步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘要步進電機是一種進行精確步進運動的機電執(zhí)行元件，它廣泛地用于工業(yè)機械的數(shù)字控制，為使系統(tǒng)的可靠性，通用性，可維護性以及性價比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進電動機應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實現(xiàn)了基于8051單片機的三相步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。本論文主要介紹了基于單片機的步進電動機控制的規(guī)律、硬件的結(jié)構(gòu)和組成，以及其工作原理。本論文設(shè)計的控制系統(tǒng)主要通過單片機存儲器、I/O口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴展、步進電動機的環(huán)形分配器、驅(qū)動及保護電路、人機接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動電路等等的設(shè)計，實現(xiàn)了三相步進電動機的正反轉(zhuǎn)、急停、

2、加減速等功能。關(guān)鍵詞：8051單片機；三相步進電動機；控制Abstract Stepper motor is a stepper motor for precise electrical and mechanical actuators, which are widely used in industrial machinery, digital control, for the system reliability, interoperability, maintainability, and cost-optimal, according to the control system fun

3、ctional requirements and stepper motor applications, to determine hardware and software design, function, in order to achieve based on the 8051 three-phase stepper motor open-loop control system. This paper introduces a microcomputer-based stepper motor control laws, hardware structure and compositi

4、on, and its working principle. In this thesis, the control system is mainly through the microcontroller memory, I / O port, interrupt, keyboard, LED display of the expansion of the annular distributor stepper motor, drive and protection circuit, man-machine interface circuit, interrupt system and re

5、set circuit, single voltage-driven circuit design, etc., to achieve a three-phase stepper motor rotating, emergency stop, acceleration and deceleration functions.Keywords: 8051; three-phase stepper motor; control專心-專注-專業(yè)目 錄緒論自單片機出現(xiàn)至今，單片機技術(shù)已走過了近20年的發(fā)展路程。縱觀20年來單片機發(fā) 展歷程可以看出，單片機技術(shù)的發(fā)展以微處理器(MPU)技術(shù)及超大規(guī)模集成電

6、路技術(shù)的發(fā) 展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動，表現(xiàn)出較微處理器更具個性的發(fā)展趨勢。單片機長壽命，這里所說的長壽命，一方面指用單片機開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指與微處理器相比的長壽命。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，MPU更新?lián)Q代的速度越來越快，以386、486、586為代表的MPU，很短的時間內(nèi)就被淘汰出局，而傳統(tǒng)的單片機如68HC05、8051等年齡已有15歲，產(chǎn)量仍是上升的。這一方面是由 于其對相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的適應(yīng)性，另一方面是由于以該類CPU為核心，集成以更多I/O功能模塊的新單片機系列層出不窮?？梢灶A(yù)見，一些成功上市的相對年輕的CPU核心，也會隨著I/O功能模塊的不斷豐

7、富，有著相當長的生存周期。新的CPU類型的加盟,使單片機隊伍不斷壯大,給用戶帶來了更多的選擇余地。 8位、16位、32位單片機共同發(fā)展，這是當前單片機技術(shù)發(fā)展的另一動向。長期以來，單片機技術(shù)的發(fā)展是以8位機為主的。隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進入家庭，32位單片機應(yīng)用得到了長足發(fā)展。以Motorola 68K為CPU的32位單片機97年的 銷售量達8千萬枚。過去認為由于8位單片機功能越來越強，32位機越來越便宜，使16位單片機生存空間有限，而16位單片機的發(fā)展無論從品種和產(chǎn)量方面，近年來都有較大幅度的增長。 單片機速度越來越快 MPU發(fā)展中表現(xiàn)出來的速度越來越快是以時鐘頻率越

8、來越高為標志的。而單片機則有所不同，為提高單片機抗干擾能力，降低噪聲，降低時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機技術(shù)發(fā)展之追求。一些8051單片機兼容廠商改善了單片機的內(nèi)部時序，在不提高時鐘頻率的條件下，使運算速度提高了很多，Motorola單片機則使用了瑣相環(huán)技術(shù)或內(nèi)部倍頻技術(shù)使內(nèi)部總線速度大大高于時鐘產(chǎn)生器的頻率。68HC08單片機使用4.9M外部振蕩器而內(nèi)部時鐘達32M，而M68K系列32位單片機使用32K的外部振蕩器頻率內(nèi)部時鐘可達16MHz以上。 低電壓與低功耗自80年代中期以來，NMOS工藝單片機逐漸被CMOS工藝代替，功耗得以大幅度下降，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)由3m工藝發(fā)展到1.5、

9、1.2、0.8、0.5、0.35 近而實現(xiàn)0.2m工藝，全靜態(tài)設(shè)計使時鐘頻率從直流到數(shù)十兆任選，都使功耗不斷下降。Motorola 最近推出任選的M.CORE 可在1.8V電壓下以50M/48MIPS全速工作，功率約為 20MW。幾乎所有的單片機都有Wait、Stop等省電運行方式。允許使用的電源電壓范圍也越來越寬。一般單片機都能在3到6V范圍內(nèi)工作，對電池供電的單片機不再需要對電源采取穩(wěn)壓措施。低電壓供電的單片機電源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供電的單片機已經(jīng)問世。低噪聲與高可靠性技術(shù) 為提高單片機系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標

