【文章內容簡介】 優(yōu)勢已在于 TTL 電路。因而，在單片機領域CMOS 正在逐漸取代 TTL 電路。 隨著半導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 內核使用權以專利互換或出售形式轉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，現統稱為 8051 系列。 8051 單片機已成為單片機發(fā)展的主流。專家認為，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準 MCU 芯片。 單片機是微型機的一個主要分支，在結構上的最大特點是把 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 。 單片機是通過內部總線把計算機的各主要部件接為一體，其內部總線包括地址總線、數據總線和控制總線。其中，地址總線的作用是在進行數據交換時提供地址， CPU 太原工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 7 通過它們將地址輸出到存儲器或 I/O 接口；數據總線的作用是在 CPU 與存儲器或I/O 接口之間，或存儲器與外設之間交換 數據；控制總線包括 CPU 發(fā)出的控制信號線和外部送入 CPU 的應答信號線等。 單片機作為計算機發(fā)展的一個重要領域，應用一個較科學的分類方法。根據目前發(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，它已成為科技領域的有力工具，人類生活的得力助手。它的應用遍及各個領域 ，單片機已成為計算機發(fā)展和應用的一個重要方面。另一方面，單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統的控制系統設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分功能， 現在已能用單片機通過軟件方法來實現了。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統控制技術的一次革命。 單片機芯片 AT89S51 為 ATMEL 所生產的可電氣燒錄清洗的 8051 相容單芯片，其內部程序代碼容量為 4KB。 （ 1） AT89S51 主要功能列舉如下： 為一般控制應用的 8 位單芯片 ； 晶片內部具時鐘振蕩器（傳統最高工作頻率可至 12MHz） ； 內部程式存儲器（ ROM）為 4KB； 內部數據存儲器（ RAM）為 128B； 外部程序存儲器可擴充至 64KB； 外部數據存儲器可擴 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計 8 8751 及 8752 單芯片具有數據保密的功能 ； 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：單芯片系統時鐘的反相放大器輸入端 ； XTAL2：系統時鐘的反相放大器輸 出端，一般在設計上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統就可以動作了，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 便能完成系統重置的 各項動作，使得內部特殊功能寄存器之內容均被設成已知狀態(tài)，并且至地址 0000H 處 太原工業(yè)學院畢業(yè)設計（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，也就是說當此引腳接低電平后，系統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，因為其內部無程序存儲器空間。如果是使用 8751 內部程序空間時，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據。平時在程序執(zhí)行時 ALE 引腳的輸出頻率約是系統工作頻率的 1/6，因此可以用來驅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 8051 被設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，使得數據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)，而是內部有一提升電路， P0 在當做 I/O 用時可以推動 8 個 LS 的 TTL 負載。如果當 EA 引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數據存儲器）， P0 就以多工方式提供地址總線（ A0～ A7）及數據總線（ D0～ D7）。設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 負載，若將端口 2 的輸出設為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。 P2 除了當做一般 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計 10 或數據存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié) A8～ A15，這個時候 P2 便不能當做 I/O 來使用了 ； PORT1（ ～ ）：端口 1 也是具有內部提升電路的雙向 I/O 端口，其輸出緩沖器可以推動 4 個 LS TTL 負載，同樣地若將端口 1 的輸出設為高電平，便是由此端口來輸入數據。如果是使用 8052 或是 8032 的話， 又當做定時器 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、計時計數控制及外部數據存儲器內容的讀取或寫入控制等功能 ； 其引腳分配如下： ： RXD，串行通信輸入 ； ： TXD，串行通信輸出 ； ： T0，計時計數器 0 輸入 ； ： T1，計時計數器 1 輸入 ； 單片機端口分配如下： 端口分配給 液晶顯示器的數據端； 端口分配給 步進電機驅動板的控制端； 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動； 端口分配給四個按鍵的控制端； 時鐘及復位電路 （ 1） 時鐘電路的設計 在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或陶瓷諧振器，就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了 太原工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 11 自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。內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，我選用內部振蕩方式設計。 （ 2） 復位電路的設計 單片機在啟動運行時都需要復位，復位使 CPU 和系統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。在系統中，有時也會出現顯示不正常，也為了調試方便，需要設計一個復位電路， 復位電路主要完成系統的上電復位和系統在 運行時用戶的按鍵復位功能。 在此系統中單片機的復位靠外部電路實現的， AT89S51 單片機有一個復位引腳 RST，高電平有效。只要 RST 保持高電平，單片機便保持復位狀態(tài)。此時， ALE/PSEN、P0、 P P P3 口都輸出高電平。 RST 變成低電平后，退出復位狀態(tài)， CPU 開始正常工作。需要注意的是，復位操作不影響片內 RAM 的內容。 復位電路的基本功能是系統上電時提供復位信號，直至系統電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。圖 為基本 RC 復位電路，其電路為高電平復位有效， S1 為手動復位開關，可以實現上述基本功能。 基于步進電機的智能小車設計 12 圖 復位電路 步進電機概述 步進電機是一種能夠將電脈沖信號轉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動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅動，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換為多相脈沖信號，在經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，轉子會轉過一定的角度（稱 為步距角）。 正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負 載變化的影響。由于步進電動機能直接接收數字量的輸入，所以特別適合于微機控制。 步進電機 的特性 步進電機轉動使用的是脈沖信號，而脈沖是數字信號，這恰是計算機所擅長處理的數據類型。從 20 世紀 80 年代開始開發(fā)出了專用的 IC 驅動電路，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。總體上說，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)學院畢業(yè)設計（論文） 13 （ 2） 與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉）及驅動電路的設計比較簡單。 （ 3） 沒有角累積誤差。 （ 4） 停止時也可保持轉距。 （ 5） 沒有轉向器等機械部分，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，能夠以任意速度轉動。但是，這種電機也有自身的缺 點。 （ 8） 難以獲得較大的轉矩 （ 9） 不宜用作高速轉動 （ 10） 在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。 （ 11） 超過負載時會破壞同步， 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） 反應式步進電動機（ VR） 采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產成本低，步距角可以做的相當小，但動態(tài)性能相對較差。 （ 2） 永磁式步進電動機（ PM） 轉子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側配置齒狀定子。用轉子和定子之間 的吸引和排斥力產生轉動，轉動步的角度一般是 。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 的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結構。此類電機綜合了反應式和永磁 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，在計算機相關的設備中多用此類電機。 基于步進電機的智能小車設計 14 永磁 步進電機 的控制 在本設計中，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