【文章內(nèi)容簡介】 8位雙向 I/O口。在不并行擴展外存儲器 (包括并行擴展 I/O口 )時 , P0 口可用作雙向 I/O 口。 在并行擴展外存儲器 (包括并行擴展 I/O 口 )時 , P0 口可用于分時傳送低8 位地址 (地址總線 )和 8位數(shù)據(jù)信號 (數(shù)據(jù)總線 )。位結(jié)構(gòu)如圖所示。 P0 口能驅(qū)動 8 個 LSTTL 門。 P 0 . X鎖 存 器 _C PP 0 . X引 腳amp。M U XD內(nèi) 部 總 線寫 鎖 存 器V C C控 制地 址 / 數(shù) 據(jù)V 1V 2 圖 4 P0口位結(jié)構(gòu) (2) P1 口 —— 8 位準雙向 I/O 口 (“準雙向”是指該口內(nèi)部有固定的上拉電阻 )。位結(jié)構(gòu)如圖 25 所示。 P1口能驅(qū)動為 4 個 LSTTL 門。 P 1 . X鎖 存 器 _C PP 1 . X引 腳D讀 鎖 存 器讀 引 腳內(nèi) 部 總 線寫 鎖 存 器V C C內(nèi) 部 上 拉 電 阻 圖 5 P1位口結(jié)構(gòu) (3) P2 口 —— 8 位準雙向 I/O 口。在不并行擴展外存儲器 (包括并行擴展I/O口 )時 , P2口可用作雙向 I/O口。在并行擴展外存儲器 (包括并行擴展 I/O口 )時 , P2 口可用于傳送高 8位地址 (屬地址總線 ) 。 P2口能驅(qū)動 4個 LSTTL門。 P2 口的位結(jié)構(gòu)如圖 26 所示 ，引腳上拉電阻同 P1 口。在結(jié)構(gòu)上， P2口比 P1 口多一個輸出控制部分。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 P 2 . X鎖 存 器 _C PP 2 . X引 腳1M U XD讀 鎖 存 器讀 引 腳內(nèi) 部 總 線寫 鎖 存 器V C C控 制地 址內(nèi) 部 上 拉 電 阻 圖 6 P2口位結(jié)構(gòu) (4) P3 口 —— 8位準雙向 I/O 口。 可作一般 I/O口用 ,同時 P3口每一引腳還具有第二功能 ,用于特殊信號輸入輸出和控制信號 (屬控制總線 )。 P3 口驅(qū)動能力為 4 個 LSTTL 門。 P 3 . X鎖 存 器 _C PP 3 . X引 腳amp。D讀 鎖 存 器讀 引 腳內(nèi) 部 總 線寫 鎖 存 器V C C內(nèi) 部 上 拉 電 阻第 二 功 能第 二 功 能 圖 7 P3口位結(jié)構(gòu) P3 口第二功能如下 : 表 1 P3口第二功能 P3 口 第二功能 注釋 RXD 串行口輸入端 TXD 串行口輸出端 INT0 外部中斷 0 請求輸入端 INT1 外部中斷 1 請求輸入端 T0 定時 /計數(shù)器 0 外部信號輸入端 T1 定時 /計數(shù)器 1 外部信號輸入端 WR 外 RAM 寫選通信號輸出端 RD 外 RAM 讀選通信號輸出端 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 9 上述 4 個 I/O 口 ,各有各的用途。 在不并行擴展外存儲器 (包括并行擴展I/O 口 )時 , 4個 I/O 口都可作為雙向 I/O 口用。在并行擴展外存儲器 (包括并行擴展 I/O口 )時 , P0 口專用于分時傳送低 8位地址信號 和 8位數(shù)據(jù)信號 ,P2 口專用于傳送高 8位地址信號。 P3 口根據(jù)需要常用于第二功能 ,真正可提供給用戶使用的 I/O 口是 P1 口和一部分未用作第二功能的 P3 口端線。 脈沖寬度調(diào)制 (PWM)概述 脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，是英文 “Pulse Width Modulation” 的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 如圖所示， PWM 是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來 對一個具體模擬信號的電平進行編碼。 PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進行編碼。 圖 8 模擬電平的 PWM數(shù)字編碼 脈沖寬度調(diào)制 (PWM)的相關(guān)概念 ：就是輸出的 PWM 中，高電平保持的時間 與 該 PWM 的時鐘周期的時間 之比 如， 一個 PWM的頻率是 1000Hz，那么它的時鐘周期就是 1ms，就是 1000us，如果高電平 t1 出現(xiàn)的時間是 800us，那么低電平 t2 的時間肯定是 200us，那么占空比 t1/T 就是 800： 1000，也就是說 PWM 的占空比就是 4： 5。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 10 t 1t 2T8 0 0 u s 2 0 0 u s圖 9 PWM信號占空比 ，如 8位的 PWM，理論的分辨率就是 1： 255(單斜率 )， 16 位的的 PWM 理論就是 1： 65535(單斜率 )。 