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单片机课程设计1一.单片机简介1.1 单片机的发展史单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。自单片机诞生至今以发展为上百种系列的近千个分支。如果将 8 位单片机的推出作为起点,那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段:(1)第一阶段(19761978):单片机的控索阶段。以 Intel 公司的 MCS48的推出是在工控领域的控索,参与这一控索的公司还有 Motorola、Zilog 等,都取 得了满意的效果。这就是 SCM 的诞生年代, “单片机”一词由此而来。(2)第二阶段(19781982):单片机的完善阶段。Intel 公司在 MCS48 的基础上推出了完善的,典型的单片机系列 MCS 51.它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。完善的外部总线。MCS 51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构,包 括 8 位数据总线 16 位地址总线控制总线及具有很多通信功能的串行通信接口。CPU 外围功能单元的集中管理模式。体现工控特性的位地址空间及位操作方式。指令系统趋于丰富和完善,并且增加了许多突出控制功能的指令。(3)第三阶段(19821990):8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段,也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的 MCS96 系列单片机,将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中,体现了单片机的微控制器的特征。随着 MCS51 系列的广泛应用,许多电气厂商竞相使用 80C51 为内核,将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道 A/D 转换部件、可靠性技术等应用到单片机中,增强了外围电路的功能,强化了智能控制的特征。(4)第四阶段(1990):微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用,出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8 位/16 位/32 位通用型单片机,以及小型廉价的专用型单片机。 单片机课程设计21.2 AT89C51 简介AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器,俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的 AT89C51 是一种高效微控制器,AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1) 主要特性:a) 与 MCS-51 兼容 b) 4K 字节可编程闪烁存储器 c) 寿命:1000 写/擦循环d) 数据保留时间:10 年e) 全静态工作:0Hz-24MHzf) 三级程序存储器锁定g) 1288 位内部 RAMh) 32 可编程 I/O 线i) 两个 16 位定时器 /计数器j) 5 个中断源 k) 可编程串行通道l) 低功耗的闲置和掉电模式m) 片内振荡器和时钟电路2) 单片机内部结构图:单片机课程设计3图 1.13) AT89C51 引脚图:图 1.2单片机课程设计44) 管脚说明:VCC:供电电压。GND:接地。P0 口:P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口,每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时,被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时,P0 口作为原码输入口,当 FIASH 进行校验时,P0 输出原码,此时 P0 外部必须被拉高。P1 口:P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH编程和校验时,P1 口作为第八位地址接收。 P2 口:P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P2 口缓冲器可接收,输出 4 个 TTL 门电流,当 P2 口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2 口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时,P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口:P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口,可接收输出 4 个TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3 口将输出电流( ILL)这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口,如下表所示:口管脚 备选功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断 0)P3.3 /INT1(外部中断 1)P3.4 T0(记时器 0 外部输入)单片机课程设计5P3.5 T1(记时器 1 外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时, ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时, ALE 只有在执行 MOVX,MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止,置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP:当/EA 保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时,/EA 将内部锁定为 RESET;当 /EA 端保持高电平时,此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间,此引脚也用于施加 12V 编程电源(VPP)。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。单片机课程设计6二.硬件电路设计2.1 硬件组成本系统由 PC 机、MCS-51 单片机开发系统、 、PWM 脉宽调制控制板以及直流伺服电动机等组成。具体相关硬件如下:二极管(1N4077)4 个,场效应管(2SJ50)4 个,非门 74LS04 1 个,与门74LS08 2 个,电容(CAPACITOR) 2 个,芯片(AT89C51) 1 个,开关(BUTTON)3 个,直流伺服电动机(MOTOR)1 个,电阻(RES)4 个,电源 3 个,地(GROUND)4 个。表 2.1 元件表硬件型号 数量 硬件型号 数量1N4077 4 MOTOR 12SJ50 4 RES 474LS04 1 CAPACITOR 274LS08 2 GROUND 4AT89C51 1 VCC 3BUTTON 32.2 主要器件功能介绍2.2.1 直流伺服电机简介伺服电机也称执行电机,它具有一种服从控制信号的要求而动作的电机,在信号来到之前,转子静止不动;信号来到之后,转子立即转动;当信号小时,转子能即使自行停转,由于这种“伺服”性能,因此而得名。单片机课程设计7按照在自动控制系统中的功用所要求,伺服电机具备可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。可控制性好是指寻好消失以后,能立即自行停转;稳定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降,速应性强是指反应快,灵敏。直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执行元件,对它的要求是要有下垂的机械特性、线性的调节特性和对控制信号能作出快速反应。该系统采用的是电磁式直流伺服电动机,其型号为 45SY01 型,其转速 n 的计算公式如下n=E/K=(Ua-IaRa)/K式中n 为转速; 为磁通;E 为电枢反电势;Ua 为外加电压;IaRa 为电枢电流和电阻。直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较:直流伺服电机的工作原理和普通直流电机相同。只要在其励磁绕组中有电流通过且产生了磁通,当电枢绕组中通过电流时,这个电枢电流与磁通互相作用而产生转矩使伺服电机投入工作。这两个绕组其中的一个断电时,电动机立即停转,它不象交流伺服电动机那样有“自转”现象。所以我们选择直流伺服电动机来进行自动门的拖动。2.2.2 PWM 简介及调速原理(1)简介:PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等待地获得所需要波形。PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的,无需进行数模转换。让信号保持在数字形式可将噪声影响降到最小。PWM 控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。(2)调速原理:占空比表示了在一个周期 T 里,开关管导通的时间与周期的比值。其变化范围为 01。在电源电压不变的情况下,电枢的端电压的平均值 U 取决于占空比的大小。改变其值就可以改变端电压的平均值,从而达到调速的目的。在 PWM 调速时,占空比是一个重要的参数。以下是 3 种方式都可以改变占空比的值单片机课程设计8图 2.1计算公式:占空比=ton/Ta) 定宽调频法b) 调宽调频法c) 定频调宽法目前,在直流伺服电机的控制中,主要使用定频调宽法。(3)与 V-M 系统相比,PWM 调速系统有下列优点:由于 PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用可能就足以获得脉冲动很小的直流电流,电枢容易连续,系统的低速运行平稳,调速范围较宽,可达 1:10000 左右。又由于电流波形比 V-M 系统好,在相同的平均电流即相同的输出转矩下,电动机的损耗和发热都较小。同样由于开关频率高,若与快速响应的电机配合,系统可以获得很宽的频带,因此快速响应性能好,动态抗干扰能力强。由于电力电子器件只工作在开关状态,主电路损耗较小,装置效率比较高。单片机课程设计92.2.3 二极管的应用1) 整流二极管利用二极管单向导电性,可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。2) 开关元件二极管在正向电压作用下电阻很小,处于导通状态,相当于一只接通的开关;在反向电压作用下,电阻很大,处于截止状态,如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性,可以组成各种逻辑电路。3) 限幅元件二极管正向导通后,它的正向压降基本保持不变(硅管为 0.7V,锗管为0.2V)。利用这
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