【正文】 用品及家用電器領(lǐng)域 從電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及其它視頻音像設(shè)備到智能卡、電子寵物等，形形色色，無(wú)處不在。 （ 5）通信領(lǐng)域 單片機(jī)普遍具有通信接口，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的智能控制，從手機(jī)、電話機(jī)、小型程控交換機(jī)再到日常生活中的集群移動(dòng)通信、限線對(duì)講機(jī)等。 （ 6）商業(yè)營(yíng)銷(xiāo) 采用單片機(jī)構(gòu)成專(zhuān)用系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在了電子稱(chēng)、收款機(jī)、條形數(shù)碼閱讀器、倉(cāng)儲(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、冷凍保鮮系統(tǒng)等生活當(dāng)中的方方面面，極大的服務(wù)了人民。 （ 7）汽車(chē)電子與航空 航天電子系統(tǒng) 這些電子系統(tǒng)中的集中顯示系統(tǒng)、車(chē)上娛樂(lè)系統(tǒng)、車(chē)載安全裝置、導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、等都是采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。 雖然大多數(shù)普通單片機(jī)都具有熔絲燒斷保護(hù)單片機(jī)內(nèi)代碼的功能，但由于通用低檔的單片機(jī)并非定位于制作安全類(lèi)產(chǎn)品，因此，它們往往沒(méi)有提供有針對(duì)性的防范措施且安全級(jí)別較低。加上單片機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合廣泛，銷(xiāo)售量大，廠商間委托加工與技術(shù)轉(zhuǎn)讓頻繁，大量技術(shù)資料外瀉，使得利用該類(lèi)芯片的設(shè)計(jì)漏洞和廠商的測(cè)試接口，并通過(guò)修改熔絲保護(hù)位等侵入型攻擊或非侵入型攻擊手段來(lái)讀取單片機(jī)的內(nèi)部程序變得比較容易。 MCS51 系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 MCS51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) MCS51是英特爾公司生產(chǎn)的 8位高檔單片機(jī)系列，具有體積小、功能全、面向控制、開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便等特點(diǎn)是測(cè)控領(lǐng)域當(dāng)中較理想的八位微型計(jì)算機(jī)。 MCS51 系列單片機(jī)芯片有許多種，但是它們的基本組成和基本性能是相同的。圖 21 所示是按功能劃分的MCS51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 8 圖 21 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 該圖中可以看出其各個(gè)功能部件是由內(nèi)部總線緊密聯(lián)系在一起的。其基本機(jī)構(gòu)如下所示 : （ 1） 1 個(gè) 8 位中央處理器 單片機(jī) CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 ALU、累加器 ACC、程序狀態(tài)寄存器 PSW、堆棧指針 SP、寄存器 B、程序計(jì)數(shù)器（指令指針）PC、數(shù)據(jù)指針 DPTR、指令寄存器 IR、暫存器（ TMP）等部件構(gòu)成。單片機(jī) CPU 運(yùn)算器內(nèi)部包含一個(gè)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行位數(shù)據(jù)操作的布爾處理機(jī)，增加了面向控制的處理能力，可以進(jìn)行位尋址等功能。 （ 2） 4K 字節(jié) ROM， 128 字節(jié) RAM 片內(nèi) 4K 字節(jié) ROM 存儲(chǔ)器為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序和表格。片內(nèi) 128 字節(jié) RAM 為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用 于存儲(chǔ)單片機(jī)運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。 （ 3） 21 個(gè)特殊功能寄存器 特殊功能寄存器反映了單片機(jī)的工作狀態(tài)，它和單片機(jī) CPU 芯片的引腳和內(nèi)部功能的控制有關(guān)，實(shí)際上是狀態(tài)字和控制字寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的片內(nèi) RAN區(qū)。用于 CPU對(duì)片內(nèi)各功能部件進(jìn)行管理、控制和監(jiān)視等。 （ 4） 4 個(gè) 8 位并行輸入輸出接口 I/O 口 4 個(gè) 8 位并行輸入輸出接口 P0 口、 P1口、 P2口和 P3 口（共 32 根線），用于并行輸入和輸出數(shù)據(jù)。 （ 5） 1個(gè)全雙工串行 I/O 接口 全雙工串行口具有 4種 工作方式，用于單片機(jī)和 9 其他微機(jī)之間的串行通信，可構(gòu)成對(duì)及系統(tǒng)。 （ 6）兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0 和 T1，有 4種工作方式，用于精確定時(shí)（或延時(shí)）控制及其對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。 （ 7）中斷系統(tǒng) 有 5個(gè)中斷系統(tǒng)， 2 個(gè)可編程優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)，用于外部中斷申請(qǐng)，串行口中斷申請(qǐng)和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器中斷申請(qǐng)。 （ 8）片外可尋址 64K 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間 片外最多可擴(kuò)展 64K 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。 （ 9）單一的 +5V 電源 片內(nèi)振蕩器和定時(shí)電路，最高主時(shí)鐘頻率為 12MHz。 由以上可以看出，單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類(lèi)齊全的特點(diǎn)，其基本組成和一般微型計(jì)算機(jī)是相同的，它只不過(guò)是把計(jì)算機(jī)的基本功能部件集成到了一塊芯片上，具有完成特定功能的微型計(jì)算機(jī)。 MCS51 單片機(jī)的工作方式 MCS51 系列單片機(jī)的工作方式有：復(fù)位方式，程序執(zhí)行方式，節(jié)電工作方式，低功耗方式以及 EPROM 編程和校驗(yàn)方式。單片機(jī)不同的工作方式，代表單片機(jī)處于不同的狀態(tài)。單片機(jī)工作方式的多少是衡量單片機(jī)性能的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。 （ 1）復(fù)位方式：復(fù)位是單片機(jī)進(jìn)入狀態(tài)的初始化操作，是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。另外，當(dāng)程序運(yùn)行錯(cuò)誤或由于錯(cuò)誤操作而使單片機(jī)進(jìn)入死鎖狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)復(fù)位進(jìn)行重新啟動(dòng)。復(fù)位后，單片機(jī)內(nèi)部寄存器的值被初始化。 MCS51 系列單片機(jī)的 RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的引入端，復(fù)位信號(hào)高電平有效，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，只是在 RST端持續(xù)給出兩個(gè)機(jī)器周期（ 24 個(gè)振蕩周期）以上的高電平就可以完成復(fù)位操作。 MCS51 系列單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，復(fù)位方式有：上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)選 擇適當(dāng)?shù)碾娙莺碗娮瑁湍軌蚴?RST 引腳上的高電平保持兩個(gè)振蕩周期以上，以實(shí)現(xiàn)上電的同時(shí)完成單片機(jī)的復(fù)位；按鍵手動(dòng)復(fù)位分為按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位兩種方式。 （ 2）程序執(zhí)行方式：程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式，也就是執(zhí)行用戶編好放在程序存儲(chǔ)器中的程序。程序執(zhí)行方式有兩種：連續(xù)執(zhí)行和單步執(zhí)行。連續(xù)執(zhí)行方式是所有單片機(jī)都需要的一種基本工作方式，用戶編寫(xiě)好的被執(zhí)行程序放在片內(nèi)或片外ROM 中；單步運(yùn)行方式是用戶調(diào)試程序的一種工作方式，在單片機(jī)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上有一個(gè) 10 專(zhuān)用的單步執(zhí)行按鍵，每按下一次，單片機(jī)就順序執(zhí)行一條 指令（僅僅執(zhí)行一條），單片機(jī)的單步運(yùn)行方式通常只在用戶調(diào)試程序時(shí)使用，用于觀察每條指令的執(zhí)行情況。 （ 3）節(jié)電工作方式： MCS51 系列單片機(jī)中有 HMOS（高密度溝道金屬氧化物半導(dǎo)體）和 CHMOS（互補(bǔ)高密度溝道金屬氧化物半導(dǎo)體）兩種工藝芯片。 HMOS 單片機(jī)的節(jié)電工作方式只有掉電工作方式； CHMOS 單片機(jī)的節(jié)電工作方式有掉電工作方式和空閑工作方式兩種。 單片機(jī)的節(jié)電工作方式是由其內(nèi)部的電源控制寄存器 PCON 中的相關(guān)位來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，該特殊功能寄存器的地址為 87H， MCS51系列單片機(jī)的節(jié)電工作方式有空閑工作 方式和掉電工作方式兩種情況，其中在掉電工作方式中，單片機(jī)的內(nèi)部振蕩器停止工作， PCON 的各位定義如表 21所示。 表 21 PCON 寄存器的位定義 位序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位符號(hào) SMOD —— —— —— —— GF1 GF0 IDL SMOD：串行口波特率倍率控制位，用于串行口通信； GF GF0：通用標(biāo)志位； PD：掉電方式控制位， PD=1 進(jìn)入掉電工作方式； IDL：空閑方式控制位， IDL=1 進(jìn)入空閑工作方式。 其中退出空閑方式的方法有兩種，一種是中斷推出，另一 種是按鍵復(fù)位退出；退出掉電方式的唯一方法是由硬件復(fù)位，復(fù)位時(shí)將所有的特殊功能寄存器的內(nèi)容初始化，但不改變內(nèi)部 PAM 區(qū)的數(shù)據(jù)。 （ 4） EPROM 編程和校驗(yàn)方式：編程是指利用特殊手段對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的 EPROM 進(jìn)行寫(xiě)入的過(guò)程，校驗(yàn)則是對(duì)剛剛寫(xiě)入的程序代碼讀出校驗(yàn)的過(guò)程。 內(nèi)部 EPROM 編程：編程的主要操作是將原始程序、數(shù)據(jù)寫(xiě)入到內(nèi)部 EPROM 中，為了對(duì)片內(nèi) EPROM 編程， MCS51系列單片機(jī)的時(shí)鐘頻率應(yīng)在 4～ 6MHz 的范圍內(nèi)，要用專(zhuān)門(mén)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，編程時(shí)各引腳的用法如下所示： P1口和 P2 口的 ～ 為 EPROM 的 4K 地址輸入， P1 口為低 8位地址； P0口為編程數(shù)據(jù)輸入； ～ 以及 PSEN 應(yīng)為低電平， 和 RST 為高電平； 11 以上除 RST 的邏輯電平為 外，其余均為 TTL 電平。