10、準的要求，各單片機商家在單片機內(nèi)部電路中采取了一些新的技術(shù)措施。如美國國家半導(dǎo)體NS的COP8單片機內(nèi)部增加了抗EMI電路，增強了“看門狗”的性能。Motorola也推出了低噪聲的LN系列單片機。OTP與掩膜 OTP是一次性寫入的單片機。過去認為一個單片機產(chǎn)品的成熟是以投產(chǎn)掩膜型單片機為標志的。由于掩膜需要一定的生產(chǎn)周期，而OTP型單片機價格不斷下降，使得近年來直接使用OTP完成最終產(chǎn)品制造更為流行。它較之掩膜具有生產(chǎn)周期短、風(fēng)險小的特點。近年來，OTP型單片機需量大幅度上揚，為適應(yīng)這種需求許多單片機都采用了在片編程技術(shù)(In System Programming)。未編程的OTP芯片可采用裸

11、片Bonding技術(shù)或表面貼技術(shù)，先焊在印刷板上，然后通過單片機上引出的編程線、串行數(shù)據(jù)、時鐘線等對單片機編程。解決了批量寫OTP 芯片時容易出現(xiàn)的芯片與寫入器接觸不好的問題。使OTP的裸片得以廣泛使用，降低了產(chǎn)品的成本。編程線與I/O線共用，不增加單片機的額外引腳。而一些生產(chǎn)廠商推出的單片機不再有掩膜型，全部為有ISP功能的OTP。MTP向OTP挑戰(zhàn) MTP是可多次編程的意思。一些單片機廠商以MTP的性能、OTP的價位推出他們的單片機，如ATMEL AVR單片機，片內(nèi)采用FLASH，可多次編程。華邦公司生產(chǎn)的與8051兼容的單片機也采用了MTP性能，OTP的價位。這些單片機都使用了ISP技術(shù)

12、，等安裝到印刷線路板上以后再下載程序。隨著單片機的進一步發(fā)展，單片機應(yīng)用為工程師提供更廣闊的選擇空間，單片機技術(shù)的發(fā)展將給現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域帶來新的技術(shù)革命。由于單片機對各行各業(yè)都有用，這種電子技術(shù)的進步導(dǎo)致各行各業(yè)的進步，也帶動了人類文明的進步。第一章 單片機的簡介一、單片機的基礎(chǔ)知識單片微型計算機簡稱單片機。由于它的結(jié)構(gòu)及功能均按照工業(yè)控制要求設(shè)計，所以，其確切的名稱應(yīng)該是單片微控制器（Single Chip Microcontroller）。單片機是把微型計算機的各個功能部件：中央處理器（CPU）、隨機存取存貯器（RAM）、只讀存貯器（ROM）、輸入/輸出端口（I/O端口）、定時器/計數(shù)器以及

13、中斷系統(tǒng)等，它們經(jīng)過地址總線（Addres Bus）、數(shù)據(jù)總線（Data Bus）和控制總線（Control Bus）的連接以及輸入/輸出端口與外圍裝置的連接，構(gòu)成一個完整的微型計算機，故它又稱為單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）。二、單片機微處理器的特點 受密度限制：芯片存儲器存儲容量較小，一般ROM小于4/8KB，RAM小于256字節(jié)。 可靠性良好：單片機是按照工業(yè)控制要求所設(shè)計的，其抗工業(yè)噪聲干擾優(yōu)于一般的CPU，程序指令及常數(shù)數(shù)據(jù)都燒寫在ROM內(nèi)，其許多信號通道均在同一個芯片內(nèi)，因此可靠性高。 易擴充：單片機具有一般微電腦所必需的器件，如三態(tài)雙向總線、

14、并行及串行的輸入/輸出引腳，可以擴充為各種規(guī)模的微電腦系統(tǒng)。 控制功能強：為了滿足工業(yè)控制的要求，單片機的指令除了輸入/輸出控制指令、邏輯判斷指令外，還有更為豐富的條件分支跳躍指令。單片機的發(fā)展經(jīng)歷了探索-完善-MCU化-百花齊放四個階段。三、單片機微處理器技術(shù)的發(fā)展歷程單片機的發(fā)展經(jīng)歷了“探索-完善-MCU化-百花齊放”四個階段。1、芯片化探索階段20世紀70午代，美國的Fairchild(仙童)公司首先推出了第一款單片機F8，隨后Intel公司推出了影響面大、應(yīng)用更廣的MCS48單片機系列。MCS48單片機系列的推出標志著在工業(yè)控制領(lǐng)域，進入到智能化嵌入式應(yīng)用的芯片形態(tài)計算機的探索階段。參

15、與這一探索階段的還有Motorola、Zilog和Ti等大公司，它們都取得了滿意的探索效果，確立了在SCMC的嵌入式應(yīng)用中的地位。這就是Single Chip Microcomputer的誕生年代，單片機一詞即由此而來。這一時期的特點是： 嵌入式計算機系統(tǒng)的芯片集成設(shè)計； 少資源、無軟件，只保證基本控制功能。2結(jié)構(gòu)體系的完善階段在MCS-48探索成功的基礎(chǔ)上很快推出了完善的、典型的單片機系列MCS-5l。MCS-51系列單片機的推出，標志Single Chip Microcomputer體系結(jié)構(gòu)的完善。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機的體系結(jié)構(gòu)。完善的總線結(jié)構(gòu)：并行總線：8位數(shù)據(jù)總

16、線、16位地址總線及相應(yīng)的控制總線，兩個獨立的地址空間；串行總線：通信總線，擴展總線。完善的指令系統(tǒng)：具有很強的位處理功能和邏輯控制功能，以滿足工業(yè)控制等方面的需要；功能單元的SFR(特殊功能寄存器)集中管理。完善的MCS-51成為SCMC的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)。日后，許多電氣商在MCS-51的內(nèi)核和體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)出各具特色的單片機。3從SCMC向MCU化過渡階段Intel公司推出的MCS96單片機，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、程序運行監(jiān)視器(WDT)、脈寬調(diào)制器(PWM)、高速I/O口納入片中，體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。MCS-51單片機系列向各大電氣商的廣泛擴散，許多電氣商

