机电一体化系统设计微机控制系统的选择及接口设计PPT课件

1、第四章第四章 微机控制系统的选择及接口设计微机控制系统的选择及接口设计第一节 微机控制系统设计的一般知识 第二节 微机控制系统的设计思路第三节 微机控制系统的构成与种类 第四节 微机控制系统的软件与程序设计语言 第五节 微机应用领域及其选用要点第八节 单片机硬件结构特点及其最小应用系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路 第十节 微机应用系统输入输出控制可靠性设计 习题与思考题习题与思考题第1页/共97页第一节 微机控制系统设计的一般知识 一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求1.作用： 将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，并按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个机电一体

2、化系统有目的地运行。它在机电一体化系统中所处的位置见下图。第2页/共97页2. 基本要求（1）适用性，系统的性能必须满足生产要求；（2）可靠性，系统能够无故障运行的能力，硬件、软件的容错能力；（3）经济性，在满足任务要求前提下，使系统成本尽可能低；（4）可维护性，检测和维修方便；（5）可扩展性，使系统能在不做大的变动条件下很快适应新的情况。第3页/共97页第二节 微机控制系统的设计思路 不同产品所需要的控制功能、控制形式和动作控制方式也不尽相同。控制系统的设计是综合运用各种知识的过程。由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控制器，因此，其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、控制形式和动作控制

3、方式的问题。这不仅需要微机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要一定的生活和生产工艺知识。通常由机电一体化系统设计人员首先提出总的设计要求，然后由各专业人员通力协作。第4页/共97页二、微机控制系统设计 随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。 微机控制系统微机控制系统：是将微型计算机作为机电

4、一体化产品的控制器，结合是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。 常用的微机控制系统：常用的微机控制系统：专用微机控制系统专用微机控制系统 核心部件为单片机和单板机。核心部件为单片机和单板机。 通用通用微机控制系统微机控制系统 核心部件为可编程控制器和工业计算机。核心部件为可编程控制器和工业计算机。第5页/共97页微机控制系统硬件与软件抉择和权衡微机控

5、制系统硬件与软件抉择和权衡 在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。（1）专用专用/ /通用微型计算机的选择通用微型计算机的选择 1）专用控制系统的构成与特点专用控制系统的构成与特点 用于用于大批量生产大批量生产的机电一体化产品。具有机械电子有机结合紧凑，由专用的机电一体化产品。具有机械电子有机结合紧凑，由专用IC芯芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机软件采用专用机器代码或语言器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。，可靠性强，成本低，但适

6、应能力较差。 第6页/共97页2）通用控制系统的构成与特点通用控制系统的构成与特点 构成：控制系统以构成：控制系统以通用微型计算机为核心通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成设计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平软件采用通用平台软件系统台软件系统。 特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。应采取一定的抗干扰措施等特点。 应用：适用于应用：适用于

7、多品种、中小批量生产多品种、中小批量生产的机电的机电一体化产品。一体化产品。 实质实质上就是上就是通过接口设计和软件编制来使通通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题用微机专用化的问题。第7页/共97页（2）硬件与软件的权衡硬件与软件的权衡 / /匹配匹配 任何微机控制系统的控制功能，可以由硬件实现，任何微机控制系统的控制功能，可以由硬件实现，也可以由软件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配两者的合理匹配是确定或选用微是确定或选用微机控制系统研究内容之一。机控制系统研究内容之一。 主要依据主要依据经济性、可靠性、适用性经济性、可靠性、适用性等要求来决定。等要求来决定。 主要用主要用通用

8、分离元件通用分离元件组成的控制系统组成的控制系统最好采最好采用用软件软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。 主要用主要用专用集成元件专用集成元件组成的控制系统组成的控制系统最好选最好选用用硬件硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。如三相步进电机的廉价、可靠、处理速度快等特点。如三相步进电机的硬环分使用硬环分使用CH250集成芯片要好于触发器搭接的环形集成芯片要好于触发器搭接的环形分配器。分配器。

9、 第8页/共97页 由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的必须采取相应的抗干扰措施抗干扰措施。第9页/共97页微机控制系统的设计思路微机控制系统的设计思路 （1）确定系统总体控制方案确定系统总体控制方案 总体控制方案确定技术路线总体控制方案确定技术路线 从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环控制）闭环控制）传感元件选用（含精度）传感元件选用（含

