【正文】 4 2 單片機(jī)及 相關(guān)物理量介紹 單片機(jī) 系統(tǒng) 簡(jiǎn)介 單片機(jī)是自 20 世紀(jì) 70 年代問世以來，以其極高的性能價(jià)格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。單片機(jī)體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，在我國，單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等各個(gè)方面。 單片機(jī)的歷史及發(fā)展概況 單片機(jī) 的 發(fā)展歷史可分為四個(gè)階段： 第一階段（ 1974 年 —— 1976 年）：?jiǎn)纹瑱C(jī)初級(jí)階段。因工藝限制，單片機(jī)采用雙片的形式而且功能比較簡(jiǎn)單。例如，仙童公司生產(chǎn)的 F8 單片機(jī)，實(shí)際上只包括了 8 位CPU、 64B RAM 和 2 個(gè)并行口。因此，還需加 1 快 3851（由 1KB ROM、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器和 2 個(gè)并行 I/O 構(gòu)成）才能組成 1 臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)。 第二階段（ 1976 年 —— 1978 年）低性能單片機(jī)階段。以 Intel 公司制造的 MCS48單片機(jī)為代表，這種單片機(jī)片內(nèi)集成有 8 位 CPU、并行 I/O 口、 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 RAM和 ROM 等，但是不足之處是無串行口，中斷處理比較簡(jiǎn)單，片內(nèi) RAM 和 ROM 容量較小且尋址范圍不大于 4KB。 第三階段（ 1978 年 —— 現(xiàn)在）高性能單片機(jī)階段。之歌階段推出的單片機(jī)普遍都有串行 I/O 口，多級(jí)中斷系統(tǒng)， 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，片內(nèi) ROM、 RAM 容量加大，且尋址范圍可達(dá) 64KB，有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉(zhuǎn)換器。這類單片機(jī)的典型代表是： Intel 公司的 MCS5 Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等。由于這類單片機(jī)的性能價(jià)格比較高，所以仍被廣泛應(yīng)用，是目前應(yīng)用數(shù)量較多的單片機(jī)。 第四階段（ 1982 年 —— 現(xiàn)在） 8 位單片機(jī)鞏固發(fā)展及 16 位單片機(jī)、 32 位單片機(jī)推出階段。此階段的主要特征是一方面發(fā)展 16 位單片機(jī)、 32 位單片機(jī)及專用型單片機(jī)；另一方面不斷完善高檔 8 位單片機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同的用戶需要。 16 位單片機(jī)的典型產(chǎn)品如 Intel 公司的 MCS96 系列單片機(jī)，其集成度已達(dá) 120210 管子 /片，主振為12MHz,片內(nèi) RAM 為 232B， ROM 為 8KB，中斷處理為 8 級(jí)，而且片內(nèi)帶有多通道 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器和高速輸入 /輸出部件（ HIS/HSO），實(shí)時(shí)處理功能的能力很強(qiáng)。而 32 位單片機(jī)除了具有更高的集成度 外，其主振已達(dá) 20MHz,使 32 位單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度比16 位單片機(jī)提高許多，性能比 8 位、 16 位單片機(jī)更加優(yōu)越。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 5 單片機(jī)的分類 單片機(jī)按照其用途可分為通用型和專用型兩大類。 通用型單片機(jī)具有比較豐富的內(nèi)部資源，性能全面且實(shí)用性強(qiáng)，可滿足多種應(yīng)用需求。通用型單片機(jī)是把可開發(fā)的內(nèi)部資源，如 RAM、 ROM、 I/O 等功能部件等全部提供給用戶。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，充分利用單片機(jī)的內(nèi)部資源，設(shè)計(jì)一個(gè)以通用單片機(jī)芯片為核心，再配以外部接口電路及其他外圍設(shè)備，來滿足各種不同需要的測(cè)控系統(tǒng)。通常所說的單片機(jī) 是指通用型單片機(jī)。 然而，有許多應(yīng)用是使用專門針對(duì)某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機(jī)。例如，打印機(jī)、家用電器以及各種通信設(shè)備中的專用單片機(jī)等。這種應(yīng)用的最大特點(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)且數(shù)量巨大。