17、競相使用80C51為核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、可靠性技術(shù)應(yīng)用到單片機中；隨著單片機內(nèi)外圍功能電路的增強，強化了智能控制器特征。微控制器(Microcontrollers)成為單片機較為準確表達的名詞。其特點是：滿足嵌入式應(yīng)用要求的外圍擴展，如WDT、PWM、ADC、DAC、高速I/0口等。眾多計算機外圍功能集成，如：提供串行擴展總線：SPI、I2C、BUS、Microwire；配置現(xiàn)場總線接口：CAN BUS。CMOS化，提供功耗管理功能。提供OTP供應(yīng)狀態(tài)，利于太規(guī)模和批量生產(chǎn)。4MCU的百花齊放階段單片機發(fā)展到這一階段，表明單片機已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍采用的智能化控制

18、工具-小到玩具、家電行業(yè)，大到車載、艦船電子系統(tǒng)，遍及計量測試、工業(yè)過程控制、機械電子、金融電子、商用電子、辦公自動化、工業(yè)機器人、軍事和航空航天等領(lǐng)域。為滿足不同的要求，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力和多機通信能力的8位、16位、32位通用型單片機，小型廉價型、外圍系統(tǒng)集成的專用型單片機，以及形形色色各具特色的現(xiàn)代單片機。可以說，單片機的發(fā)展進人了百花齊放的時代，為用戶的選擇提供了空間。這一時期的特點為：(1)電氣商、半導(dǎo)體商的普遍介入MCS-48的成功，刺激了許多半導(dǎo)體公司競相研制和發(fā)展自己的單片機系列。到目前為止，世界各地廠商已相繼研制出大約50個系列300多個品種的單片機產(chǎn)品，其中

19、較有代表性的有Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z-8系列，Microchip公司的PIC系列等。此外，開本的NEC公司、日立公司也都推出了各自具有特色的單片機品種。(2)大力發(fā)展專用單片機通用型與專用型是按某一型號單片機適用范圍區(qū)分的。例如，80C51是通用型單片機，它并不是為某一種專門用途設(shè)計的單片機；而專用型單片機是針對某一類產(chǎn)品甚至某個產(chǎn)品需要而設(shè)計、生產(chǎn)的單片機。例如，來電顯示電話中配有液晶驅(qū)動器接口的單片機和全自動洗衣機中的微控制器，都是專用單片機；特別是小家電、玩具領(lǐng)域的單片機，因為小封裝、價格低廉一外圍器件、外設(shè)接口集成度高，多數(shù)為專用單片機。(3)提高

20、綜合品質(zhì)在體系結(jié)構(gòu)(RISC)、電磁兼容性能(EMC)、開發(fā)環(huán)境(高級語言支持ISP、IAP等)、功耗管理等諸方面得到了提高。根據(jù)控制單元設(shè)計的方式與采用的技術(shù)不同，目前市場上的這些單片機可區(qū)分為兩大類型：繁雜指令集結(jié)構(gòu)(CISC架構(gòu))和精簡指令集結(jié)構(gòu)(RISC架構(gòu))。繁雜指令集結(jié)構(gòu)(CISC)的特點是指奪數(shù)量多，尋址方式豐富，較適合初學(xué)者系統(tǒng)學(xué)習(xí)，如INTEL的80C51或80C196、MC68K；而精簡指令集結(jié)構(gòu)(RISC)具有較少的指令與尋址模式，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，執(zhí)行程序的速度較快，成為單片機的后起之秀，如PIC、EM78XXX和Z86HCXX。ISP(In System Progr

21、amming)和IAP(In Application Programming)方式是兩種先進的實時在線開發(fā)方式。它們無須傳統(tǒng)的開發(fā)裝置，借助計算機和單片機的高性能，實現(xiàn)了真正的在線仿真。(4)C語言的廣泛支持單片機普遍支持C語言編程，為后來者學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機提供了方便；高級語言減少了選型障礙，便于程序的優(yōu)化、升級和交流。(5)多種選擇下的選擇原則 尋求最簡化的單片機應(yīng)用系統(tǒng)；盡可能選擇專用單片機；綜合考慮下進行合理選擇四、單片機微處理器系列介紹單片機微處理器出現(xiàn)的歷史并不長，如果將8位單片機的推出作為起點，那么，單片機微處理器的發(fā)展大致可分為三個階段。第一階段（1976年1978年）：初級單片

22、機階段。以Intel公司MCS48為代表。這個系列的單片機內(nèi)集成有8位CPU、I/O接口、8位定時器/計數(shù)器，尋址范圍不大于4K字節(jié)，且無串行口。第二階段（1978年1982年）：高性能單片機階段。在這一階段推出的單片機普遍帶有串行I/O口，有多級中斷處理系統(tǒng)、16位定時器/計數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM容量加大，且尋址范圍可達64K字節(jié)，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換器接口。這類單片機有Intel公司的MCS51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。這類單片機應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，各公司正在大力改進其機構(gòu)與性能。第三階段（1982年1990年）：8位單片機鞏固發(fā)展以及16位單片機推出階

23、段。此階段的主要特征是：一方面發(fā)展16位單片機及專用單片機；另一方面不斷完善高檔8位單片機，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同用戶的需求。第四階段（1990至今）：微控制器的全面發(fā)展階段，辦公自動化設(shè)備；單片機在機電一體化中的應(yīng)用；在實時過程控制中的應(yīng)用；單片機在日常生活及家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用；在各類儀器儀表中引入單片機，使儀器儀表智能化，提高測試的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價格比；在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用；商業(yè)營銷設(shè)備；單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用；汽車電子產(chǎn)品；航空航天系統(tǒng)和國防軍事、尖端武器等領(lǐng)域。目前國際市場上有不少類型的4位、8位及16位單片機，由于各種原因。許多單