10、精度）选用选用/ /设计设计执行元件执行元件考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特性）高精度、快速响应特性）微机在整个控制系统中的作用微机在整个控制系统中的作用（计算、数据处理、直接/ /间接控制方式、控制功能、I/OI/O接口、外围设备等）控制系统成本核算。控制系统成本核算。 确定微机控制系统总体控制的初步方案确定微机控制系统总体控制的初步方案 总体方案可行性论证总体方案可行性论证总体方案技术总体方案技术/ /经济评价经济评价总体方案鉴定。总体方案鉴定。 最终确定微机控制系统总体控制方案最终确定微机控制系统总体控制方案第10页/共97页

11、（2）确定控制算法确定控制算法 目的在于确定微机控制系统输入目的在于确定微机控制系统输入/ /输出之间的数字和逻辑输出之间的数字和逻辑数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，实数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，实现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求提高可靠的理论依据。提高可靠的理论依据。 常用的控制算法：常用的控制算法： 逐点比较法逐点比较法、数字积分法数字积分法、PIDPID调节控制法调节控制法、最小拍控制最小拍控制法法、最优控制法最优控制法、随机控制法随机控制法、自适用控制法自适用控制法、遗传控制

12、法遗传控制法、模糊控制法模糊控制法、鲁棒控制法鲁棒控制法、神经网络控制法神经网络控制法、专家系统专家系统等。等。 选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定，选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定，主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。第11页/共97页（3）微型计算机选择微型计算机选择 任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的要求如何，对微型计算任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求。机都有一定最基本要求。 1）较完善的适时中断系统较完善的适时中断系统微型计算机控制系统必须

13、具有实时控制性能。微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。实时控制包含两个意思实时控制包含两个意思：一是：一是系统正常运行时的实时控制能力，如数控机床的伺服控制；二是在发生故障时紧系统正常运行时的实时控制能力，如数控机床的伺服控制；二是在发生故障时紧急处理的能力，这些控制要求微机具有较完善的中断系统。急处理的能力，这些控制要求微机具有较完善的中断系统。 2 2）足够的存储容量（）足够的存储容量（ROMROM、RAMRAM、EPROM EPROM ） 有效保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。有效保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。 3 3）完善的输入）完善的输入/

14、 /输出通道输出通道 逻辑、数字、模拟通道，以及输入逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。输出通道接口数。 4 4）实时时钟控制）实时时钟控制 作为控制系统实现控制功能的基准。作为控制系统实现控制功能的基准。 第12页/共97页5）字长与速度 微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据精度、寻址能力、指令数目和执行速度。字长短时，指令执行速度就慢，为保证实时控制，就必须选用速度快的机器。同理，字长长时就可选用速度稍慢的机器。6）指令 一般说来，指令条数越多，程序越少越灵活。对于控制系统来说，尤其要求较丰富的逻辑判断指令和外围设备控制指令，通常8位微处理器都具有足够的指令

15、种类和数量。7）类型选择 根据成本高低、程序编制难易以及扩充I/O接口是否方便等因素，确定是选用单片机、单板机，还是微型计算机系统。（3）微型计算机选择微型计算机选择第13页/共97页（4）接口设计接口设计包括两个方面的内容：一是扩展接口；二是安排各接口电路输入输出端的信号，选定各信号输入输出时采用何种控制方式。接口扩展方法： 选用功能接口板 选用通用接口电路 用集成电路自行设计接口电路输入输出控制方式 顺序？查询？中断？DMA？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。若要采用直接存储器存取方式，则要增加直接存储器存取(DMA)控制器作为辅助电路加到接口上。第14页

16、/共97页（5）操作控制台设计 微机控制系统为便于人机联系，通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台，它一般不使用微机所带的键盘，因为现场操作人员不了解计算机的硬件和软件，假若操作失误可能发生事故，所以一般要单独设计。第15页/共97页（6）软件设计 微机控制系统的软件主要分两大类，即系统软件和应用软件。系统软件用户只须了解其大致原理和使用方法就行了。而应用软件都要由用户自行编写，设计方法有两种，即模块化程序和结构化程序。 程序模块化设计方法:在进行软件设计时，通常把整个程序分成若干部分，每一部分叫作一个模块。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫作模块

