【文章內(nèi)容簡介】 用 1． 單片機(jī)的基本組成 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特征是將組成計(jì)算機(jī)的基本部件集成在一塊晶體芯片上，構(gòu)成一臺功能獨(dú)特的、完整的單片微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)典型結(jié)構(gòu)框圖如圖 21所示如下 : 圖 21為單片機(jī)典型結(jié)構(gòu)框圖 下面簡要介紹各組成部分。 （ 1）中央處理器 單片機(jī)中的中央處理器 CPU 和通用微處理器基本相同，由時(shí)鐘 OSC 中央處理器CPU 各種 I/O 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器CTC 程序存儲器ROM 數(shù)據(jù)存儲器RAM 內(nèi)部總線 …… 中斷 11 運(yùn)算器和控制 器組成，另外增設(shè)了“面向控制”的處理功能，如位處理、查表、多種跳轉(zhuǎn)、乘除法運(yùn)算、狀態(tài)檢測、中斷處理等，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。 （ 2）存儲器 單片機(jī)的存儲空間有兩種基本結(jié)構(gòu)。一種是普林斯頓結(jié)構(gòu)（ Princeton），將程序和數(shù)據(jù)合用一個(gè)存儲器空間，即 ROM 和 RAM 的地址同在一個(gè)空間里分配不同的地址。 CPU 訪問存儲器時(shí)，一個(gè)地址對應(yīng)惟一的一個(gè)存儲單元，可以是 ROM，也可以是 RAM，用同類的訪問指令。另一種是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，分別尋址的結(jié)構(gòu)，稱為哈佛（ Harvard）結(jié)構(gòu)。 CPU 用不同的指令訪問不同的存儲 器空間。由于單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用中“面向控制”的特點(diǎn)，一般需要較大的程序存儲器。目前，包括 MCS51和 80C51 系列的單片機(jī)均采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開的哈佛結(jié)構(gòu)。 ① 數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） 在單片機(jī)中，用隨機(jī)存取的存儲器（ RAM）來存儲數(shù)據(jù)，暫存運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、緩沖和標(biāo)志位等，所以稱之為數(shù)據(jù)存儲器。一般在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置一定容量（ 64B～ 256B）的 RAM，并以高速 RAM 的形式集成在單片機(jī)內(nèi)，以加快單片機(jī)的運(yùn)行速度。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)還把專用的寄存器和通用的寄存器放在同一片內(nèi) RAM 統(tǒng)一編址，以利 于運(yùn)行速度的提高。對于某些應(yīng)用系統(tǒng)，還可以外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器。 ② 程序存儲器（ ROM） 單片機(jī)的應(yīng)用中常常將開發(fā)調(diào)試成功后的應(yīng)用程序存儲在程序存儲器中，因?yàn)椴辉俑淖?，所以這種存儲器都采用只讀存儲器 ROM 的形式。 單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲器常有以下幾種形式： 掩膜 ROM（ Mask ROM） 它是由半導(dǎo)體廠家在芯片生產(chǎn)封裝時(shí)，將用戶的應(yīng) 12 用程序代碼通過掩膜工藝制作到單片機(jī)的 ROM 區(qū)中，一旦寫入后用戶則不能修改。所以它適合于程序已定型，并大批量使用的場合。 8051 就是采用掩膜 ROM 的單片機(jī)型號。 EPROM 此種芯片帶有透明窗口，可通過紫外線擦除程序存儲器的內(nèi)容。應(yīng)用程序可通過專門的寫入器脫機(jī)寫入到單片機(jī)中，需要更改時(shí)可通過紫外線擦除后重新寫入。 8751 就是采用 EPROM 的單片機(jī)型號。 ROMLESS 這種單片機(jī)內(nèi)部沒有程序存儲器，使用時(shí)必須在外部并行擴(kuò)展一片 EPROM 作為程序存儲器。 89C51 就是 ROMLESS 型的單片機(jī)。 OTP（ one time programmable） ROM 這是用戶一次性編程寫入的程序存儲器。用戶可通過專用的寫入器將應(yīng)用程序?qū)懭?OTPROM 中，但只允許寫入一次。 Flash ROM（ MTP ROM）閃速存儲器 這是一種可由用戶多次編程寫入的程序存儲器。它不需紫外線擦除，編程與擦除完全用電實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，可保存10 年。編程 /擦除速度快， 4KB 編程只需數(shù)秒，擦除只需 10ms。例如 AT89 系列單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)在線編程，也可下載。這是目前大力發(fā)展的一種 ROM，大有取代 EPROM型產(chǎn)品之勢。 （ 3）并行 I/O 口 單片機(jī)為了突出控制的功能，提供了數(shù)量多、功能強(qiáng)、使用靈活的并行 I/O口。使用上不僅可靈活地選擇輸入或輸出，還可作為系統(tǒng)總線或控制信號線，從而為擴(kuò)展外部存儲器和 I/O 接口 提供了方便。 （ 4）串行 I/O 口 高速的 8 位單片機(jī)都可提供全雙工串行 I/O 口，因而能和某些終端設(shè)備進(jìn)行串行通信，或者和一些特殊功能的器件相連接。 13 （ 5）定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 在實(shí)際的應(yīng)用中，單片機(jī)往往需要精確地定時(shí)，或者需對外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，因而在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器電路，通過中斷，實(shí)現(xiàn)定時(shí) /計(jì)數(shù)的自動(dòng)處理。 