【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 CPU、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。它只需要和適當(dāng)?shù)能浖屯獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可以成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。外部定時(shí) 元件 系統(tǒng)時(shí) 鐘復(fù) 位中斷電源接地R O MC P UR A M并 行I / O串行I / O定 時(shí)期/ 計(jì)時(shí) 器T x DR x DT圖 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)3AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51 具有如下特點(diǎn)：40 個(gè)引腳，4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷，2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2 個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 MCS51 單片機(jī)引腳介紹P101 P112P123 P134P145P167 P178 P156RESET9RXD10TXD11INT012 INT113T014 T115WR16RD17 X218X119 GND20P20 21P2122P22 23P23 24P24 25P2526P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30EA/VP 31P07 32P0633P05 34P04 35P0336P02 37P00 39P01 38VCC 40圖 單片機(jī)芯片引腳引腳信號(hào)功能介紹：（1）電源引腳 GND 和 VCCGND 為電壓接地端, V CC為+5v 電源端.（2）時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2XTAL1 和 XTAL2 是外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線用于外接石英晶體振蕩器和電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào) 。 （3）控制信號(hào)引腳 ALE、 、 和 RSTPSENA4①ALE/ PROG此引腳是地址鎖存控制信號(hào)。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 用于鎖存出現(xiàn)在 P0 口的低 8 位地址，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。② SEN此引腳是片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。③ /VPPA此引腳是訪問外部程序存儲(chǔ)器的控制信號(hào)，低電平有效。④RST/V PD此引腳是復(fù)位信號(hào)，高電平有效、當(dāng)此輸入端保持 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，就可以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。此引腳的第二功能 VPD為備用電源輸入端。（4）I／O(輸入/輸出)端口。（Port）P0、PP2 和 P3這四個(gè)口均可作為雙向通用的 I/O 口用。另外，P3 口的第二功能見表1。 表 1 P3 口引腳信號(hào)的第二功能 穩(wěn)壓電源電源提供的電壓往往會(huì)隨交流電源電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變化而變化。電壓的不穩(wěn)定有時(shí)會(huì)產(chǎn)生測(cè)量和計(jì)算的誤差，引起控制裝置的工作不穩(wěn)定，甚至根本無法正常工作。特別是在精密電子測(cè)量?jī)x器、自動(dòng)控制、計(jì)算裝置及晶閘管的觸發(fā)電路等都要求有很穩(wěn)定的直流電源供電。 RxD 串行數(shù)據(jù)接收 TxD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 0INT外部中斷 0 申請(qǐng) 1外部中斷 1 申請(qǐng) T0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)輸入 T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)輸入 WR外部寫選通 D外部讀選通5圖 時(shí)本系統(tǒng)所采用的已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源 7805穩(wěn)壓電源的接線圖。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 24May2021 Sheet of File: D:\業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)\IEEE\業(yè)業(yè)\yuanlitu\ By:C1 C2Vin1GND2Vout 3U2 7805+12圖 7805 接線圖7805 輸出穩(wěn)定的+5V 電壓，圖 為 7805 穩(wěn)壓器的外形、管腳圖圖 7805 穩(wěn)壓器外形、管腳圖 其內(nèi)部電路也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。這種穩(wěn)壓器只有輸入端 輸出端 3 和公共端 2 三個(gè)引出端，故也稱為三端集成穩(wěn)壓器。使用時(shí)只需在其輸入端和輸出端與公共端之間各并聯(lián)一個(gè)電容即可。C1 用以抵消輸入端較長(zhǎng)接線的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激振蕩，接線不長(zhǎng)時(shí)也可不用。C2 是為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)不致引起輸出電壓有較大的波動(dòng)。Cl 一般在～1μF 之間，如 ，C2 可用 1μF。 