодиро
вания дискретного сигнала, потребителем которого является так