17、程序设计法。 结构化程序设计方法:给程序设计施加了一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序常用的结构有顺序结构、选择结构、循环结构。其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。第16页/共97页（7）系统调试微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。调试步骤为硬件调试 软件调试 系统调试。 硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行； 软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使其正确无误，然后固化在EPROM中； 系统联调

18、主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误后进行现场试验，直至正常运行为止。第17页/共97页第三节第三节微型计算机的系统构成及种微型计算机的系统构成及种类类 1 1微型计算机的系统构成 人们常用“微机”这个术语。该术语是三个概念的统称，即微处理机( (微处理器) )、微型计算机、微型计算机系统的统称。 微处理机(Microprocessor)(Microprocessor)简称CPUCPU。它是一个大规模集成电路(LSI)(LSI)器件或超大规模集成电路(VLSI)(VLSI)器件，器件中有数据通道、多个寄存器、控制逻辑和运算逻辑部件，有的器件还含有时钟电路，为器件的工作提供定时信

19、号。控制逻辑可以是组合逻辑，也可以是微程序的存储逻辑，可以执行机器语言描述的系统指令，是完成计算机对信息的处理与控制等的中央处理功能的器件，并非是完整的计算机。第18页/共97页 微型计算机(Microcomputer)(Microcomputer)简称MCMC。它是以微处理机(CPU)(CPU)为中心，加上只读存储器(ROM)(ROM)、随机存取存储器(RAM)(RAM)、输入输出接口电路、系统总线及其他支持逻辑电路组成的计算机。 上述微处理机、微型计算机都是从硬件角度定义的，而计算机的使用离不开软件支持。一般将配有系统软件、外围设备、系统总线接口的微型计算机称为微型计算机系统(Microc

20、omputer system)(Microcomputer system)，简称MCSMCS。第19页/共97页 CPU CPU、MCMC与MCSMCS的关系第20页/共97页微型计算机的基本硬件构成 一般由数据总线、地址总线和控制总线相连；主存储器又叫内部存储器，目前这些存储器均是大规模集成电路(LSI)(LSI)，主要有RAMRAM(Random Access Memory)(Random Access Memory)和ROMROM(Read Only Memory(Read Only Memory），通常ROMROM存储固定程序和数据，而输入输出数据和作业领域的数据由RAMRAM存储。输

21、入输出装置主要执行数据和程序的输入输出，以及用于控制时输入检测传感元件的信息和输出控制执行元件的信息。辅助存储装置可作为存储器使用；操作面板或键盘也属于输入装置，如下图所示。第21页/共97页2 2微型计算机的种类 (1)(1)按组装形式分类 按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机和微机系统等。 1)1)单片机（如下图所示） 在一块集成电路芯片(LSI)(LSI)上装有CPUCPU、ROMROM、RAMRAM以及输入输出端口电路，该芯片就称为单片微型计算机( (SCM-Single Chip MicrocomputerSCM-Single Chip Microcomputer) )简称单片

22、机。例如IntelIntel公司的MCS48MCS48系列、5151系列、9696系列等。第22页/共97页单片机的设计充分考虑了机械的控制需要，它独有的硬件结构、指令系统和输入输出(I/O)(I/O)能力，提供了有效的控制功能、故又称为微控制器(Microcontroller)(Microcontroller)。同时，它与通用微处理器一样，具有很强的运算功能，因而它不但是一种高效能的过程控制机，同时也是有效的数据处理机。随着单片机性能的提高和功能的增强，使单片机的应用打破了原来认为只能用于简单的小系统的概念。目前，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、机器人等的机

23、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。第23页/共97页 单片机应用系统： 单片机应用系统由硬件和软件组成，硬件是应用系统的基础。软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。 单片机程序设计语言： 机器语言 汇编语言 高级语言第24页/共97页单片机应用系统开发 单片机虽然功能很强，但它却无法独立完成程序录入、查错、改错和程序固化等功能，必需借助于开发工具(仿真器、编程器等)才能实现相关操作。 利用独立型仿真器开发： 这种仿真器不需要依赖PC机就能独立完成单片机应用系统的在线仿真，便于在现场对应用软件进行调试和修改。 利用非独立型仿真器开发