復(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器 PC 和特殊功能寄存器的狀態(tài)都恢復(fù)到原來的初始值，等待計(jì)算機(jī)的下一步命令的狀態(tài)。RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸6入端，復(fù)位信號(hào)為高電平有效。當(dāng)高電平持續(xù) 24 個(gè)振蕩脈沖周期（兩個(gè)機(jī)器周期）以上時(shí)，單片機(jī)完成復(fù)位。外部電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)由 RST 引腳送入片內(nèi)斯密持觸發(fā)器，再由片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期對(duì)斯密特觸發(fā)器進(jìn)行采樣，然后才得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。開關(guān)復(fù)位實(shí)際上是上電復(fù)位兼按鍵手動(dòng)復(fù)位。上電復(fù)位是在單片機(jī)接通電源時(shí)，對(duì)電容充電來實(shí)現(xiàn)的。上電瞬間，RST 端的電位與 VCC相同。隨著充電電流的減小，RST 端的電位逐漸下降，只要在 RST 端有足夠長(zhǎng)的時(shí)間保持閾值電壓，AT89S51 單片機(jī)便可自動(dòng)復(fù)位。當(dāng)手動(dòng)開關(guān)常開時(shí)，為上電復(fù)位，按鍵手動(dòng)復(fù)位分為電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使 RESET 端經(jīng)電阻與 VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的，電路如圖 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25May2021 Sheet of File: D:\業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)\IEEE\業(yè)業(yè)\yuanlitu\ By:R11KR251KS3SWPB+5C31μF RESET圖 AT89S51 芯片的開關(guān)復(fù)位電路 時(shí)鐘源內(nèi)部時(shí)鐘方式是利用 AT89S51 內(nèi)部的振蕩電路，在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到 XTAL2 輸出的時(shí)鐘信號(hào)。最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外接石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，電容和一般取 30pF 左右，C1 和 C2 的大小對(duì)振蕩頻率起微調(diào)作用；晶體的諧振頻率范圍為 ～12MHz。晶體的諧振頻率越高，系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也越高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就越快。 外部時(shí)鐘方式是將外部振蕩信號(hào)源直接由 XTAL1 或 XTAL2 引腳接入。外部振蕩信號(hào)接至 XTAL2，而反相放大器的輸入端 XTAL1 接地。71 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25May2021 Sheet of File: D:\業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)\IEEE\業(yè)業(yè)\yuanlitu\ By:Y1 12MHZC430pFC530pFXTAL1XTAL2AT89S51圖 AT89S51 芯片的晶振連接圖 由 AT89S51 芯片、穩(wěn)壓電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘源等構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)。 輸入部分 用于巡線的光電傳感器介紹傳感器系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于自主移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究中。傳感器是自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)必不可少的重要組成部分之一。在完全結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中, 假設(shè)機(jī)器人知道完整準(zhǔn)確的環(huán)境信息，此時(shí)，傳感器系統(tǒng)用于引導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng), 監(jiān)控預(yù)期任務(wù)的執(zhí)行, 處理可能的意外情況。當(dāng)機(jī)器人工作于未知或動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中時(shí), 因?yàn)椴荒茴A(yù)先獲知環(huán)境的信息, 機(jī)器人完全依靠傳感器系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知環(huán)境, 并據(jù)此做出各種控制與處理決策。至今為止已經(jīng)研發(fā)了各種用途各種類型的機(jī)器人傳感器, 如用于定位的測(cè)距傳感器, 用于感知物體的聲納傳感器、激光測(cè)距傳感器等。 傳感器包含以下方面。 (1)傳感器是一種測(cè)量裝置，能夠完成一定的檢測(cè)任務(wù)； (2)它的輸入量種類很多，且多為模擬信號(hào)的非電量； (3)它的輸出量是經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電量信號(hào)，且有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系和轉(zhuǎn)換精度。 傳感器是由敏感元件、傳感元件及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路三部分組成的。