【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路、直流穩(wěn)壓電路等幾部分組成 ,系統(tǒng)框圖如圖2 所示。單片機(jī)系統(tǒng)選用 89C51 型號(hào)單片機(jī) , 內(nèi)含 4 K 的 ROM. 采用 8255 作為電壓輸出的擴(kuò)展接口 ,8279 作為鍵盤(pán)和顯示器的擴(kuò)展接口。 課題研究方法 直流穩(wěn)壓電源是最常用的儀器設(shè)備 , 在科研及實(shí)驗(yàn)中都是必不可少的。針對(duì)以上問(wèn)題 , 我們?cè)O(shè)計(jì)了一套以單片機(jī)為核心的智能化直流電源。該電源采用薄膜輕觸鍵盤(pán) , 可對(duì)輸出電壓及報(bào)警閾值以快慢兩種方式進(jìn)行設(shè)置 , 輸出由單片機(jī)通過(guò) D/A , 控制驅(qū)動(dòng)模塊輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓。同時(shí)穩(wěn)壓方法采用單片機(jī)閉環(huán)控制 , 單片機(jī)通過(guò) A/D 采樣輸出電壓 , 與設(shè)定值進(jìn)行比較 , 若有偏差則調(diào)整輸出 , 越限則輸出報(bào)警信號(hào)并截流。工作過(guò)程中 , 穩(wěn)壓電 源的工作狀態(tài) (輸出電壓、電流等各種工作狀態(tài) ) 均由單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng) L ED 顯示 ,多種顯示模式間 , 由鍵盤(pán)控制進(jìn)行動(dòng)態(tài)邏輯切換。 本課題研究一種以單片機(jī)為核心的智能化高精度簡(jiǎn)易直流電源的設(shè)計(jì) , 該電源采用數(shù)字調(diào)節(jié)、閉環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)控、輸出精度高 , 且兼?zhèn)潆p重過(guò)載保護(hù)及報(bào)警功能 , 特別適用于各種有較高精度要求的場(chǎng)合。 湖北第二師范自考電子通信本科畢業(yè)論文 12 2 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)簡(jiǎn)介 所謂單片機(jī) (Singlechip Microputer)[1]，是指在一塊芯片上集成了各種部件的微型計(jì)算機(jī)，這些部件包括中央處理器 (CPU)、存儲(chǔ)器 (RAM 和 ROM)、基本 I/O 接口以及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等部件，并具有獨(dú)立指令系統(tǒng)的智能器件，即在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的基本功能。如果是簡(jiǎn)單控制對(duì)象，只需利用單片機(jī)作為控制核心，不需另外增加外部設(shè)備就能完成。對(duì)于較復(fù)雜的系統(tǒng)．只需對(duì)單片機(jī)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)張即可，十分方便。歸納起來(lái)，單片機(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)有以下特點(diǎn)： (1)單片機(jī)具有獨(dú)立的指令系統(tǒng)，可以將我們的設(shè)計(jì)思想充分體現(xiàn)出來(lái)。 (2)系統(tǒng)配置以滿(mǎn)足控制對(duì)象的要求為出發(fā)點(diǎn)，使得系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比。 (3)應(yīng)用系統(tǒng)通常將程序駐留在片內(nèi) (外 )ROM 中，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，使用方便。 (4)由于系統(tǒng)規(guī)模較?。浔旧聿痪哂凶晕议_(kāi)發(fā)能力，一般需借助專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試，而實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，效益好。 (5)應(yīng)用系統(tǒng)所用存儲(chǔ)器芯片可選用 EPROM、 OTP 芯片或利用掩膜形式生產(chǎn)，便于批量開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。許多單片機(jī) (如 80C51 系列 )的開(kāi)發(fā)芯片和擴(kuò)展應(yīng)用芯片相互配套，降低了系統(tǒng)成本。 (6)由于系統(tǒng)小巧玲垅，控制功能強(qiáng)、體積小，便于嵌入被控設(shè)備之內(nèi)，大大推動(dòng)了產(chǎn)品的智能化。如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、智能儀器儀表、洗 衣 機(jī)、電冰箱、電視機(jī)等都是 典型的單片機(jī)電一體化設(shè)備和產(chǎn)品。 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展 單片機(jī)是隨著微型計(jì)算機(jī)、單板機(jī)的發(fā)展 和 其在智能測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的。以 8位單片機(jī)為例，其發(fā)展過(guò)程大致可歸納為 三 個(gè)階段。 第一階段：低性能單片機(jī)階段 SCM(1976～ 1980 年 )。