【文章內(nèi)容簡介】 機已發(fā)展形成上百種系列的近千機種。以領(lǐng)跑的 Inter 公司 MCS系列單片機 為主線來看，單片機的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個階段： 19761979 年為單片機的探索階段。 1976 年 Inter 公司推出 MCS48系列單片機，將 CPU 和計算機基本功能部件集成到一個芯片上， SCM 一詞即由此而來。第一代 8 位通用單片機的誕生，開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)與通用計算機完全不同的獨立發(fā)展道路，表明 Inter 在工控領(lǐng)域的創(chuàng)新探索獲得成功。 19791982 年為單片機完善階段。 1980 年 Intel 公司在 MCS48基礎(chǔ)上推出了 MCD51 系列高性能 8 位單片機，開始配備串行通信接口 (UART)，并奠定了典型的通用總 線型的單片機架構(gòu)。單片機發(fā)展到了一個全新階段，應用領(lǐng)域更加廣泛。 19821990 年為 16 位單片機更進一步發(fā)展階段。 1983 年 Inter 公司推出了MCS96 系列單片機，將 A\D、 PWM、 WDT 等用于測控系統(tǒng)的部件內(nèi)裝在芯片中，體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。嵌入式計算機系統(tǒng)走上了單芯片化發(fā)展道路。 第 13 頁 1989 年以來為控制器的全面發(fā)展階段，單片機正朝著高性能和多品種的方向發(fā)展。 一方面，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的 8 位、 16 位、 32 位通用型單片機。 1989 年 Inter 公司推出的 i80860，采用 ，晶體管數(shù)量為 255 萬個，一度是世界上最快的超級單片機（ RISC 處理器）。 另一方面，出現(xiàn)了小型廉價的專用型單片機。隨著超大規(guī)模集成電路 (VLSI)工藝技術(shù)發(fā)展，有可能把所需的外圍電路全部裝入單片機內(nèi)，這種芯片稱為系統(tǒng)級芯片。專用單片機的發(fā)展呈 SoC 化趨勢是目前單片機的發(fā)展熱點之一。 80C51 系列單片機 此后，引領(lǐng)單片機發(fā)展的 Inter 公司忙著開發(fā)其個人計算機微處理器，將其80C51 內(nèi)核使用權(quán)轉(zhuǎn)讓給 Atmel、 Philips、 NEC、 SST、 Winbond 等著名 IC 制造商。眾多 IC 制造商競相研制和開發(fā)與 80C51 單片機兼容的各具增強特色的單片機，如 Atmel 公司的 89C51 和 89S5 Philip 公司的 P89C5 Winbond 公司的W78E51B 以及 Hyundai 公司的 GMS97C51 等。 單片機園地里品種異彩紛呈，爭奇斗艷。 80C51 變成有眾多 IC 制造商支持并開發(fā)出上百個機種的大家族，先統(tǒng)一稱其為新一代的 80C51。 水塔水箱給水設備原理 水箱給水設備系統(tǒng)由兩臺給水泵機組、水箱和三只浮球開關(guān)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21： 圖 21 水塔水箱給水控制器 結(jié)構(gòu) 圖 第 14 頁 其中 M M2 為給水泵機組， LG、 LD、 LDD 分別為水位高、水位低、水位低低浮球開關(guān)，當水位高（大于 90 開度）時， LG 閉合，當水位低（小于 75 開度）時， LD 閉合，當水位低低（小于 50 開度）時， LDD 閉合 。 80C51 單片機控制系統(tǒng)原理 80C51 單片機控制部分結(jié)構(gòu)說明 本系統(tǒng)采用 的單片機 引腳具體控制如下： P1 口和 P3 口為輸入輸出檢則信號和控制信號。 下面是芯片引腳具體分配： ：水位低低輸入信號。（低 0，高 1） ：水位低輸入信號。（低 0，高 1） ：水位 高輸入信號。（高 1，低 0） ：手動與自動轉(zhuǎn)換輸入信號。