【文章內(nèi)容簡介】 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）半橋：DU = U 4R(DR1 DR2)(24)比較（23）和（24）可知，當(dāng) DR1 = DR3 = +DR。 DR2 = DR4 = DR 時，全橋的輸出為半橋的兩倍，也即全橋的靈敏度為半橋的兩倍)。因此，為提高測力儀的靈敏度，即電橋有較大的輸出，我們在設(shè)計(jì)測力儀時采用了等臂全橋的測量電路。量程放大器把傳感器輸出的信號一般為 mv mv 級，放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能接收的統(tǒng)一電平 0－5V。多路開關(guān)把數(shù)控車床切削過程中由傳感器變換后的各路的電信號與 A/D 相連，以便進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，這樣既可節(jié)省設(shè)備，又不至于使各個被測參數(shù)之間互相競爭。多路開關(guān)每次閉合的通道號由程序控制。9華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)硬件選型 單片機(jī)選型單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計(jì)時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫 MCU 表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了 I/O 設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器（FPEROM—Flash Programmable and ErasableRead Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。主要性能參數(shù)：與 MCS51 兼容。4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器。壽命：1000 寫/擦循環(huán)。數(shù)據(jù)保留時間：10 年。全靜態(tài)工作：0Hz24MHz。三級程序存儲器鎖定。1288 位內(nèi)部 RAM。32 可編程 I/O 線。兩個 16 位定時器/計(jì)數(shù)器。5 個中斷源。可編程串行通道。10華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）低功耗的閑置和掉電模式。片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。AT89C51 引腳功能說明：Vcc：電源電壓。GND：地線。P0 口：P0 口是一組 8 為漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在 Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時，要求外接上拉電阻。P2 口：P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 為雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口號寫“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3 口：P3 口是組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口號寫“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作為輸入端時，外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流。P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表 31 所示。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE / PROG :當(dāng)訪問外部存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出的正脈沖信號，因此它可以對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。端口引腳表 31P3 口第二功能第二功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）INT 0 （外中斷 0）INT 1（外中斷 1）T0（定時/計(jì)數(shù)器 0）T1（定時/計(jì)數(shù)器 1）WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）PSEN ：程序存儲允許（ PSEN ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89C5111華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。EA / VPP ：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000HFFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。XATL1：振蕩器反相放大器的內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XATL2：振蕩器反相放大器的輸出端。本數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)選用 AT89C51 單片機(jī)，引腳如圖 31 所示。圖31AT89C51引腳圖單片機(jī)的復(fù)位電路單片機(jī)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。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過一定的延時才能撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分－合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。RC 電路基本可以實(shí)現(xiàn)上訴功能，電路圖如圖 32 所示。單片機(jī)的時鐘振蕩器電路設(shè)計(jì)AT89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XATL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。本數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時鐘振蕩器電路圖如 32 所示。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 CC2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接 CC2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作電路的穩(wěn)定性、起振的難以程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體。