【正文】 機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī) (MCU)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。 單片機(jī)也被稱為微控制器，由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來(lái)。單片機(jī)是 70 年代中期發(fā)展起來(lái)的一種大規(guī)模集成電路芯片，是 CPU、 RAM、 ROM、 I/O 接口和中斷系統(tǒng)集成于同一硅片的器件。 單片機(jī)是所有微處理機(jī)中性價(jià)比最高的一種，隨著種類的不斷全面，功能不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也迅速擴(kuò)大。當(dāng)前， 8 位單片機(jī)主要用于工業(yè)控制，如溫度、壓力、流量、計(jì)量和機(jī)械加工的測(cè)量和控制場(chǎng)合；高效能的 16位單片機(jī) (如 MCS9 MK68200)可用在更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 當(dāng)今時(shí)代，單片機(jī)使用最為廣泛為 MCS51 單片機(jī)。 1. 中央處理器 (CPU) 中央處理器是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。 2. 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (內(nèi)部 RAM) C P U時(shí) 鐘 電 路P 0P 3 P 2 P 1T X DR X DI N T 0I N T 1并 行 接 口串 行 接 口中 斷 系 統(tǒng)定 時(shí) / 計(jì) 數(shù) 器R A M R O MT 0T 1 圖 MCS51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 8051 芯片中共有 256 個(gè) RAM 單元，但其中后 128 單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前 128 單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)稱內(nèi)部 RAM。 4. 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 8051 共有兩個(gè) 16 位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。在實(shí)訓(xùn)中我們已經(jīng)使用了 P1 口，通過(guò) P1 口連接8 個(gè)發(fā)光二極管。該串行口功能較強(qiáng)，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。 8051 共有 5 個(gè)中斷源，即外中斷兩個(gè)，定時(shí) /計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，串行中斷一個(gè)。 8. 時(shí)鐘電路 MCS51 芯片的內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。 系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6MHz 和 12MHz。 MCS51 單片機(jī)的引腳及其功能 MCS51 是標(biāo)準(zhǔn)的 40 引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請(qǐng)參見圖 。 輸入輸出 (I/O)引腳 ～ ： P0 口 8 位雙向口線。 ～ ： P2 口 8 位雙向口線。 P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78R S T / V p d9R X D / P 3 . 010T X D / P 3 . 111I N T 0 / P 3 .212I N T 1 / P 3 .313T 0 / P 3 . 414T 1 / P 3 . 515W R /P 3 . 616R D / P 3 .717X T A L 218X T A L 119V s s20P 2 . 021P 2 . 122P 2 . 223P 2 . 324P 2 . 425P 2 . 526P 2 . 627P 2 . 728P S E N29A L E / P R O G30E A / V p p31P 0 . 732P 0 . 633P 0 . 534P 0 . 435P 0 . 336P 0 . 237P 0 . 138P 0 . 039V c c40M C S 5 1 圖 單片機(jī)的引腳 ALE：地址鎖存控制信號(hào)。 PSEN ：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。 EA ：訪問(wèn)程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。 RST：復(fù)位信號(hào)。 VSS：地線， VCC： +5 V 電源。但單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)其功能所需要的信號(hào)數(shù)目卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)此數(shù)，因此就出現(xiàn)了需 要與可能的矛盾，給一些信號(hào)引腳賦以雙重功能。下面介紹一些信號(hào)引腳的第二功能。 (2) EPROM 存儲(chǔ)器程序固化所需要的信號(hào)。 1. 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低 128 個(gè)單元 8051 的內(nèi)部 RAM 共有 256 個(gè)單元，通常把這 256 個(gè)單元按其功能劃分為兩部分：低 128 單元 (單元地址 00H～ 7FH)和高 128 單元地址80H(單元地址 80H～ FFH)。 (1) 寄存器區(qū) 8051 共有 4 組寄存器，每組 8 個(gè)寄存單元 (各為 8)，各組都以 R0～R7 作寄存單元編號(hào)，占據(jù)內(nèi)部 RAM 的 00H～ 1FH 單元地址。位尋址區(qū)共有 16 個(gè)RAM 單元，計(jì) 128 位，地址為 00H～ 7FH。 2. 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高 128 單元 內(nèi)部 RAM 的高 128 單元是供給專用寄存器使用的，其單元地址為80H～ FFH。 (1) 專用寄存器 (SFR)簡(jiǎn)介 8051 共有 21 個(gè)專用寄存器，現(xiàn)把其中部分寄存器簡(jiǎn)單介紹如下： 1) 程序計(jì)數(shù)器 (PC— Program Counter)。 2) 累加器 (ACC— Accumulator)。它既可 用于存放操作數(shù)，也可用來(lái)存放運(yùn)算的中間結(jié)果。 B 寄存器是一個(gè) 8 位寄存器，主要用于乘除運(yùn)算。乘法操作后，乘積的高 8 位存于 B 中，除法運(yùn)算時(shí)， B 存除數(shù)。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 4) 程序狀態(tài)字 (PSW— Program Status Word)。 PSW 各位定義如下： 表 PSW 的位地址定義 PSW 位地址 D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1H D0H 字節(jié)址 D0H CY AC F0 RS1 RS0 OV F1 P 除 位保留未用外，其余各位的定義及使用如下： CY()—— 進(jìn)位標(biāo)志位。 AC()—— 輔助進(jìn)位標(biāo)志位。它們被用于選擇 CPU 當(dāng)前使用的通用寄存器組共有 4 組。 OV()— 溢出標(biāo)志位。數(shù)據(jù)指針為 16 位寄存器。 6) 堆棧指針 (SP— Stack Pointer)。 (2) 專用寄存器中的字節(jié)尋址和位地址 MCS51 系列單片機(jī)有 21個(gè)可尋址的專用寄存器，其中有 11 個(gè)專用寄存器是可以位尋址的。 2) 程序計(jì)數(shù)器 PC 不占據(jù) RAM 單元，它在物理上是獨(dú)立的，因 此是不可尋址的寄存器。 對(duì) 8051 擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器 2732 是一種 4kx8 位紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間地址為 0000H～ 0FFFH，片外最多可擴(kuò)至 64KB ROM/EPROM，其基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 地址為 1000H～ FFFFH，可以從 0000H 開始編址。 D09D211D110A08A17A26A35A44A53A62A71A823A922A1121OE/VPP20A1019CE18D717D616D515D414D313GND12Vcc24EPROM 2732 4 Kx8 圖 2732 管腳排列 其中： ? A0～ A11—— 12 位地址線，可尋址 4k 字節(jié)； ? D0～ D7—— 8 位數(shù)據(jù)線； ? CE—— 片 選信號(hào)； ? OE—— 輸出允許信號(hào)； ? VPP—— 編程電源； ? VCC—— 電源 (＋ 5V)； ? GND—— 地。 2. 單片機(jī)使用程序計(jì)數(shù)器 PC(Program Counter)作為程序存儲(chǔ)器的地址指針，且 PC 總是指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令所在的程序存儲(chǔ)器單元地址。 程序存儲(chǔ)器中的復(fù)位和中斷源共 6 個(gè)固定的入口地址見表 。 MCS51 的時(shí)序定時(shí)單位共有 4 個(gè)，從小到大依次是：節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。 1. 節(jié)拍與狀態(tài) 把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍 (用 P 表示 )。這樣，一個(gè)狀態(tài)就包含兩個(gè)節(jié)拍，具前半周期對(duì)應(yīng)的拍節(jié)叫節(jié)拍 1(P1)， 后半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍叫節(jié)拍 2(P2)。規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期的寬度為 6 個(gè)狀態(tài)，并依次表示為 S1～ S6。它一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。 MCS51 的取指 /執(zhí)行時(shí)序： (1) 單字節(jié)單周期指令； (2) 雙字節(jié)單周期指令； (3) 單字節(jié)雙周期指令； 由圖 可示， ALE 引腳上出現(xiàn)的信號(hào)是周期性的，在每個(gè) 機(jī)器周期內(nèi)出現(xiàn)兩次高電平。 ( a )( b )( c )S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6讀操作碼 讀操作碼 ( 無(wú)效 )讀操作碼T時(shí)鐘S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6讀操作碼 ( 無(wú)效 ) 讀下一條指令S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6讀下一條指令讀操作碼 讀第二字節(jié)ALE 圖 MCS51 單片機(jī)的取指 /執(zhí)行時(shí)序 圖 (a)、 (b)所示分別給出了單字節(jié)單周期和雙字節(jié)單周期指令的時(shí)序。 圖 (c)給出了單字節(jié)雙周期指令的時(shí)序，兩個(gè)機(jī)器周期內(nèi)進(jìn)行 4次讀操作碼操作，其為單字節(jié)指令，后三次讀操作都是無(wú)效的 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 4 控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)接線及驅(qū)動(dòng)電路 模塊 下圖是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線圖，其中： A+， A， B+， B，接在步進(jìn)電機(jī)， CW+， CW接單片機(jī)。 方案二：并行接法 使用并行接法時(shí)要對(duì)美國(guó)數(shù)碼管用 IO 口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。 數(shù)碼管現(xiàn)實(shí)電路設(shè)計(jì) 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U?P80C51SBPNA1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10LED0Dpy RedCAA1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10LED1Dpy RedCA100pFC1Cap100pFC2Cap12Y1XTALMR9CLK8A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713VCC14GND7SN74LS164DMR9CLK8A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713VCC14GND7SN74LS164DVCCVCCVCC 圖 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管的現(xiàn)實(shí)驅(qū)動(dòng)使用 74LS164，通過(guò) SPCE061A 的 IOBO 口對(duì)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 DATA 和 CLK 發(fā)送數(shù)據(jù)。在前面兩個(gè)部分的基礎(chǔ)上，對(duì)控制系統(tǒng)電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等 。 針對(duì)該控制系統(tǒng)本身的特點(diǎn)和對(duì)系統(tǒng)的功能要求，選用 8051 芯片作為 控制芯片 ， 七段顯示譯碼器 及 鎖存器 74LS164作為輔助 元件 。 該系統(tǒng) 具有接線簡(jiǎn)單、編程直觀、擴(kuò)展容易等特點(diǎn)。 整個(gè)設(shè)計(jì) 的過(guò)程，同 時(shí)也是專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程，而且是更生動(dòng)、更切實(shí)、更深入的專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí) ： (1)一個(gè)設(shè)計(jì) 是結(jié)合科研課題，把學(xué)過(guò)的專業(yè)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，在理論和實(shí)際結(jié)合過(guò)程中進(jìn)一步消化、加深和鞏固所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，并把所學(xué)的專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為分析和解決問(wèn)題的能力。 (3)我們 在 這種自己動(dòng)手的設(shè)計(jì) 中，對(duì)所學(xué)專業(yè)的某一側(cè)面和專題作了較為深入的 分析 。 由于該課題的實(shí)踐性較強(qiáng)，鑒 于具體應(yīng)用環(huán)境和本人的知識(shí)背景，尚有不足之處，有待于在理論和實(shí)踐的過(guò)程中進(jìn)一步完善。從入學(xué)以來(lái)，由于各位老師一直辛勤工作和細(xì)心教導(dǎo)使我能順利而充實(shí)地度過(guò)這難忘的四年，使我在綜合素質(zhì)提高、專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)和工作實(shí)踐能力等方面受益匪淺。 感謝那些與我朝夕相 處了四年的同學(xué)，大家一起在緊張的學(xué)習(xí)之余度過(guò)了許多愉快的時(shí)光。 特別要感謝家人在我多年的求學(xué)過(guò)程中所給予的無(wú)私關(guān)懷和支