2．單片機(jī)的特點(diǎn) 單片機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了它具有如下特點(diǎn)。 （ 1）高集成度、高可靠性 單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計(jì) 的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的 CPU。單片機(jī)程序指令，常數(shù)及表格等固化在 ROM 中不易破壞，許多信號通道均在一個(gè)芯片內(nèi)，故可靠性高。 （ 2）控制功能強(qiáng) 為了滿足對對象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件：分支轉(zhuǎn)移能力、 I/O 口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。 （ 3）低電壓、低功耗 為了滿足廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機(jī)內(nèi)的工作電壓僅為 ～ ，而工作電流僅為數(shù)百微安。 （ 4）優(yōu)異的性能價(jià)格比 單片機(jī)的性能極高。為了提高速度和運(yùn)行效率，單片機(jī)已開始使 用 RISC 流水線和 DSP 等技術(shù)。單片機(jī)的尋址能力也已突破 64KB 的限制，有的已可達(dá)到 1MB 和 16MB，片內(nèi)的 ROM容量可達(dá) 62MB， RAM 容量則可達(dá) 2MB。由于單片機(jī)的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業(yè)競爭更使其價(jià)格十分低廉，其性能價(jià)格比極高。 3．單片機(jī)的應(yīng)用 14 （ 1）在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用 單片機(jī)可以用于構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。例如，工業(yè)上的鍋爐控制、電機(jī)控制、車輛檢測系統(tǒng)、水閘自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床及軍事上的雷達(dá)、導(dǎo)彈系統(tǒng)等。 （ 2）在智能化儀器儀表中的應(yīng)用 單片機(jī)應(yīng)用于儀 器儀表設(shè)備中促使儀器儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化和綜合化等方向發(fā)展。單片機(jī)的軟件編程技術(shù)使長期以來測量儀表中的誤差修正、線性化的處理等難題迎刃而解。 （ 3）在機(jī)電一體化中的應(yīng)用 單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合使傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，控制走向智能化，構(gòu)成新一代的機(jī)電一體化產(chǎn)品。這是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的方向。 （ 4）在智能接口中的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，特別是較大型的工業(yè)測控系統(tǒng)中采用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制管理，單片機(jī)與主機(jī)并行工作，可大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。例如，在大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用單片機(jī)對模 /數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行控制不僅 可提高采集速度，還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。如數(shù)字濾波、誤差修正、線性化處理等。 （ 5）在人類生活中的應(yīng)用 單片機(jī)由于其價(jià)格低廉、體積小巧，被廣泛應(yīng)用在人類生活的諸多場合，如洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)器、電飯煲、視聽音響設(shè)備、大屏幕顯示系統(tǒng)、電子玩具、信用卡、樓宇防盜系統(tǒng)等。單片機(jī)將使人類的生活更加方便舒適，豐富多彩。 15 基于單片機(jī)控制的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理 對于一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，我們借助單片機(jī)來控制，我們現(xiàn)運(yùn)用 AD 芯片，運(yùn)用單片機(jī)來控制 AD芯片來轉(zhuǎn)換模擬電壓到數(shù)字電壓， AD 給定的電壓越大，則產(chǎn)生的數(shù)字量越 大，單片機(jī)再控制這個(gè)數(shù)字量來產(chǎn)生一個(gè) PWM， PWM 占空比越大，就驅(qū)動(dòng)晶體管導(dǎo)通的時(shí)間越長，這樣加到壓頻轉(zhuǎn)換器的電壓也就越大，電壓越大，則壓頻轉(zhuǎn)換器輸出的計(jì)數(shù)脈沖在單位時(shí)間也就越多，這樣就相當(dāng)于電機(jī)的電壓越大，其轉(zhuǎn)速也就會越快，我們再用單片機(jī)對壓頻轉(zhuǎn)換器的輸出脈沖計(jì)數(shù)， PID 調(diào)節(jié)器就把這個(gè)計(jì)數(shù)脈沖和預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，比設(shè)定值小，這樣就會得到一個(gè)偏差，再把這個(gè)偏差加到 AD 的給定電壓，這樣就相當(dāng)于加大了 PWM 的占空比，要是比設(shè)定值大，這樣也會得到一個(gè)偏差，就把這個(gè)變差與給定的電壓向減，這樣就可以減少 PWM 的占 空比，通過改變占空比來改變晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，就可以改變壓頻轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，也就改變壓頻轉(zhuǎn)換器的單位計(jì)數(shù)脈沖，達(dá)到調(diào)電動(dòng)機(jī)速度的目的。 