【文章內(nèi)容簡介】 One Time Programble）及各種類型片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi)，推動(dòng)了單片機(jī) “ 單片 ” 應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是I C、 SPI 等串行總線的引入，可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)： 一、 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) ： 目前，單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有兩種類型：一種是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開使用， 即哈佛（ Harvard）結(jié)構(gòu)，當(dāng)前的單片機(jī)大都是這種結(jié)構(gòu)。另一種是采用和 PC 機(jī)的 馮 .諾依曼（ Von Neumann）類似的原理，對(duì)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不作邏輯上的區(qū)分， 即普林斯頓（ Princeton）結(jié)構(gòu)。 一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五個(gè)部分構(gòu)成的。 單片機(jī)是嚴(yán)格按照程序?qū)Ω鞣N數(shù)據(jù)整形或者輸入信息進(jìn)行自動(dòng)加工處理的，因此必須把程序及數(shù)據(jù)用輸入設(shè)備送入微型計(jì)算 機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，處理完成后還要把結(jié)果用輸出設(shè)備送出來，其中運(yùn)算器完成程序中規(guī)定的各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作，而為了使微型計(jì)算 11 機(jī)的各內(nèi)部有條不紊地工作，必須由控制器理解程序的意圖，并指揮各部件協(xié)調(diào)完成規(guī)定的動(dòng)作。 二、 單片機(jī)的特點(diǎn)： 單片機(jī)除了具有體積小、價(jià)格低、性能強(qiáng)大、速度快、用途廣、靈活性強(qiáng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)外，與通用微機(jī)相比，在硬件結(jié)構(gòu)和指令上還具有以下獨(dú)特之處。 (1)存儲(chǔ)器 RAM 和 ROM 是嚴(yán)格分工的。 ROM 作為程序存儲(chǔ)器 ,只存放程序、常數(shù)和數(shù)據(jù)表格 ,而 RAM 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ,存放臨時(shí)數(shù)據(jù)和變量。這樣的 方案更適用實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。配置較在的 ROM 存儲(chǔ)空間，將已調(diào)好的程序固化，不僅掉電時(shí)程序不丟失，還避免了程序被破壞，從而確保了程序安全性。實(shí)時(shí)控制僅需容量較小的 RAM，用于存放少量隨機(jī)數(shù)據(jù)，這樣有利于提高單片機(jī)的操作速度。 (2)采用面向控制的指令系統(tǒng)。在時(shí)控制尤其是位操作方面單片機(jī)有不小的優(yōu)勢。 (3)輸入 /輸出端口通常設(shè)計(jì)有多種功能。 (4)品種規(guī)格的系列化。屬于同一個(gè)產(chǎn)品系列不同型號(hào)的單片機(jī)，通常具有相同的內(nèi)核或兼容的指令系統(tǒng)。其主要差別僅在片內(nèi)配置了一些不同種類或不同數(shù)量的功能部件以適應(yīng)不同的被控對(duì)象。 (5)單片機(jī)的硬件功能具有廣泛的通用性。 單片機(jī)智能化產(chǎn)品中以單片機(jī)為核心組成的硬件電路，稱為單片機(jī)系統(tǒng)。嵌入相應(yīng)的應(yīng)用軟件的單片機(jī)系統(tǒng)稱為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 8051 單片機(jī)的簡介： 8051 系列是目前在應(yīng)用中最為流行的單片機(jī)之一，它廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)控制、智能家電等許多領(lǐng)域中。 8051 系列單片機(jī)得到了 Intel 等許多大公司的支持，并紛紛開發(fā)出了兼容的多種芯片。 8051 單片機(jī)技術(shù)也是廣大科技人員進(jìn)行實(shí)際開發(fā)的必備技能。因此采用8051 系列單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)的項(xiàng)目具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。