通过前面几章的学习，我们已经掌握了MCS-51系列单片机的系统结构、指令系统，单片机的存储器及I/O接口的扩展方法，模拟量输入输出通道的设计，常用控制程序的设计方法，以及数字控制器的设计方法等，它们是设计单片机系统的硬件及软件的基础。
单片机具有体积小、价格便宜和控制功能强等优点，可以广泛应用于智能仪器仪表、工业控制、数据采集、现代通信和家用电器等领域。单片机使用在智能仪器仪表方面可使仪器仪表数字化、智能化、精密化，如计算机中频电疗仪、手持式激光测距瞄准计算器等；单片机用在过程控制、实时控制方面可使控制系统工作在最佳状态，提高系统自动化程度、产品质量和数量，如单片机温控仪、人工心脏控制系统等。
单片机应用（或控制）系统的研制可以分为硬件和软件两大部分。硬件设计以芯片和元器件为基础，目的是要研制一台完整的单片机控制系统；软件设计是基于硬件基础上的汇编语言程序设计。因此，单片机应用系统的研制可从以下几方面加以考虑。
在设计一台实际的单片机控制系统时，设计者首先应对系统的任务、控制对象、硬件资源和工作环境做周密的调查研究，必要时还要勘察工业现场，进行系统试验，明确各项指标的要求。例如：对被控对象的调节精度、跟踪速度、可靠性等级、各种待测参数的形式和根据被控对象的动态行为寻找必需的测控点等。在此基础上，设计者还需组织有关专家对系统的技术性能、技术指标和可行性作出论证，并在分析研究基础上对设计目标、系统功能、处理方案、控制速度、输入/输出速度、存储容量、地址分配、I/O接口和出错处理给出符合实际的明确定义，以拟制出完整的设计任务书。
设计任务书拟定以后，设计者还应对控制对象的物理过程和计算任务进行全面分析，并从中抽象出数学表达式，即建立数学模型。数学模型的形式是多样的，可以是一系列数学表达式，可以是数学推理和判断，也可以是运行状态的模拟。
数学模型要能真实描述客观控制过程，要精确而简单。因为，数学模型只有精确才会有实用意义，只有简单才便于设计和维护。实际上，建立数学模型是有一定难度的，这不仅要求设计者具有一定的理论知识和丰富的实践经验，还要对控制对象的内部机理和参数以及它和外部环境的联系等有透彻的了解。迄今为止，复杂数学模型的建立已逐步形成一门专门学科，成为程序设计的强有力基础。
确定单片机控制系统的总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。
总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的投资、调节品质及实施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的工艺要求而确定的。由于被控对象多种多样，要求计算机完成的任务也千差万别，所以确定控制系统的总体方案必须根据工艺的要求，结合具体被控对象而定。尽管如此，在总体设计方案中还是有一定的共性，大体上可从以下几个方面进行考虑。
根据系统的要求，首先确定出是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。如果是闭环控制系统，还要确定出整个系统是采用直接数字控制（DDC），还是采用计算机监督控制（SCC），或者采用分布式控制（DCS）。
在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。测量各种参数的传感器，如温度、流量、压力、液位、成分、位移、重量、速度等，种类繁多，规格各异，因此，要正确地选择测量元件。
执行机构是单片机应用系统的重要组成部件之一。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况决定。常用的执行机构有以下几种。
（1）电动执行机构。
电动执行机构具有响应速度快，与计算机接口容易等优点，因而成为计算机控制系统的主要执行机构。如DKJ或DKZ电动执行器，专门用来把输入的4mA～20mA直流信号转换成相应的转角位移或直线位移，以带动风门、挡板、阀门等动作，从而完成自动调节的任务。
（2）气动薄膜调节阀。
气动调节阀具有结构简单、操作方便、使用可靠、维护容易、防火防爆等优点，目前广泛应用于石油、冶金、电力系统中。此种阀门再配以电—气阀门定位器，如ZPD－01电—气阀门定位器，将4mA～20mA的直流信号转换成0.02MPa～0.1MPa的标准气压信号，以便驱动薄膜调节阀，并利用气动薄膜调节阀阀杆的位移进行反馈，来改善阀门位置的线性度，克服阀杆的各种附加摩擦力和消除被调介质压力变化的影响，从而使阀门位置能按调节信号实现正确定位。
