前 言

光阴荏苒，一晃本书已经出版25年了（1985年8月第1版）。在这25年中，得到了广大师生和技术人员的厚爱，在此，对所有读者表示深深的谢意。随着微型计算机控制技术的发展，先后在不同的出版社出版了6次，本书是第7次出版，也是在电子工业出版社出版的本书的第2版。由作者主讲的以该书为内容的同名电视讲座于1989—1990年先后在湖北电视台和天津电视台举办，后来又由国务院电振办、中央电视台和国家技术监督局联合在中央电视台举办“微型计算机控制技术”讲座，听众大约十几万人之多，当时，在全国具有相当大的影响。

随着大规模集成电路的发展，微型计算机的应用愈加广泛、日益深入。其中，由单片微型计算机（简称单片机）构成的嵌入式系统已经愈来愈受到人们的关注。现在可以毫不夸张地说，作者在十几年前预言的“没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器，没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统”的时代已经到来。

嵌入式系统正是为适应这一领域的需要而发展起来的一门新技术。嵌入式系统是内部含有微型计算机用于完成智能化功能的电子系统。它是先进的半导体技术、计算机技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。一般由嵌入式微处理器、I/O接口设备、嵌入式操作系统及应用程序4部分组成。嵌入式系统的最大特点是它的“嵌入”性，也就是它“嵌入”到仪器仪表和控制系统的内部，使用者甚至感觉不到它的存在。但是，它却在那里“默默”地工作着。

嵌入式系统的优点是体积小、成本低、功能强、智能化。现在，随着社会对嵌入式系统开发人员的需求，讲述嵌入式系统的《微型计算机控制技术》已成为我国高等院校的计算机应用、自动化、电子与电气工程和机电一体化等专业的主干课程，同时也是广大技术人员更新知识的必备参考书。

本书正是为了适应这一形式而编写的，专门讲述嵌入式系统设计的专业教科书，全书共分11章。第1章介绍微型计算机控制系统的组成及分类，这是本书的开篇，全面提出了微型计算机控制技术的主要内容及它们之间的关系，给读者以整体概念；第2章介绍模拟量输入/输出通道接口技术，主要包括采样-保持器、多路开关、A/D和D/A转换和数据采集方法，这是微型计算机沟通模拟世界的重要通路；第3章介绍人机交互接口技术，主要有键盘接口技术、遥控键盘技术、LED显示接口技术及LCD显示接口技术，这是人机交互的桥梁；第4章介绍常用控制程序设计，主要内容有报警技术、开关量输出接口技术、电机控制接口技术和步进电机控制等，这是实现微型计算机控制的关键技术；第5章是IC卡技术，主要讲述目前在物联网中广泛应用的接触式I/C卡和射频识别技术（RFID），这是现代信息社会中物联网不可或缺的重要前端接口技术；第6章介绍串行通信及其接口总线，如RS-232-C、RS-485、SPI、I2C及现场总线等，这是微型计算机控制系统信息传递的动脉和纽带；第7章介绍过程控制的数据处理方法，主要讲述数字滤波、标度变换、自动量程转换、非线性补偿及DSP技术等，这是微型计算机控制软件设计的基础；第8章介绍数字PID及其算法，内容包括PID数字化、PID的发展、PID参数的整定方法等，这是微型计算机控制系统应用最多、最简单的一种控制算法；第9章介绍模糊控制，讲述模糊控制的规律及在微型计算机中的实现方法，这是解决控制算法的万能钥匙；第10章介绍微型计算机控制系统的设计方法及实例，这是本书全部知识应用的范例，通过本章的学习，可以逐步掌握微型计算机控制系统的设计真谛；第11章为微型计算机控制技术抗干扰技术，主要介绍各种软件、硬件抗干扰措施，这些是微型计算机控制系统从理论到实际不可忽视的知识。

本书的主要特点。

1．以点带面。以目前应用最多的MCS-51系列单片机为主，同时也兼顾其他类型的单片机。虽然以单片机为例进行讲述，但书中所涉及的全部内容都是目前所流行的嵌入式系统所需要的，完全适用于嵌入式系统。