24、片機在國內(nèi)都未形成主流系列。目前國內(nèi)仍然以Intel的MCS51、MCS96為主流系列。隨著這些系列的深入開發(fā)，其主流系列的地位將會不斷鞏固和發(fā)展下去。五、單片機微處理器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.在工業(yè)控制中的應(yīng)用工業(yè)自動化控制是最早采用單片機控制的領(lǐng)域之一，在測控系統(tǒng)、過程控制、機電一體化設(shè)備中主要利用單片機實現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、運算處理、數(shù)據(jù)通信等用途。2.在智能儀器中的應(yīng)用內(nèi)部含有點片劑的儀器系統(tǒng)稱為智能儀器，也稱為微機化儀器。3.在家用電器中的應(yīng)用單片機功能完善、體積小、價格廉、易于嵌入，非常適合于對家用電器的控制。4.在信息和通信產(chǎn)品中的應(yīng)用信息和通信產(chǎn)品的自動化和智能化程度很高，其中許多

25、功能的完成都離不開單片機的參與。這里最具代表性和應(yīng)用最廣的產(chǎn)品就是移動通信設(shè)備，例如手機內(nèi)的控制芯片就是屬于專用型單片機。5.在辦公自動化設(shè)備中的應(yīng)用現(xiàn)在辦公自動化設(shè)備中大多數(shù)嵌入了單片機控制核心。如打印機、復(fù)印機、傳真機、繪圖機、考勤機及電話等。通過單片機控制不但可以完成設(shè)備的基本功能，還可以實現(xiàn)與計算機之間的數(shù)據(jù)通信。第二章 單片機的組成與工作原理MCS-51系列單片機產(chǎn)品有8051，8031，8751，80C51，80C31等型號（前三種為CMOS芯片，后兩種為CHMOS芯片）。它們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在存儲器的配置上。8051內(nèi)部設(shè)有4K字節(jié)的掩模ROM程序存儲器，8031片

26、內(nèi)沒有程序存儲器，而8751是將8051片內(nèi)的ROM換成EPROM。由ATMEL公司生產(chǎn)的89C51將EPROM改成了4K的閃速存儲器，他們的結(jié)構(gòu)大同小異，本章將對8051單片機的結(jié)構(gòu)作一介紹。一、MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（一） MCS-51單片機組成MCS-51單片機是在一塊芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定時器/計數(shù)器和多種功能的I/O線等一臺計算機所需要的基本功能部件。MCS-51單片機內(nèi)包含下列幾個部件： 一個8位CPU； 一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路； 4K字節(jié)ROM程序存儲器； 128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器； 兩個16位定時器/計數(shù)器； 可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲器和64K外部程序

27、存儲器空間的控制電路； 32條可編程的I/O線（四個8位并行I/O端口）； 一個可編程全雙工串行口； 具有五個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。 圖2-1 8051單片機的結(jié)構(gòu)框圖8051單片機的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。各功能部件由內(nèi)部總線聯(lián)接在一起。圖中4K（4096）字節(jié)的ROM存儲器部分用EPROM替換就成為8751；圖中去掉ROM部分就成為8031的結(jié)構(gòu)圖。1. CPU結(jié)構(gòu)CPU是單片機的核心部件。它由運算器和控制器等部件組成。（1） 運算器運算器的功能是進行算術(shù)運算和邏輯運算?？梢詫Π胱止?jié)（4位）、單字節(jié)等數(shù)據(jù)進行操作。例如能完成加、減、乘、除、加1、減1、BCD碼十進制調(diào)整、比較等算

28、術(shù)運算和與、或、異或、求補、循環(huán)等邏輯操作，操作結(jié)果的狀態(tài)信息送至狀態(tài)寄存器。8051運算器還包含有一個布爾處理器，用來處理位操作。它是以進位標志位C為累加器的，可執(zhí)行置位、復(fù)位、取反、等于1轉(zhuǎn)移、等于0轉(zhuǎn)移、等于1轉(zhuǎn)移且清0以及進位標志位與其他可尋址的位之間進行數(shù)據(jù)傳送等位操作。也能使進位標志位與其他可位尋址的位之間進行邏輯與、或操作。程序計數(shù)器PC程序計數(shù)器PC用來存放即將要執(zhí)行的指令地址，共16位，可對64K程序存儲器直接尋址。執(zhí)行指令時，PC內(nèi)容的低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。令寄存器指令寄存器中存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令時，由程序存儲器中讀取的指令代碼送入指令寄存器，經(jīng)譯

29、碼后由定時與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號，完成指令功能。定時與控制部件 時鐘電路8051片內(nèi)設(shè)有一個由反向放大器所構(gòu)成的振蕩電路，XTAL1和 XTAL2分別為振蕩電路的輸入和輸出端，時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式時鐘電路如圖2-2所示。在XTAL1和 XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振可以在1.2MHz到12MHz之間選擇，電容值在5-30PF之間選擇，電容的大小可起頻率微調(diào)作用。XTAL1XTAL2 電容1 晶振 電容2 圖 2-2 內(nèi)部方式時鐘電路外部方式的時鐘很少用，若要用時，只要將XTAL1接