本設(shè)計(jì)采用 8051 單 片機(jī)作為控制芯片，在設(shè)計(jì)之前需要掌握其性能和結(jié)構(gòu)。 8051 單片機(jī)的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)其基本特性如下： 8 位 CPU、片內(nèi)振蕩器 ， 4k字節(jié) ROM、 128 字節(jié) RAM ， 21 個(gè)特殊功能寄存器 ， 32根 I/O 線 ， 可尋址的 64k 字節(jié)外部數(shù)據(jù)、程序存貯空間 ， 2 個(gè) 16 位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器 。 中斷結(jié)構(gòu)：具有二個(gè)優(yōu)先級(jí)、五個(gè)中斷源 。 一個(gè)全雙口串行口 。 位尋址（即可尋找某位的內(nèi)容）功能，適于按位進(jìn)行邏輯運(yùn)算的位處理器。除 128 字節(jié) RAM、 4k 字節(jié) ROM 和中斷、串行口及定時(shí)器模塊外，還有 4 組 I/O 口 P0～ P3，余下的就是 CPU的全 部組成。把 4kROM 換為 EPROM 就是 8751 的結(jié)構(gòu)，如去掉 ROM/EPROM部分即為 8031 的框圖，如果將 ROM 置換為 Flash 存貯器或 EEPROM，或再省去某些 I/O，即可得到 51 系列的派生品種，如 89C5 AT89C2051 等單片機(jī)的框圖。 單片機(jī)各部分是通過內(nèi)部的總線有機(jī)地連接起來的 。 單片機(jī) 8051 的 CPU由運(yùn)算器和控制器組成 ： 12 一、 運(yùn)算器 運(yùn)算器以完成二進(jìn)制的算術(shù) /邏輯運(yùn)算部件 ALU 為核心，再加上暫存器 TMP、累加器ACC、寄存器 B、程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器 PSW 及布爾處理器。累加器 ACC 是一 個(gè)八位寄存器，它是 CPU 中工作最頻繁的寄存器。在進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算時(shí)，累加器 ACC 往往在運(yùn)算前暫存一個(gè)操作數(shù)（如被加數(shù)），而運(yùn)算后又保存其結(jié)果（如代數(shù)和）。寄存器 B 主要用于乘法和除法操作。標(biāo)志寄存器 PSW 也是一個(gè)八位寄存器，用來存放運(yùn)算結(jié)果的一些特征，如有無進(jìn)位、借位等。其每位的具體含意如下所示。 PSW CY AC FO RS1 RS0 OV － P 對(duì)用戶來講，最關(guān)心的是以下四位。 進(jìn)位標(biāo)志 CY（ PSW 7）。它表示了運(yùn)算是否有進(jìn)位（或借位）。如果操作結(jié)果在最高位有進(jìn)位（加法）或者借位（減法），則該位為 1，否則為 0。 輔助進(jìn)位標(biāo)志 AC。又稱半進(jìn)位標(biāo)志，它反映了兩個(gè)八位數(shù)運(yùn)算低四位是否有半進(jìn)位，即低四位相加（或減）有否進(jìn)位（或借位），如有則 AC 為 1狀態(tài)，否則為 0。 溢出標(biāo)志位 OV。 MCS－ 51 反映帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算結(jié)果是否有溢出，有溢出時(shí)，此位為 1，否則為 0。 奇偶標(biāo)志 P。反映累加器 ACC 內(nèi)容的奇偶性，如果 ACC 中的運(yùn)算結(jié)果有偶數(shù)個(gè) 1（如11001100B，其中有 4 個(gè) 1），則 P為 0，否則， P=1。 二、 控制器 控制器是 CPU的神經(jīng)中樞，它包括定時(shí)控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、地址指針 DPTR 及 程序計(jì)數(shù)器 PC、堆棧指針 SP 等。這里程序計(jì)數(shù)器 PC 是由 16 位寄存器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器。要單片機(jī)執(zhí)行一個(gè)程序，就必須把該程序按順序預(yù)先裝入存儲(chǔ)器 ROM 的某個(gè)區(qū)域。單片機(jī)動(dòng)作時(shí)應(yīng)按順序一條條取出指令來加以執(zhí)行。因此，必須有一個(gè)電路能找出指令所在的單元地址，該電路就是程序計(jì)數(shù)器 PC。當(dāng)單片機(jī)開始執(zhí)行程序時(shí)，給 PC 裝入第一條指令所在地址，它每取出一條指令（如為多字節(jié)指令，則每取出一個(gè)指令字節(jié)），PC 的內(nèi)容就自動(dòng)加 1，以指向下一條指令的地址，使指令能順序執(zhí)行。