頻率就是這樣的，如 16 位的 PWM，它的分辨率達到了 1： 65535，要達到這個分辨率， T/C 就必須從 0計數(shù)到 65535 才能達到，如果計數(shù)從 0計到 80之后又從 0開始計到 80.......，那么它的分辨率最小就是 1： 80 了，但是，它也快了，也就是說 PWM 的輸出頻率高了。 脈沖寬度調(diào)制 (PWM)的優(yōu)點 PWM 的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯 1改變?yōu)檫壿?0 或?qū)⑦壿?0改變?yōu)檫壿?1 時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 對噪聲抵抗能力的增強是 PWM 相對于模擬控制的另外 一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)?PWM 用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 由于 PWM 可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 PWM 控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦 PWM，優(yōu)化 PWM 及隨機 PWM。正弦 PWM 已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重 PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢（如 ABB ACS1000系列和美國 ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化 PWM 所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（ THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 11 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路，為了防止單片機的工作受到來自外界電磁場的干擾，在單片機系統(tǒng)中加入了看門狗電路，能讓單片機穩(wěn)定的輸出 PWM 波形。 在單片機能夠輸出完整 PWM 波形的基礎(chǔ)上加入了按鍵選擇模塊和顯示模塊，使得 PWM 波形的周期和占空比參數(shù)可以通過按鍵進行選擇，通過顯示模塊將 PWM 波形的周期、占空比和 PWM 波形輸出 時間顯示出來。 89 C 51單片機系統(tǒng)時鐘電路復(fù)位電路看門狗電路顯示模塊電源電路按鍵選擇 圖 10系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖 電源電路設(shè)計 電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的 7805 系列。顧名思義，三端 IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。 7805 典型穩(wěn)壓電路的工作流程為變壓、全橋整流和 7805 穩(wěn)壓輸出直流 5V 輸出。 變 壓 全 橋 整 流7 8 0 5 穩(wěn) 壓直 流 5 V 輸 出圖 11 7805穩(wěn)壓過程 5V 電源的電路，主干線路電壓經(jīng)過變壓器后轉(zhuǎn)換為 12V 交流電，經(jīng)過整流、濾波后送入 7805 穩(wěn)壓器，輸出再次濾波得到 5V 直流電壓。 RL 為負載電阻，考慮到控制板的負載電流較大時，應(yīng)對 7805 加上散熱片。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 12 7 8 0 52 2 0 V 1 2 V5 VG N DC 1C 3C 2C 4R LV i n + 5 VG N D 圖 12 7805穩(wěn) 5V電路 單片機時鐘電路設(shè)計 XTAL1 和 XTAL2 為片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個端子用外接石英晶體和微調(diào)電容，用來連接 89C51 定時反饋電路。石英晶體振動后，應(yīng)能在 XTAL2線上輸出一個 3V左右的正弦波，使得 89C51 內(nèi)部的電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。電容 C1和 C2 可以幫助起振，典型值為 22uf,調(diào)節(jié)它們可以達到微調(diào) FOSC 的目的。 圖 13 單片機時鐘電路 單片機復(fù)位電路設(shè)計 單片機執(zhí)行程序時總是從地址 0000H 開始的，所以在進入系統(tǒng)時必須對CPU 進行復(fù)位，也叫初始化。另外由于程序運行中的錯誤或操作失誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為了擺脫這種狀態(tài)，也需要進行復(fù)位。 