微型计算机控制系统及接口设计

微型计算机控制系统及接口设计微型计算机控制系统及接口设计认识项目项目一控制系统的一般设计思路项目二微型计算机系统项目三单片微型计算机项目四机电一体化技术系统中的接口技术微型计算机控制系统及接口设计实验项目项目一P1口输入、输出实验项目二8255输入、输出实验项目三AD转换实验微型计算机控制系统及接口设计认识项目项目一控制系统的一般设计思路专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1.专用与通用的抉择专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。2.硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 权衡决定。例：分立元件组成硬件------软件利用LSI芯片组成电路-----软件微型计算机控制系统及接口设计控制系统的一般设计思路设计步骤为：确定系统整体控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案。（2）考虑执行元件采用何种方式。（3）要考虑是否有特殊控制要求。（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。（5）应初步估算其成本。2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。控制算法：所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：或圆弧算法：或直接数字控制系统中常用的PID调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。3、选择微型计算机（1）较完善的中断系统（2）足够的存储容量（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令(1、单板机、单片机；2、可编程控制器；3、普通PC机；4、STD总路线控制；5、工业控制PC机。)4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。（1）接口设计并行接口（8255A）串行接口（8251A）计数器／定时器（8253/8254）选用方法：①选用功能接口板（适用组成较大系统）。②选用通用接口电路（适用较小的控制系统）。③用集成电路自行设计接口电路。接口设计包括两个方面的内容：①扩展接口；②安排通过各接口电路输入／输出端的输入／输出信号，选定各信号输入／输出时采用何种控制方式。如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。（2）通道设计输入／输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要有输入／输出通道。开关量、数字量的输入／输出比较简单。模拟量输入／输出通道比较复杂。（3）操作控制台设计一般要单独设计一个操作员控制台。①有一组或几组数据输入键（数字键或拔码开关等），用于输入或更新给定值、修改控制器参数或其它必要的数据。②有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，起动、停止或完成某种指定的功能。③有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各状态参数及故障指示等。④控制板上应有一个“急停”按钮，用于在出现事故时停止系统运行，转入故障处理。5、软件设计系统软件系统软件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系统，通常这些软件一般不需用户设计，对用户来说，基本上只须了解其大致原理和使用方法就行了。应用软件应采用模块式结构，尽量把共用的程序编写成具有不同功能的子程序，如算术和逻辑运算程序、A/D、D/A转换程序、PID算法程序等。设计者的任务主要是把这些具有一定功能的子程序进行排列组合，使其成为一个完成特定功能的应用程序。6、系统联调：对工业生产现场和模拟装置进行调试。课内问题1、简述机电一体化系统控制微机的主要类型2、高速运行的机床和普通机床如线切割机床分别应选用几位的微机为佳。3、如何选择控制系统类型?微型计算机控制系统及接口设计认识项目微型计算机控制系统及接口设计项目二微型计算机系统一、微型计算机的基本构成“微机”是三个概念的统称：微处理机（微处理器）、微型计算机、微型计算机系统的统称。微处理机（Microprocessor）简称μP或CPU。它是一个大规模集成电路（LSI）器件，或超大规模集成电路（VLSI）器件。微型计算机（Microcomputer）简称uC或MC。它是以微处理机（CPU）为中心，加上只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM），输入/输出接口电路、系统总线及其它支持逻辑电路组成的计算机。微型计算机系统（MicrocomputerSystem），简称MCS。配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机。微型计算机控制系统及接口设计微型计算机系统硬件组成微型计算机控制系统及接口设计微型计算机系统硬件组成微型计算机控制系统及接口设计二、微型计算机的分类1、按组装形式分类（1）单片机在一块集成电路芯片（LSI）上装有CPU、ROM、RAM以及输入/输出端口电路，该芯片就被称为单片微型计算机，简称单片机，有：MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列等。单片机已广泛应用于家用电器、机电产品、仪器仪表、办公室自动化产品、机械设备、机器人等的机电一体化。上至航天器、下至儿童玩具，均是单片机的应用领域。