應(yīng)當(dāng)注意的是 EA/ ppV 上編程電壓不能大于 ，因此要求該電壓非常穩(wěn)定。 EPROM 校驗(yàn)程序：校驗(yàn)的主要操作是在向片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 EPROM 寫(xiě)入信息時(shí)或?qū)懭胄畔⒑螅蓪⑵瑑?nèi) EPROM 的內(nèi)容讀出校驗(yàn)，以保證寫(xiě)入信息 的正確性。 12 第三章 直流電機(jī) 直流電機(jī)的介紹 定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱(chēng)為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的 電機(jī) 。直流電機(jī)是電機(jī)的主要類(lèi)型之一。直流電動(dòng)機(jī)以其良好的啟動(dòng)性和調(diào)速性能著稱(chēng)，直流發(fā)電機(jī)供電質(zhì)量較好，常常作為勵(lì)磁電源。與交流電機(jī)相比直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，可靠性較差，使它的 應(yīng)用受到限制。近年來(lái)，與電力電子裝置結(jié)合而具有直流電機(jī)性能的電機(jī)不斷涌現(xiàn)，使直流電機(jī)有被取代的趨勢(shì)。盡管如此，直流電機(jī)仍有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由 定子和轉(zhuǎn)子 兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱(chēng)為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和 電刷 裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱(chēng)為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、 電樞繞組 、 換向器 和風(fēng)扇等組成。 直流電機(jī)的數(shù) 學(xué)模型 直流電動(dòng)機(jī)的等效電路如下圖所示。 U aR aL aQT e T lE aNS負(fù) 載 圖 31直流電動(dòng)機(jī)等效圖 電路的電壓平衡方程和力矩平衡方程為 : EILIRUaaaaaa dtd ??? (公式 31) ????? KTTDledtdJ (公式 32) 式中 Ua 電源電壓 。 Ia電樞電流 。 13 Ra電樞電阻 (包括電刷、換 向器以及兩者之間的電阻 )。 La電樞電感 。 Ea電樞反電動(dòng)勢(shì) 。 J轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。 Ω 轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 。 Te電磁轉(zhuǎn)距 。 Tl負(fù)載轉(zhuǎn)距 。 KD轉(zhuǎn)動(dòng)部分的阻尼系數(shù) . 永磁直流電動(dòng)機(jī)的電樞反電動(dòng)勢(shì)可表示為 : Ea=Ke*Ω (公式 33) 式中 Ke反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) . 電磁轉(zhuǎn)矩為 : Te=KT *Ia (公式 34) 式中 KT磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 動(dòng)態(tài)工作特性是指實(shí)際的動(dòng)作與相應(yīng)的動(dòng)作命令之間的響應(yīng)關(guān)系。將式 (31)、式(32)、式 (33)和式 (34)作拉氏變換，得到如下函數(shù) : Ua(s )=RaIa(s)+ LaSIa(s)+ Ea(s) (公式 35) JSΩ (s)=Te(s)一 Tl(s)一 KDSΩ (s) (公式 36) Ea(s)= KeΩ (s) (公式 37) Te(s)=KTIa(s) (公式 38) 上面的式子可以用下面的方框圖表示。 K TK aE a ( S )I a ( S )T e ( S )T l ( S )++1L a S + R a1J S + K D圖 32直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 14 第四章 仿真軟件 PROTEUS 簡(jiǎn)介 Proteus 軟件是由英國(guó) Lab Center Electronics 公司開(kāi)發(fā)的 EDA 工具軟件。Proteus 軟件已有近 20 年的歷史，在全球已得到廣泛使用。 Proteus 軟件集成了高級(jí)原理布圖、混合模式 SPICE 電路仿真、 PCB 設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。如圖 41 所示， Proteus 是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺(tái)： ISIS 為功能強(qiáng)大的原理布線工具； ARES PCB 設(shè)計(jì)為一個(gè)完整的 PCB 設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 圖 41 Proteus 分解圖 KEIL 簡(jiǎn)介 Keil C51是 美國(guó) Keil Software 公司出品的 51系列兼容 單片機(jī) C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。 Keil 提供了包括 C編譯器 、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè) 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 （ uVision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行 Keil 軟件需要 WIN9 NT、 WIN20 WINXP、 WIN7等操作系統(tǒng)。 Keil C51軟件提供豐富的 庫(kù)函數(shù) 和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下 編譯 后生成的匯編代碼， 就能體會(huì)到 Keil 的優(yōu)勢(shì)。 C51工具包的整體結(jié)構(gòu)， uVision 與 Ishell 分別是 C51 for W