【正文】 32 位單片機(jī)。 8 位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合仍占主流地位，代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成 單片機(jī)本身是綜合了 CPU、儲(chǔ)存器、 I/O 接口，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等計(jì)算機(jī)基本組成的半導(dǎo)體芯片，而且程序可以固化在單片機(jī)芯片中，因此對(duì)于一般的應(yīng)用，只需要單片機(jī)加上少量的器件就可以構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)的硬件部分，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的支持程序就可以容易地完成應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但是，對(duì)于目前應(yīng)用比較廣北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 泛的 8 位單片機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其應(yīng)用方便，成本低廉，可靠性高，體積小，而且 I/O的擴(kuò)展也比較容易，所以在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中， 8 位單片機(jī)仍然得到廣泛應(yīng)用。 （ 2）后向通道 (輸出部分 )： 數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量、模擬量信號(hào) (D/A )的輸出。 圖 21 所示為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程要借助專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)器、仿真器或開(kāi)發(fā)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行?？梢圆捎密浖袒瘜?shí)現(xiàn)部分硬件功能，也可以采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)某些軟件的功能。要從電路設(shè)計(jì)、軟件程序等加以考慮。 ? 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)要盡量作到低功耗、小體積。要在專(zhuān)門(mén)的編程器或下載設(shè)備中完成。 2) 熟悉和了解控制對(duì) 象，確定合理可行的技術(shù)指標(biāo)。 4) 合理地劃分硬件和軟件兩部分的功能要求。按照軟件工程的思想，列出各子系統(tǒng)的任務(wù)書(shū) , 以及軟件、硬件及它們之間的接口標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 這 5 個(gè)部分不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)、相互依靠 、互相制約的。 圖 22 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的流程圖 89C51 單片機(jī)的簡(jiǎn)介 89C51 單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 89C51單片機(jī)的引腳 89C51 單片機(jī)是 CMOS 的低功耗芯片，圖 24 所示為它的引腳圖。本設(shè)計(jì)采用 PDIP 形式。 ? Vss （ 20 腳）：接地端，接 +5V 電源地端。 ? XTAL2（ 18腳）：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 控制信號(hào)引腳： RST、 ALE、 PSEN、 EA ? RST（ 9腳）：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。 ? ALE/PROG（ 30腳）：地址鎖存允許輸出端 /編程脈沖輸入端。訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)：作為鎖存 P0口低 8位地址的控制信號(hào)。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 ? PSEN（ 29腳）：外部程序存儲(chǔ)器讀選通輸出信號(hào)訪問(wèn)片外 ROM 時(shí)，輸出負(fù)脈沖作為讀 ROM 選通。 ? EA/VPP（ 31腳）：外部程序存儲(chǔ)器地址使能輸入 /編程電壓輸入端。當(dāng)接“ 0”時(shí)， CPU 只訪問(wèn)片外 ROM。 輸入 /輸出端口引腳 P0、 P P P3 ? P0口： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 ? P1口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流 P1口管腳寫(xiě)入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 ? P2口： P2口為 一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2口被寫(xiě)“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 ? P3口： P3口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個(gè) TTL 門(mén)電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于 上拉的緣故。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 表 21 P3 端口的第二功能 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） 模擬開(kāi)關(guān)電路 4067 開(kāi)關(guān)在電路中起接通信號(hào)或斷開(kāi)信 號(hào)的作用。 CMOS 模擬開(kāi)關(guān)是一種可控開(kāi)關(guān)，它不 像 繼電器那樣可以用在大電流、高電壓場(chǎng)合，只適于處理幅度不超過(guò)其工作電壓、電流較小的模擬或數(shù)字信號(hào)。另外，在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻保持相對(duì)穩(wěn)定。 