（3）步进电机。
步进电机可以直接接收数字量，而且具有动作速度快、精度高等优点，所以随着计算机控制技术的发展，选用步进电机作执行机构的控制系统逐年增加。如数控机床、X－Y记录仪、高射炮自动跟踪、电气望远镜和大型电子显微镜、旋转变压器和多圈电位器等。
（4）液压伺服机构。
液压执行机构（如油缸和油马达）能将油液的压力转换成机械能，驱动负载直线或回转运动。液压传动的主要优点是：能方便地进行无级调速，且调速范围大；单位重量的输出功率大，结构紧凑、惯性小，且能传送大扭矩和较大的推力；控制和调节简单、方便、省力，易于实现自动控制和过载保护。
计算机控制系统的过程通道通常应根据被控对象参数的多少来确定，并根据系统的规模及要求，配以适当的外围设备，如打印机、CRT显示器、磁盘驱动器、绘图仪等。选择时应考虑以下一些问题。
（1）被控对象参数的数量。
（2）各输入/输出通道是串行操作还是并行操作。
（3）各通道数据的传递速率。
（4）各通道数据的字长及选择位数。
（5）对显示、打印有何要求。
在控制系统方案和其他外围器件确定之后，首要的任务就是选择一台合适的单片机。正如前面所讲的，单片机的种类繁多，选择合适的单片机是单片机应用系统设计的关键。进行单片机系统设计通常有以下两种做法。
（1）选用现成的单片机系统。
根据被控对象的任务，选择适合系统应用的单片机系统（或芯片）是十分重要的。
① 单片机工业控制机。
如果系统的任务比较大，需要的外围设备比较多，如打印机、CRT显示器等，而且设计时间要求比较紧，不妨选用一台现成的由单片机组成的工业控制机，如由8031组成的STD总线工业控制机。该机不仅提供了具有多种装置的主机系统板，而且还配备了各种接口板，如多通道模拟量输入/输出板、开关量输入/输出板、CRT图形显示板、扩展用RS-232C和RS-422总线接口板、EPROM智能编程板等。该系统模块采用双总线结构，对外接口采用标准STD总线。它具有很强的硬件功能和灵活的I/O扩展能力，不但可以构成独立的工业控制机，而且具有较强的开发能力。它与IBM-PC（XT）相连，除可运行监控程序和BASIC程序外，还可以运用组合软件（具有编辑汇编文件、交叉汇编等功能）。
② 单片单板机。
和TP801单板机一样，目前有一些由单片机组成的单板机可供选择。它们大都具有单片机、存储器及I/O接口、LED显示器和小键盘，通常使用汇编语言，再配以各类I/O接口板，即可组成简单的控制系统。这种机器的特点是价格便宜，常用于小系统或顺序控制系统。
由于单片机品种极多，选用整机时应特别注意以下几点。
· 选机时要适当留有余地，既考虑当前应用，又要照顾长远发展。因此，要求系统有较强的扩展能力。
· 主机能满足设计要求，外部设备尽量配备齐全，最好从一个厂家配齐。
· 系统要具有良好的结构，便于使用和维修，尽可能选购具有标准总线的产品。
· 要选择那些技术力量、维修力量强，并能提供良好技术服务的厂家的产品。
· 图纸、资料齐全，备品备件充足。
· 有丰富的系统软件，如汇编、反汇编、交叉汇编、DEBUG操作软件、高级语言、汉字处理等。特别是对系统机要求具有自开发能力，最好能配备一定的应用软件。
· 对单片机来讲，要有比较完整的监控程序。
（2）利用单片机芯片自行设计。
选择合适的单片机芯片，针对被控对象的具体任务，自行开发和设计一个单片机系统，是目前单片机系统设计中经常使用的方法。这种方法具有针对性强、投资少、系统简单、灵活等特点。特别是对于批量生产，更有其独特的优点。
事实上，目前具备了单片机系统开发的工作条件。一是有了各种各样的开发工具；二是市场芯片资源丰富，且价格便宜；三是技术已经成熟，现在有很多关于单片机的图书、资料供设计者参考。利用各种硬件电路，各种系统的系统软件和应用软件可以方便地进行系统设计。
下面提出几条原则供选择时参考。
· 在我国目前的条件下，可选用带Flash的单片机，如89C51、89C2051等。
· 若设计的系统批量比较大，可选用带ROM，如8051，这样可使系统更加简单。
· 如果需要高级语言，则可选用芯片内部固化有高级语言编译（或解释）程序的单片机，如Z8671内固化有BASIC/DEBUG解释程序，8052内固化有BASIC语言，R65Fll（R65F12）内固化有FORTH语言，8044中则固化有实时任务操作系统iRMX-51，因而给用户带来了极大的方便。