微型计算机控制系统及接口设计（2）可编程控制器PLC应用于逻辑控制的简单事例。输入信号是由按钮开关、限位开关、继电器触点等提供的各种开关信号，通过接口进入PC，经PC处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、继电器、指示灯、电动机等输出装置。微型计算机控制系统及接口设计（3）普通PC机将微型计算机、ROM、RAM、I/O接口电路、电源等组装在不同的印刷电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRT显示器、打印机、硬盘、软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件，就构成了一个完整的微机系统。如目前国内使用较多的IBM-PC（IBM-PCXT、286、386、486、586等）微型计算机控制系统及接口设计（4）STD总线工业控制机其突出特点是：模块化设计，系统组成、修改和扩展方便；各模块间相对独立，使检测、调试、故障查找简便迅速；有多种功能模板可供选用，大大减少了硬件设计工作量；系统中可运行多种操作系统及系统开发的支持软件，使控制软件开发的难度大幅降低。微型计算机控制系统及接口设计微型计算机控制系统及接口设计（5）微型计算机系统IBM公司的PC总线微机最初是为个人或办公室使用而设计的，早期主要用于文字处理或一些简单的办公室事务处理。早期产品是基于一块大底板结构，加上几个I/O扩充槽。 PC/AT总线的IBM兼容计算机由于价格低廉、使用灵活、软件资源非常丰富，因而用户众多，在国内更是主要流行机种之一推出了PC/AT总线工业控制机，一般对原有微机作了以下几方面的改进（1）机械结构加固，使微机的抗震性好。（2）采用标准模板结构。（3）加上带过滤器的强力通风系统，加强散热，增加系统抵抗粉尘的能力。（4）采用电子软盘取代普通的软磁盘，使之能适于在恶劣的工业环境下工作。（5）根据工业控制的特点，常采用实时多任务操作系统。几种常用的工业控制计算机的性能比较关系微型计算机控制系统及接口设计微型计算机控制系统及接口设计2、按微处理机位数分类一位、四位、八位、十六位、三十二位和六十四位等几种。所谓位数是指微处理机并行处理的数据位数。4位机目前多做成单片机。主要用于单机控制、仪器仪表、家用电器、游戏机等。8位机有单片和多片之分，主要用于控制和计算。16位机功能更强、性能更好，用于比较复杂的控制系统。它可以使小型机微型化。32位和64位机是比小型机更有竞争力的产品。称之为超级微型机。它具有面向高级语言的系统结构，有支持高级调度、调试以及开发系统用的专用指令，大大提高了软件的生产效率。微型计算机控制系统及接口设计3、按用途分类分为控制用和数据处理用微型计算机。对单片机来说为通用型和专用型。通用型单片机，如MCS—51。专用单片机或称专用微控制器，是专门为某一应用领域或某一特定产品而开发的一类单片机。其内部系统结构或指令系统都是特殊设计的（甚至内部已固化好程序）。微型计算机控制系统及接口设计三、程序设计语言与微机软件1、程序设计语言程序设计语言是编写计算机程序所使用的语言，是人机对话的工具。目前使用的程序设计语言大致有三大类，即“机器语言”（machinelanguage）、“汇编语言”（assemblylanguage）、“高级语言”（highlevellanguage）。2、操作系统所谓操作系统，就是计算机系统的管理程序库。3、程序库计算机的可用程序和子程序的集合就是程序库（或软件包）。目前，微型计算机积累的程序非常丰富，而且可以通用。而在机械控制领域，由于被控对象（产品）的特殊性较强，其程序库的形成较难。微型计算机控制系统及接口设计四、计算机在控制中的应用方式1、操作指导控制系统在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。如：在机械工业生产的过程中，对各物理参数进行周期性或随机性的自动测量，并显示，打印和记录结果供操作人员观测，对间接测量的参数或指标进行计算、存贮、分析判断和处理，并将信息反馈到控制中心，制定新的对策。在具体的生产过程中对加工零件的尺寸，刀具磨损情况进行测量，并对刀具补偿量进行修正，以保证加工的精度要求。微型计算机控制系统及接口设计2、直接数字控制系统直接数字控制DDC（DirectDigitalControl）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。微型计算机控制系统及接口设计3、监督计算机控制系统在监督计算机控制SCC（SupervisoryComputerControl）系统中，计算机根据工艺参数和过程参量检测值，并按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值后直接传送给常规模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。监督计算机控制系统的构成示意图如图5-5所示。 （1）SCC+模拟调节器的控制系统。 （2）SCC+DDC的控制系统。微型计算机控制系统及接口设计(a）SCC＋模拟调节器系统；(b）SCC＋DDC系统微型计算机控制系统及接口设计4、分级计算机控制系统过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制；车间管理级负责本车间各设备间的协调管理；工厂管理级负责全厂各车间的生产协调，包括安排生产 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 、备品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业(公司)经营方向的决策等。微型计算机控制系统及接口设计5.直接渗透到产品中形成带有智能性的机电一体化新产品，如机器人、智能仪器等。