【文章內(nèi)容簡介】 TTL 電路。因而，在單片機領(lǐng)域CMOS 正在逐漸取代 TTL 電路。 隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機的集成度將更高、體積將更小、功能將列強。在單片機家族中， 8051 系 列是其中的佼佼者，加之 Intel 公司將其 MCS –51 系列中的 8051 內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名 IC 制造廠商，如 Philips、 NEC、 Atmel、 AMD、華邦等，這些公司都在保持與 8051 單片機兼容的基礎(chǔ)上改善了 8051 的許多特性。這樣， 8051 就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為 8051 系列。 8051 單片機已成為單片機發(fā)展的主流。專家認(rèn)為，雖然世界上的 MCU 品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明， 8051 可能最終形成事實上的標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯 片。 單片機是微型機的一個主要分支，在結(jié)構(gòu)上的最大特點是把 CPU、存儲器、定時器和多種輸入 /輸出接口電路集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上。就其組成和功能而言，一塊單片機芯片就是一臺計算機 。 單片機是通過內(nèi)部總線把計算機的各主要部件接為一體，其內(nèi)部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。其中，地址總線的作用是在進行數(shù)據(jù)交換時提供地址， CPU 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 通過它們將地址輸出到存儲器或 I/O 接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在 CPU 與存儲器或I/O 接口之間，或存儲器與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)；控制總線包括 CPU 發(fā)出的控制信號線和外部送入 CPU 的應(yīng)答信號線等。 單片機作為計算機發(fā)展的一個重要領(lǐng)域，應(yīng)用一個較科學(xué)的分類方法。根據(jù)目前發(fā)展情況，從不同角度單片機大致可以分為通用型 /專用型、總線型 /非總線型及工控型 /家電型。 由于單片機具有顯著的優(yōu)點，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。它的應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域 ，單片機已成為計算機發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面。另一方面，單片機應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的 控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。 單片機芯片 AT89S51 為 ATMEL 所生產(chǎn)的可電氣燒錄清洗的 8051 相容單芯片，其內(nèi)部程序代碼容量為 4KB。 （ 1） AT89S51 主要功能列舉如下： 為一般控制應(yīng)用的 8 位單芯片 ； 晶片內(nèi)部具時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） ； 內(nèi)部程式存儲器（ ROM）為 4KB； 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）為 128B； 外部程序存儲器可擴充至 64KB； 外部數(shù)據(jù)存儲器可擴充至 64KB； 32 條雙向輸入輸出線，且每條均可以單 獨做 I/O 的控制 ； 5 個中斷向量源 ； 2 組獨立的 16 位定時器 ； 1 個全多工串行通信端口 ； 基于步進電機的智能小車設(shè)計 8 8751 及 8752 單芯片具有數(shù)據(jù)保密的功能 ； 單芯片提供位邏輯運算指令 ； （ 2） AT89S51 各引腳功能介紹： 如下圖 圖 AT89S51 各引腳圖 VCC： AT89S51 電源正端輸入，接 +5V； VSS：電源地端 ； XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端 ； XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設(shè)計上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上 接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 30PF 的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機 ； RESET： AT89S51 的重置引腳，高電平動作，當(dāng)要對晶片重置時，只要對此引 腳電平提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間， AT89S51 便能完成系統(tǒng)重置的 各項動作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器之內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址 0000H 處 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序 ； EA/Vpp： EA為英文 External Access的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作， 也就是說當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)會取用外部的程序代碼（存于外部EPROM 中）來執(zhí)行程序。因此在 8031 及 8032 中， EA 引腳必須接低電平，因為其內(nèi)部無程序存儲器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至 8751 內(nèi)部 EPROM 時，可以利用此引腳來輸入 21V 的燒錄高壓（ Vpp） ； ALE/PROG： ALE 是英文 Address Latch Enable的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。 AT89S51 可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的 8 位鎖存器（如 74LS373），將端口 0的地址總線（ A0～ A7）鎖進鎖存器中，因為 AT89S51 是以多工的方式送出地址及數(shù)據(jù)。平時在程序執(zhí)行時 ALE 引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的 1/6，因此可以用來驅(qū)動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄 8751 程序代碼時，此引腳會被當(dāng)成程序規(guī)劃的特殊功能來使用 ； PSEN：此為 Program Store Enable的縮寫，其意為程序儲存啟用，當(dāng) 8051 被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時（ EA=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到 EPROM 的 OE 腳。 AT89S51 可以利用 PSEN 及 RD 引腳分 別啟用存在外部的 RAM 與 EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用 64K的定址范圍 ； PORT0（ ～ ）：端口 0 是一個 8 位寬的開路汲極（ Open Drain）雙向輸出入端口，共有 8 個位， 表示位 0， 表示位 1，依此類推。其他三個 I/O 端口（ P P P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路， P0 在當(dāng)做 I/O 用時可以推動 8 個 LS 的 TTL 負(fù)載。