該階段是以較簡(jiǎn)單的 8位低檔單片機(jī)為主，將原有的單板機(jī)功能集成在一塊芯片上， 使 該芯片具有原來(lái)單板機(jī)的功能。其主要代表芯片為 Intel 公司的 MCS48 系列，該芯片內(nèi)集成了8 位 CPU、并行 I/O 端口和 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，尋址范圍為 4 KB，沒(méi)有串行通湖北第二師范自考電子通信本科畢業(yè)論文 13 信接口。 第二 階段：高性能單片機(jī)階段 MCU(1980～ 1983 年 )。該階段仍以 8 位機(jī)為主，主要增加了串行口、多級(jí)中斷處理系統(tǒng)和 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，除片內(nèi) RAM、 ROM容量加大外，片外尋址可達(dá) 64 KB，有的片內(nèi)還集成有 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器。這一階段單片機(jī)以 Intel 公司的 MCS5l 系列、 Motorola 公司的 680l 系列和 Zilog公司的 Z8 系列為代表。上述機(jī)型由于功能強(qiáng)，使用方便，目前仍在廣泛應(yīng)用。1983～ 80 年代末 ， 高性能的 16 位單片機(jī) 問(wèn)世。 該單片機(jī)性能更加完善，主頻速率提高，運(yùn)算速度加快，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能 力，更加適用于速度快、精度高、響應(yīng)及時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)合。其主要代表為 Intel 公司的 MCS96系列等。 第 三 階段： 片上系統(tǒng)階段 SOC(90 年代 )， 該階段單片機(jī)在集成度、速率、功能、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。該階段 CPU 數(shù)據(jù)線(xiàn)有 8位、 16位、 32 位，采用雙 CPU 結(jié)構(gòu)或內(nèi)部流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算速度；采用內(nèi)部鎖相環(huán)技術(shù)，時(shí)鐘頻率已高達(dá) 50 MHz，指令執(zhí)行加快；提供了運(yùn)算能力較強(qiáng)的乘法指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；技術(shù)發(fā)展： 隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，目前各個(gè)公司研制出了適 用于各種應(yīng)用領(lǐng)域的單片機(jī)。高性能單片機(jī)芯片市場(chǎng)也異?；钴S，不斷采用新技術(shù)，使單片機(jī)的種類(lèi)、性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。現(xiàn)在有的單片機(jī)已采用所謂的三核（ TrCore）結(jié)構(gòu)。這是一種建立在系統(tǒng)級(jí)芯片（ System on a chip）概念上的結(jié)構(gòu)。這種單片機(jī)由三個(gè)核組成：一個(gè)是微控制器和 DSP 核，一個(gè)是數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器核，最后一個(gè)是外圍專(zhuān)用集成電路（ ASIC）。這種單片機(jī)的最大特點(diǎn)在于把 DSP 和微控制器同時(shí)做在一個(gè)片上。雖然從結(jié)構(gòu)定義上講， DSP 是單片機(jī)的一種類(lèi)型，但其作用主要反映在高速計(jì)算和特殊處理如快速 傅立葉變換等上面。把它和傳統(tǒng)單片機(jī)結(jié)合集成大大提高了單片機(jī)的功能。這是目前單片機(jī)最大的進(jìn)步之一。 單片機(jī)的最明顯的優(yōu)勢(shì)，就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中。這一點(diǎn)是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)正朝著高集成度、低能耗、低電壓、多功能的方向發(fā)展。 單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用 由于單片機(jī)體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化、價(jià)格低、可靠性高、適用范圍大以及有其本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及工業(yè)控制等領(lǐng)域。目前不僅有常用的 8位單片機(jī)，而且 16位機(jī)已得到了廣泛的應(yīng)用。 湖北第二師范自考電子通信本科畢業(yè)論文 14 .2 單片機(jī) AT89C51 AT89C51 的基本結(jié)構(gòu)和引腳功能 89C51[2]系列單片機(jī)的基本功能結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 89C51 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在一小塊芯片上，集成了一個(gè)小型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分，其中包括 CPU、存儲(chǔ)器、可編程 I／ O口、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器口，各部分通過(guò)內(nèi)部總線(xiàn)相連。 AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 1） 4K 字節(jié)的可重擦寫(xiě) Flash 閃速存儲(chǔ)器； 2）與 MCS－ 51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容； 3） 1000次擦寫(xiě)周期； 4）全靜態(tài)操作 0— 24MHz； 5） 1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM； 6） 32 個(gè)可編程 I/O 口線(xiàn)； 7） 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)時(shí)器； 6個(gè)中斷源； 8）低功耗空閑和掉電模式。 湖北第二師范自考電子通信本科畢業(yè)論文 15 下面是 AT89C51 引腳圖如圖 ： 圖 AT89C51 引腳圖 引腳功能說(shuō)明： Vcc ：電源電壓 GND ： 接地 P0 口 ： P0口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù) 總線(xiàn)復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě) “1” 可作為高阻抗輸入端用。 在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用，在訪(fǎng)問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 P1 口 :P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě) “1” ，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。做輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 P2 口： P2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě) “1” ，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，湖北第二師范自考電子通信本科畢業(yè)論文 16 此時(shí)可作輸入口。做輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 在訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。在訪(fǎng)問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口線(xiàn)上的內(nèi)容在整個(gè)訪(fǎng)問(wèn)期間不改變。 P3 口： P3 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě) “1” ，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入 口。做輸入口使用時(shí)，被外部拉低的 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(xiàn)，更重要的用途是它的第二功能，如下表 所示： 表 P3 口的第二功能 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外中斷 0） INT1（外中斷 1） T0 （定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0） T1 （定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1） WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） RST ：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE／ PROG ：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低八位字節(jié)。即使不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。 PSEN ：程序存儲(chǔ)允許輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)不出現(xiàn)。 湖北第二師范自考電子通信本科畢業(yè)論文 17 EA/VPP ：外部訪(fǎng)問(wèn)允許。欲使 CPU 僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000H－ FFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是 :如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平（接 VCC端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 XTAL1 ：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2 ：振蕩器反相放大器的輸出端。 機(jī)器周期和指令周期 (1) 時(shí)鐘周期 時(shí)鐘周期 T又稱(chēng)為振蕩周期，由 單片機(jī)片內(nèi)振蕩電路 OSC 產(chǎn)生，常定義為時(shí)鐘脈沖頻率的倒數(shù)，是時(shí)序中最小的時(shí)間單位。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)時(shí)鐘頻率為12MHz，則它的時(shí)鐘周期 T應(yīng)為 1/12us。