第一章汽车单片机原理

刘鸿健主编化学工业出版社第一节自动控制概述第二节微型计算机基础第三节单片机的组成第四节单片机指令系统第五节单片机中断、定时器/计数器、串行通信第六节汽车单片机程序设计原理学习要求熟悉自动控制系统的概念、组成和工作原理，掌握开环控制和闭环控制的特点，了解常用自动控制系统的分类和计算机控制系统的组成。熟悉微型计算机和单片机的概念，了解MCS-51单片机的组成和引脚，熟悉指令系统，熟悉单片机的中断、定时器/计数器和串行通信。掌握单片机程序设计基本方法，熟悉汽车单片机有关程序的设计原理。第一节自动控制概述一、自动控制的基本概念1.自动控制系统有两种最基本的形式，即开环控制和闭环控制。复合控制是将开环控制和闭环控制适当结合的控制方式，可用来实现复杂且控制精度较高的控制任务。（1）开环控制开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。即被控量（系统输出）不影响系统控制的控制方式称为开环控制。所以，在开环控制中，不对被控量进行任何检测，在输出端和输入端之间不存在反馈联系。开环控制系统一般由控制器、执行元件和控制对象组成，如图1-1所示。下面以汽油发动机喷油自动控制为例说明。图1-1开环控制系统方框图（2）闭环控制若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的控制称为闭环控制系统，又称为反馈控制。闭环控制的方框图如图1-2所示。闭环控制的特点是在控制器和被控对象之间，不仅存在着正向作用，而且还存在着反馈作用，即系统的输出信号对被控制量有直接影响。在闭环控制中，被控量时刻被检测，并通过反馈通道送回到比较元件，与给定值进行比较。闭环控制从原理上提供了实现高精度控制的可能性。图1-2闭环控制系统方框图2.自动控制的分类由于控制技术的广泛应用以及控制理论自身的发展，使得控制系统具有各种各样的形式，从不同的角度出发，分类的方式也不相同。以下简介常见的几种分类。(1)按输入信号特征分类①定值控制系统:给定信号（给定值）为一常值的控制系统称为定值控制系统。这类控制系统的任务是保证在扰动作用下使被控变量始终保持在给定值上。汽车发动机的缸温控制是定值即定温控制，一般缸温设定在80OC，当缸温超过设定温时，发动机ECU或温控器将起动冷却液循环和风扇散热。②随动控制系统:给定信号是一个未知变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。这类控制系统的任务是保证在各种条件下系统的输出（被控变量）以一定精度跟随给定信号的变化而变化，所以这类控制系统又称为跟踪控制系统。发动机点火提前角的控制是典型的高精度、随动控制。它的给定信号是随机信号，就是发动机的转速信号，发动机转速随喷油量和负荷量等因素的变化而变化；发动机转速越高，点火提前角就越大；这是一个闭环控制，检测反馈元件是发动机曲轴转速传感器。③程序控制系统:给定信号是一个按一定时间程序变化的时间函数的闭环控制系统称为程序控制系统。汽车喷漆烤漆房的温度控制是程序,其升温、保温、降温过程都是按照预先设定的规律进行控制的。（2）按变量分类①单变量控制系统:如果只有一个被控变量和一个控制作用来控制被控对象，则称该系统为单变量控制系统,又称为单输入—单输出系统。②多变量控制系统:如果一个控制系统中的被控变量多于一个，控制作用也多于一个，而且各控制回路相互之间有耦合关系，则称这类控制系统为多变量控制系统，也称为多输入—多输出控制系统。汽车发动机电控系统就是一个多变量控制系统，它有多个输入信号，如发动机转速信号、空气流量信号、缸温信号等；它要输出多个变量，如喷油量、点火提前角等去控制发动机。（3）按控制装置分类①常规控制器：一般多指采用模拟电路来实现的控制器。简单的控制常采用这种控制器，线路简单，成本低。②计算机控制器：复杂的、多变量的、随动的自动控制系统多采用以计算机为核心的控制器。现代汽车中各电控单元都是采用以单片机为核心的控制器。3.对控制系统的基本要求(1)稳定性：稳定性是指系统被控量偏离给定值而振荡时，系统抑制振荡的能力。