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 «Электроэнергетики  
и электрооборудования» А.П. Епифанов;   

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

Рассматриваются структуры микропроцессоров и микроконтроллеров 
неймановской и гарвардской архитектур. Излагаются 
принципы преобразования цифро-аналоговой и аналого-
цифровой 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 магистров 
очной формы обучения по направлению 35.04.06 «Агроин-
женерия», магистерская программа  «Электроэнергетика и автоматизация 
энергетических систем в АПК».  

Рекомендовано к публикации  согласно соответствующему 
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 преобра-
зователи ……………………………………………………
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 систе-
мах 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 пе-
ременного и постоянного напряжения на микроконтролле-
рах ………………………………………………………………….
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 управления 
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 собой 
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 программы 
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 соединительных 
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 столе-
тия. Однако, базовые принципы организации функционирова-
ния вычислительных систем остаются.  

Первым микропроцессором (МП) был 4-х разрядный Intel 

4004, выпущенный фирмой Intel в 1971 г., который предназна-
чался для использования в счетно-решающих машинах. Intel 
4004 – это процессор, который был выполнен в виде большой 
интегральной схемы (БИС) на основе МОП-технологии. Даль-
нейшим развитием явилась разработка 8-разрядного микропро-
цессора второго поколения Intel 8080, изготавливавшегося по n-
канальной МОП-технологи. Он имел повышенное быстродей-
ствие - время основного цикла 2 мкс. К подобному классу отно-
сился 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 при-
знаку выделяются два класса: 
- микропроцессоры общего назначения; 
- специализированные микропроцессоры. 

Среди специализированных микропроцессоров наиболее 

широкое распространение получили микропроцессоры, предна-
значенные для выполнения функций управления различными 
объектами, и цифровые сигнальные процессоры (DSP – Digital 
Signal Processor), которые ориентированы на реализацию про-
цедур, обеспечивающих необходимое преобразование аналого-
вых сигналов. 

Идея размещения на одном кристалле микропроцессора и 

периферийных устройств принадлежит инженерам М. Кочрену 
и Г. Буну (фирма Texas Instruments). Первым микроконтролле-
ром (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 кри-
сталле находились: 1 кбайт памяти программ, 64 байта памяти 
данных, два восьмибитных таймера, генератор часов и 27 линий 

портов ввода-вывода. Микроконтроллеры семейства 8048 ис-
пользовались в клавиатурах первых IBM PC, в игровых кон-
сольных 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 лиди-
рующие позиции. Аналоги 8051 выпускали советские предпри-
ятия 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 микроконтролле-
ров будут рассмотрены в последующих разделах. 

Учебное пособие по дисциплине «Микропроцессорные 

системы автоматического управления» направлено на углуб-
ленное изучение элементной базы микропроцессорных систем 
управления, способов преобразования аналоговой и цифровой 
информации, изучение структуры микропроцессоров и микро-
контроллеров. Большое внимание уделено изучению типовых 
периферийных устройств  микроконтроллеров, способов их на-
стройки и программирования. Рассмотрены способы и особен-
ности управления нагрузкой постоянного и переменного на-
пряжения. В пособии подробно  рассмотрены типовые законы 
автоматических систем управления, особенности их использо-
вания в дискретной (цифровой) форме с целью  реализации на 
микроконтроллерах, а так же вопросы программирования мик-
роконтроллеров. 

Пособие направлено на формирование у обучающихся 

элементов следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВО 
по данному направлению подготовки: способности анализиро-
вать современные проблемы науки и производства в агроинже-
нерии и вести поиск их решения (ОПК-7); готовности к уча-
стию 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  «Электро-
энергетика и автоматизация энергетических систем в АПК» в 
процессе  изучении дисциплины «Микропроцессорные системы 
автоматического управления», а так же  выполнении курсовых 
работ по дисциплине «Автоматизация технологических процес-
сов» 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 счис-
ления, причем использующих позиционный принцип образова-
ния 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, опреде-
ляются ее положением в числе: в первом случае она обозначает 
три единицы (т.е. просто три), а во втором – три сотни (т.е. три-
ста).  

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 ис-
торически, поскольку двоичный сигнал проще представлять на 
аппаратном уровне. В этой системе счисления для представле-
ния 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 пред-
ставления числа – десятичные цифры от 0 до 9 и буквы латин-
ского алфавита – A, B, C, D, E, F. 