机电一体化系统的微型化、多功能化、柔性化、智能化、安全、可靠、低价、易于操作的特性都是采用微型计算机技术的结果，微型计算机技术是机电一体化中最活跃、影响最大的关键技术。微型计算机控制系统及接口设计六、微机应用领域、选用要点及应注意的问题用微机构成机电一体化系统（或产品）具有以下效果：①小型化——应用LSI技术减少了元件数量，简化了装配、缩小了体积；②多功能化——利用了微机以信息处理能力、控制能力为代表的智能；③通用性增大——容易用软件更改和扩展设计；④提高了可靠性——用LSI技术减少了元件、焊点及接线点的数量，增加了用软件进行检测的功能；⑤提高了设计效率——将硬件标准化，用软件适应产品规格的变化，能大大缩短产品开发周期。⑥经济效果好——降低了零件费、装配成本、电源能耗，通过硬件标准化易于实现大量生产、进一步降低成本；⑦产品（或系统）标难化——硬件易于标准化；⑧提高了维修保养性能——产品的标准化使维修保养人员易于掌握维修保养 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf ，易于运用故障自诊断功能。微型计算机控制系统及接口设计（1）应用领域微机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型应用领域。①工业控制和机电产品的机电一体化。生产系统自动化、机床自动化、数控与数显、测温及控温、可编程逻辑控制器（PLC）、缝纫机、编织机、升降机、纺织机械、电机控制、工业机器人、智能传感器、智能定时器等。②交通与能源设备的机电一体化。汽车发动机点火控制、汽车变速器控制、交通灯控制、炉温控制等。③家用电器的机电一体化。洗衣机、电冰箱、微波炉、录像机、摄像机、电饭锅、电风扇、照相机、电视机、立体声音响设备等。④商用产品机电一体化。电子秤、自动售货（票）机、电子收款机、银行自动化系统等。微型计算机控制系统及接口设计⑤仪器、仪表机电一体化。三坐标测量仪、医疗电子设备、测长仪、测温仪、测速仪、机电测试设备等。⑥办公自动化设备的机电一体化。复印机、打印机、传真机、绘图仪、印刷机等。⑦信息处理自动化设备。语音处理、语音识别、语音分析、语言合成设备；图像分析别设备；气象资料分析处理、地震波分析处理设备。⑧导航与控制。导弹控制、鱼雷制导、航空航天系统、智能武器装置等。微型计算机控制系统及接口设计（2）选用要点①不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。②生产系统自动化、机床自动化、数控机床一般应用八位或十六位微机系统。③家用电器、商用产品，计算机一般装在产品内，故应采用单片机或微处理器。采用四位或八位微机。④在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合，如智能机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用十六位与三十二位微机。⑤对一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电一体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等，多采用八位机。微型计算机控制系统及接口设计换句话说①四位机常用于较简单、规模较小的系统（或产品）；②八位机则用于中等规模的系统；③十六位与三十二位机及六十四位机主要用于较复杂的大系统； （3）机电一体化中使用计算机应注意的问题1）计算机系统的存贮器和通信部件性能/价格比的发展跟不上处理器的发展，其结果是快速的运算系统与慢速的外部设备的矛盾。2）人—机接口已成为计算机技术应用的主要问题，开发图形窗口软件的人—机接口技术是当前计算机软件发展的重要趋势。3）软件的开发仍然是计算机应用的巨大工作量所在。 七、未来计算机的发展对机电一体化技术的影响课内问题1.微型计算机的基本硬件其组成部分由哪些总线相联。2、高速运行的机床和普通机床如线切割机床分别应选用几位的微机为佳。3.选择计算机时可单纯追求微处理器的速度吗？4.随着速度和字长的增加CPU的成本上升而可靠性却降低吗?5.机电一体化系统中的各组成部分的功能很强，则系统整体也一定能很好协调，从而使系统可靠、正常地工作吗？微型计算机控制系统及接口设计认识项目微型计算机控制系统及接口设计项目三单片微型计算机一、MCS-51系列单片机配置一览表：MCS-51单片机40脚Vcc,GND2XTAL1,XTAL22RESET1EA/Vpp1ALE/PROG1PSEN1P0.0—P0.78P1.0—P1.78P2.0—P2.78P3.0—P3.78微型计算机控制系统及接口设计 Vcc,GND:正电源端与接地端(+5V/3.3V/2.7V) XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入/输出端15～45pfx21～12MHz（MCS-51）0～24MHz（Atmel-89C）XTAL1XTAL2也可以由XTAL1端接入外部时钟，此时应将XTAL2接地：XTAL2XTAL1外部时钟通常外接一个晶振两个电容 Vcc,GND:正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V) XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：振荡周期/时钟周期：Tc=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数状态周期：Ts=2个时钟周期(Tc)（很少用到此概念）机器周期：Tm=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc)指令周期:Ti:执行一条指令所需的机器周期(Tm)数牢牢记住：振荡周期=晶振频率fosc的倒数；1个机器周期=12个振荡周期；1个指令周期=1、2、4个机器周期微型计算机控制系统及接口设计RESET:复位端（正脉冲有效，宽度8mS）复位使单片机进入某种确定的初始状态：▼PC值归零（0000H）；▼各个SFR被赋予初始值（见P.42）：P0～P3=0FFH，Acc=0，B=0，TH0=0，TL0=0，TH1=0，TL0=0，SP=7，PSW=0……▼退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程序进程、退出程序的死循环，从头开始。