30、地，XTAL2接外部振蕩器就行。對外部振蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號。時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘信號P1和P2供單片機使用。P1在每一個狀態(tài)S的前半部分有效，P2在每個狀態(tài)的后半部分有效。 時序MCS-51典型的指令周期（執(zhí)行一條指令的時間稱為指令周期）為一個機器周期，一個機器周期由六個狀態(tài)（十二振蕩周期）組成。每個狀態(tài)又被分成兩個時相P1和P2。所以，一個機器周期可以依次表示為S1P1，S1P2，S6P1，S6P2。通常算術(shù)邏輯操作在P1時相進行，而內(nèi)部寄存器傳送在P2時相進行。圖2-3給出了8051單片機的取指和執(zhí)行指令的定時關(guān)

31、系。這些內(nèi)部時鐘信號不能從外部觀察到，所用XTAL2振蕩信號作參考。在圖中可看到，低8位地址的鎖存信號ALE在每個機器周期中兩次有效：一次在S1P2與S2P1期間，另一次在S4P2與S5P1期間。圖2-3 8051時序?qū)τ趩沃芷谥噶?，當操作碼被送入指令寄存器時，便從S1P2開始執(zhí)行指令。如果是雙字節(jié)單機器周期指令，則在同一機器周期的S4期間讀入第二個字節(jié)，若是單字節(jié)單機器周期指令，則在S4期間仍進行讀，但所讀的這個字節(jié)操作碼被忽略，程序計數(shù)器也不加1，在S6P2結(jié)束時完成指令操作。圖2-3的(a)和(b)給出了單字節(jié)單機器周期和雙字節(jié)單機器周期指令的時序。8051指令大部分在一個機器周期完成。

32、乘（MUL）和除（DIV）指令是僅有的需要兩個以上機器周期的指令，占用4個機器周期。對于雙字節(jié)單機器周期指令，通常是在一個機器周期內(nèi)從程序存儲器中讀入兩個字節(jié)，唯有MOVX指令例外。MOVX是訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的單字節(jié)雙機器周期指令。在執(zhí)行MOVX指令期間，外部數(shù)據(jù)存儲器被訪問且被選通時跳過兩次取指操作。圖2-3中(c)給出了一般單字節(jié)雙機器周期指令的時序。2. 存儲器MCS-51單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間是互相獨立的，物理結(jié)構(gòu)也不同。程序存儲器為只讀存儲器（ROM）。數(shù)據(jù)存儲器為隨機存取存儲器（RAM）。單片機的存儲器編址方式采用與工作寄存器、I/O口鎖存器統(tǒng)一編址的方式。有關(guān)存儲器

33、的內(nèi)容將在下面中詳述。3. I/O端口I/O端口又稱為I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路，I/O端口是MCS-51單片機對外部實現(xiàn)控制和信息交換的必經(jīng)之路，I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能傳送一位二進制信息，并行I/O端口一次能傳送一組二進制信息。（1）、并行I/O端口MCS-51單片機設(shè)有四個8位雙向I/O端口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個LSTTL電路。P1、P2、P3口為準雙向口（在用作輸入線時，口鎖存器必須先寫入“1”，故稱為準雙向口），負載能力為4個LSTTL電路。1）、P0端口功能（P0.0P

34、0.7、3239腳）圖2-4 P0口位結(jié)構(gòu)圖2-4 是 P0口位結(jié)構(gòu)，包括1個輸出鎖存器，2個三態(tài)緩沖器，1個輸出驅(qū)動電路和1個輸出控制端。輸出驅(qū)動電路由一對場效應(yīng)管組成，其工作狀態(tài)受輸出端的控制，輸出控制端由1個與門、1個反相器和1個轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX組成。對8051/8751來講P0口既可作為輸入輸出口，又可作為地址/數(shù)據(jù)總線使用， P0口作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用若從P0口輸出地址或數(shù)據(jù)信息，此時控制端應(yīng)為高電平，轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX將反相器輸出端與輸出級場效應(yīng)管V2接通，同時與門開鎖，內(nèi)部總線上的地址或數(shù)據(jù)信號通過與門去驅(qū)動V1管，又通過反相器去驅(qū)動V2管，這時內(nèi)部總線上的地址或數(shù)據(jù)信號就傳送到P

35、0口的引腳上。工作時低8位地址與數(shù)據(jù)線分時使用P0口。低8位地址由ALE信號的負跳變使它鎖存到外部地址鎖存器中，而高8位地址由P2口輸出（P0口和P2口的地址/數(shù)據(jù)總線功能，請閱第八章MCS-51擴展技術(shù)）。 P0口作通用I/O端口使用對于有內(nèi)部ROM的單片機，PO口也可以作通用I/O，此時控制端為低電平，轉(zhuǎn)換開關(guān)把輸出級與鎖存器的Q端接通，同時因與門輸出為低電平，輸出級V1管處于截止狀態(tài)，輸出級為漏極開路電路，在驅(qū)動NMOS電路時應(yīng)外接上拉電阻；作輸入口用時，應(yīng)先將鎖存器寫“1”，這時輸出級兩個場效應(yīng)管均截止，可作高阻抗輸入，通過三態(tài)輸入緩沖器讀取引腳信號，從而完成輸入操作。 PO口線上的“

36、讀一修改一寫”功能圖2-4上面一個三態(tài)緩沖器是為了讀取鎖存器Q端的數(shù)據(jù)。Q端與引腳的數(shù)據(jù)是一致的。結(jié)構(gòu)上這樣安排是為了滿足：“讀一修改一寫”指令的需要，這類指令的特點時：先讀口鎖存器，隨之可能對讀入的數(shù)據(jù)進行修改再寫入到端口上。例如：ANL PO，A；ORL PO，A；XRL PO，A；。這類指令同樣適合與P1P3口，其操作是：先將口字節(jié)的全部8位數(shù)讀入，再通過指令修改某些位，然后將新的數(shù)據(jù)寫回到口鎖器中。2）P1口（P1.0P1.7、18腳）準雙向口 P1口作通用I/O端口使用P1口是一個有內(nèi)部上拉電阻的準雙向口，位結(jié)構(gòu)入圖2-5所示，P1口的每一位口線能獨立用作輸入線或輸出線。作輸出時，如