為此，單片機(jī)芯片制造商常與產(chǎn)品廠家合作，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)專用的單片機(jī)芯片。在設(shè)計(jì)中，已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的最簡(jiǎn)化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的考慮，所以專用單片機(jī)具有十分明顯的綜合優(yōu)勢(shì)，也是今后單片機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。但是，無論專用單片機(jī)在用途上有多么 “ 專 ” ，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理都是以通用單片機(jī)為基礎(chǔ)的。 單片機(jī)根據(jù)其基本操作處理 的位數(shù)可分為： 1 位單片機(jī)、 4 位單片機(jī)、 8 位單片機(jī)、16 位單片機(jī)和 32 位單片機(jī)。 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將是向大容量、高性能化，外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。位滿足不同的用戶要求，各公司競(jìng)相推出能滿足不同需要的產(chǎn)品。 的改進(jìn) （ 1）采用雙 COU 結(jié)構(gòu)，以提高處理能力。 （ 2）增加數(shù)據(jù)總線的寬度，單片機(jī)內(nèi)部采用 16 位數(shù)據(jù)總線，其數(shù)據(jù)處理能力明顯優(yōu)于一般 8 位單片機(jī)。 （ 3）串行總線結(jié)構(gòu)。飛利浦公司開發(fā)了一種新型總線： I2C 總線（ IntelIC bus）。該總線是用 2 根信號(hào)線代替現(xiàn)行的 8 位數(shù)據(jù)總線，從而大大地減少了單片機(jī)外部引線，使得單片機(jī)與外部接口電路連接簡(jiǎn)單。目前許多公司都在積極的開發(fā)此類產(chǎn)品。 （ 1）加大存儲(chǔ)容量。新型單片機(jī)片內(nèi) ROM 一般可達(dá) 4KB 至 8KB， RAM 為 256B。有的單片機(jī)片內(nèi) ROM 容量可達(dá) 128KB。 （ 2）片內(nèi) EPROM 采用 E2PROM 或閃爍（ Flash）存儲(chǔ)器。片內(nèi) EPROM 由于需要高壓（ +21V 或 +12V）編程寫入，紫外線擦抹給用戶帶來不便。采用 E2PROM 或閃爍存儲(chǔ)器后，能在 +5V 下讀寫，不需要紫外線擦抹，既有靜態(tài) RAM 讀寫操作簡(jiǎn)便又有在掉電 時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失的優(yōu)點(diǎn)。片內(nèi) E2PROM 或閃爍存儲(chǔ)器的使用，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 （ 3）程序保密化。一般 EPROM 中的程序很容易被復(fù)制。為防止復(fù)制，生產(chǎn)廠家青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 6 對(duì)片內(nèi) E2PROM 或閃爍存儲(chǔ)器采用加鎖方式。加鎖后，無法讀取其中的程序，這就達(dá)到了程序的保密的目的。 I/O 的改進(jìn) 一般單片機(jī)都有較多的并行口，以滿足外圍設(shè)備、芯片擴(kuò)展的需要，并配有串行口，以滿足多機(jī)通信功能的要求。 （ 1）增加并行口的驅(qū)動(dòng)能力。這樣可以減少外部驅(qū)動(dòng)芯片。有的單片機(jī)能直接輸出大電流和高電壓，以便能直接驅(qū)動(dòng) LED 和 VFD（熒光顯示 器）。 （ 2）增加 I/O 口的邏輯控制功能。大部分單片機(jī)的 I/O 都能進(jìn)行邏輯操作。中、高檔單片機(jī)的位處理系統(tǒng)能夠?qū)?I/O 口進(jìn)行尋址及位操作，大大地加強(qiáng)了 I/O 口線控制的靈活性。 （ 3）有些單片機(jī)設(shè)置了一些特殊的串行接口功能，為構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)提供了方便條件。 隨著集成度的不斷提高，有肯能把眾多的外圍功能器件集成在片內(nèi)。這也是單片機(jī)發(fā)展的重要趨勢(shì)。除了一般必須具有的 ROM、 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)外，隨著單片機(jī)檔次的提高，以適應(yīng)檢測(cè)、控制功能更高的要求，片內(nèi)集成的部件還有 A/D 轉(zhuǎn)換器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、 DMA 控制器、中斷控制器、鎖相環(huán)、頻率合成器、字符發(fā)生器、聲音發(fā)生器、 CRT 控制器、譯碼驅(qū)動(dòng)器等。 隨著集成電路技術(shù)及工藝的不斷發(fā)展，能裝入片內(nèi)的外圍電路也可以是大規(guī)模的，把所需的外圍電路全部裝入單片機(jī)內(nèi)，即系統(tǒng)的單片化是目前單片機(jī)發(fā)展趨勢(shì)之一。 