只有當(dāng)程序遇到轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用指令，或遇到中斷時(shí)（后面將介 紹）， PC 才轉(zhuǎn)到所需要的地方去。 8051 CPU碢 C 指定的地址，從 ROM 相應(yīng)單元中取出指令字節(jié)放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號(hào)，這些信號(hào)與單片機(jī)時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖在定時(shí)與控制電路中相結(jié)合，形成按一定時(shí)間節(jié)拍變化的電平和時(shí)鐘，即所謂控制信息，在 CPU內(nèi)部協(xié)調(diào)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)算等操作。 三、存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是單片機(jī)的又一個(gè)重要組成部分 ， 其中每個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)一個(gè)地址， 256 個(gè)單元共有 256 個(gè)地址，用兩位 16 進(jìn)制數(shù)表示，即存儲(chǔ)器的地址（ 00H～ FFH）。 存儲(chǔ)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元可存放一個(gè)八位二進(jìn)制信息，通常用兩位 16 進(jìn)制數(shù)來表示，這就是存儲(chǔ)器的內(nèi)容。存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元地址和存儲(chǔ)單元的內(nèi)容是不同的兩個(gè)概念，不能混淆。 （一） 程序存儲(chǔ)器 程序是控制計(jì)算機(jī)動(dòng)作的一系列命令，單片機(jī)只認(rèn)識(shí)由 “0”和 “1”代碼構(gòu)成的機(jī)器指令。如前述用助記符編寫的命令 MOV A，＃ 20H，換成機(jī)器認(rèn)識(shí)的代碼 74H、 20H（寫成二進(jìn) 13 制就是 01110100B 和 00100000B）。在單片機(jī)處理問題之前必須事先將編好的程序、表格、常數(shù)匯編成機(jī)器代碼后存入單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，該存儲(chǔ)器稱為程序存儲(chǔ)器。程 序存儲(chǔ)器可以放在片內(nèi)或片外，亦可片內(nèi)片外同時(shí)設(shè)置。由于 PC 程序計(jì)數(shù)器為 16 位，使得程序存儲(chǔ)器可用 16 位二進(jìn)制地址，因此，內(nèi)外存儲(chǔ)器的地址最大可從 0000H 到 FFFFH。 8051 內(nèi)部有 4k字節(jié)的 ROM，就占用了由 0000H～ 0FFFH 的最低 4k個(gè)字節(jié)，這時(shí)片外擴(kuò)充的程序存儲(chǔ)器地址編號(hào)應(yīng)由 1000H 開始，如果將 8051 當(dāng)作 8031 使用，不想利用片內(nèi) 4kROM，全用片外存儲(chǔ)器，則地址編號(hào)仍可由 0000H 開始。不過，這時(shí)應(yīng)使 8051 的第 {31}腳（即EA 腳）保持低電平。當(dāng) EA 為高電平時(shí)，用戶在 0000H 至 0FFFH 范圍內(nèi)使用內(nèi)部 ROM，大于 0FFFH 后，單片機(jī) CPU自動(dòng)訪問外部程序存儲(chǔ)器。 （ 二 ） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由讀寫存儲(chǔ)器 RAM 組成。其最大容量可擴(kuò)展到 64k，用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)輸入的數(shù)據(jù)。 8051 內(nèi)部有 256 個(gè)單元的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中 00H～ 7FH 為內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM， 80H～ FFH 為專用寄存器區(qū)。實(shí)際使用時(shí)應(yīng)首先充分利用內(nèi)部存儲(chǔ)器，從使用角度講，搞清內(nèi)部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和地址分配是十分重要的。 8051 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址由 00H 至 FFH 共有 256 個(gè)字節(jié)的地址空間，該空間被分為兩部分，其中內(nèi)部數(shù)據(jù) RAM的地址為 00H～ 7FH（即 0～ 127）。而用做特殊功能寄存器的地址為 80H～ FFH。在此 256個(gè)字節(jié)中，還開辟有一個(gè) “位地址 ”區(qū)，該區(qū)域內(nèi)不但可按字節(jié)尋址，還可按 “位（ bit） ”尋址。