微型计算机控制系统及接口设计 寄存器 复位状态 寄存器 复位状态 PC 0000H TCON 00H A 00H T2CON 00H B 00H TH0 00H PSW 00H TL0 00H SP 07H TH1 00H DPTR 0000H TL1 00H P0~P3 FFH SCON 00H IP XX000000B SBUF XXH IE 0X000000B PCON 0XXX0000B TMOD 00HEA/Vpp:寻址外部ROM控制端/编程电源输入端。低有效，片内无ROM时必须接地；片内有ROM时应当接高电平；对片内ROM编程时编程正电源加到此端。ALE/PROG:地址锁存允许/编程脉冲输入端。P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器G端；ALE端平时会输出周期正脉冲：ffosc/6；对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。 PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE）低有效。单片机锁存器74LS373P0.0-P0.7ALEPSENP2.0-P2.48D8QOEA8-A12A0-A7D0-D7GEAOECEEPROM单片机的引脚（P1口） P1.0—P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线Vcc引脚P1.X内部上拉电阻单片机的引脚（P1口）-输出121DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线Vcc引脚P1.X内部上拉电阻输出数据=1时110截止=1 P1.0—P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。单片机的引脚（P1口）-输出021DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线Vcc引脚P1.X内部上拉电阻输出数据=0时001=0导通 P1.0—P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。简单测控实例原理图P1.3作输入端口光路通畅，R亮2K光路阻断，R暗400KR亮<2.2KR暗>250KP1.3口用于输入状态检测的语句：JOB3:CLRP1.1;亮绿灯REDO:SETBP1.3;P1.3作输入口必先置1CHECK:JNBP1.3,CHECK;检测通道是否被阻断？LOOP:…………;有入侵者，报警！ AJMPREDO;再跳回去检测任务三：红外防盗报警R亮<2.2K，红外线光路通畅时，P1.3端＝低电平R暗>250K，红外线光路阻断时，P1.3端＝高电平单片机的引脚（P0口） P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X34Vcc单片机的引脚（P0口） P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。控制=1时，此脚作地址/数据复用口：（1）输出地址/数据=0时单片机的引脚（P0口） P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。控制=1时，此脚作地址/数据复用口：（2）输出地址/数据=1时单片机的引脚（P0口） P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。控制=1时，此脚作地址/数据复用口：（3）输入数据时，输入指令将使引脚与内部总线直通单片机的引脚（P0口） P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。单片机的引脚（P2口） P2.0—P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。单片机的引脚（P2口） P2.0—P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。单片机的引脚（P2口） P2.0—P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。控制=1时，此脚作高8位地址A8—A15输出口：当输出=1时单片机的引脚（P2口） P2.0—P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。控制=1时，此脚作高8位地址A8—A15输出口：当输出=0时单片机的引脚（P2口） P2.0—P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。单片机的引脚（P3口） P3.0—P3.7:双功能口（内置了上拉电阻）它具有特定的第二功能。在不使用它的第二功能时它就是普通的通用准双向I/O口。单片机的引脚（P3口） P3.0—P3.7:双功能口（内置了上拉电阻）它具有特定的第二功能。在不使用它的第二功能时它就是普通的通用准双向I/O口。单片机的引脚（P3口） P3.0—P3.7:双功能口（内置了上拉电阻）它具有特定的第二功能。在不使用它的第二功能时它就是普通的通用准双向I/O口。