37、將“0”寫入鎖存器，場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出線為低電平，即輸出為“0”。因此在作輸入時，必須先將“1”寫入口鎖存器，使場效應(yīng)管截止。該口線由內(nèi)部上拉電阻提拉成高電平，同時也能被外部輸入源拉成低電平，即當外部輸入“1”時該口線為高電平，而輸入“0”時，該口線為低電平。P1口作輸入時，可被任何TTL電路和MOS電路驅(qū)動，由于具有內(nèi)部上拉電阻，也可以直接被集電極度開路和漏極開路電路驅(qū)動，不必外加上拉電阻。P1口可驅(qū)動4個LSTTL門電路。圖 2-5 P1口位結(jié)構(gòu) P1口其他功能P1口在EPROM編程和驗證程序時，它輸入低8位地址；在8032/8052系列中P1.0和P1.1是多功能的，P1.0可作定時器/

38、計數(shù)器2的外部計數(shù)觸發(fā)輸入端T2，P1.1可作定時器/計數(shù)器2的外部控制輸入端T2EX。3） P2口（P2.0P2.7，2128腳）準雙向口P2口的位結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，引腳上拉電阻同P1口。在結(jié)構(gòu)上，P2口比P1口多一個輸出控制部分。圖 2-6 P2口位結(jié)構(gòu) P2口作通用I/O端口使用當P2口作通用I/O端口使用時，是一個準雙向口，此時轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX倒向左邊，輸出級與鎖存器接通，引腳可接I/O設(shè)備，其輸入輸出操作與P1口完全相同。 P2口作地址總線口使用當系統(tǒng)中接有外部存儲器時，P2口用于輸出高8位地址A15A8。這時在CPU的控制下，轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX倒向右邊，接通內(nèi)部地址總線。P2口的口線狀

39、態(tài)取決于片內(nèi)輸出的地址信息，這些地址信息來源于PCH、DPH等。在外接程序存儲器的系統(tǒng)中，由于訪問外部存儲器的操作連續(xù)不斷,P2口不斷送出地址高8位。例如，在8031構(gòu)成的系統(tǒng)中，P2口一般只作地址總線口使用，不再作I/O端口直接連外部設(shè)備。在不接外部程序存儲器而接有外部數(shù)據(jù)存儲器的系統(tǒng)中，情況有所不同。若外接數(shù)據(jù)存儲器容量為256B，則可使用MOVX A，Ri類指令由PO口送出8位地址，P2口上引腳的信號在整個訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間也不會改變，故P2口仍可作通用I/O端口使用。若外接存儲器容量較大，則需用MOVX A，DPTR類指令,由PO口和P2口送出16位地址。在讀寫周期內(nèi)，P2口引腳上

40、將保持地址信息，但從結(jié)構(gòu)可知，輸出地址時，并不要求P2口鎖存器鎖存“1”，鎖存器內(nèi)容也不會在送地址信息時改變。故訪問外部數(shù)據(jù)存儲器周期結(jié)束后，P2口鎖存器的內(nèi)容又會重新出現(xiàn)在引腳上。這樣，根據(jù)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的頻繁程度，P2口仍可在一定限度內(nèi)作一般I/O端口使用。P2口可驅(qū)動4個LSTTL門電路。 4） P3口（P3.0P3.7、1017腳）雙功能口 P3口是一個多用途的端口，也是一個準雙向口，作為第一功能使用時，其功能同P1口。P3口的位結(jié)構(gòu)如圖 2-7。當作第二功能使用時，每一位功能定義如表2-1所示。P3口的第二功能實際上就是系統(tǒng)具有控制功能的控制線。此時相應(yīng)的口線鎖存器必須為“1”狀

41、態(tài)，與非門的輸出由第二功能輸出線的狀態(tài)確定，從而P3口線的狀態(tài)取決于第二功能輸出線的電平。在P3口的引腳信號輸入通道中有兩個三態(tài)緩沖器，第二功能的輸入信號取自第一個緩沖器的輸出端，第二個緩沖器仍是第一功能的讀引腳信號緩沖器。P3口可驅(qū)動4個LSTTL門電路。圖 2-7 P3口位結(jié)構(gòu)表 2-1 P3口的第二功能端 口 功 能第 二 功 能P3.0RXD-串行輸入（數(shù)據(jù)接收）口P3.1TXD-串行輸出（數(shù)據(jù)發(fā)送）口P3.2-外部中斷0輸入線P3.3-外部中斷1輸入線P3.4T0 -定時器0外部輸入P3.5T1 -定時器1外部輸入P3.6-外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出P3.7-外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信

42、號輸入每個I/O端口內(nèi)部都有一個八位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個八位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，四個數(shù)據(jù)輸出鎖存器與端口號P0、P1、P2和P3同名，皆為特殊功能寄存器。因此，CPU數(shù)據(jù)從并行I/O端口輸出時可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時可以得到緩沖。 四個并行I/O端口作為通用I/O口使用時，共有寫端口、讀端口和讀引腳三種操作方式。寫端口實際上就是輸出數(shù)據(jù)，是將累加器A或其它寄存器中數(shù)據(jù)傳送到端口鎖存器中，然后由端口自動從端口引腳線上輸出。讀端口不是真正的從外部輸入數(shù)據(jù)，而是將端口鎖存器中輸出數(shù)據(jù)讀到CPU的累加器。讀引腳才是真正的輸入外部數(shù)據(jù)的操作，是從端口引腳線上讀入外部的輸入數(shù)據(jù)。端口的上述三種操作實際上是通過