Десятичная система счисления используется для кодиро-

вания дискретного сигнала, потребителем которого является так 

называемый конечный пользователь – неспециалист в области 
информатики (любой человек может выступать в роли такого 
потребителя). Используемые знаки для представления числа – 
цифры от 0 до 9. 

В любой позиционной системе счисления число  можно 

представить в виде полинома вида 
N = a n-1 b n-1  + a n-2 b n-2  +…. + + a 0 b 0 ,   a m b m  +   a m-1 b m -1 

 +   a m-i b m –I ,                                                                (1.1) 
где: n – количество разрядов целой части числа,  
m – количество разрядов дробной части числа,  
b – основание системы счисления, 
ai – множитель, принимающий любые целочисленные значения 
от 0 до b-1  и соответствующий цифре i-го порядка числа. 

Двоичная система счисления - число представляется со-

вокупностью цифр 0 и 1, которые называются битами (binary 
digits – двоичные цифры). Основание системы счисления b = 2. 

Шестнадцатеричная система счисления – для записи чи-

сел используют цифры от  0 до 9 и буквы латинского алфавита 
A (10), B (11), C (12), D (13), E (14), F (15). Основание системы 
счисления b = 16. 

Перевод из десятичной системы счисления в двоичную и 

шестнадцатеричную.  

Для перевода чисел из одной системы счисления в дру-

гую используют метод деления (целая часть числа) – умноже-
ния (дробная часть числа) на основание системы счисления. 

Перевод целой части числа: 
а) исходное целое число делится на основание системы 

счисления, в которую переводится (на 2 - при переводе в дво-
ичную систему счисления или на 16 - при переводе в шестна-
дцатеричную); получается частное и остаток; 

б) если полученное частное меньше основания системы 

счисления, в которую выполняется перевод, процесс деления 
прекращается, переходят к шагу в). Иначе над частным выпол-
няют действия, описанные в шаге а); 

в)  все полученные остатки и последнее частное преобра-

зуются в соответствии с таблицей перевода в цифры той систе-
мы счисления, в которую выполняется перевод; 

г) формируется результирующее число; его старший разряд 

(бит) – полученый последний остаток;  каждый последующий 
младший разряд образуется из полученных предыдущих остат-
ков от деления.  

Выполнить перевод числа 1910 в двоичную систему счис-

ления: 

частное остаток

19 : 2 =
9
1
младший бит

9 : 2 =
4
1

4 : 2 =
2
0

2 : 2 =
1
0

1: 2 =
0
1
старший бит

Выполнить перевод числа 17310  в шестнадцатеричную 

систему счисления: 
 

 

частное
остаток

173 : 16 =
10
D (13)-младший бит

10 : 16 =
0
A (10) -старший бит

  
 

 
 
 
 
 
 

 Перевод  дробной части числа из десятичной системы в 

любую другую позиционную систему счисления. 

Таким образом, 1910 = 10011

младший 
бит

старший 
бит

Таким образом, 17310 = AD

младший 
бит

старший 
бит

При переводе правильной десятичной дроби в систему 

счисления с основанием b необходимо сначала саму дробь, а за-
тем дробные части всех последующих произведений последова-
тельно умножать на b, отделяя после каждого умножения целую 
часть произведения. Число в новой системе счисления записы-
вается как последовательность полученных целых частей про-
изведения. Умножение производится до тех поp, пока дробная 
часть произведения не станет равной нулю. Это значит, что 
сделан точный перевод. В противном случае перевод осуществ-
ляется до заданной точности. Достаточно того количества цифр 
в результате, которое поместится в ячейку.  

Пример.  Выполнить перевод числа 0,84710 в двоичную 

систему счисления. Перевод выполнить до четырех значащих 
цифр после запятой. 
 Имеем: 
 
Пример.  Выполнить перевод числа 0,84710 в шестнадцатерич-

ную систему счисления. Перевод выполнить до трех значащих 
цифр. 
 

Для различения систем счисления, в которых представле-

0,847 * 2 = 1,694

0,694 * 2 = 1,388

0,388 * 2 = 0,776

0,776 * 2 = 1,552

0,1101    результирующее число

0,847 * 16 = 13,552

0,552 * 16 = 8,832

0,832 * 16 = 13,312

0, D 0 D  результирующее число