（手動 1，自動 0） ： M1 起動 KM1 控制輸出信號。（手動 1，自動 0） ： M2 起動 KM1 控制輸出信號。（手動 1，自動 0） ： M1 開關(guān)狀態(tài)輸入信號。（開 0，關(guān) 1） ： M2 開關(guān)狀態(tài)輸入信號。（開 0，關(guān) 1） ：水位低低報警輸出信號。 ：水位低報警輸出信號。 ：水位高報警輸出信號。 ：手動起動 M1 輸入信號，低電頻有效動作。 ：手動起動 M2 輸入信號，低電頻有效動作。 ：手動停 M1輸入信號，低電頻有效動作。 ：手動停 M2輸入信號，低電頻有效動作。 單片機水箱控制系統(tǒng)工作原理 當水箱水位低時，起動 M M2給水，水位上升到 90%，停 M1； 當水箱水位低低（小于 50%）時，同時起動 M M2； 當水位上升到 50%以上 70%以下時，停 M2， M1 繼續(xù)運行到水位上升到 90%以第 15 頁 上才停止工作。 經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到以下數(shù)據(jù)： 水位從 50%70%，兩臺泵運行需要約 10 分鐘； 水位從 70%90%，一臺泵運行需要約 15 分鐘。 水箱的水位一般保持 在 70%90%。 報警控制如下： 當水位高與 90 開度的時候，由傳感器經(jīng)變送器發(fā)送信號， LG 閉合，系統(tǒng)水位高報警。 當水位低于 75 開度的時候，由傳感器經(jīng)變送器發(fā)送信號， LD 閉合，系統(tǒng)水位低報警。 當水位低與 50 開度的時候，由傳感器經(jīng)變送器發(fā)送信號， LDD 閉合，系統(tǒng)水位低低報警。 手動 /自動模式轉(zhuǎn)換控制如下： 全自動模式下，系統(tǒng)自動判斷水位的狀況，選擇不同的工作狀態(tài)。 手動的模式下，兩臺給水泵的運行控制可由人工自己操作。 第 16 頁 第三章 單片機水塔水箱水位控制器硬件設計 單片 機水塔水箱水位控制器系統(tǒng)硬件簡介 數(shù)據(jù)采集及處理模塊 單片機是則量系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換中心，此控制器采用的是 80C51 單片機在全靜態(tài)工作時振蕩器頻率為 0～ 12MHz。 目前， 8051 單片機在工業(yè)檢則控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應用，因此我們可以在許多單片機應用領(lǐng)域中，配接各種外部設備，完成工業(yè)自動化的實現(xiàn)。 89C51是 Intel 公司生產(chǎn)的一種單片機，在一小塊芯片上集成了一個微型計算機的各個組成部分。每一個單片機包括：一個 8 位的微型處理器 CPU；一個 256K 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM；片內(nèi)程序存儲器 ROM；四個 8 位并行的 I/O 接口 P0P3；兩個定時器 /記數(shù)器；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工 UART 的串行 I/O 口；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率是 12MHZ。以上各個部分通過內(nèi)部總線相連接。下面簡單介紹下其各個部分的功能。 中央處理器 CPU 是單片微型計算機的指揮、執(zhí)行中心，由它讀人用戶程序，并逐條執(zhí)行指令，它是由 8 位算術(shù)／邏輯運算部件 (簡稱 ALu)、定時／控制部件，若干寄存器 A、 B、 B5w、 5P 以及 16 位程序計數(shù)器 (Pc)和數(shù)據(jù)指針寄存器 (DM)等主要部件組成。算術(shù)邏輯單元的硬件結(jié)構(gòu)與典型微型機相似。它具有對 8位信息進行 +、 、 x、 / 四則運算和邏輯與、或、異或、取反、清“ 0”等運算，并具有判跳、轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)傳送等功能，此外還提供存放中間結(jié)果及常用數(shù)據(jù)寄存器。