【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 MOS 技術(shù)的進(jìn)步，大大地促進(jìn)了單片機(jī)的 CMOS 化。 CMOS 芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。這也是今后以 80S51 取代 8051 為標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯片的原因。因?yàn)閱纹瑱C(jī)芯片多數(shù)是采用 CMOS（金屬柵氧化物 ）半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。 CMOS 電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的 TTL 電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS工藝。 CHMOS 和 HMOS 工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的 CHMOS 電路已達(dá)到 LSTTL 的速度，傳輸延遲時(shí)間小于 2ns，它的綜合優(yōu)勢(shì)已在于 TTL 電路。因而，在單片機(jī)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(jī)的集成度將更高、體積將更小、功能將列強(qiáng)。在單片機(jī)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(jī)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(jī)已成為單片機(jī)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(shí)上的標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯 片。 單片機(jī)是微型機(jī)的一個(gè)主要分支，在結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)是把 CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)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(jī)芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī) 。 單片機(jī)是通過內(nèi)部總線把計(jì)算機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)提供地址， CPU 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 通過它們將地址輸出到存儲(chǔ)器或 I/O 接口；數(shù)據(jù)總線的作用是在 CPU 與存儲(chǔ)器或I/O 接口之間，或存儲(chǔ)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(hào)線和外部送入 CPU 的應(yīng)答信號(hào)線等。 單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，應(yīng)用一個(gè)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(jī)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(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，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(gè)領(lǐng)域 ，單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。另一方面，單片機(jī)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(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)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(jī)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(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） ； 內(nèi)部程式存儲(chǔ)器（ ROM）為 4KB； 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）為 128B； 外部程序存儲(chǔ)器可擴(kuò)充至 64KB； 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可擴(kuò)充至 64KB； 32 條雙向輸入輸出線，且每條均可以單 獨(dú)做 I/O 的控制 ； 5 個(gè)中斷向量源 ； 2 組獨(dú)立的 16 位定時(shí)器 ； 1 個(gè)全多工串行通信端口 ； 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 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(yùn)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：?jiǎn)涡酒到y(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸入端 ； XTAL2：系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸出端，一般在設(shè)計(jì)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(dòng)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(jī) ； RESET： AT89S51 的重置引腳，高電平動(dòng)作，當(dāng)要對(duì)晶片重置時(shí)，只要對(duì)此引 腳電平提升至高電平并保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間， AT89S51 便能完成系統(tǒng)重置的 各項(xiàng)動(dòng)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(jì)（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(dòng)作， 也就是說當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)會(huì)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?yàn)槠鋬?nèi)部無程序存儲(chǔ)器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時(shí)，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(shí)，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(hào)。 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(jìn)鎖存器中，因?yàn)?AT89S51 是以多工的方式送出地址及數(shù)據(jù)。平時(shí)在程序執(zhí)行時(shí) 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(dòng)其他周邊晶片的時(shí)基輸入。此外在燒錄 8751 程序代碼時(shí)，此引腳會(huì)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(chǔ)存啟用，當(dāng) 8051 被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時(shí)（ EA=0），會(huì)送出此信號(hào)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(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器可以合并在一起而共用 64K的定址范圍 ； PORT0（ ～ ）：端口 0 是一個(gè) 8 位寬的開路汲極（ Open Drain）雙向輸出入端口，共有 8 個(gè)位， 表示位 0， 表示位 1，依此類推。其他三個(gè) 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(shí)可以推動(dòng) 8 個(gè) LS 的 TTL 負(fù)載。如果當(dāng) EA 引腳為低電平時(shí)（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)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(chǔ)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(gè)引腳 可以推動(dòng) 4 個(gè) LS 的 TTL 負(fù)載，若將端口 2 的輸出設(shè)為高電平時(shí)，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(kuò)充外接程序存儲(chǔ)器 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 10 或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，也提供地址總線的高字節(jié) A8～ A15，這個(gè)時(shí)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(dòng) 4 個(gè) 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(shí)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(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載，同時(shí)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(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)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(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器 0 輸入 ； ： T1，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器 1 輸入 ； 單片機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)電路的信號(hào)端； 端口分配給兩路紅外線避障的檢測(cè)信號(hào)端； 端口為金屬探測(cè)器 的檢測(cè)信號(hào)端； 端口為按鍵控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)； 端口分配給四個(gè)按鍵的控制端； 時(shí)鐘及復(fù)位電路 （ 1） 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器（簡(jiǎn)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(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(jì)（論文） 11 自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖 所示： 圖 時(shí)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(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路中實(shí)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(jì)。 （ 2） 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)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(gè)確定的工作狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。在系統(tǒng)中，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)顯示不正常，也為了調(diào)試方便，需要設(shè)計(jì)一個(gè)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(yùn)行時(shí)用戶的 按鍵復(fù)位功能。 在此系統(tǒng)中單片機(jī)的復(fù)位靠外部電路實(shí)現(xiàn)的， AT89S51 單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳 RST，高電平有效。只要 RST 保持高電平，單片機(jī)便保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)， 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(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。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(dòng)復(fù)位開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能。 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 12 圖 復(fù)位電路 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實(shí)際上 是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng)，用途很廣。 使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號(hào)可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。 正常情況下，步進(jìn)電機(jī)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(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù) 載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。 步進(jìn)電機(jī) 的特性 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使用的是脈沖信號(hào)，而脈沖是數(shù)字信號(hào)，這恰是計(jì)算機(jī)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(dòng)電路，今天，在打印機(jī)、磁盤器等的 OA 裝置的位置控制中，步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一?？傮w上說，步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 不需要反饋，控制簡(jiǎn)單。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 （ 2） 與微機(jī)的連 接、速度控制（啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。 （ 3） 沒有角累積誤差。 （ 4） 停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。 （ 5） 沒有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價(jià)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(dòng)。但是，這種電機(jī)也有自身的缺 點(diǎn)。 （ 8） 難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩 （ 9） 不宜用作高速轉(zhuǎn)動(dòng) （ 10） 在體積重量方面沒有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低。 （ 11） 超過負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步， 高 速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。 步進(jìn)電機(jī) 的種類 目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類： （ 1） 反應(yīng)式 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（ 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(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。 （ 2） 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（ PM） 轉(zhuǎn)