8 位單片機(jī)中有二分之一的產(chǎn)片已 CMOS 化， CMOS 芯片的單片機(jī)具有功耗小得有點(diǎn)，而且為了充分發(fā)揮低功耗的特點(diǎn)，這類單片機(jī)普遍配置有 Wait 和 Stop 兩種工作方式。例如采用 CHMOS 工藝的 MCS51 系列單片機(jī) 80C31/80C51/87C51 在正常運(yùn)行（ 5V，12MHz）時(shí)，工作電流為 16mA,同樣條件下 Wait 方式工作時(shí)，工作電流則為 ，而在 Stop 方式（ 2V）時(shí)，工作電流僅為 50nA。 綜觀單片機(jī)幾十年的發(fā)展歷程，單片機(jī)今后將向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價(jià)格、外圍電路內(nèi)裝化以及片內(nèi)存儲(chǔ)器容量增加和 Flash 存儲(chǔ)器化方向發(fā)展。但其位數(shù)不一定會(huì)繼續(xù)增加，盡管現(xiàn)在已經(jīng)有 32 位單片機(jī)，但是用的并不多。可以預(yù)言，今后的單片機(jī)將是功能更強(qiáng)、集成度和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便。 此外，專用化也是單片機(jī)的一個(gè) 發(fā) 展方向，針對(duì)單一用途的 單片機(jī)將會(huì)越來越多。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 7 物理量簡(jiǎn)介 磁場(chǎng) 磁場(chǎng)是一種看不見，而又摸不著的特殊物質(zhì)。 磁體 周圍存在磁場(chǎng)，磁體間的相互作用就是以磁場(chǎng)作為媒介的。 電流 、運(yùn)動(dòng) 電荷 、磁體或變化電 場(chǎng)周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。 由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運(yùn)動(dòng)，因而概括地說，磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷或變化電場(chǎng)產(chǎn)生的。 磁場(chǎng)的基本特征是能對(duì)其中的運(yùn)動(dòng)電荷施加作用力，磁場(chǎng)對(duì)電流、對(duì)磁體的作用力或力距皆源于此。而現(xiàn)代理論則說明，磁力是電場(chǎng)力的 相對(duì)論 效應(yīng)。 與 電場(chǎng) 相仿， 磁場(chǎng) 是在一定空間區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布的矢量場(chǎng)，描述磁場(chǎng)的基本物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量 B ，也可以用磁感線形象地圖示。然而，作為一個(gè)矢量場(chǎng)，磁場(chǎng)的性質(zhì)與電場(chǎng)頗為不同。 運(yùn)動(dòng)電荷或變化電場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，或兩者之和的總磁場(chǎng)，都是無源有旋的矢量場(chǎng)， 磁感線 是閉合的曲線族，不中斷，不交叉。 換言之，在磁場(chǎng)中不存在發(fā)出 磁感線 的源頭，也不存在會(huì)聚 磁感線 的尾閭，磁感線 閉合表明沿 磁感線 的環(huán)路積分不為零，即 磁場(chǎng)是有旋場(chǎng)而不是勢(shì)場(chǎng)（保守場(chǎng)），不存在類似于電勢(shì)那樣的標(biāo)量函數(shù)。 磁感線 在磁場(chǎng)中畫一些曲線，使曲線上任何一點(diǎn)的切線方向都跟這一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向相同，這些曲線叫 磁感線 。 磁感線 是閉合曲線。規(guī)定小磁針的北極所指的方向?yàn)?磁感線 的方向。磁鐵周圍的 磁感線 都是從 N 極出來進(jìn)入 S 極，在磁體內(nèi)部 磁感線 從 S 極到 N 極。 電磁場(chǎng)是電磁作用的媒遞物，是統(tǒng)一的整體，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是它緊密聯(lián)系、相互依存的兩個(gè)側(cè)面，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電磁場(chǎng)以波動(dòng)形式在空間傳播。 電磁波以有限的速度傳播，具有可交換的能量和 動(dòng)量，電磁波與實(shí)物的相互作用，電磁波與粒子的相互轉(zhuǎn)化等等，都證明電磁場(chǎng)是客觀存在的物質(zhì)，它的 “特殊 ”只在于沒有靜質(zhì)量。 磁現(xiàn)象是最早被人類認(rèn)識(shí)的物理現(xiàn)象之一，指南針是中國古代一大發(fā)明。磁場(chǎng)是廣泛存在的，地球，恒星 (如太陽 )，星系（如銀河系），行星、衛(wèi)星，以及星際空間和星系際空間，都存在著磁場(chǎng)。 為了認(rèn)識(shí)和解釋其中的許多物理現(xiàn)象和過程，必須考慮磁場(chǎng)這一重要因素。