其中敏感元件是在傳感器中直接感受被測(cè)量的元件，通過它可以將被測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成為與之有確定聯(lián)系的、便于轉(zhuǎn)換的非電量信號(hào)。該信號(hào)再通過傳感元件，被轉(zhuǎn)換為電參量。測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的作用就是將傳感元件輸出的電參量再轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。圖 是傳感器組成原理框圖。8 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電量電參量非電 量傳感 元件（非電量）敏感元件被測(cè)量圖 傳感器組成原理框圖 本設(shè)計(jì)采用光電傳感器，它的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后將光信號(hào)作用于光電元件而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的輸出。光電傳感器可測(cè)量的參數(shù)很多，一般情況下具有非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，并且光電傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很高的可靠性且動(dòng)態(tài)響應(yīng)極快。隨著激光光源、光柵、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器越來越廣泛地應(yīng)用于檢測(cè)和控制領(lǐng)域。圖 光電傳感器示意圖 光電傳感器信號(hào)的處理光電耦合器實(shí)際上是一種光電傳感器。光電耦合器在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用是多方面的，如光電隔離電路，長(zhǎng)傳輸線隔離器，TTL 電路驅(qū)動(dòng)器，CMOS 電路驅(qū)動(dòng)器，A/D 模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，交流、直流固態(tài)繼電器等。圖 光電傳感器信號(hào)輸出 光電耦合器的輸入部分為紅外發(fā)光二極管，可采用 TTL 或 CMOS 數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)。選用輸出部分為達(dá)林頓的光電隔離器，其電流傳輸比 CTR 可達(dá)5000%，即適用于負(fù)載較大的應(yīng)用場(chǎng)合。在采用光電耦合器驅(qū)動(dòng)電磁繼電9器的控制繞組時(shí)，應(yīng)在控制繞組兩側(cè)反向并聯(lián)二極管 D，以抑制吸動(dòng)時(shí)瞬時(shí)反電勢(shì)的干擾，從而保護(hù)輸出管。 光電耦合器的輸入部分為紅外發(fā)光二極管，可采用 TTL 或 CMOS 數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)，如圖 所示。在圖 (a)中，輸出電壓 VO受 TTL 電路反相器控制。當(dāng)反相器的輸入信號(hào)為低電平時(shí)，輸出信號(hào)為高電平，發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導(dǎo)通，V O輸出為高電平。反之 VO輸出為低電平。Rf電阻的主要作用是限制發(fā)光二極管的正向電流 If。TTL 門電流作為紅外發(fā)光二極管的控制驅(qū)動(dòng)時(shí)，其低電平最大輸入電流 Iol為 16mA,在一般情況下，取 I 為 10mA。在 TTL 門電路輸出低電平忽略不計(jì)時(shí)(一般為 左右)，Rf的計(jì)算公式為 ????RL為負(fù)載電阻，若使光電鍋臺(tái)器工作在飽和狀態(tài),取光敏三極管電流為 時(shí),R L=30kΩ，則電流傳輸比 20/?fCI 圖 (b)為 CMOS 門電路驅(qū)動(dòng)控制。當(dāng) CMOS 反相器輸出為高電平時(shí)，Q 晶體管導(dǎo)通。紅外發(fā)光二極管導(dǎo)通，光電耦合器中的輸出達(dá)林頓管導(dǎo)通，繼電器 J 吸合，其觸點(diǎn)可完成規(guī)定的控制動(dòng)作；反之，當(dāng) CMOS 門輸出為低電平時(shí)，Q 管截止，紅外發(fā)光 E 二極管不導(dǎo)通，達(dá)林頓管截止，繼電器J 處于釋放狀態(tài)。 T T L控制輸入R fU o(a)10控制輸入C M O SR fQDJV D D+ 1 5 V（b）圖 光電耦合器應(yīng)用舉例 由于 CMOS 門電路驅(qū)動(dòng)電流很小，應(yīng)加一級(jí)晶體管開關(guān)電路驅(qū)動(dòng),以滿足紅外發(fā)光二極管正向電流 If的要求。R f的計(jì)算公式為fcesDFV??式中：V DD——CMOS 門電路電源電壓。 Vf——二極管正向壓降； Vces——Q 晶體管飽和壓降。 Q 晶體管一般選用開關(guān)晶體管，其放大系數(shù) β 為 60～100，如3DK6,3DK8 等。 選用輸出部分為達(dá)林頓管的光電隔離器，其電流傳輸比 CTR 可達(dá) 5000％，即 Io=50If適用于負(fù)載較大的應(yīng)用場(chǎng)合。在采用光電耦合器驅(qū)動(dòng)電磁繼電器的控制繞組時(shí)，應(yīng)在控制繞組兩側(cè)反向并聯(lián)二極管 D，以抑制吸動(dòng)時(shí)瞬態(tài)反電勢(shì)的干擾，從而保護(hù)輸出管。 在使用光電耦合器時(shí)，應(yīng)注意區(qū)分輸入部分和輸出部分的極性，防止接反而燒壞器件。光電耦合器在電路中不應(yīng)靠近發(fā)熱元件，其工作參數(shù)不應(yīng)超過規(guī)定的極限參數(shù)。111 2 3 4ABCD4321DCBA TitleNumber RevisionSizeA4Date: 30May2021 Sheet of File: E:\PROGRAM FILES\DESIGN EXPLORER 99 SE\EXAMPLES\BACKUP~ By:光 電 傳 感 器TLP521+121K 1K+5A圖 電平轉(zhuǎn)換電路圖 圖中 A 點(diǎn)接單片機(jī)引腳。單片機(jī)與直流電機(jī)模塊的電平轉(zhuǎn)換是借助一個(gè)光電耦合隔離器件和一個(gè)繼電器組成的電路完成的。光電耦合隔離器