P3口第二功能表（P.35） 引脚 第二功能 P3.0 RxD:串行口接收数据输入端 P3.1 TxD:串行口发送数据输出端 P3.2 INT0:外部中断申请输入端0 P3.3 INT1:外部中断申请输入端1 P3.4 T0:外部计数脉冲输入端0 P3.5 T1:外部计数脉冲输入端1 P3.6 WR:写外设控制信号输出端 P3.7 RD:读外设控制信号输出端51单片机的8个特殊引脚 Vcc,GND:电源端 XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端 RESET:复位端正脉冲有效（宽度8mS） EA/Vpp:寻址外部ROM控制端。低有效片内有ROM时应当接高电平。 ALE/PROG:地址锁存允许控制端。 PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。低有效51单片机的4个8位的I/O口 P0.0—P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口(复用时是双向口；不复用时也是准双向口) P1.0—P1.7:通用I/O口（准双向口） P2.0—P2.7:输出高8位地址（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口） P3.0—P3.7:具有特定的第二功能（准双向口）注意：在不外扩ROM/RAM时，P0～P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口(例如:AT89C51)！P3口第二功能表 引脚 第二功能 P3.0 RxD:串行口接收数据输入端 P3.1 TxD:串行口发送数据输出端 P3.2 INT0:外部中断申请输入端0 P3.3 INT1:外部中断申请输入端1 P3.4 T0:外部计数脉冲输入端0 P3.5 T1:外部计数脉冲输入端1 P3.6 WR:写外设控制信号输出端 P3.7 RD:读外设控制信号输出端二、单片机控制系统的组成形式微型计算机控制系统及接口设计单片机的系统构成：1、最小应用系统微型计算机控制系统及接口设计最小应用系统是指用一片单片机，加上晶振电路、复位电路、电源与外设驱动电路组配成的控制系统。这种系统往往使用片内带有ROM或EPROM作程序存储器的单片机。注塑机单片控制系统2、扩展应用系统微型计算机控制系统及接口设计在有些控制系统中，单片机本身硬件资源的限制而需要对它进行扩展，经扩展后的单片机控制系统称为扩展应用系统。微型计算机控制系统及接口设计（1）基本系统扩展指对片外EPROM、RAM的扩展。（2）人—机对话通道扩展最常用的是键盘和显示器。（3）前向通道扩展对被控对象进行数据采集或现场参数监视的信息通道称为前向通道。第一，被测参数（如位置、位移、速度、加速度、压力、温度等）被传感器检测转换成电量后，还需要将其转换成数字量，才能被单片机接受；有的虽已被转换成数字量，如开关信号、频率信号等，但与单片机的数字电平不匹配，需进一步转换成单片机能接受的TTL数字信号。第二，被测参数较多时，单片机I/O口在数量上有时不够用。前向通道的扩展包括：输入信号通道数目的扩展和信号转换两个技术处理问题。（4）后向通道扩展在单片机系统中，对控制对象输出控制信息的通道称为后向通道。在后向通道设计中，必须解决单片机与执行机构（如电磁铁、步进电动机、伺服电功机、直流电动机等）功率驱动模块的接口问题，这时也会遇到信号转换、隔离及输出通道数的扩展等技术问题。存储器扩展芯片一类是程序存储器芯片扩展程序存储器常用的芯片是EPROM（紫外线可擦除型），如2716（2K×8）、2732（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）等。另外，还有+5V电可擦除EEPROM，如2816（2K×8）、2864（8K×8）等等。另一类是数据存储器芯片。常用的静态RAM芯片有6116（2K×8位）、6264（8K×8位）、62256（32K×8位）,读/写速度高，易于扩展。动态RAM芯片有2186、2187等集成度高，成本低，功耗相对较低，缺点是需要增加一个刷新电路，附加另外的成本。图3-15常用EPROM芯片管脚图图3-17单片机扩展2764EPROM电路图3-18单片机扩展27128EPROM电路图3-19单片机扩展2732EPROM电路EPROM27642764是8K×8位的EPROM，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns，DIP28封装。2764A有13条(A0～A12)地址线，数据输出线O0～O7， 为片选线，为数据输出允许线， 为编程脉冲输入端，VPP为编程电源，VCC为工作电源。扩展2732EPROM电路说明①地址线。扩展片外存储器时，地址是由P0和P2口提供的。2732的12条地址线（A0～A11）中，低8位A0～A7通过锁存器74LS373与P0口连接，高4位A8～A11直接与P2口的P2.0～P2.3连接，P2口本身有锁存功能。注意，锁存器的锁存使能端G必须和单片机的ALE管脚相连。②数据线。2732的8位数据线直接与单片机的P0口相连。因此，P0口是一个分时复用的地址/数据线。③控制线。CPU执行2732中存放的程序指令时，取指阶段就是对2732进行读操作。注意，CPU对EPROM只能进行读操作，不能进行写操作。2732控制线的连接有以下几条：直接接地：由于系统中只扩展了一个程序存储器芯片，因此，2732的片选端直接接地，表示2732一直被选中。若同时扩展多片，需通过译码器来完成片选工作。：接8031的读选通信号端。在访问片外程序存储器时，只要端出现负脉冲，即可从2732中读出程序。图3-16常用EEPROM管脚图图3-17单片机扩展2817AEEPROM电路扩展2817EEPROM电路说明2817A的写入过程如下：CPU向2817A发出字节写入命令后，2817A便锁存地址、数据及控制信号，从而启动一次写操作。