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187 MAX187簡(jiǎn)介 MAX187 是美信公司推出的 具有串行接口的 12 位 精度的 A／ D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部含有采樣／保持電路，單 5 V 操作電源，轉(zhuǎn)換速度為 ，具有片上 V 參考電壓，模擬量輸入范圍為 0～ VBEF。設(shè)計(jì)精巧，工作速度快。 MAX187 有 2 種操作模式：正常模式和休眠模式 ， 將置為低電平進(jìn)入休眠模式 ， 這時(shí)的電流消耗降到 10μA以下。 MAX187電源需要加去耦合電容 ， 方法是用一個(gè) 聯(lián)。 4腳為參考端接一個(gè) 電容 ， 這是使用內(nèi)部 。 MAX187只有一路模擬輸入通道 ， 如輸入為多路信號(hào) ， 要外加多路模擬開(kāi)關(guān)。 如圖 26 所示為 MAX187 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖： 圖 26 MAX187 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 MAX187 為 8 個(gè)引腳雙列直插封裝，其引腳圖見(jiàn)圖 27 所示： 圖 27 MAX187 引腳圖 其中： 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 ? VDD（ 1 腳）： +5V 電源。 ? SHDN（ 3 腳）：工作模式選擇輸入端。 ? VREF（ 4 腳）：參考電壓。使用外部參考電壓為 +— VDD。 ? DOUT（ 6 腳）：串行數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)在 SCLK 的下降沿改變。低電平啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換；高電平時(shí)， DOUT 輸出端高阻抗?fàn)顟B(tài)。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 3 串行通信總線(xiàn) 最新推出的單片機(jī)很多都有符合總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)接口，所以使用起來(lái)非常方便。 由于 89C51 沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的 SPI 接口，因此要采用用一般 I/O 口線(xiàn)模擬 SPI 操作的方法，來(lái)和 SPI 總線(xiàn)接口器件連接和交換數(shù)據(jù)。 SPI 串行外設(shè)接口總線(xiàn) SPI (Serial Peripheral Interface)總線(xiàn)是 Freescale 公司 (原 Motorola 公司半導(dǎo)體部 )推出的同步串行外設(shè)接口總線(xiàn)。外圍設(shè)備包括簡(jiǎn)單的 TTL 移位寄存器（用作并行輸入或輸出口）至復(fù)雜的 LCD 顯示驅(qū)動(dòng)器或 A/D 轉(zhuǎn)換器等。 接口設(shè)備工作于從機(jī)模式時(shí)，從主機(jī)獲取時(shí)鐘和片選信號(hào)，選中的從機(jī)和主機(jī)通信，沒(méi)有被選中的從機(jī)將其數(shù)據(jù)線(xiàn)處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。 在 SPI 接口中，數(shù)據(jù)的傳輸只需要 1 個(gè)時(shí)鐘信號(hào)和 2 條數(shù)據(jù)線(xiàn)。 SPI 總線(xiàn)除了可以用來(lái)連接一個(gè)處理器（系統(tǒng)主機(jī)）和多個(gè) SPI 接口外部設(shè)備（ SPI 從機(jī)）以外，還可以應(yīng)用于一個(gè)主處理器和多個(gè)從處理器之間的通信，用于多個(gè)處理器和若干個(gè) SPI 接口外部設(shè)備之間的連接。 SPI 總線(xiàn)系統(tǒng)的組成 在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中，使用 1 個(gè) MCU 作為主機(jī)，控制數(shù)據(jù)向 1 個(gè)或多個(gè)從外部接口器件的傳送。在圖中，它們都是同名端相連。單片 機(jī)通過(guò) I/O 口線(xiàn)來(lái)分時(shí)選通外圍器件。 SPI 串行總線(xiàn)典型的工作時(shí)序如圖 32 所示。數(shù)據(jù)線(xiàn)上輸出數(shù)據(jù)的變化以及對(duì)輸入數(shù)據(jù)的采樣，都取決于時(shí)鐘 SCK 信號(hào)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷绞歉呶唬?MSB）在前，低 位 (LSB)在后。 圖 32 SPI 總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送時(shí)序 3. 3 89C51 和串行串行通信總線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)方法 串行接口的基本通信方式 串行接口的有異步和同步兩種基本通信 方式 。在異步通信中，起始位占用一位（低電平），用來(lái)表示字符開(kāi)始 。最后為停 止位（高電平）用來(lái)表示字符傳送結(jié)束。 串行通信中，每秒傳送的數(shù)據(jù)位稱(chēng)為波特率。同樣，如數(shù)據(jù)傳送的波特率為 9600 波特，則字節(jié)中每一位傳送時(shí)間為 T=1/9600= ms。 89C51和 MAX187的連接 MAX187 是具有 SPI 總線(xiàn)接口的 E2PROM 芯片，是一個(gè)可以電改寫(xiě)的只讀存儲(chǔ) 器。 圖 33 MAX187 與 AT89C51 的接口電路 傳感器將采集到的信號(hào)經(jīng)放大、濾波，通過(guò) 8 選 1 模擬開(kāi)關(guān)輸給 A/ D 轉(zhuǎn)換器 MAX187，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò) DOUT 端輸入給單片機(jī)。 MAX187 的 SCLK、 CS、 DOUT 端直接與單片機(jī)的通用 I/ O 口相連，不需要任何接口變換。為減少 來(lái)自電源的干擾，在 VDD 端 接10μ F 和 F 的濾波電容。 主頻： 。 多路選擇器： 4067（ 16 選 1 模擬開(kāi)關(guān)電路）。 開(kāi)關(guān)量輸出： 8 路開(kāi)關(guān)量輸出，可作繼電器開(kāi)關(guān)，或超限報(bào)警控制。