对于稳定的系统，随着时间的增长，被控量将趋近于希望值。图1-3（a）所示的系统是稳定的，图1-3（b）所示的系统是不稳定的，可见稳定性是保证系统正常工作的先决条件。图1-3自动控制系统稳定性示意图(a)稳定系统(b)不稳定系统(2)快速性：快速性是指被控量趋近希望值的快慢程度。快速性好的系统，它的过渡过程时间就短。图1-4所示的系统②，其快速性要比系统①好。稳定性和快速性是反映系统动态过程好坏的尺度。图1-4自动控制系统快速性示意图(3)准确性：准确性是指过渡过程结束后被控量与希望值接近的程度。工程上常常从稳、快、准三个方面来评价自动控制系统的总体性能。二、计算机控制技术1.计算机控制技术概念如果把自动控制系统的控制器用计算机来代替，这样就可以构成计算机控制系统。如果计算机是微型计算机，就组成微型计算机控制系统，其基本框图如图1-5所示。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。在计算机控制系统中，由于计算机的输入和输出信号都是数字信号，而大部分被控对象的被控参数和控制量都是模拟信号，因此在这样的控制系统中，需要有将模拟信号转换为数字信号的A／D转换器，以及将数字信号转换为模拟信号的D／A转换器。计算机控制系统的控制过程通常可归结为以下三个步骤：(1)数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测、采集，并将数据传送给计算机。(2)实时决策：对采集的数据按程序进行分析，与内存数据比较，决定下一步控制过程。(3)实时控制：并按已定的控制规律，适时地对执行单元发出控制信号。上述过程不断重复，使整个系统能够按照一定的性能指标进行工作，并且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时监督并做出迅速处理。应用微型计算机控制是一个实时控制系统，它包括硬件和软件两部分。发动机的运行过程是连续进行的，图1-5微型计算机控制系统基本框图2.计算机控制的特点计算机控制系统有两个类别，一类是通用计算机控制系统，适用于高速、大量的数值计算，系统配置多，体积大。另一类是以单片机为主的嵌入式计算机控制系统，它具有微型、嵌入和专用的特点。它以很小的“微型”体积“嵌入”控制对象的载体中，其配置的硬件和软件以适用控制对象为度，系统是“专用”的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、家用电器、汽车、船舶、航空、航天、军事装备等方面均采用有嵌入式计算机控制技术。现代汽车控制系统均采用单片机控制系统。单片机控制系统具有以下特点：(1)适合多变量控制。汽车发动机电控系统是一多变量控制系统。(2)适合数据比较、查找控制。发动机点火提前角度的确定是根据发动机转速和负荷等工况信息，查找内存中的数据确定的。(3)适合计数控制。发动机点火提前角度的控制执行是靠计数控制实现的。(4)适合实时随动控制。汽车的加速控制是实时随动控制，只有脚踏加速踏板，发动机的转速随即提高，这是实时控制喷油量实现的。(5)改变控制模式容易。通过修改软件或内存数据，可以比较容易改变控制模式。(6)适合网络化控制。现代轿车有发动机电控单元、防抱死制动电控单元、动力转向电控单元、主动悬架电控单元、防碰撞电控单元、导航电控单元等几十种电控单元，可以联网控制。第二节微型计算机基础一、计算机的发展概况人类在对客观世界的“数量”认识上，从记数、计数到计算，经历了漫长的历史阶段，即从手工计算阶段、机械计算阶段，一直发展到现今的电子计算机计算阶段。电子计算机的发展常以电子器件为标志划分为四个阶段。第一代计算机（1945年-1958年），以电子管作为逻辑元件。主要用于科学和工程计算；运算速度每秒几千次至几万次。第二代计算机（1958年-1964年），以晶体管作为逻辑元件，用磁芯做主存储器。体积缩小、功耗降低，提高了速度和可靠性；每秒运算可达几十万次。第三代计算机（1964年-1971年），以集成电路作为基础器件。体积、功耗、价格等进一步降低；用半导体存储代替了磁芯存储器；运算速度每秒可达几十万次到几百万次；在软件方面，操作系统日臻完善。