16 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 硬件電路框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，提出如 31 所示的硬件電路組成框圖。 設(shè)計(jì)采用以 8051 為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)，其各個(gè)單元模塊硬件設(shè)計(jì)電路分述如下。 單片機(jī)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)采用以 8051 為核心的數(shù)字式直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，圖 32 給出了 8051 D/A 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 顯示電路 通信電路 報(bào)警電路 擴(kuò)展的程序存儲器 鍵控電路 A/D 4 路被測模擬信號 圖 31硬件電路結(jié)構(gòu)框圖 17 8051 芯片引腳結(jié)構(gòu)。 圖 32 8051芯片引腳結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī)采用 8051， 8位 CPU， 4KB 的 ROM 程序存儲器， 256 字節(jié)的 RAM 數(shù)據(jù)存儲器， 2個(gè) 16 位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 1個(gè)全雙工異步串行口， 5個(gè)中斷源，兩級中斷1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 RST/VPD RXD/ TXD/ INT0 / INT1 / T0/ T1/ WR / RD / XTAL2 XTAL1 Vss Vcc EA /Vpp ALE/ PROG PSEN 18 優(yōu)先級的中斷控制器，時(shí)鐘電路，外接晶振和電容可產(chǎn)生 ~12MHz 的時(shí)鐘頻率。 8051 的各引腳功能 ~ 功能是 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口。 ~ 功能是雙向 8位三態(tài) I/O 口。 ~ 功能是 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口。 ~ 功能是 8位 準(zhǔn)雙向 I/O 口。 VCC功能是接 +5V電源。 VSS功能是接地。 XTAL1 功能是接外部晶體的一個(gè)引腳。 XTAL2 功能是接外部晶體的另一端。 RST/VPD 功能是復(fù)位信號輸入端。 ALE功能是為地址鎖存信號。 PSEN 功能是程序存儲器允許輸出控制端。 EA/VPP 功能是內(nèi) /外程序存儲器選擇控制端。 單片機(jī)的基本組成 8051 單片機(jī)的基本組成如圖 33所示。 19 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì) 本 系統(tǒng)采用 8155芯片，以其 A口、 B口連接 ADC0809芯片，由 B口提供 ADC0809各采樣通道的地址選通號以及啟動(dòng)信號。由 A 口連接 ADC0809 芯片的 DB0～ DB7,以讀取 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。 8155 芯片是通用 I/O 接口芯片，與 MCS51 單片機(jī)的接口簡單， ADC0809 是一種 8位模擬量輸入、 8位逐次逼近式 A/D，適用于多路數(shù)據(jù)采集。 8155 芯片的引腳結(jié)構(gòu) 8155 芯片的片內(nèi)資源有： ?256 字節(jié)的 RAM，最快存取時(shí)間為 400ms。 圖 33 8051 單片機(jī)的基本組成 數(shù)據(jù)存儲器 程序存儲器 中斷系統(tǒng) CPU 特殊 功能 寄存器 振蕩電路 定時(shí)器 串行口 并行 I/O 口 20 ?兩個(gè) 8 位 I/O 口， A 口、 B口。 ?一個(gè) 6 位 I/O 口， C 口。 ?一個(gè) 14 位鍵減 1計(jì)數(shù)器。 8155 芯片的引腳結(jié)構(gòu)如圖 34所示 37 38 39 1 29 30 33 21 22 23 31 24 25 26 27 12 13 14 15 16 17 18 19 10 9 8 7 11 4 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 PB4 PB2 PB1 PB0 PC3 PC2 PC1 PC0 28 RST ALE IOM CE RD WR AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 圖 34 8155 的芯片引腳結(jié)構(gòu) 21 8155 芯片引腳的功能 AD0~AD7 功能是三態(tài)地址 /數(shù)據(jù)總線。 PA、 PB、 PC功能是三個(gè)通用并行 I/O 接口。 T1功能是定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的技術(shù)脈沖輸入端。 T0功能是定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的輸出端。 CE功能是片選信號。 IO/M 功能是 I/O 接口和存儲器選擇信號。 RD功能是讀控制端。 WR功能是寫控制端。 ALE功能是為地址鎖存信號線 。 RESET 功能是復(fù)為控制端。 ADC0809 芯片的引腳結(jié)構(gòu) ADC0809 芯片的引腳結(jié)構(gòu)如圖 35所示 22 ADC0809 芯片引腳的功能 IN0~IN7 功能是