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和人類生活中，處處可遇到磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、電報(bào)、電話、收青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 8 音機(jī)以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測(cè)量?jī)x表等無不與磁現(xiàn)象有關(guān)。甚至在 人體內(nèi)，伴隨著生命活動(dòng)，一些組織和器官內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生微弱的磁場(chǎng)。地球的磁級(jí)與地理的兩極相反。 地磁場(chǎng) 地磁場(chǎng)（ geomagic field）是從地心至磁層頂?shù)目臻g范圍內(nèi)的磁場(chǎng) ，是 地磁學(xué)的主要研究對(duì)象。人類對(duì)于地磁場(chǎng)存在的早期認(rèn)識(shí)，來源于天然磁石和磁針的指極性。地磁的北磁極在地理的南極附近；地磁的南磁極在地理的北極附近。 磁針的指極性是由于地球的北磁極（磁性為 S 極）吸引著磁針的 N 極，地球的南磁極（磁性為 S 極）吸引著磁針的 N 極。這個(gè)解釋最初是英國 1600 年提出的。吉伯所作出的地磁場(chǎng)來源于 地球本體的假定是正確的。這已為 1839 年德國數(shù)學(xué)家 .高斯首次運(yùn)用球諧函數(shù)分析法所證實(shí)。 地磁的磁感線和地理的經(jīng)線是不平行的，它們之間的夾角叫做 磁偏角 。中國古代的著名科學(xué)家 沈括 是第一個(gè)注意到磁偏角現(xiàn)象的科學(xué)家。 地磁場(chǎng)是一個(gè)向量場(chǎng)。描述空間某一 點(diǎn)地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，需要 3 個(gè)獨(dú)立的地磁要素。常用的地磁要素有 7 個(gè)，即地磁場(chǎng)總強(qiáng)度 F，水平強(qiáng)度 H，垂直強(qiáng)度 Z， X 和 Y分別為 H 的北向和東向分量， D 和 I 分別為磁偏角和 磁傾角 。其中以磁偏角的觀測(cè)歷史為最早。在現(xiàn)代的地磁場(chǎng)觀測(cè)中，地磁臺(tái)一般只記錄 H， D， Z 或 X， Y， Z。 近地空間的地磁場(chǎng)，像一個(gè)均勻磁化球體的磁場(chǎng)，其強(qiáng)度在地面兩極附近還不到 1 高斯，所以地磁場(chǎng)是非常弱的磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)強(qiáng)度 的單位過去通常采用伽馬（ γ），即 1 納特斯拉。 1960 年決定采用特斯拉作為國際測(cè)磁單位， 1 高斯＝ 10^(4)特斯拉（ T）， 1 伽馬＝ 10^(9)特斯拉＝ 1 納特斯拉（ nT），簡(jiǎn)稱納特。地磁場(chǎng)雖然很弱，但卻延伸到很遠(yuǎn)的空間，保護(hù)著地球上的生物和人類，使之免受宇宙輻射的侵害。 地磁場(chǎng)包括基本磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)兩個(gè)部分，它們?cè)诔梢蛏贤耆煌；敬艌?chǎng)是地磁場(chǎng)的主要部分，起源于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，變化非常緩慢。變化磁場(chǎng)包括地磁場(chǎng)的各種短期變化，主要起源于地球外部，并且很微弱。 地球的基本磁場(chǎng)可分為偶極子磁場(chǎng)、非偶極 子磁場(chǎng)和地磁異常幾個(gè)組成部分。偶極子磁場(chǎng)是地磁場(chǎng)的基本成分，其強(qiáng)度約占地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的 90％，產(chǎn)生于地球液態(tài)外核內(nèi)的電磁流體力學(xué)過程，即自激發(fā)電機(jī)效應(yīng)。非偶極子磁場(chǎng)主要分布在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個(gè)地域，平均強(qiáng)度約占地磁場(chǎng)的 10％。地磁異常又分為區(qū)域異常和局部異常，與巖石和礦體的分布有關(guān)。 地球變化磁場(chǎng)可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。平靜變化主要是以一個(gè)太陽日為周期的太陽靜日變化，其場(chǎng)源分布在電離層中。干擾變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動(dòng)等，場(chǎng)源是太陽粒子輻射同地磁場(chǎng)相互 作用在磁層和電離層中產(chǎn)生青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 9 的各種短暫的電流體系。磁暴是全球同時(shí)發(fā)生的強(qiáng)烈磁擾，持續(xù)時(shí)間約為 1～ 3 天，幅度可達(dá) 10 納特。其他幾種干擾變化主要分布在地球的極光區(qū)內(nèi)。