· 从用户的特殊要求及性价比等诸因素考虑，注意选用特殊功能单片机。
（3）单片机字长的选择。
不管是选用现成的单片机系统，还是自行开发设计，面临的一个共同问题就是怎样选择单片机的字长，也就是选用几位单片机。原则是根据具体任务进行选择，位数越长，单片机的功能越强，但成本将增高。因此，必须根据系统的实际需要进行选用，否则将会影响系统的功能造价。现将各种字长单片机的用途简述如下。
① 8位机。
8位机是目前工业控制和智能化仪器中应用最多的单片机。它们可在数据处理及过程控制中作为DDC或SCC计算机，用来控制各种参数，如温度、压力、流量、液面、浓度、成分、比重和粘度等；也可作为各个生产过程的单机控制设备，如各种机床、数控机床、轧机、纺织机和运输机械等。目前及今后相当长的一段时间里，8位单片机都将在单片机市场上占有主导地位。
② 16位机。
这是一种高性能单片机，不但可以用于过程控制，而且还可以用于数据处理及管理。目前16位机应用的障碍是费用高、开发技术不如8位机成熟。但随着大规模集成电路技术的不断发展，价格会越来越低。
前面几步完成以后，结合工业流程图，最后要画出一个完整的单片机控制系统原理图，其中包括各种传感器、变送器、外围设备、输入/输出通道及单片机。它是整个系统的总图，要求简单清晰。
需要说明的是：在确定系统总体方案时，对系统的软件、硬件功能要做统一的综合考虑。因为一种功能往往是既能由硬件实现，也可由软件实现。到底采用什么方式比较合适，要根据实时性要求及整个系统的性能价格比，加以综合平衡后确定。一般情况是用硬件完成速度比较快，可节省大量的CPU时间，但系统比较复杂，而且价格比较贵；用软件实现则比较经济，但要占用更多的机时。所以，一般的原则是在机时允许的情况下，尽量采用软件；如果系统控制回路比较多，或者某些软件设计比较困难时，则可考虑用硬件完成。总之，一个控制系统中，哪些部分用硬件实现，哪些部分用软件实现，要根据具体情况反复进行分析、比较后确定。
在确定系统的总方案时，要与搞工艺的部门互相配合，并征求现场操作人员的意见后再进行设计。
当控制系统的总体方案及机型选定之后，采用什么样的控制算法才能使系统达到要求，这是非常关键的问题。
（1）直接数字控制。
当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制，如最少拍随动系统、最少拍无波纹系统以及大林算法等。此外，还有最小二乘法系统辨识最优控制及自适应控制等。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式，它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般多用实验的方法测出系统的飞升特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型。现在经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计，由计算机确定出系统的数学模型，因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立以后，即可选定上述某一种算法，设计数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是根据该差分方程计算出控制量并输出，进而实现控制。
一般来讲，当被控系统的变化比较快，以时间为主要设计目标时，可选用最少拍随动系统或最少拍无波纹系统；如果系统属于纯滞后的一阶或二阶惯性环节，则采用大林算法。
（2）数字化PID控制。
由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型，有些即使可以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID控制。在PID控制算法中，以位置型和增量型两种PID为基础，根据系统的要求，可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。例如，串级PID控制就是人们经常采用的控制方法之一。
所谓串级控制就是第一级数字PID的输出不直接用来控制执行机构，而是作为下一级数字PID的输入值，并与第二级的给定值进行比较，其偏差作为第二级数字PID的控制量。按此方法，也可以实现多级PID嵌套。