24、： 这种开发方式要由PC机和仿真器共同实现。仿真器与PC机之间以串行通讯方式连接，利用PC机配置的组合软件完成开发任务。有些仿真器上还有固化插座，能够将开发调试后的用户程序写入存储器芯片。与前一种相比，这种开发方式在现场参数的修改和调试方面不够方便。 不使用仿真器开发：新型单片机开发系统可以不使用仿真器，而是直接将单片机安装到印刷线路板上，利用PC机完成应用程序的编辑、汇编和模拟运行，最后将目标程序串行下载到单片机应用系统。 第25页/共97页 将微型计算机的基本体系CPUCPU、一定容量的ROMROM和RAMRAM、输入输出端口(I/O(I/O电路) )以及一些辅助电路分别做成LSILSI芯

25、片，并将它们配置在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直接连接起来，这样的计算机叫做单板微型计算机，简称单板机。例如TP801TP801是以8 8位微处理器( (如Z80)Z80)为核心组装的8 8位单板机，SDK-86SDK-86是以1616位微处理器（Intel8086/8088)Intel8086/8088)为中央处理器组装的1616位单板机。 2)单板机在单板机的印制电路板上装有一个十六进制的小键盘和数字显示器,可完成一些简单的数据处理和编辑功能。用单板机实现机电产品的机电一体化成本低，在机械设备的简易数控、检测设备、工业机器人的控制等领域中得到广泛应用。 第26页/共97页 根据需要

26、，将微型计算机、ROMROM、RAMRAM、I/OI/O接口电路、电源等组装在不同的印制电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、CRTCRT显示器、打印机、硬盘和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IBM-PC(IBM-PC(如：PP、P P 、PP等) ) 。 由PC机组成的控制系统可充分利用PC机原有的系统资源，但由于PC机本来是用作办公自动化的，所以对操作环境有一定的限制，因此，普通PC多用于数据采集系统或其他环境较好的场合。当用在工业现场时，对于各种干扰、振动及环境等要采取防范措施或采用工业PC机。 3) 3) 微型计算机系统普通PC机： 第

27、27页/共97页工业PC机 为了改进普通PC机在工业环境下的适应性，出现了工业PC机。工业PC机是结构经过加固，元器件经过严格筛选、接插件结合部经过强化设计、有良好抗干扰性、工作可靠性并保留了普通PC机的总线及接口标准以及其他优点的微机。 通常工业PC也配有种类齐全的PC总线接口模板，包括：数字量I/O板，A/D板，D/A板，定时器/计数器板、专用控制板、通信板以及存储器板等，为设计微机系统提供了极大的方便。 用工业PC组成控制系统的过程就是选用或设计相应接口模板，并开发控制软件的过程。 由于工业PC选用的元器件档次较高，结构经过强化处理，所以组成的系统性能也较高，但相应的成本也高，宜用于需进

28、行大量数据处理、可靠性要求高的大型工业控制系统。第28页/共97页4)可编控制器PLC 可编控制器（PLC）是在继电器逻辑控制系统的基础上，利用微处理器技术发展起来的有逻辑运算、计时/计数、算术运算、模拟量调节、操作显示等功能的新型工业控制器。 它结构简单、编程方便、体积小、抗干扰能力强、运行可靠，可以取代传统的继电器逻辑控制系统、模拟控制系统等，被广泛应用于工业生产过程控制中。 PLC一般使用8位或16位微处理器，大型PLC也有32位微处理器。第29页/共97页(2)(2)按微处理机位数分类 按微处理机位数可将微型计算机分为位片、4位、8位、16位、32位和64位等机种。所谓位数是指微处理机

29、并行处理的数据位数，即可同时传送数据的总线宽度。 4位机目前多做成单片机。即把微处理机、12KB的ROM、64128KB的RAM、I/O接口做在一个芯片上，主要用于单机控制、仪器仪表、家用电器、游戏机等中。 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,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。人们把这些产品称为超级微机。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。第30页/共97页 按用途分类可以将微型计算机分为控制用和数据处理用微型计算机。对单片机来说：可分