對(duì)于那些需要進(jìn)行位操作的數(shù)據(jù)，可以存放到這個(gè)區(qū)域。從 00H 到 1FH 安排了四組工作寄存器，每組占用 8 個(gè) RAM 字節(jié)，記為 R0～ R7。究竟選用那一組寄存器，由前述標(biāo)志寄存器中的 RS1 和 RS0 來選用。在這兩位上放入不同的二進(jìn)制數(shù)，即可選用不同的寄存器組。 （三） 特殊功能寄存器 特殊功能寄存器（ SFR）的地址范圍為 80H～ FFH。在 MCS－ 51 中，除程序計(jì)數(shù)器PC 和四個(gè)工作寄存器區(qū)外，其余 21 個(gè)特殊功能寄存器都在這 SFR 塊中。其中 5 個(gè)是雙字節(jié)寄存器，它們共占用了 26 個(gè)字節(jié)。特殊功能寄存器反映了 8051 的狀態(tài)，實(shí)際上是8051 的狀態(tài)字及控制字寄存器。這些特殊功能寄存器大體上分為兩類，一類與芯片的引腳有關(guān)，另一類作片內(nèi)功能的控制用。與芯片引腳有關(guān)的特殊功能寄存器是 P0～ P3，它們實(shí)際上 是 4 個(gè)八位鎖存器（每個(gè) I/O 口一個(gè)），每個(gè)鎖存器附加有相應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器就構(gòu)成了一個(gè)并行口。 MCS－ 51 共有 P0～ P3 四個(gè)這樣的并行口，可提供 32 根I/O 線，每根線都是雙向的，并且大都有第二功能。 14 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)： 通過 8051單片機(jī)的輸出脈沖控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加速，減速和停止，并將步進(jìn)電機(jī)與升旗裝置連接，控制旗幟的運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降旗系統(tǒng)。 8051 單片機(jī)的開發(fā) 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)隨其用途不同，其硬件和軟件均不同。單片機(jī)最初的選型很重要，原 則上是選擇高性價(jià)比得單片機(jī)。硬件軟件化是提高系統(tǒng)性價(jià)比的有效方法，盡量減少硬件成本，多用軟件實(shí)現(xiàn)相同的功能，這樣也可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。但是過度的軟件化會(huì)占用大量的 CPU空間 ,造成執(zhí)行效率的降低。所以，要合理的分配軟硬件在系統(tǒng)中的比例，提高性價(jià)比。 單片機(jī)的系統(tǒng)的開發(fā)步驟一般分為總體設(shè)計(jì)、硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件的編制和仿真等幾個(gè)部分，具體步驟如下： 15 圖 Mcs51開發(fā)流程圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的組成 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器又稱步進(jìn)電機(jī)控制器，主要由單片機(jī)、晶振電路、 8K RAM 存儲(chǔ)模塊、光電隔離等電路組成，如圖 2所示。 (1)晶振電路 N 開始 依功能要求決定軟硬件的設(shè)計(jì)方式（比重，取舍） 編 輯 /修改源程序 編譯 編譯結(jié)果有錯(cuò)誤 連接 使用單片機(jī)仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬，除錯(cuò) 動(dòng)作符合要求？ 將程序利用燒錄器燒錄到單片機(jī)上 結(jié)束 制作 /修改硬件電路 測試正常 Y N Y N 16 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。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(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 3 所示 。 本系統(tǒng)選 C1 和 C2值為 30pF。 圖 外部振蕩 (2)光電隔離電路 利用光隔離器組成的光電隔離電路將控制器與外部的驅(qū)動(dòng)電路隔離開來，使得外部電路的變化不至于影響或者損壞控制系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)抗千擾能力。光隔離器最重要的參數(shù)是電流傳輸比 CTR，應(yīng)注意通常其值為 ^ 號(hào)提供一定的電流 (510mA)時(shí)，光隔離器才會(huì)把放大的數(shù)字電平輸出。 光隔離器聯(lián)結(jié)時(shí)注意信號(hào)正負(fù)邏輯。光隔離器的輸入、輸出端地線必須互相隔開，并且輸入、輸出端兩個(gè)電源