【文章內(nèi)容簡介】 了三個系列： MCS48 系列 8 位單片機、 MCS51 系列高檔 8 位單片機、MCS96/98 系列 16 位單片機。 很多控制 場合并不需要單片機去完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，因此單片機在生產(chǎn)工藝上進(jìn)行了簡化，降低了制造成本。同時采用大批量生產(chǎn)，成本進(jìn)一步降低。從目前市場上來看，其價格一般都在幾元到幾十元之間。 未來單片機技術(shù)的發(fā)展趨勢將以 8 位 單片機主流，并大力發(fā)展專用單片機。很多單片機生產(chǎn)廠家充分考慮到用戶的需求，將一些常用的功能部件，如 ADC（模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器）、 DAC（數(shù) /模轉(zhuǎn)換器）、 PWN（脈沖產(chǎn)生器）以及 LCD（液晶）驅(qū)動器等集成到芯片內(nèi)部、盡量做到單片化；同時，用戶還可以提出要求，由廠家為其量身定做（ SoC 設(shè)計）或自主設(shè)計。另外，隨 著科技發(fā)展，程序存儲器的容量將進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)存儲空間足夠大時，可嵌入一些軟件（如平臺軟件、虛擬外設(shè)軟件、系統(tǒng)診斷管理軟件等）以提高系統(tǒng)開發(fā)效率。 51 系列 單片機的 主要 特點 51 系列單片機生產(chǎn)廠家非常多，型號也非常豐富。但總的來說， 51 系列的單片機開發(fā)平臺都可以用 Keil，編程軟件都可以用 A51 和 C51。所不同的是 ，不同廠家和型號的產(chǎn)品，在外設(shè)和下載方式上不同。比如 Atmel 公司的 89C51 和 89S51， 89S51 兼容 89C51，不同的是 89C51 可以用 ISP 下載方式，而 89S51 不能。 51 系列單片機的特點 有 以下幾個方面： （ 1） 集成度高、體積小、有很高的可靠性； （ 2） 控制功能強； （ 3） 低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品； （ 4） 外部總線增加了 I2C、 SPI 等串行總線方式 ，進(jìn)一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)； （ 5） 單片機的系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 溫州大學(xué)甌江學(xué)院本科畢業(yè)論文 6 寄存器 A/B/C/D 控制字格式如表 21 所示 ： 表 21 寄存器 A/B/C/D 控制字格式 寄存器 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 寄存器 A UIP DV2 DV1 DV0 RS3 RS2 RS1 RS0 寄存 器 B SET PIE AIE UIE SQWF DM 24/12 DSE 寄存器 C IRQF PF AF UF 0 0 0 0 寄存器 D VRT 0 0 0 0 0 0 0 單片機 特性及基本電路 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除： 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1” 且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 復(fù)位電路 （圖 21） ： MCS51 單片機復(fù)位 電路 是指 單片機的初始化操作。單片機啟運運行時，都需要先復(fù)位，其作用是使 CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的 外部電路才能實 現(xiàn) [5]。 溫州大學(xué)甌江學(xué)院本科畢業(yè)論文 7 圖 21 復(fù)位電路 （ 1） 復(fù)位 功能： 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)一定的延時才撤銷復(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。 單片機的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳 RST 通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位（如圖 22(a)）和按鈕復(fù)位 (如圖 22(b))兩種方式。 圖 22 復(fù)位電路的 2 種接法 （ 2） 單片機復(fù)位后的狀態(tài) ： 單片機的復(fù)位操作使單片機進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數(shù)器 PC＝ 0000H，這表明程序從 0000H 地址單元開始執(zhí)行。單片機冷啟動后，片內(nèi) RAM為隨機值，運行中的復(fù)位操作不改變片內(nèi) RAM 區(qū)中的內(nèi)容， 21 個特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)為確定值，見表 22。 值得指出的是，記住一些特殊功能寄存器復(fù)位后的主要狀態(tài)，對于了解單片機的初態(tài)，減少應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。 說明： 表中符號 *為隨機狀態(tài)； 表 22 寄存器復(fù)位后狀態(tài)表 特殊功能寄存器 初始狀態(tài) 特殊功能寄存器 初始狀態(tài) 溫州大學(xué)甌江學(xué)院本科畢業(yè)論文 8 A B PSW SP DPL DPH P0— P3 IP IE 00H 00H 00H 07H 00H 00H FFH ***00000B 0**00000B TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF SCON PCON 00H 00H 00H 00H 00H 00H 不定 00H 0********B PSW＝ 00H，表明選寄存器 0 組為工作寄存器組； SP＝ 07H，表明堆棧指針指 向片內(nèi) RAM 07H 字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作的先加后壓法則，第一個被壓入的內(nèi)容寫入到 08H 單元中；PoP3＝ FFH，表明已向各端口線寫入 1，此時，各端口既可用于輸入又可用于輸出 。 IP＝ 00000B ，表明各個中斷源處于低優(yōu)先級； IE＝ 000000B ，表明各個中斷均被關(guān)斷； 系統(tǒng)復(fù)位是任何微機系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下。 51 單片機的復(fù)位是由 RESET 引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過 24 個振蕩周期后， 51單片機即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到 RESET引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。 