2817A的写入时间大约为16ms左右，在此期间，2817A的脚呈低电平，表示2817A正在进行写操作，此时它的数据总线呈高阻状态，因而允许CPU在此期间执行其它的任务。当一次字节写入操作完毕，2817A便将线置高，由此来通知CPU。(2)硬件电路图。单片机扩展2817A的硬件电路图如图3-17所示。2817连线说明(3)连线说明：①地址线。图6.5中，2817A的11条地址线（A0～A10，容量为2K×8位，211=2×1024=2K）中的低8位A0～A7通过锁存器74LS373与P0口连接，高3位A8～A10直接与P2口的P2.0～P2.2连接。②数据线。2817A的8位数据线直接与单片机的P0口相连。③控制线。单片机与2817A的控制线连接采用了将外部数据存储器空间和程序存储器空间合并的方法，使得2817A既可以作为程序存储器使用，又可以作为数据存储器使用。2817管脚说明——控制程序存储器的读操作，执行指令的取指阶段和执行MOVCA,@A+DPTR指令时有效；——控制数据存储器的读操作，执行MOVX@DPTR,A和MOVX@Ri,A时有效；——控制数据存储器的写操作，执行MOVXA,@DPTR和MOVXA,@Ri时有效。在图6.5中，2817A控制线的连线方法如下：：直接接地。由于系统中只扩展了一个程序存储器芯片，因此片选端直接接地，表示2817A一直被选中。2817管脚说明：8031的程序存储器读选通信号和数据存储器读信号经过“与”操作后，与2817A的读允许信号相连。这样，只要、中有一个有效，就可以对2817A进行读操作了。也就是说，对2817A既可以看作程序存储器取指令，也可以看作数据存储器读出数据。：与8031的数据存储器写信号相连，只要执行数据存储器写操作指令，就可以往2817A中写入数据。：与8031的P1.0相连，采用查询方法对2817A的写操作进行管理。在擦、写操作期间，脚为低电平，当字节擦、写完毕时，为高电平。2817管脚说明其实，检测2817A写操作是否完成也可以用中断方式实现，方法是将2817A的反相后与8031的中断输入脚相连。当2817A每擦、写完一个字节，便向单片机提出中断请求。图4.5中，2817A的地址范围是0000H～07FFH（无关的管脚取0，该地址范围不是惟一的）。(4)2817A的使用。按照图3-17连接好后，如果只是把2817A作为程序存储器使用，使用方法同EPROM相同。EEPROM也可以通过编程器将程序固化进去。图3-186116管脚图6116的管脚与EPROM2716管脚兼容，管脚如图所示。6264管脚(2)硬件电路。单片机与6116的硬件连接如图所示。图3-20单片机与6264SRAM的连接用译码法扩展多片E2PROM静态RAM芯片6264说明6264是8K×8位的静态RAM，它采用CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功耗200mW，典型读取时间200ns，封装形式为DIP28，管脚如图6.13所示。其中，A0～A12为13条地址线；I/O0～I/O7为8条数据线，双向；为片选线1，低电平有效；CE2为片选线2，高电平有效；为读允许信号线，低电平有效；为写信号线，低电平有效。图3-21iRAM2186、2187管脚图动态RAM芯片2186/2187片内具有8K×8位集成动态RAM，单一+5V供电，工作电流70mA，维持电流20mA，存取时间250ns，管脚与6264兼容。两者的不同之处在于2186的引脚1是同CPU的握手信号RDY，而2187的引脚1是刷新控制输入端REFEN。快擦写型存储器（FlashMemory）快擦写型存储器是一种电可擦除型、非易失性存储器，也称为闪存，其特点是快速在线修改，且掉电后信息不丢失。近年来，FlashMemory大量用来制作存储器卡（也称为闪卡），例如，数码相机中使用的存储器卡就是一种闪卡。(2)可编程I/O扩展芯片①8255：可编程通用并行接口电路，可扩展3×8位并行I/O口。②8243：可编程通用并行接口电路，可扩展4×4位并行I/O口。③8155：编程RAM/IO扩展电路，可扩展2×8位并行口、6位并行口、256×8位静态RAM和14位定时/计数器。④8755：可编程EPROM/IO扩展电路，可扩展2×8位并行I/O口和2k×8位EPROM。⑤8253：可编程定时/计数器，可扩展3个16位定时/计数器。⑥8251：可编程串行口电路。⑦8279：可编程键盘、显示器接口电路，可扩展64个键（或开关点）和16位七段数码显示器。图3-22简单I/O口扩展电路输出控制信号由P2.0和相“或”后形成。当二者都为0后，74LS273的控制端有效，选通74LS273，P0上的数据锁存到74LS273的输出端，控制发光二极管LED，当某线输出为0时，相应的LED发光。因为74LS244和74LS273都是在P2.0为0时被选通的，所以二者的口地址都为FEFFH（这个地址不是惟一的，只要保证P2.0=0，其它地址位无关）。但是由于分别由和控制，因而两个信号不可能同时为0（执行输入指令，如MOVXA，@DPTR或MOVXA，@Ri时，有效；执行输出指令，如MOVX@DPTR，A或MOVX@Ri，A时，有效），所以逻辑上二者不会发生冲突。 8155内部结构 (b)8155引脚配置图可编程RAMI/O接口芯片8155内部结构及引脚8155的RAM和I/O口地址编码8155的工作方式与基本操作图7-138155命令状态寄存器格式表7-48155定时器编程方式及相应的输出波形1.独立式按键结构键盘接口技术独立键盘与单片机接口矩阵键盘接口技术及工作原理图7-20定时键盘扫描程序框图矩阵键盘工作方式 (a)管脚图 (b)共阴极 (c)共阳极图LED显示器与通用I/O口的连线MCS-51单片机显示器接口技术图通过8255A连接的3位LED静态显示器静态LED显示器接口图通过8155连接的6位LED动态显示电路动态LED显示器接口动态显示子程序流程图1.8279的内部结构可编程键盘/显示器接口芯片Intel82792.8279引脚功能8279与单片机的接口图8×8键盘的键值与键号2.