因?yàn)?，時(shí)鐘周期的時(shí)間尺度不是絕對(duì)的，而是一個(gè)隨時(shí)鐘脈沖頻率而變化的參量。 (2) 機(jī)器周期 機(jī)器周期定義為實(shí)現(xiàn)特定功能所需要的時(shí)間，通常由若干時(shí)鐘周期 T 構(gòu)成。MCS51 的機(jī)器周期沒(méi)有采用上述方案，它的機(jī)器周期時(shí)間是固定不變的，均由12個(gè) 時(shí)鐘 周期 T組成。 (3) 指令周期 指令周期是時(shí)序中最大的時(shí)間單位，定義為執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間。由于機(jī)器執(zhí)行不同指 令所需要的時(shí)間不同，因此不同指令所包含的機(jī)器周期也不相同。通常，包含一個(gè)機(jī)器周期的指令稱(chēng)為單周期指令，包含兩個(gè)機(jī)器周期的指令稱(chēng)為雙周期指令，等等。 指令的運(yùn)算速度和指令所包含的機(jī)器周期數(shù)有關(guān)，機(jī)器周期數(shù)越少的指令執(zhí)行速度越快。 MCS51 單片機(jī)通?？梢苑譃閱沃芷谥噶睢㈦p周期指令和四周期指令等三種。四周期指令只有乘法和除法指令兩條，其余均為單周期和雙周期指令[3]。 湖北第二師范自考電子通信本科畢業(yè)論文 18 LCD 簡(jiǎn)介 LCD 顯示器的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 液晶（ Liquid Crystal）為一半透明之物質(zhì) [6]，同時(shí)兼具有 固體的結(jié)晶次序性與液體的流動(dòng)性，也被稱(chēng)為中間相物質(zhì)，由于液晶具有規(guī)則分子排列的特性，當(dāng)受到電場(chǎng)等外部刺激時(shí)，液晶分子排列會(huì)產(chǎn)生變化而具有光電效應(yīng)之特性（ Electro Optic Effect），利用此特性可應(yīng)用在顯示用元件上。 一般液晶顯示器使用的液晶材料，并非單一的液晶分子，原因是單一液晶材料無(wú)法達(dá)到 LCD 在低電壓驅(qū)動(dòng)、高速化之要求，故使用時(shí)必需混和 10 種～ 20種不同的液晶材料，才可在熱安定性、光安定性等特性上達(dá)到顯示器的要求。此外，LCD 面板制造商也會(huì)考慮顯示器種類(lèi)、用途、使用地區(qū)之溫度等因素，選擇適 當(dāng)?shù)呐浞健? 液晶材料是液晶顯示器結(jié)構(gòu)中上下玻璃板間的半透明介電材料，功能類(lèi)似光電開(kāi)關(guān)，其原理是利用上下電極通電后，電場(chǎng)產(chǎn)生變化使得液晶分子因介電方向性與導(dǎo)電異方向性而出現(xiàn)旋光性，光線(xiàn)因液晶長(zhǎng)軸與短軸折射率不同而產(chǎn)生不同之穿透度，再配合配向膜與偏光板之作用，即可產(chǎn)生光線(xiàn) ONOFF 之變化。 液晶顯示器的特點(diǎn)： (1) 低壓微功耗 ， 工作電壓 35V，每平方厘米液晶顯示屏工作電流只有幾個(gè) uA。因此液晶顯示器件成為電池供電的電子設(shè)備的首選顯示器件； (2) 平板型結(jié)構(gòu) ， 液晶顯示器的基本結(jié)構(gòu)是由兩片玻璃組成的很薄的盒子 ， 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) ： 一是使用方便 ,二是工藝適于大批量生產(chǎn) ， 目前的液晶生產(chǎn)線(xiàn)大都采用集成化生產(chǎn)工藝； (3) 壽命長(zhǎng) ， 器件本身幾乎沒(méi)有什么劣化問(wèn)題 ； (4) 被動(dòng)顯示，環(huán)境光線(xiàn)越強(qiáng)，顯示內(nèi)容越清晰，人眼所感受的外部信息90%以上是外部物體對(duì)光的反射，而不是物體本身發(fā)光，所以被動(dòng)顯示更適合人的視覺(jué)習(xí)慣，不會(huì)引起疲勞， 這在大信息量、高密度顯示、長(zhǎng)時(shí)間觀看時(shí)尤為重要； (5) 顯示信息量大，易于彩色化， 液晶彩色化非常容易，方法也很多； (6) 無(wú)電磁輻射； 液晶顯 示器具有體積小、外形薄、重量輕、耗能少、工作電壓低、無(wú)輻射，特別是視域?qū)挕@示信息量大等優(yōu)點(diǎn)。 隨著測(cè)控技術(shù)的日益發(fā)展，液晶顯示器已被廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表、電子顯示裝置等場(chǎng)合，成為測(cè)量結(jié)果顯示和人機(jī)對(duì)話(huà)的重要工具。液晶顯示器按其功能可分為 3類(lèi)：筆段式液晶顯示器、字符點(diǎn)陣式液晶顯示器和圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器。前 2種可顯示數(shù)字、字符和符號(hào)等，而圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器還可以顯示漢字和任意圖形，達(dá)到圖文并茂的效果。 湖北第二師范自考電子通信本科畢業(yè)論文 19 本章小結(jié) 單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程大致可分為三個(gè)階段，分別是 SCM 階段、 MCU 階段與 SOC階段?，F(xiàn)在，單片機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及工業(yè)控制等領(lǐng)域。 AT89C51 是 MCS51 系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，常見(jiàn)的 AT89C51