單片機復(fù)位的方法很簡單，只要在 RST 引腳上加一個持續(xù)時間為 24 個振蕩周期（即兩個機器周期）的高電平就可以了。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位、按鍵復(fù)位和外部脈沖復(fù)位 3 種方法，本設(shè)計中采用手動按鍵復(fù)位的電路，如下圖所示： 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 13 圖 14按 鍵復(fù)位電路 單片機的最小系統(tǒng)包括 CPU、復(fù)位電路和時鐘電路，一個完整的單片機最小系統(tǒng)就已經(jīng)能夠正確的輸出 PWM 波形，在最小系統(tǒng)的電路基礎(chǔ)上加入看門狗電路、按鍵選擇電路和顯示電路，完成擴展功能，單片機的最小系統(tǒng)原理圖如下所示： 圖 15 單片機最小系統(tǒng)原理圖 看門狗電路設(shè)計 在由單片機構(gòu)成的系統(tǒng)中，由于單片機的工作有可能會受到來自外界電磁場的干擾，造成程序的跑飛，從而陷入死循環(huán)，程序的正常運行被打斷，由單片機控制的系統(tǒng)便無法繼續(xù)工作，這樣會造成整個系統(tǒng)陷入停滯狀態(tài)，發(fā)生不可預(yù)料的后果。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 14 出于對單片機 運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的考慮， 保證系統(tǒng)在干擾后能自動恢復(fù)正常， ，便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機程序運行狀態(tài)的芯片，俗稱“看門狗”， 看門狗定時器 (Watchdog Timer)的利用是很有價值的。 加入看門狗電路的目的是使單片機可以在無人狀態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)工作，其工作過程如下：看門狗芯片和單片機的一個 I/O 引腳相連，該 I/O 引腳通過單片機的程序控制，使它定時地往看門狗芯片的這個引腳上送入高電平 (或低電平 )，這一程序語句是分散地放在單片機其他控制語句中間的，一旦單片機由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段進入死循環(huán) 狀態(tài)時，給看門狗引腳送電平的程序便不能被執(zhí)行到，這時，看門狗電路就會由于得不到單片機送來的信號，便將它和單片機復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個復(fù)位信號，使單片機發(fā)生復(fù)位，從而單片機將從程序存儲器的起始位置重新開始執(zhí)行程序，這樣便實現(xiàn)了單片機的自動復(fù)位。 由于是通過軟件來寫入控制命令，在有干擾的情況下，有可能無法寫人正確的控制命令，造成單片機內(nèi)看門狗電路“失靈”，起不到看門狗的作用，因此本文采用外部硬件看門狗來確保程序的持續(xù)運行。以 MAX706P 看門狗電路。該電路具有手動復(fù)位、看門狗、電壓監(jiān)視功能。 P FM RW D 0M A X 7 0 6 P5 1 單 片 機V c cR E S E TW D IP F 0I / oI N TR E S E TV c cD 圖 16 MAX706看門狗電路 MAX706 芯片看門狗工作原理： MAX706 的內(nèi)部看門狗定時器定時時間為1． 6秒，如果在 1． 6秒內(nèi)，看門狗輸入腳 WDI 保持為規(guī)定電平 (高電平或低電平 )，看門狗輸出端 0WD 變?yōu)榈碗娖?,二極管 D 導(dǎo)通，使低電平加到復(fù)位端 ， MAX706 產(chǎn)生復(fù)位信號 RESET 使單片機復(fù)位，直到復(fù)位后看門狗被清零，0WD 才變?yōu)楦唠娖健．?WDI 有一個跳變沿 (上升沿或下降沿 )信 號時，看門狗定時器被清零。將 WDI端與單片機某 I／ 0輸出端相連，程序只要在小于 1． 6秒內(nèi)將該 I／ 0 端取反一次，使定時器清零而重新計數(shù)，不產(chǎn)生超時溢出， 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 15 程序正常運行當程序“跑飛”時，不能執(zhí)行產(chǎn)生跳變指令，到 1． 6秒時， 0WD因超時溢出而變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生復(fù)位信號使單片機復(fù)位。 按鍵選擇電路設(shè)計 鍵盤是人與微機系統(tǒng)打交道的主要設(shè)備。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計算機鍵盤 .而靠軟件編程來識別 的稱為非編碼鍵盤；在單片機組成的各種系統(tǒng)中，用的最多的是非編碼鍵盤。也有用到編碼鍵盤的。 在單片機應(yīng)用中鍵盤用的最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤。它們各自有自己的特點，