单片机系统扩展地址译码2.单片机系统扩展地址译码对扩展芯片进行片选控制片内地址选择(1)单片机扩展系统地址译码规则。①单片机一般采用哈佛（Haward）结构，它把程序存储器与数据存储器的地址空间完全分开，采用不同的寻址方式。例如MCS-51系列，PC指针总是指向程序存储器的单元，而用DPTR指针指向数据存储器单元。②外围芯片与数据存储器统一编址，而且必须使用读、写控制线。③8位单片机的地址总线宽度为16位，也就是说片外程序存储器和数据存储器均可直接寻址64k字节。(2)地址译码方法。地址译码的方法有线选法和全地址译码法两种。①线选法：把地址线直接接到外围扩展芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，相应的芯片就被选中。②全地址译码：当扩展芯片所需的片选线要比可提供的地址线多时，要采用全地址译码方式产生片选信号3.总线驱动与总线负载当系统扩展所用的外围芯片较多时，就需要在单片机相应的总线上设计总线驱动器，使单片机的总线与外围扩展芯片通过驱动器连接起来，而不是直接相连，因为单片机总线的驱动能力总是有限的，如MCS-5l作为数据总线和低8位地址总线的P0口只能驱动8个74LSTTL系列的门电路，而其他I/O口仅能驱动4个74LSTTL电路。另一方面，外围芯片工作时有一个输入电流，不工作时也有漏电流存在，因此，过多的外围芯片可能会加重总线负载，致使系统因驱动能力不足而不能可靠地工作。采用总线驱动器后，不管驱动器后面接多少个集成电路芯片，对单片机来讲，相当于每条线只带动一个LSTTL门电路的负载，而驱动器在高电平时能驱动100多个74LSTTL门电路，这就提高了单片机总线的驱动能力。图3.13为单片机总线驱动扩展原理图。4.编程I/O扩展芯片的应用方法(1)在选用I/O扩展芯片时，必须对该芯片提供的资源及各引脚的含义正确地理解，如8155提供了256字节RAM、3个并行I/O口及1个定时/计数器资源。(2)可编程I/O芯片各资源都有地址编码，这些地址编码一般采用单片机低8位地址，如8155中PA、PB、PC、计数器及RAM均有地址定义。对于有复合功能的芯片，其功能选择引脚也需进行地址编码，如8155的IO/引脚。(3)各资源均有若干工作方式，如8155并行口有两种工作方式，定时/计数器有4种工作方式，并行口还需定义数据输入/输出的方向等。各资源在某一时刻只能有一种工作方式，并行口的数据只有一种流向。(4)在应用定时/计数器时，既要向其写入定时/计数常数，又要定义工作方式，然后，再通过命令寄存器启动定时/计数。3.3.6前向通道接口设计 1.A/D转换接口技术根据A/D转换芯片与单片机连接方式以及控制系统的要求，A/D转换采样的方式主要有以下三种：中断方式、程序查询方式、定时采样方式。 2.开关信号及频率信号的接口技术3.5.7后向通道接口设计后向通道在单片机一侧主要有两种类型：数据总线及并行I/O口。信号形式主要有数字量、开关量和频率量三种图7-37DAC0832引脚图数/模（D/A）转换器与单片机接口及应用DAC0832的引脚排列 DAC0832结构图3.DAC0832与MCS-51的接口设计（1）单缓冲工作方式图7-38单极性单缓冲器电路接口图（2）双缓冲工作方式图7-40工作于双缓冲方式时DAC0832与8031的连接AD7542与单片机接口微型计算机控制系统及接口设计二、单片机控制系统设计要点单片机控制系统的设计内容主要包括:硬件设计、应用软件设计和系统仿真调试三个部分。1、硬件设计单片机控制系统的硬件设计包括：单片机选型、基本系统扩展设计、I/O口扩展设计、人一机通道设计、前向通道接口设计和后向通道接口设计等。在扩展和通道接口设计中应遵循如下原则：（1）尽可能选择典型电路，并且要符合常规用法。（2）系统扩展、I/O口扩展要留有一定的裕量。（3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。（4）单片机片外电路应与单片机的电气性能参数及工作时序匹配。（5）应十分重视可靠性及抗干扰设计。微型计算机控制系统及接口设计选择可靠性高的元器件、合理分配可靠度、采用通道隔离、电路板合理布局及去耦滤波、设计自诊断功能等等。（6）单片机外接电路较多时，必须考虑其负载驱动能力。2、软件设计（1）软件结构清晰、简捷、流程合理。（2）各功能程序应采用模块化编程。（3）程序存储区、数据存储区规划合理。（4）运行状态实现标志化管理。设置状态标志（位或字节），以便主程序查询。（5）软件抗干扰设计。（6）为了提高系统的可靠性，在控制软件中应设计自诊断程序。系统在工作运行前先运行自诊断程序，检查各硬件的待征状态参数是否正常。微型计算机控制系统及接口设计三、单片机芯片选择1、正确选择单片机芯片的重要性2、建议选择单片机芯片时考虑以下因素（1）要尽可能选择设计者较为熟悉，曾经接触过的单片机系列。单片机发展至今已有二三十余年的历史，形成约50个系列四百余种机型。（2）要选择有丰富的应用软件、开发工具及成熟辅助电路支持的单片机系列。（3）根据系统性能要求选择合适的单片机。目前单片机的产量占全部微机产量的70％以上，其中8位单片机产量占整个单片机的60％以上，而Intel公司的MCS-51在8位单片机市场所占的份额最大，达50％左右。课内问题1.MCS-51系列单片机设有四个并行的I/O口，使用时有哪些特点和分工？简述各并行I/O口结构特点。2.说明单片机系统扩展的必要性和主要类型。3.INTEL公司只读存储器EPROM2764芯片的容量是多少？4.机电一体化中单片机系统扩展的主要类型有哪些？微型计算机控制系统及接口设计认识项目微型计算机控制系统及接口设计项目四机电一体化技术系统中的接口技术一、前向通道接口设计将传感器测量的被测对象信号输入到单片机数据总线的通道为前向通道。