如果當(dāng) EA 引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器）， P0 就以多工方式提供地址總線（ A0～ A7）及數(shù)據(jù)總線（ D0～ D7）。設(shè)計者必須外加一鎖存 器 將端口 0 送出的地址栓鎖住成為 A0～ A7，再配合端口 2 所送出的 A8～ A15 合成一完整的 16 位地址總線，而定址到 64K 的外部存儲器空間 ； PORT2（ ～ ）：端口 2 是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，每一個引腳 可以推動 4 個 LS 的 TTL 負(fù)載，若將端口 2 的輸出設(shè)為高電平時，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。 P2 除了當(dāng)做一般 I/O 端口使用外，若是在 AT89S51 擴充外接程序存儲器 基于步進電機的智能小車設(shè)計 10 或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié) A8～ A15，這個時候 P2 便不能當(dāng)做 I/O 來使用了 ； PORT1（ ～ ）：端口 1 也是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，其輸出緩沖器可以推動 4 個 LS TTL 負(fù)載，同樣地若將端口 1 的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用 8052 或是 8032 的話， 又當(dāng)做定時器 2 的外部脈沖輸入腳，而 可以有 T2EX 功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位 ； PORT3（ ～ ）：端口 3 也具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，其輸出緩沖器可以推動 4 個 TTL 負(fù)載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存 儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?； 其引腳分配如下： ： RXD，串行通信輸入 ； ： TXD，串行通信輸出 ； ： T0，計時計數(shù)器 0 輸入 ； ： T1，計時計數(shù)器 1 輸入 ； 單片機端口分配如下： 端口分配給 液晶顯示器的數(shù)據(jù)端； 端口分配給 步進電機驅(qū)動板的控制端； 端口分配給液晶顯示器的控制端； 端口分配給三路光電尋跡檢測電路的信號端； 端口分配給兩路紅外線避障的檢測信號端； 端口為金屬探測器 的檢測信號端； 端口為按鍵控制電機正反轉(zhuǎn)動； 端口分配給四個按鍵的控制端； 時鐘及復(fù)位電路 （ 1） 時鐘電路的設(shè)計 在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖 所示： 圖 時鐘電路 圖中，電容器 C C2 起穩(wěn) 定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在 530pF， 我選用 30pF。晶振頻率的典型值為 12MHz（我所選用），采用 6MHz 的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路中實用電路中使用較多。也有外部振蕩方式，我選用內(nèi)部振蕩方式設(shè)計。 （ 2） 復(fù)位電路的設(shè)計 單片機在啟動運行時都需要復(fù)位，復(fù)位使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的工作狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。在系統(tǒng)中，有時也會出現(xiàn)顯示不正常，也為了調(diào)試方便，需要設(shè)計一個復(fù)位電路，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在 運行時用戶的按鍵 復(fù)位功能。 在此系統(tǒng)中單片機的復(fù)位靠外部電路實現(xiàn)的， AT89S51 單片機有一個復(fù)位引腳 RST，高電平有效。只要 RST 保持高電平，單片機便保持復(fù)位狀態(tài)。此時， ALE/PSEN、P0、 P P P3 口都輸出高電平。 RST 變成低電平后，退出復(fù)位狀態(tài)， CPU 開始正常工作。需要注意的是，復(fù)位操作不影響片內(nèi) RAM 的內(nèi)容。 復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。圖 為基本 RC 復(fù)位電路，其電路為高電平復(fù)位有效， S1 為手動復(fù)位開關(guān)，可以實現(xiàn)上述基本功能。 基于步進電機的智能小車設(shè)計 12 圖 復(fù)位電路 步進電機概述 步進電機是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件，它實際上 是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。 使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。 正常情況下，步進電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈 沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù) 載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。 步進電機 的特性 步進電機轉(zhuǎn)動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。從 20 世紀(jì) 80 年代開始開發(fā)出了專用的 IC 驅(qū)動電路，今天，在打印機、磁盤器等的 OA 裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說，步進電機有如下優(yōu)點： （ 1） 不需要反饋，控制簡單。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 （ 2） 與微機的連接、 速度控制（啟動、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設(shè)計比較簡單。 （ 3） 沒有角累積誤差。 （ 4） 停止時也可保持轉(zhuǎn)距。 （ 5） 沒有轉(zhuǎn)向器等機械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。 （ 6） 即使沒有傳感器，也能精確定位。 （ 7） 根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動。但是，這種電機也有自身的缺 點。 （ 8） 難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩 （ 9） 不宜用作高速轉(zhuǎn)動 （ 10） 在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。 （ 11） 超過負(fù)載時會破壞同步， 高 速工作時會發(fā)出振動和噪聲。 步進電機 的種類 目前常用的步進電機有三類： （ 1） 反應(yīng)式步進 電動機（ VR） 采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動態(tài)性能相對較差。 （ 2） 永磁式步進電動機（ PM） 轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間 的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動步的角度一般是 。它的出力大，動態(tài)性能好；但步距角一般比較大。 （ 3） 混合步進電動機（ HB） 這是 PM 和 VR 的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的 一類步進電動機，在計算機相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機。 基于步進電機的智能小車設(shè)計 14 永磁 步進電機 的控制 在本設(shè)計中，我們以常用的永磁式步進電機為例。來介紹如何用單片機控制步進 電機。圖 是 35B