2．与时俱进。为了适应微型计算机控制技术发展的需要，本书在原来《微型计算机控制技术》的基础上，进行了大量的增删，去掉了一些理论推导和原理性的论述，增加了一些更加实用的内容。主要有：嵌入式系统在物联网中的应用、FPGA系统、串行A/D转换器、LED点阵显示器的设计、遥控键盘的设计、触摸式电子开关接口技术、远程报警系统的设计、IC卡和射频识别技术（RFID）及微型计算机控制系统抗干扰措施等。

3．软件和硬件相结合。本书既对硬件接口进行了详细的论述，同时又对软件的设计思想、程序流程图及汇编语言程序进行了全面的说明。

4．实用性强。本书很多实例都取自于作者多年的科研课题。学完本书后，只要把本书的内容稍加修改，串联起来即可构成一个实用的课题。因此，本书对学生毕业设计、首次涉足嵌入式微型计算机系统设计的人员特别有用。

5．内容精练。本书摒弃了一些较深的理论推导，深入浅出、言简意赅、精练实用。

6．信息流概念清楚。本书在编写过程中，有意识地培养和建立读者的思维能力，使读者真正建立数据流及信息流的概念，以便在控制应用中，能够使软件和硬件有机地结合。通过对各章实例进行分析，可使广大读者真正掌握微型计算机嵌入式系统的设计方法。

7．强化练习。每章最后都附有习题，内容包括选择题、思考题和练习题，而且书后附有部分习题参考答案及课程设计选题。

8．资源共享。本书配有电子光盘，把我们在福建省级精品课建设中积累的一些资料与大家共享。主要内容有：教学大纲、教学计划（参考）、教学课件、用Proteus开发的部分章节仿真系统及课程设计范例等。同时，为了顾及熟悉C语言的读者，还附录了书中部分内容的C语言程序，详见附录中的光盘目录。