51單片機在系統(tǒng)復(fù)位時，將其內(nèi)部的一些重要寄存器設(shè)置為特定的值，至于內(nèi)部 RAM 內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。 晶振電路 （圖 23） ： 晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。 AT89C51 單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和 XTAL2分別是此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晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 30μ F。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工 作 。 晶振有一個重 要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。 溫州大學(xué)甌江學(xué)院本科畢業(yè)論文 9 圖 23 晶振電路 DAC0832 模塊 (1) D7～ D0： 8 位的數(shù)據(jù)輸入端， D7為最高位。 (2) IOUT1：模擬電流輸出端 1，當(dāng) DAC 寄存器 中數(shù)據(jù) 全為 1 時，輸出電流最大，當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù) 全為 0 時，輸出電流為 0。 (3) IOUT2：模擬電流輸出端 2， IOUT2與 IOUT1的和為一個常數(shù)，即 IOUT1＋ IOUT2＝常數(shù)。 (4) RFB：反饋電阻引出端， DAC0832 內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以 RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間。 (5) VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接一個負(fù)電壓，它決定 0 至 255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度， VREF范圍為 (+10～ 10)V。 VREF端與 D/A 內(nèi)部T 形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 (6) Vcc：芯片供電電壓，范圍為 (+5~ 15)V。 (7) AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。 (8) DGND：數(shù)字量地。 當(dāng) WR2 和 XFER 同時有效時， 8 位 DAC 寄存器端為高電平 “1”，此時 DAC 寄存器的輸出端 Q 跟隨輸入端 D 也就是輸入寄存器 Q 端的電平變化；反之，當(dāng)端為低電平 “0”時，第一級 8 位輸入寄存器 Q 端的狀態(tài)則鎖存到第二級 8 位 DAC 寄存器中，以便第三級 8 位DAC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。 一般情況下為了簡化接口電路，可以把和直接接地 ，使第二級 8 位 DAC 寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級 8 位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式 。 制作低頻信號發(fā)生器有許多方案：主要有單緩沖方式，雙緩沖方式和直通方式。 單緩沖方式 具有 適用于只有一路模擬信號輸出或幾路模擬信號非同步輸出的情形的優(yōu)點 ，但是 電路線路連接比較簡單 。而 雙緩沖方式適用于在需要同時輸出幾路模擬信號的場合 ， 每一路模擬量輸出需一片 DAC0832 芯片，構(gòu)成多個 DAC0832 同步輸出電路 ， 程序簡單化 ，但是 電路線路連接 比較復(fù)雜。根據(jù)以上分析，我們的課題選擇了單緩沖方式使用溫州大學(xué)甌江學(xué)院本科畢業(yè)論文 10 方便，程序簡單，易操作。 DAC0832 主要是用于波形的數(shù)據(jù)的傳送，是本 題 目電路中的主要芯片 D/A 轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)： ：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分 0～ 2n1共 2n 個輸入數(shù)字量。表示方法： （ 1）用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；如 8位。 （ 2) 用輸出模擬電壓的最小值與最大值的比值表示。指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。 DAC0808 的分辨率為 1/256。 2．精度： DAC 實際輸出電壓與理想的輸出電壓的偏差。 DAC0808 的最大滿刻度偏差為 +1LSB 。 3．線性度： DAC 實際傳輸特性曲線與理想的傳輸特性曲線的偏差。 DAC0808 的最大誤差為 +% 。 4．溫度靈敏度：在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高 1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。 5．轉(zhuǎn)換速度：用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間 —— 建立時間 Tset 來衡量。建立時間：輸入信號從開始變化到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差 1/2LSB 范圍以內(nèi)的時間。輸入信號由全 0變?yōu)槿?1所需時間最長。當(dāng)外接運放時，轉(zhuǎn)換時間還應(yīng)加上運放的上升（下降）時間。 ? ? ? ?ROsTR SVtT m axm ax ?? 式中 ? ?maxTRT 為轉(zhuǎn)換時間 ， st 為建立時間， ? ?maxoV 輸出最大電壓值， RS 為運放輸出轉(zhuǎn)換速率。 溫州大學(xué)甌江學(xué)院本科畢業(yè)論文 11 3 總體設(shè)計方案及 硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本次設(shè)計 所研究的就是 對所需要的某種波形輸出對應(yīng)的數(shù)字信號，在通過 D/A 轉(zhuǎn)換器和單片機部分的 轉(zhuǎn)換輸出一組連續(xù)變化的 0~5V 的電壓脈沖值。在通過顯示部分顯示其頻率，和波形。在設(shè)計時分塊來做，按照波形設(shè)定， D/A 轉(zhuǎn)換， 51 單片機連接，鍵盤控制和顯示五個模塊的設(shè)計。最后通過聯(lián)調(diào)仿真，做出電路板成品。從而簡化人機交互的問題，具體設(shè)計模塊如圖 31 所示： 模塊介紹： ：對任意波形的手動設(shè)定 。 ：主要選用 DAC0832 來把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號 。 ：最小系統(tǒng) 。 ：用按鍵來控制輸出波形的種類和 頻率。 ：采用 LCD顯示波形的 類型以及 頻率 。 系統(tǒng)要求是便攜式低功耗的，所以在硬件電路建立前首先粗略計算一下整個系統(tǒng)所