30、为通用型和专用型。 通用型单片机，即通常所说的各种系列的单片机。它可把开发的资源(如ROM、I/O接口等)全部提供给用户，用户可根据自己应用上的需要来设计接口和编制程序，因此通用型单片机可作为系统或产品的微控制器，适用于各种应用领域。 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。为满足某一领域应用的特殊要求而开发的单片机，其内部系统结构或指令系统都是特殊设计(甚至内部已固化好程序)。(3)(3)按用途分类第31页/共97页第四节第四节 微机软件与程序设计语言微机软件与程序设计语言 软件是比程序意义更广的一个概念，内含极其丰富。 1)1)程序设计语言 程序设

31、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”(Machine Language)(Machine Language)、“汇编语言”(Assembly Language)(Assembly Language)、“高级语言”(High Level Language)(High Level Language)。 2)2)操作系统 所谓操作系统(OS-Operating System)(OS-Operating System)，就是计算机系统的管理程序库。它是用于提高计算机利用率、方便用户使用

32、计算机及提高计算机响应速度而配备的一种软件 。操作系统可以看成是用户与计算机的接口，用户通过它而使用计算机。它属于在数据处理监控程序控制之下工作的一组基本程序，或者是用于计算机管理程序操作及处理操作的一组服务程序集合。 3)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。但是，随着微型计算机的普及与应用，其应用程序将不断丰富，也将会形成各式各样的程序库。第32页/共97页第五节第五节 微机的应用领域及选用要点微机的应用领域及选用要点 微型计

33、算机的基本特点是小型化、超小型化，具有一般计算机的信息处 理、计测、控制和记忆功能，价格低廉，且可靠性高、耗电少，故用微机构成机电一体化系统( (或产品) )具有以下效果： 小型化- -应用LSILSI技术减少了元件数量，简化了装配，缩小了体积； 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； 通用性增大- -容易用软件更改和扩展设计； 提高了可靠性- -用LSILSI技术减少了元器件、焊点及接续点数量，增加了用软件进行检测的功能； 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； 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

34、化易于实现大量生产；进一步降低成本； 产品( (或系统) )标准化- -硬件易于标准化； 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，易于运用故障自诊断功能。第33页/共97页 微机的应用范围十分广泛，如： （1 1）工业控制和机电产品的机电一体化。 （2 2）交通与能源设备的机电一体化。 （3 3）家用电器的机电一体化。 （4 4）商用产品机电一体化。 （5 5）仪器、仪表机电一体化。 （6 6）办公自动化设备的机电一体化。 （7 7）信息处理自动化设备。 （8 8）导航与控制。 1. 应用领域第34页/共97页 不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。一般的工业

35、控制设备、数控机床、交通与能源管理等可使用8位或16位微机系统；控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、微机系统；微机装在产品内时(如家用电器、计算器等)可采用4位或8位单片机。复杂实时控制及过程控制(如智能机器人、导航系统等),主要使用16位与32位微机。 总之，4位机常用于较简单、规模较小的系统(或产品)，16位与32位机及64位机主要用于较复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。 2. 选用要点第35页/共97页第八节第八节 单片机的结构特点及其最小应用系统单片机的结构特点及其最小应用系统一、单片机概述 单片微机是单片微型计算机SCMC（Single Chip Micro Comput

36、er）的译名简称，常简称为单片机。由于主要面向控制，也叫微控制器（Micro-Controller UnitMCU），嵌入到专用系统中就叫嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）它包括中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和并行I/O等等。 除了工业控制领域，单片微机在家用电器、电子玩具、通信、高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。目前单片微机的世界年产量已达100亿片，而在中国大陆地区单片微机的年应用量已达6亿片左右。由此可见单片微机的广泛用途和发展前景！ 1970年微型计算机研制成功之后，随

37、着大规模集成电路的发展又出现了单片微机。第36页/共97页 MCS-51系列单片机：8051单片微机是美国INTEL公司在1980年推出的MCS-51系列单片微机的第一个成员，MCS是INTEL公司的注册商标。凡INTEL公司生产的以8051为核心单元的其它派生单片微机都可称为MCS-51系列单片机（8位机），有时简称为51系列。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求。 Intel公司的MCS-51单片微机，和以8051为核心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如PHILIPS(飞利浦公