本书第2章、第3章、第4章、第5章和第7章由王燕芳编写，其余部分由潘新民编写。此外，潘莉、潘峰也参与了本书的部分编写工作。

虽然我们付出了很大的努力，但书中错误和不当之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。

作 者

2010年6月

第1章 微型计算机控制系统概述 1

1.1 微型计算机控制系统的组成 1

1.1.1 微型机控制系统的硬件结构 2

1.1.2 微型机控制系统的软件 3

1.2 微型机控制系统的分类 4

1.2.1 操作指导控制系统 4

1.2.2 直接数字控制系统（DDC） 4

1.2.3 计算机监督系统（SCC） 5

1.2.4 嵌入式系统（EMS） 6

1.2.5 物联网系统（ITS） 8

1.2.6 现场总线控制系统（FCS） 10

1.3 微型计算机控制系统的发展概况及趋势 11

1.3.1 单片微型计算机 11

1.3.2 可编程逻辑控制器 13

1.3.3 现场可编程门阵列（FPGA） 14

1.3.4 工业PC 18

1.3.5 微型计算机控制系统的发展趋势 19

习题一 20

第2章 模拟量输入/输出通道的接口技术 22

2.1 多路开关及采样-保持器 22

2.1.1 多路开关 22

2.1.2 采样-保持器 27

2.2 模拟量输出通道的接口技术 29

2.2.1 8位D/A转换器及其接口技术 29

2.2.2 高于8位的D/A转换器及其接口技术 33

2.3 模拟量输入通道接口技术 35

2.3.1 8位A/D转换器 36

2.3.2 8位A/D转换器的接口技术 38

2.3.3 8位A/D转换器的程序设计 41

2.3.4 高于8位的A/D转换器及其接口技术 44

2.3.5 串行A/D转换器及其接口技术 48

习题二 52

第3章 人机交互接口技术 55

3.1 键盘接口技术 55

3.1.1 键盘设计需解决的几个问题 55

3.1.2 少量功能键的接口技术 57

3.1.3 矩阵键盘的接口技术 58

3.1.4 电子薄膜开关的应用 63

3.1.5 键盘特殊功能的处理 67

3.2 红外遥控键盘接口技术 69

3.2.1 红外发射电路（NB9148） 69

3.2.2 红外接收电路（NB 9149/NB9150） 72

3.2.3 红外遥控键盘系统的设计 75

3.2.4 简单红外遥控键盘系统的设计 77

3.3 LED显示接口技术 79

3.3.1 LED数码管的结构及显示原理 80

3.3.2 LED动态显示接口技术 82

3.3.3 LED静态显示接口技术 85

3.3.4 硬件译码显示电路 88

3.4 LED电子显示屏技术 89

3.4.1 LED显示屏的分类 89

3.4.2 LED显示屏的结构 90

3.4.3 LED显示屏的设计 91

3.5 LCD的显示接口技术 103

3.5.1 LCD的基本结构及工作原理 103

3.5.2 LCD的驱动方式 104

3.5.3 4位LCD静态驱动芯片ICM7211 106

3.5.4 点阵式LCD的接口技术 108

习题三 117

第4章 常用控制程序的设计 120

4.1 报警程序的设计 120

4.1.1 常用的报警方式 120

4.1.2 简单报警程序的设计 122

4.1.3 越限报警程序的设计 126

4.1.4 远程自动报警系统的设计 129

4.2 开关量输出接口技术 133

4.2.1 光电隔离技术 133

4.2.2 继电器输出接口技术 134

4.2.3 固态继电器输出接口技术 134

4.2.4 大功率场效应管开关接口技术 137

4.2.5 可控硅接口技术 138

4.2.6 电磁阀接口技术 139

4.3 电机控制接口技术 140

4.3.1 小功率直流电机调速原理 141

4.3.2 开环脉冲宽度调速系统 142

4.3.3 PWM调速系统设计 143

4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 147

4.3.5 交流电机控制接口技术 150

4.4 步进电机控制接口技术 151

4.4.1 步进电机的工作原理 152

4.4.2 步进电机控制系统的原理 152

4.4.3 步进电机与微型机的接口及程序设计 155

4.4.4 步进电机步数及速度的确定方法 159

4.4.5 步进电机的变速控制 160

习题四 161

第5章 IC卡技术 166

5.1 IC卡 166

5.1.1 IC卡分类 167

5.1.2 接触式IC卡的物理特性 168

5.2 IC卡系统硬件结构 169

5.2.1 IC卡读写器 169

5.2.2 IC卡的供电电路 170

5.3 IC卡接口软件设计 171

5.3.1 IC卡的操作系统 171

5.3.2 IC卡的应用软件 172

5.4 射频识别（RFID）技术 173

5.4.1 非接触式IC卡的结构与原理 175

5.4.2 RFID技术的分类 177

5.4.3 RFID技术标准 178

5.4.4 125 kHz RFID技术 179

5.4.5 13.56 MHz RFID技术 191

习题五 199

第6章 总线接口技术 201

6.1 串行通信基本概念 201

6.1.1 数据传送方式 201

6.1.2 异步通信和同步通信 202

6.2 串行通信标准总线 204

6.2.1 RS-232-C 204

6.2.2 RS-485 208

6.2.3 多机通信 211

6.3 SPI总线 214

6.3.1 SPI的内部结构 215

6.3.2 SPI的工作原理 217

6.3.3 多机SPI系统 218

6.3.4 串行时钟的极性和相位 219

6.3.5 SPI中断 220