43、指令或程序來實現(xiàn)的，這些將在以后章節(jié)中詳細介紹。 （2）、串行I/O端口 8051有一個全雙工的可編程串行I/O端口。這個串行I/O端口既可以在程序控制下將CPU的八位并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位地從發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD發(fā)送出去，也可以把串行接收到的數(shù)據(jù)變成八位并行數(shù)據(jù)送給CPU，而且這種串行發(fā)送和串行接收可以單獨進行，也可以同時進行。 8051串行發(fā)送和串行接收利用了P3口的第二功能，即利用P3.1 引腳作為串行數(shù)據(jù)的發(fā)送線TXD和P3.0引腳作為串行數(shù)據(jù)的接收線RXD，如表2-1所示。串行I/O口的電路結(jié)構(gòu)還包括串行口控制器SCON、電源及波特率選擇寄存器PCON和串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF等，它

44、們都屬于特殊功能寄存器SFR。其中PCON和SCON用于設(shè)置串行口工作方式和確定數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收波特率，SBUF實際上由兩個八位寄存器組成，一個用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)，另一個用于存放接收到的數(shù)據(jù)，起著數(shù)據(jù)的緩沖作用，這些將在第七章中詳細加以介紹。4. 總線MCS-51單片機屬總線型結(jié)構(gòu)，通過地址/數(shù)據(jù)總線可以與存儲器（RAM、EPROM）、并行I/O接口芯片相連接。在訪問外部存儲器時，P2口輸出高8位地址，P0口輸出低8位地址，由ALE（地址鎖存允許）信號將P0口（地址/數(shù)據(jù)總線）上的低8位鎖存到外部地址鎖存器中，從而為P0口接受數(shù)據(jù)作準備。在訪問外部程序存儲器（即執(zhí)行MOVX）指令時，PSEN

45、（外部程序存儲器選通）信號有效，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器（即執(zhí)行MOVX）指令時，由P3口自動產(chǎn)生讀/寫（/）信號，通過P0口對外部數(shù)據(jù)存儲器單元進行讀/寫操作。MCS-51單片機所產(chǎn)生的地址、數(shù)據(jù)和控制信號與外部存儲器、并行I/O接口芯片連接簡單、方便。（二） MCS-51單片機存的儲器結(jié)構(gòu)MCS-51存儲器結(jié)構(gòu)與常見的微型計算機的配置方式不同，它把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，各有自已的尋址系統(tǒng)，控制信號和功能，程序存儲器用來存放程序和始終要保留的常數(shù)，例如：所編程序經(jīng)匯編后的機器碼。數(shù)據(jù)存儲器通常用來存放程序運行中所需要的常數(shù)或變量。例如：做加法時的加數(shù)和被加數(shù)、做乘法時的乘數(shù)和被乘數(shù)、模/數(shù)

46、轉(zhuǎn)換時實時記錄的數(shù)據(jù)等等。從物理地址空間看，MCS-51有四個存儲器地址空間，即:片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51系列各芯片的存儲器在結(jié)構(gòu)上有些區(qū)別，但區(qū)別不大，從應(yīng)用設(shè)計的角度可分為如下幾種情況：片內(nèi)有程序存儲器和片內(nèi)無程序存儲器、片內(nèi)有數(shù)據(jù)存儲器且存儲單元夠用和片內(nèi)有數(shù)據(jù)存儲器且存儲單元不夠用。1. 程序存儲器 程序存儲器用來存放程序和表格常數(shù)。程序存儲器以程序計數(shù)器PC作地址指針，通過16位地址總線，可尋址的地址空間為64K字節(jié)。片內(nèi)、片外統(tǒng)一編址。（1）、片內(nèi)有程序存儲器且存儲空間足夠在8051/8751片內(nèi)，帶有4K 字節(jié)ROM/EPRO

47、M程序存儲器(內(nèi)部程序存儲器)，4K字節(jié)可存儲約兩千多條指令，對于一個小型的單片機控制系統(tǒng)來說就足夠了，不必另加程序存儲器，若不夠還可選8K或16K內(nèi)存的單片機芯片，例如：89C52等，總之，盡量不要擴展外部程序存儲器，這會增加成本、增大產(chǎn)品體積。（2）、片內(nèi)有程序儲器且存儲空間不夠若開發(fā)的單片機系統(tǒng)較復(fù)雜，片內(nèi)程序存儲器存儲空間不夠用時，可外擴展程序存儲器，具體擴展多大的芯片要計算一下，由兩個條件決定：一是看程序容量大小，二是看擴展芯片容量大小，64K總?cè)萘繙p去內(nèi)部4K即為外部能擴展的最大容量，2764容量為8K、27128容量為16K、27256容量為32K、27512容量為64K。（具體

48、擴展方法見存儲器擴展）。若再不夠就只能換芯片，選16位芯片或32位芯片都可。定了芯片后就要算好地址，再將引腳接高電平，使程序從內(nèi)部ROM開始執(zhí)行，當PC值超出內(nèi)部ROM的容量時，會自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器空間。對8051/8751而言，外部程序存儲器地址空間為1000H FFFFH。對這類單片機，若把接低電平，可用于調(diào)試程序，即把要調(diào)試的程序放在與內(nèi)部ROM空間重疊的外部程序存儲器內(nèi)，進行調(diào)試和修改。調(diào)試好后再分兩段存儲，再將接高電平，就可運行整個程序。（3）、片內(nèi)無程序存儲器8031芯片無內(nèi)部程序存儲器，需外部擴展EPROM 芯片，地址從0000H-FFFFH都是外部程序存儲器空間，在設(shè)計時應(yīng)