38、司) 的83C552及51LPC系列等、SIEMENS(西门子公司) 的SAB80512等、AMD(先进微器件公司) 的8053等、ATMEL（爱特梅尔公司）的89C51等统称为80C51系列单片微机。第37页/共97页二、MCS-51MCS-51系列单片机的结构特点系列单片机的结构特点 MCS-51MCS-51系列单片机包括805l805l、87518751和80318031三种产品，其硬件设计简单灵活。 80518051片内有4KB4KB的ROMROM。用户将已开发好的程序交给芯片制造厂商，在制造芯片时用将用户程序写入ROMROM。显然用户本身是无法将自己的程序写入80518051芯片的。

39、程序一经写入片内ROMROM，用户也无法改变程序。所以80518051用在批量较大(1000(1000片以上) )时，经济上才合算。 87518751片内有4KB4KB的EPROMEPROM。用户可以用将用户程序写入片内EPROMEPROM。所以当用户的程序不长时使用这种芯片可简化电路，也可以作为开发系统片内8051ROM8051ROM单片机的代用芯片。由于EPROMEPROM可通过照射紫外光线抹去原有程序进行改写，所以这类芯片也可用于程序的开发工作。 80318031芯片内无ROMROM或EPROMEPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROMEPROM。如不使用805l805l或87

40、518751芯片片内的ROMROM或EPROMEPROM即可将其作为80318031芯片使用。这三种引脚相容的产品均可寻址64KB64KB的外部程序存储器和64KB64KB的外部数据存储器。 第38页/共97页数据存储器数据存储器 RAM（Random Access Memory）程序存储器程序存储器 ROM（Read Only Memory）闪速存储器闪速存储器 Flash MemoryEPROM Erazible Programmable ROMEEPROM/E2PROM Electrical Erasable Programmable ROM (如如winbond公司公司W27C系列系列

41、)静态存储器静态存储器 SRAM Static RAM(6管管) 动态存储器动态存储器 DRAM Dynamic RAM(4,3,1管管)按字节寻址：每个字节按字节寻址：每个字节( (8个位个位) )占一个地址占一个地址按位寻址：有的存储器每一个位就有一个地址按位寻址：有的存储器每一个位就有一个地址单片机的存储器紫外线擦除，如2716(2Kx8 位)、2732(4Kx8位)、2764(8Kx8 位)、27128(16Kx8位)、27256(32Kx8 位)、27512(64Kx8位)等第39页/共97页MCS-51单片机基本特性单片机基本特性8 8 位的位的 CPUCPU， 片内有振荡器和时钟

42、电路片内有振荡器和时钟电路, ,工作频率为工作频率为 1 112MHz12MHz片内有片内有 128/256128/256字节字节 RAMRAM片内有片内有 0K/4K/8K0K/4K/8K字节字节 程序存储器程序存储器ROMROM可寻址片外可寻址片外 64K64K字节字节 数据存储器数据存储器RAMRAM可寻址片外可寻址片外 64K64K字节字节 程序存储器程序存储器ROMROM片内片内 21/2621/26个个 特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR）4 4个个8 8位位 的并行的并行I/OI/O口（口（PIOPIO）1 1个个 全双工串行口（全双工串行口（SIO/UARTSIO/U

43、ART）2/32/3个个1616位位 定时器定时器/ /计数器（计数器（TIMER/COUNTERTIMER/COUNTER）可处理可处理 5/65/6个中断源，两级中断优先级个中断源，两级中断优先级内置内置1 1个布尔处理器和个布尔处理器和1 1个布尔累加器（个布尔累加器（CyCy）MCS-51MCS-51指令集含指令集含 111111条指令条指令(254(254个代码个代码) )第40页/共97页MCS-51内部结构图第41页/共97页MCS-51MCS-51系列单片机的引脚及功能第42页/共97页第43页/共97页18051/8751最小应用系统 8 0 5 1 / 8 7 5 1 是