6.3.6 直接采用SPI总线接口芯片的应用 220

6.3.7 SPI总线模拟程序设计 220

6.4 I2C总线 222

6.4.1 I2C总线概述 222

6.4.2 I2C总线的数据传送 223

6.4.3 寻址 226

6.4.4 仲裁和时钟同步化 229

6.4.5 I2C总线的电气特性 230

6.4.6 I2C时序规范 232

6.4.7 直接采用I2C总线接口芯片的应用 232

6.4.8 I2C总线模拟实用程序 234

6.5 现场总线技术 238

6.5.1 现场总线技术的发展概况 238

6.5.2 现场总线控制系统的特点 239

6.5.3 5种典型的现场总线 240

6.5.4 现场总线的应用 242

习题六 243

第7章 过程控制数据处理的方法 245

7.1 数字滤波技术 246

7.1.1 程序判断滤波 246

7.1.2 算术平均值滤波 248

7.1.3 加权平均值滤波 250

7.1.4 滑动平均值滤波 251

7.1.5 RC低通数字滤波 251

7.1.6 复合数字滤波 252

7.1.7 各种数字滤波性能的比较 253

7.2 量程自动转换和标度变换 253

7.2.1 量程自动转换 254

7.2.2 线性参数标度变换 258

7.2.3 非线性参数标度变换 259

7.3 测量数据预处理技术 260

7.3.1 线性插值算法 261

7.3.2 分段插值算法程序的设计方法 261

7.3.3 插值法在流量测量中的应用 262

7.3.4 系统误差的自动校正 266

7.4 DSP在数据处理中的应用 267

7.4.1 DSP简介 267

7.4.2 DSPS芯片 268

7.4.3 DSP在数据处理中的应用 270

习题七 271

第8章 数字PID及其算法 274

8.1 PID调节算法 275

8.1.1 比例（P）调节器 276

8.1.2 比例-积分调节器（PI） 276

8.1.3 比例-微分调节器 277

8.1.4 比例-积分-微分作用调节器（PID） 278

8.2 PID算法的数字实现 278

8.2.1 PID算法的数字化 278

8.2.2 PID算法的程序设计 280

8.3 数字PID调节中的几个实际问题 282

8.3.1 正、反作用问题 282

8.3.2 饱和作用的抑制 282

8.3.3 手动/自动跟踪及手动后援问题 285

8.4 PID算法的发展 286

8.4.1 不完全微分的PID算式 286

8.4.2 积分分离的PID算式 288

8.4.3 变速积分的PID算式 289

8.4.4 带死区的PID算式 290

8.4.5 PID比率控制 290

8.5 PID参数的整定方法 292

8.5.1 采样周期T的确定 293

8.5.2 归一参数整定法 293

8.5.3 优选法 294

习题八 294

第9章 模糊控制技术 297

9.1 模糊控制概述 297

9.1.1 模糊控制的发展概况 297

9.1.2 模糊控制的特点 298

9.1.3 模糊控制的应用 298

9.1.4 模糊控制的发展 299

9.2 模糊控制算法的设计 300

9.2.1 常见的模糊控制规则 300

9.2.2 反映控制规则的模糊关系 302

9.3 基本模糊控制器 302

9.3.1 查询表的建立 302

9.3.2 基本模糊控制器实例 303

9.4 模糊数模型的建立 307

9.4.1 模糊控制器语言变量值的选取 307

9.4.2 双输入单输出模糊控制器的模糊控制规则 307

9.4.3 建立模糊数模型 308

9.5 模糊-PID复合控制器 311

9.5.1 比例-模糊-PI控制器 311

9.5.2 参数模糊自整定PID控制器 312

习题九 315

第10章 微型机控制系统的设计 316

10.1 微型机控制系统的设计方法及步骤 316

10.1.1 控制系统总体方案的确定 317

10.1.2 微型计算机及接口的选择 319

10.1.3 控制算法的选择 320

10.1.4 控制系统的硬件设计 321

10.1.5 控制系统软件设计 324

10.1.6 Proteus仿真软件简介 325

10.2 微型计算机控制的自动装箱系统 328

10.2.1 自动装箱控制系统的原理 328

10.2.2 控制系统硬件设计 329

10.2.3 控制系统软件设计 331

10.3 智能型FR1151压力变送器 337

10.3.1 FR1151压力变送器的组成原理 337

10.3.2 FR1151系统的硬件设计 338

10.3.3 FR1151系统的软硬件设计 343

10.4 加热炉温度控制系统 346

10.4.1 温度控制系统的组成 347

10.4.2 温度控制系统的硬件设计 347

10.4.3 数字控制器的数学模型 350

10.4.4 温度控制系统软件设计 351

10.4.5 手动后援问题 357

习题十 358

第11章 微型机控制系统抗干扰技术 359

11.1 电源、地线、传输干扰及其对策 359

11.1.1 电源干扰及其对策 360

11.1.2 地线干扰及其对策 363

11.1.3 传输线的干扰及其对策 365

11.2 微型机控制系统硬件抗干扰措施 367

11.2.1 模拟量输入通道的干扰及其对策 367

11.2.2 ?P监控电路 369

11.3 微型机控制系统软件抗干扰措施 373

11.3.1 提高数据采集可靠性的方法 374

11.3.2 输入/输出软件抗干扰措施 374

11.3.3 防止“死机”的对策 375

习题十一 378

附录A 微型计算机控制技术课程设计任务书 379

附录B 选择题参考答案 385

附录C 微型计算机控制技术光盘资料索引 386

参考文献 388