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC： DS1307（帶 64 字節(jié) RAM、串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路）。 并行 I/O 接口： 8255A 并行 I/O 接口電路。 鍵盤(pán)： 4 個(gè)按鍵，獨(dú)立連接的非編碼鍵盤(pán)。 軟件：程序固化在 89C51 單片機(jī)中，采用匯編語(yǔ)言編程。當(dāng)采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)， XTAL（ 19 引腳）和 XTAL2（ 18 引腳）用來(lái)連接外部的石英晶體和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，產(chǎn)生原始的振蕩脈沖信號(hào)。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 圖 42 為采用內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，外部晶體和微調(diào)電容的連接圖， C C2取 30pF。即晶體振蕩器頻率的倒數(shù) , 是最原始的信號(hào)周期。是振蕩脈沖經(jīng)內(nèi)部二分頻后提供的狀態(tài)信號(hào)。 89C51 一個(gè)機(jī)器周期由6 個(gè)狀態(tài)周期即 12 個(gè)振蕩周期組成。 89C51 的指令周期由 4 個(gè)機(jī)器周期組成。在物理結(jié)構(gòu)上分為程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。 ROM和 RAM安排在獨(dú)立的地址空間，地址可以重疊。 89C51 中使用哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，地址空間分為三類(lèi)： 片內(nèi)、外統(tǒng)一編址的 64KB 程序存儲(chǔ)器空間，用 16 位地址尋址，地址范圍為0000H— FFFFH。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 片內(nèi) 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間 ， 用 8 位地址尋址 。如圖 43 所示為 89C51 的存儲(chǔ)器空間配置。 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要復(fù)位操作，使 CPU 及系統(tǒng)的各個(gè)部件都處于確定的初試狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。 RST 引腳 (9腳 )是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電 平有效。上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位都是必需的，圖 44所示為常用的二者組合的電路。 ⑵ .按鍵手動(dòng)復(fù)位 系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，必須通過(guò)按鍵，利用手動(dòng)方式進(jìn)行復(fù)位操作，使單片機(jī)重新啟動(dòng)。連續(xù)執(zhí)行方式是單片機(jī)的正常工作方式，單步執(zhí)行方式是為程序調(diào)試而設(shè)定的一種工作方式。 輸入系統(tǒng)的硬件電路的總體設(shè)計(jì) 在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 89C51 由 P1 端的 、 、 、 連接到模擬開(kāi)關(guān)電路 4067 的通道選擇端 A、 B、 C 和 D 上，由程序控制分時(shí)選通模擬量輸入信號(hào)。通過(guò)通用接口的信號(hào)線(xiàn)，利用軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn) MAX187和 89C51之間的通信。由 輸出 CS 信號(hào)并由 MAX187的 DOUT 端相連，輸入 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 45 模擬量輸入和 A/D 轉(zhuǎn)換控制電路 模擬量輸入是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵，采集的信號(hào)是 連續(xù)變化的物理量 。變換后的電信號(hào)有時(shí)須經(jīng)過(guò)放大 ，使信號(hào) 滿(mǎn)足 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入要求。這里，主要應(yīng)用了多路選擇器 4067 和 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187。MAX187 是一個(gè) 12 位串行接口的 A/D 轉(zhuǎn)換器，它采用三線(xiàn) SPI 總線(xiàn)和微處理器通信，接口簡(jiǎn)單，精度高，功耗低。 操作的過(guò)程簡(jiǎn)述如下： （ 1）選擇模擬輸入通道。 4067 打開(kāi)該通道，將 0V— 范圍的模擬信號(hào)輸入 到 MAX187 的 AIN 輸入端。保持 SCLK()為低，將 CS()由高 變低。檢查 DOUT 信號(hào)，當(dāng)讀出 DOUT（ ）為上升沿時(shí)表示完成。保持 CS ()為低電平，連續(xù)由 SCLK 時(shí)鐘信號(hào)，最少 13個(gè)時(shí)鐘周期。在每個(gè) SCLK 的下降沿， DOUT 分別輸出各位數(shù)據(jù)， 89C51通過(guò) 讀入到 CPU 中。在經(jīng)過(guò) 13個(gè) SCLK 的下降沿后，將 CS 信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑Y(jié)束本次操作。在 CS 為高電平，結(jié)束上一次轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)最少 500ns，可以重新將 CS 置為低電平，開(kāi)始下一次轉(zhuǎn)換。 I/O0— I/O15為 16路模擬量輸入端，數(shù)字信號(hào)輸入端 D、 C、 B、 A用來(lái)選擇其中一路和公共輸出端 COM選通。工作條件： 電源電壓范圍 …………3V ～ 15V 輸入電壓范圍 …………0V ～ VDD 工作溫度范圍 M類(lèi) ………… － 55℃～ 125℃ E 類(lèi) …………. － 40℃～ 85℃ 極限值： 電源電壓 …... － ～ 18V 輸入電壓 …… － ~VDD+ 輸入電流 ……………