44、片 内 有ROM/EPROM的单片机，因此，用这种芯片构成的最小应用系统结构简单，工作可靠。第44页/共97页28031最小应用系统 8031是片内无程序存储器的单片机芯片，因此，其最小应用系统应在片外扩展EPROM。右图为用8031外接程序存储器构成的最小系统。第45页/共97页第46页/共97页四、 MCS-51系列单片机存储空间与存储器扩展五、 MCS-51系列单片机I/O扩展 六、实现片选（译码）方法 以上内容请同学们复习所学过的单片微机原理相关章节。第47页/共97页第九节第九节 数字显示器及键盘的接口电路数字显示器及键盘的接口电路 一、数字显示器的结构及其工作原理一、数字显示器的结

45、构及其工作原理 单片机应用系统中，常使用LED(发光二极管，Light Emitting Diode )、CRT（阴极射线管Cathode Ray Tube）显示器和LCD(液晶显示器，Liquid Crystal Display )等作为显示器件。其中LED和LCD成本低、配置灵活、与单片机接口方便，应用广泛。 第48页/共97页1、LED显示器LED是由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。这种笔划式的七段显示器，能显示的字符数量少，但控制简单、使用方便。 发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一

46、起的称为共阴极显示器。共阳极共阴极第49页/共97页通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也称之为八段显示块。其中七个发光二极管构成七笔字形“8”。一个发光二极管构成小数点。七段显示块与单片机接口非常容易。只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码段选码。共阳极与共阴极的段选码互为补数，二者之和为FFH。 第50页/共97页如： 3FH: 0 0 1 1 1 1 1 1 3 F 7FH： 0 1 1 1 1 1 1 1 7 F 第51页/共97页七段七段LED的段选码的段

47、选码 第52页/共97页显示器有静态和动态两种方法：（1 1）. . 静态显示 就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。例如七段显示器的a a、b b、c c、d d、e e、f f导通，g g截止，显示0 0。这种显示方式每一位都需要一个8 8位输出口控制，三位显示器的接口逻辑如下图所示。第53页/共97页静态显示的特点： 每一位都需要一个8位输出口控制，用于显示位数较少（仅一、二位）的场合； 较小的电流能得到较高的亮度，可以由8255的输出口直接驱动。第54页/共97页 （2 2）. . 动态显示 动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器( (扫描) )。对于每一位

48、显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示；若显示器的位数不大于8 8位，则控制显示器公共极电位只需一个8 8位并行口( (称为扫描口或位选口 ) )。控制各位显示器所显示的字形也需一个共用的8 8位口( (称为段数据口) )。用于显示位数稍多的场合，需编写扫描程序。 第55页/共97页8 8位共阴极显示器和81558155的接口逻辑如下图所示：第56页/共97页动态扫描程序流程图 第57页/共97页2LCD显示器 液晶显示器（LCD）是一种功耗极低的显示器件，它广泛应用于便携式电子产品中，它

49、不仅省电，而且能够显示大量的信息，如文字、曲线、图形等，其显示界面较之数码管有了质的提高。近年来，液晶显示技术发展很快，LCD显示器已经成为仅次于显像管的第二大显示产业。 LCD显示器由于类型、用途不同，其性能、结构不可能完全相同，但其基本形态和结构却是大同小异。第58页/共97页实验一：八段数码管显示 一、实验要求 利用实验仪提供的显示电路，动态显示一行数据.二、实验目的 了解数码管动态显示的原理。三、实验设备与环境 1伟福单片机实验仪 2配套PC机及开发系统Lab2000仿真软件第59页/共97页四、实验线路及连线位选通信号 (0 x002H) 段码输出(0 x004H)地址总线 实验仪提

50、供了6位8段码LED显示电路，只要按地址输出相应数据，就可实现对显示器的控制。显示共有6位，用动态方式显示。8位段码、6位位码是由两片74LS374输出。位码经MC1413或ULN2003倒相驱动后，选择相应显示位。 实验仪中8位段码输出地址为0X004H，位码输出地址为 0X002H。此处X是由KEY/LED CS 决定，参见地址译码。做键盘和LED实验时，需将KEY/LED CS 接到相应的地址译码上,以便用相应的地址来访问。例如，将KEY/LED CS 接到CS0上，则段码地址为08004H，位码地址为08002H。第60页/共97页附：地址译码插孔CS008000H08FFFHCS10