12華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）圖 32圖 33單片機(jī)復(fù)位電路時鐘振蕩電路圖 單片機(jī)內(nèi)存擴(kuò)展選型外擴(kuò)展是構(gòu)建單片機(jī)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，由于單片機(jī)芯片本身的硬件資源有限，往往不能滿足系統(tǒng)需要，因此，必須以芯片外擴(kuò)展的辦法來解決，即通常所說的系統(tǒng)擴(kuò)展。由兩類外擴(kuò)展：存儲器擴(kuò)展和 I/O 擴(kuò)展；有兩種外擴(kuò)展方法：并行擴(kuò)展和串行擴(kuò)展。單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展時以單片機(jī)芯片為核心進(jìn)行的，存儲器擴(kuò)展中包含程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，其余所有擴(kuò)展內(nèi)容統(tǒng)稱為 I/O 擴(kuò)展。單片機(jī)并行擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 34 所示。由擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，擴(kuò)展時通過系統(tǒng)總線進(jìn)行的。所謂總線就是連接單片機(jī)各擴(kuò)展部件的一組公共信號線是系統(tǒng)共享的通路，通過總線把各擴(kuò)展不見連接起來，以進(jìn)行數(shù)據(jù)、地址和控制信號的傳送?？刹脸删幊讨蛔x存儲器（EPROM）芯片的內(nèi)容由用戶寫入，但允許反復(fù)擦除重新寫入。EPROM 是用紫外線擦除。在芯片外殼上方的中央有一個圓形窗口，通過這個窗口照射13華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）紫外線就可以擦除原有信息。由于陽光中有紫外線成分，所以程序?qū)懞煤笠貌煌该鳂?biāo)簽貼封窗口，以避免陽光照射而破壞程序。地址總線 AB單片機(jī)數(shù)據(jù)總線 DB控制總線 CB數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器I/O 接口I/O 接口圖 34單片機(jī)并行擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)EPROM 的典型芯片是 Intel 公司的 27 系列產(chǎn)品，按存儲容量不同有多種型號，例如，2716（2K*8）、2732(4K*8)、2764(8K*8)、27128(16K*8)、27256(32K*8)、27512(64K*8)等，型號名后面的數(shù)字表示位存儲容量。在單片機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲器用于存放可隨時修改的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展使用隨即存儲器芯片，隨機(jī)存儲器(Random Access Memory)簡稱 RAM。對 RAM 可以進(jìn)行讀/寫兩種操作，但 RAM 是易失性存儲器，斷電后所存信息消失。MCS51 單片機(jī)的內(nèi)部有 128 個字節(jié) RAM。在實(shí)際的應(yīng)用中，僅靠片內(nèi) RAM 往往是不夠用的，必須擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)存儲器（SRAM）和動態(tài)存儲器（DRAM），在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，外擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器都采用靜態(tài)存儲器。所擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器空間地址，有 P2 口提供高 8 位地址，P0 分別提供低 8 位地址和用作 8 位的雙向數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存儲器 RAM 的讀寫由單片機(jī)的 RD 和 WR 信號控制，而片外程序存儲器 EPROM 的輸出允許端由讀選通信號控制。盡管與 EPROM 共處同一地址空間，但是由于控制信號的不同，所以不會發(fā)生總線沖突。單片機(jī)系統(tǒng)中常用的 SRAM 芯片的典型型號有：611626621262256 等。它們都用單一+5V 電源供電，雙列直插封裝。在本文中選用 62256 SRSM。62256 是 32K 的低功耗靜態(tài) RAM 存儲器，用 P0 和 P2 來擴(kuò)展外部 RAM（就是用 P0 和 P2與 62256 對應(yīng)的管腳相連接），假設(shè) 接 WR， 接 RD， 接 CS，那么就可以確定一個外部 RAM 的一個地址，想往外部 RAM 的一個地址寫一個字節(jié)時，地址可以定義XBYTE[0x4000]，其中 WR、CS 為低，RD 為高，那就是到位的 4（0100 也就是 和 輸出了低電平，而 輸出了高電平，目的當(dāng)然是要選通 62256 并且向 62256 寫入數(shù)據(jù)），其它位的可以根據(jù)情況自己定。14華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)選用 275162256 芯片，引腳如圖 336 所示。圖 35圖 3627512 引腳圖62256 引腳圖開發(fā)小型簡單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時，為了方便，常在本系統(tǒng)中進(jìn)行用戶程序調(diào)試。但程序存儲器是只讀的，只能運(yùn)行程序而不能修改程序。而在數(shù)據(jù)存儲器中，卻只能修改程序而不能運(yùn)行程序，為了解決這一矛盾，可用 RAM 芯片經(jīng)過特殊連接，作為程序存儲器使用，使其既可以運(yùn)行程序，又可以修改程序，成為一個可讀/寫的程序存儲器。對于這種可讀/寫的程序存儲器，在運(yùn)行程序時，需要由程序存儲器的讀寫信號 PSEN；在修改程序時，要用到數(shù)據(jù)存儲器的讀信號 RD 和寫信號 WR?？勺x/寫程序存儲器在小型單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中有一定的使用價(jià)值，圖 37 是本監(jiān)控系統(tǒng)用到得這種可讀寫存儲器。MCS51 單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展時，一般使用 P0 口作為低 8 位，而 P2 口作為高 8 位，它共有16 根地址總線，尋址空間為 64K。62256 引腳功能：A0A14D0D7CSWEOEVCC地