49、始終接低電平，使系統(tǒng)只從外部程序儲器中取指令。MCS-51單片機復(fù)位后程序計數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H ，因此系統(tǒng)從0000H單元開始取指，并執(zhí)行程序，它是系統(tǒng)執(zhí)行程序的起始地址，通常在該單元中存放一條跳轉(zhuǎn)指令，而用戶程序從跳轉(zhuǎn)地址開始存放程序。2. 數(shù)據(jù)存儲器（1）、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器MCS-51單片機的數(shù)據(jù)存儲器無論在物理上或邏輯上都分為兩個地址空間，一個為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器用MOV指令，另一個為外部數(shù)據(jù)存儲器，訪問外部數(shù)據(jù)存儲器用MOVX指令。MCS-51系列單片機各芯片內(nèi)部都有數(shù)據(jù)存儲器，是最靈活的地址空間，它分成物理上獨立的且性質(zhì)不同的幾個區(qū)：00H - 7FH(0 -

50、127)單元組成的128字節(jié)地址空間的RAM區(qū)；80H - FFH（128 - 255）單元組成的高128字節(jié)地址空間的特殊功能寄存器(又稱SFR)區(qū)。注意:8032/8052單片機將這一高128字節(jié)作為RAM區(qū)。數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 地址范圍30H-7FH位尋址區(qū)（位地址00-7F） 地址范圍20H-2FH工作寄存器區(qū)3（R0-R7） 地址范圍18H-1FH工作寄存器區(qū)2（R0-R7） 地址范圍10H-17H工作寄存器區(qū)1（R0-R7） 地址范圍08H-0FH工作寄存器區(qū)0（R0-R7） 地址范圍00H-07H圖圖2-8 MCS-51內(nèi)部RAM存儲器結(jié)構(gòu)在8051，8751和8031單片機中，只有低1

51、28字節(jié)的RAM區(qū)和128字節(jié)的特殊功能寄存器區(qū)，兩區(qū)地址空間是相連的，特殊功能寄存器(SFR)地址空間為80H-FFH。注意:128字節(jié)的SFR區(qū)中只有26個字節(jié)是有定義的，若訪問的是這一區(qū)中沒有定義的單元，則得到的是一個隨機數(shù)。內(nèi)部RAM區(qū)中不同的地址區(qū)域功能結(jié)構(gòu)如上圖2-8所示。其中00H-1FH(0-31)共32個單元是四個通用工作寄存器區(qū)，每一個區(qū)有八個工作寄存器，編號為R0-R7，每一區(qū)中R0-R7，地址見表2-2。 表2-2 寄存器和RAM地址對照表0 區(qū)1區(qū)2區(qū)3區(qū)地址寄存器地址寄存器地址寄存器地址寄存器00HR008HR010HR018HR001HR109HR111HR119

52、HR102HR20AHR212HR21AHR203HR30BHR313HR31BHR304HR40CHR414HR41CHR405HR50DHR515HR51DHR506HR60EHR616HR61EHR607HR70FHR717HR71FHR7當前程序使用的工作寄存區(qū)是由程序狀態(tài)字PSW(特殊功能寄存器，字節(jié)地址為（0D0H)中的D4、D3位（RS1和RS0）來指示的，PSW的狀態(tài)和工作寄存區(qū)對應(yīng)關(guān)系見表2-3。表2-3 工作寄存器區(qū)選擇PSW4(RS1)PSW3(RS0)當前使用的工作寄存器區(qū)R0 - R7000區(qū) （00 - 07H）011區(qū) （08 - 0FH）102區(qū) （10 - 1

53、7H）113區(qū) （18 - 1FH）CPU通過對PSW中的D4、D3位內(nèi)容的修改，就能任選一個工作寄存器區(qū)，例如： SETB PSW3 CLR PSW4 ；選定第區(qū)SETB PSW4 CLR PSW3 ；選定第2區(qū)SETB PSW3 SETB PSW ；選定第區(qū)不設(shè)定為第0區(qū)，也叫默認值，這個特點使MCS-51具有快速現(xiàn)場保護功能。特別注意的是，如果不加設(shè)定，在同一段程序中R0 - R7只能用一次，若用兩次程序會出錯。如果用戶程序不需要四個工作寄存器區(qū)，則不用的工作寄存器單元可以作一般的RAM使用。內(nèi)部RAM的20H -2FH為位尋址區(qū)(見表2-4)這16個單元和每一位都有一個位地址，位地址范

54、圍為00H - 7FH。位尋址區(qū)的每一位都可以視作軟件觸發(fā)器，由程序直接進行位處理。通常把各種程序狀態(tài)標志、位控制變量設(shè)在位尋址區(qū)內(nèi)。同樣，位尋址區(qū)的RAM單元也可以作一般的數(shù)據(jù)緩沖器使用。在一個實際的程序中，往往需要一個后進先出的RAM區(qū)，以保存CPU的現(xiàn)場，這種后進先出的緩沖器區(qū)稱為堆棧（堆棧的用途詳見指令系統(tǒng)和中斷的章節(jié)），堆棧原則上可以設(shè)在內(nèi)部RAM的任意區(qū)域內(nèi)，但一般設(shè)在30H -7FH的范圍內(nèi)。棧頂?shù)奈恢糜蓷Ｖ羔楽P指出。（2）、外部數(shù)據(jù)存儲器MCS-51具有擴展64K字節(jié)外部數(shù)據(jù)存儲器和I/O口的能力，這對很多應(yīng)用領(lǐng)域已足夠使用，對外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問采用MOVX指令，用間接尋址方式，R0，R1和DPTR都可作間址寄存器。若系統(tǒng)較小，內(nèi)部的R