51、9000H09FFFHCS20A000H0AFFFHCS30B000H0BFFFHCS40C000H0CFFFHCS50D000H0DFFFHCS60E000H0EFFFHCS70F000H0FFFFH第61页/共97页附：LED电平显示电路 实验仪上装有8只发光二极管及相应驱动电路。见上图，L0 L7为相应发光二极管驱动信号输入端，该输入端为高电压电平“1”时发光二极管点亮。我们可以通过P1口对其直接进行控制，点亮或者熄灭发光二极管。第62页/共97页键盘及键盘及LED显示电路显示电路 实验仪的LED显示电路和键盘电路如图。显示控制的位码由74HC374输出，经MC1413反向驱动后，做LE

52、D的位选通信号。位选通信号也可做为键盘列扫描码，键盘扫描的行数据从74HC245读回，374输出的列扫描码经245读入后，用来判断是否有键被按下，以及按下的是什么键。如果没有键按下，由于上拉电阻的作用，经245读回的值为高，如果有键按下，374输出的低电平经过按键被接到245的端口上，这样从245读回的数据就会有低位，根据374输出的列信号和245读回的行信号，就可以判断哪个键被按下。LED显示的段码由另一个74HC374输出。第63页/共97页 七段数码管的字型代码表如下表： 显示字形显示字形gfedcba段码段码001111113fh1000011006h210110115bh310011

53、114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fhA111011177hb11111007chC011100139hd10111105ehE111100179hF111000171h第64页/共97页附：程序框图第65页/共97页二、键盘接口电路 键盘是单片机应用系统的一个重要输入设备，用于输入数据、干预系统的工作状态；1按键输入原理 在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成

54、该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入，并检查是哪一个键按下，将该键号送入累加器ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。第66页/共97页2单片机上的按键 单片机系统中最常见的是触点式开关按键， 这些按键的连接方式，可分为独立式按键和行列式键盘。 触点式按键在按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5 10 ms。 在触点抖动期间检测按

55、键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。 为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。第67页/共97页 在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去抖动电路。 软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态。同理，在检测到该键释放后，也应采用相同

56、的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。 第68页/共97页3独立式按键 当单片机控制系统中只需要几个功能键时，可采用独立式按键结构。独立式按键是直接用I/O口线构成单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。独立式按键的典型应用如图所示。其软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。第69页/共97页4

57、、行列式键盘接口电路 单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用行列式键盘(也称为矩阵式键盘)。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。例如用22的行、列可构成4个键的键盘，44的行列结构可构成16个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。 第70页/共97页1）行列式键盘工作原理: 行列式键盘的按键设置在行、列线交点上。行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，行列式键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列

58、线信号配合起来作适当处理，才能确定有无按键按下，及按键的位置。 第71页/共97页2） 按键的识别: 识别按键的方法很多，最常见的方法是扫描法。由列线送入全“0”扫描字、行线读入行线状态来判断。其方法是：给列线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中。如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。（全扫描，确定行） 键盘中哪一个键按下由列线逐列置低电平后，检查行输入状态。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下之键不在此列。如果不全为1，则所按下的键必在此列。而且是在与电平为“0”的行线相交点上的那个键。（逐列扫描，确定列）

59、第72页/共97页3） 键盘的编码第73页/共97页 例如： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 1 1 0 1 1 1 7 7 H D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 1 1 1 0 1 1 7 B H 对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。 第74页/共97页4） 键盘扫描方式 单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU工作的一个内容之一。CPU在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘扫描，即既保证不失时机地响应键操作，又不过多占用CPU时间。因此，要根据应用系统

60、中CPU的忙、闲情况，选择好键盘的工作方式。键盘的工作方式有编程扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种。 a) 编程扫描工作方式: 利用CPU在完成其他工作的空闲，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。 下面以上图8155扩展I/O口组成的行列式键盘为例，介绍编程扫描工作方式的工作过程与键盘扫描子程序流程。在该键盘中，键值与键号相一致，依次排列为031，共32个键，由1个8位口和1个4位口组成48的行列式键盘。在键盘扫描子程序中完成下述几个功能：第75页/共97页第76页/共97页 （1）判断键盘上有无键按下。其方法为：PA口输出全扫描字00H，