前向通道在单片机一侧有三种类型：数据总线、并行I/O口和定时/计数器口。微型计算机控制系统及接口设计1、A/D转换接口技术A/D转换采样的方式主要有以下三种：中断方式；程序查询方式；定时采样方式。（1）中断方式①接高电平：ICL7109进行连续转换；②接低电平：ICL7109进行点转换；③STATUS端与8031的相连，每完成一次转换便向8031发出一次中断请求。④使能端HBEN/LBEN为“10”时读低字节、为“01”时读高字节。微型计算机控制系统及接口设计ICL7109连续转换时的转换程序： ORG0003HLJMPINT0ORG××××H；主程序┇SETBIE.0；置允许外部中断0SETBIE.7；开中断┇INT0：MOVR0，#20H；缓冲器首址MOVDPTR，#0200H；P2.0=0，P2.1=1MOVXA，＠DPTR；读低字节MOV＠R0，AINCR0MOVDPTR，#0100H；P2.0=1，P2.1=0MOVXA，＠DPTR；读高字节MOV@R0，ACLRIE.0CLRIE.7RETI微型计算机控制系统及接口设计（2）程序查询方式①有16个模拟输入通道，其时钟直接取自8031ALE信号；②用P2.7来控制A/D转换启动与转换结果的读取。③转换结束时EOC输出高电平，可作为转换结束的中断或查询信号；④本例查询P3.3；⑤对16路模拟输入量依次采样256个点，存放在外部RAM的B000H~BFFFH单元中。B000H~B0FFH为IN0通道的采样数据缓冲区；B100H~B1FFH为通道IN1采样数据缓冲区，输入通道地址依IN0~IN15顺序为7FF0H~7FFFH。微型计算机控制系统及接口设计START：MOVR0，#00H；RAM缓冲区地址置初值MOVR2，#0AFHMOVR7，#00H；循环计数器置初值（256个点）MOVR5，#00HMOVR6，#10H；通道计数器置初值（16个通道）MOVDPTR，#7FF0H；通路地址寄存器置初值WXT：JBP1.0，WXT；等待选通脉冲（负）出现ML0：MOVX@DPTR，A；启动0816转换MOV30H,#0AH；延迟DL：DJNZ30H，DLWEND：JBP3.3，WEND；等待A/D结束MOVXA，@DPTR；读取结果INCR2MOVP2，R2；指向数据缓冲区地址MOVX@R0，A；送入B000HINCDPTR；指向下一通道DJNZR6，ML0；判通道计数器减为“0”否?DJNZR7，ML1；判循环计数器减为“0”否?ACALLPDATA；调用数据处理程序AJMPSTARTML1：INCR5；返回IN0通道缓冲区MOVR2，#0AFHMOVA，R5；16个通道再循环一遍MOVR0，AMOVR6，#10HMOVDPTR，7FF0H；？？？？AJMPML0微型计算机控制系统及接口设计（3）定时采样方式先进行软件延时，延时时间取决于A/D芯片的转换时间（例如0809为100us/64us），延时结束后直接从A/D口读入转换结果。微型计算机控制系统及接口设计2、开关信号及频率信号的接口技术开关信号和频率信号有两种情况：①采用V/F转换技术，将模拟量转换成频率信号后再输入单片机中；②直接开关信号及频率信号接入，接口设计主要解决输入信号与单片机端脚的电平匹配、信号整形及电气隔离等问题。 8031与LM331的接口电路，用LM331实现V/F转换的基本电路与MCS-51系列单片机的联接方法非常简单，只须接入定时/计数器输入端即可。LM331的输入端管脚7上增加了由R1、C1组成的低通滤波电路；在CL、RL原接地端增加了偏移调节电路；在2脚上增加了—个可调电阻，用来对基准电流进行调节，以校正输出频率；在输出端3脚上接有一个上拉电阻，因为该输出端是集电极开路输出。在较恶劣环境中的前向通道，为了减少通道及电压干扰，LM331的频率输出可采用光电隔离方法，使V/F转换器与计算机电路无直接联系。微型计算机控制系统及接口设计LM331基本应用电路。微型计算机控制系统及接口设计二、后向通道接口设计后向通道信号形式：数字量、开关量和频率量三种，它们分别用于不同的被控对象。微型计算机控制系统及接口设计1、8031与AD7520接口电路图3-19为采用双缓冲器的接口方法，因为AD7520是一个10位的D/A转换器，若采用单缓冲器输入方式，则会由于高2位与低8位数据不是同时输出到AD7520而出现电压“毛刺”现象。图中74LS74（1）的口地址为BFFFH，74LS377的口地址均为7FFFH。8031也是分两次操作，在将高2位数据输出到74LS74（1）后，接着将低8位送到74LS377的同时，则把74LS74（1）的内容送到74LS74（2）上，因此10位数据是同时到达AD7520的数据输入端上的。微型计算机控制系统及接口设计D/A转换的子程序如下：MOVDPTR，#BFFFH；高8位数据→74LS74（1）MOVA，#dataHMOVX＠DPTR，AMOVDPTR，#7FFFH；低8位数据→74LS377，74LS74（1）→74LS74（2）MOVA，#dataLMOVX＠DPTR，ARET微型计算机控制系统及接口设计2、8031与AD7542接口电路AD7542为12位D/A转换。内部由三个4位数据缓冲寄存器，12位D/A寄存器。用P2.7，P2.1，P2.0分别接线选、A1、A0，以选择高、中、低4位数据送入数据缓冲寄存器。微型计算机控制系统及接口设计例如要转换12位数据低8位存在片内RAM的50H单元中，高4位数据存放在51H中，试编写D/A转换程序。MOVA，50H；取低8位数据MOVDPTR，#7CFFH；指向低四位寄存器地址MOVX＠DPTR，A；写低4位数据SWAPA；中4位数据移送至低4位MOVDPTR，#7DFFH；指向中4位寄存器地址MOVX＠DPTR，A；写中4位数据MOVA，51H；取高4位数据MOVDPTR，#7EFFH；指向4位数据寄存器MOVX＠DPTR，AMOVDPTR，#7FFFH；指向12位D/A寄存器地址MOVX＠DPTR，A；