计算机设计思想已逐步走向标准化、模块化和系列化，应用范围更加广泛。第四代计算机（1971年至今），采用大规模集成电路和超大规模集成电路。用集成度更高的半导体芯片做主存储器；运算速度可达每秒百万次至亿次。计算机网络的研究进展迅速；系统软件的发展不仅实现了计算机运行的自动化，而且正在向智能化方向迈进；各种应用软件层出不穷，极大地方便了用户。现代计算机正在向以下四个方面发展。（1）巨型化：随着科学技术发展的需要，许多部门要求计算机有更高的速度、更大的存储容量，从而使计算机向巨型化发展。（2）微型化：计算机体积更小、重量更轻、价格更低、更便于应用于各个领域，尤其是适用仪器仪表、家用电器、通信工具的数字化和智能化，工业控制的自动化等。（3）网络化：计算机网络是计算机技术和通信技术互相渗透、不断发展的产物。计算机连网可以实现计算机之间通信和资源共享。对于社会，加速社会信息化的进程。对工业机器群或生产线可实现计算机联网控制。（4）多媒体化：现代计算机可以集文字、声音、图形、图像和视频处理为一体，使人们面对有声有色、图文并茂的信息交流环境。二、微型计算机和单片机电子计算机高速发展到今天，通常可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。它们在系统结构和基本工作原理方面并无本质的区别，只是在体积、性能和应用领域方面有所不同。微型计算机简称微机，是计算机的一个重要分类。微型计算机不但具有其它计算机快速、精确、程序控制等特点，最突出的是它还具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜等优点。个人计算机简称PC（PersonalComputer）机，是微型计算机中应用最为广泛的一种，目前，它已经像普通家用电器一样深入到了家庭和社会生活的各个方面。图1-6是关于微型计算机系统组成的示意图。图1-6微型计算机系统组成1.微处理器微处理器就是传统计算机的CPU，是集成在同一块芯片上的具有运算和逻辑控制功能的中央处理器，它是构成微型计算机系统的核心部件。2.微型计算机以微处理器为核心，再配上存储器、输入和输出接口电路（简称I/O接口）和中断系统等构成的整体，称为微型计算机。它们可集中装在同一块或数块印刷电路板上，一般不包括外围设备和软件。3.微型计算机系统这是指以微型计算机为核心，配上输入设备和输出设备、电源和软件等，构成能独立工作的完整计算机系统。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称。人们通过它对整机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。4.单片微型计算机单片微型计算机简称单片机。单片机是将微处理器、存储器、I/O接口和中断系统集成在同一块芯片上，具有完整功能的微型计算机，这块芯片就是其硬件。在实际应用中，通常很难将单片机直接和被控对象进行电气连接，必须外加输入电路、输出电路和操作开关等，才能构成一个单片机应用系统。三、计算机中的数制和码制为了了解单片机的基本工作原理，首先简介计算机中的数制和码制。对计算机中的数据、地址和指令等的描述，常用到二进制数和十六进制数。(1)二进制数在计算机内部的基本工作电路是组合逻辑电路和时序逻辑电路，是按高低电平和二进制规律工作。计算机处理和存储的信息都是二进制信息，并以8位二进制数为一个单位，称为一个字节（Byte，简写B）。对于一个较大的信息，可以用若干个字节组成。以二进制数表示的数据或指令，是计算机可以直接使用的，故称为机器数，也称机器码。(2)十六进制数在对计算机输入数据、指令码时，如采用二进制数，则因位数太多，使用比较麻烦。在单片机上常用十六进制数表示二进制数。十六进制数是微型计算机软件编程时常采用的一种数制，其主要特点是：十六进制数由16个数符构成：0、1、2、…、9、A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D、E、F分别代表十进制数的10、