控制器部件是由指令寄存器、程序計數(shù)器 Pc、定時與控制電路等組成的。指令 寄存器中存放指令代碼。枷執(zhí)行指令時，從程序存儲器中取來經(jīng)譯碼器譯碼后，根據(jù)不同指令由定時與控制電路發(fā)出相應的控制信號，送到存儲器、運算器或 I／o 接口電路，完成指令功能。程序計數(shù)器 Pc 程序計數(shù)器 Pc 用來存放下一條將要執(zhí)行的指令，共 16位．可對以 K字節(jié)的程序存儲器直接尋址 c 指令執(zhí)行結(jié)束后， Pc 計數(shù)器自動增加，指向下一條要執(zhí)行的指令地址。 數(shù)據(jù)存儲器， RAM，片內(nèi)為 128B,片外最多可外擴 64KB。數(shù)據(jù)存儲器來存儲第 17 頁 單片機運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等。片內(nèi)的 128B 的 RAM，以高 速 RAM 的形式集成在單片機內(nèi)，可以加快單片機運行的速度，而且這種結(jié)構(gòu)的 RAM 還可以降低功耗。 程序存儲器， ROM，用來存儲程序， 80C51 為 4KB ROM。如果片內(nèi)只讀存儲器的容量不夠，則需要用擴展片只讀存儲器，片外最多可以擴展到 64KB。 中斷系統(tǒng)，具有 5 個中斷源， 2 級中斷優(yōu)先權(quán)。 定時器 /計數(shù)器，片內(nèi)有 2個 16 位的定時器 /計數(shù)器，具有 4 種工作方式。在單片機的應用中，往往需要精確的定時，或?qū)ν獠渴录M行計數(shù)，因而需在單片機內(nèi)部設置定時器 /計數(shù)器部件。 串行口， 1個全雙工的串行口，具有 4中工作方式?？捎脕磉M 行串行通信，擴展并行 I/O 口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。 特殊功能寄存器， SFR，共有 21 個，用于 CPU 對片內(nèi)各功能部件進行管理、控制、監(jiān)視。 單片機的時序功能： 時鐘電路 ： 80C51 片內(nèi)設有一個由反向放大器所構(gòu)成的振蕩電路， XTALI 和XTAL2 分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。 時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。采用內(nèi)部方式時，在 C1 和 C2引腳上接石英晶體和微調(diào)電容可以構(gòu)成振蕩器， 振蕩頻率的選擇范圍為 1． 2—12MHZ 在使用外部時鐘時， XTAL2 用來輸入外部 時鐘信號，而 XTALI 接地。 時序 ： 80C51 單片機的一個執(zhí)器周期由 6個狀態(tài) (s1— s6)組成，每個狀態(tài)又持續(xù) 2個接蕩周期，分為 P1 和 P2兩個節(jié)拍。這樣，一個機器周期由 12個振蕩周期組成。 若采用 12MHz 的晶體振蕩器，則每個機器周期為 1us，每個狀態(tài)周期為 1／6us；在一數(shù)情況下，算術(shù)和邏輯操作發(fā)生在 N 期間，而內(nèi)部寄存器到寄存器的傳輸發(fā)生在 P2 期間。 對于單周期指令，當指令操作碼讀人指令寄存器時，使從 S1P2[8]開始執(zhí)行指令。如果是雙字節(jié)指令，則在同一機器周期的 s4 讀人第二字節(jié)。若為單字節(jié)指令，則在 51 期間仍進行讀，但所讀入的字節(jié)操作碼被忽略，且程序計數(shù)據(jù)也不第 18 頁 加 1。在加結(jié)束時完成指令操作。 多數(shù) Mcs— 51 指令周期為 1— 2 個機器周期，只有乘法和除法指令需要兩個以上機器周期的指令，它們需 4 個機器周期。 對于雙字節(jié)單機器指令，通常是在一個機器周期內(nèi)從程序存儲器中讀人兩個字節(jié)，但 Movx 指令例外， Movx 指令是訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的單字節(jié)雙機器周期指令，在執(zhí)行 Movx 指令期間，外部數(shù)據(jù)存儲器被訪問且被選通時跳過兩次取指操作。下面是 80C51 單片機的振蕩電路。圖如 3