毕业论文51单片机实现的步进机控制系统方案

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1、摘 要步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛地用于工业机械的数字控制。为使系统的可靠性，通用性，可维护性以与性价比最优，根据控制系统功能要求与步进电动机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电动机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O口、中断、键盘、LED显示器的扩展，步进电动机的环形分配器、驱动与保护电路、人机接口电路、中断系统与复位电路、单电压驱动电路等的设计。实现了四相步进电动机的正反转、急停等功能。为实现单片机控制步进电动机系统在数控机床上的特殊应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电动机在某段时间的反复正反转功能

2、，也即数控机床的刀架自动进给运动。关键词：8051单片机，四相步进电动机，控制ABSTRACTThe stepping motor is a precision electromechanical incremental actuator.It widely uses the digital approach for control of industrial machines.For dependable,in general use that make system,can support sex an sex price ratio superior,divide the line ac

3、cording to control system funcion request and a function for entering electric motor applying environment,making sure designing system hardware with softwares, from but realizes to base on single chip microcomputer 8051 of four mutually the step enters the dynamoelectric opening the wreath the contr

4、ol the system.The control system passes the single saving maching,I/O in a machine, break off,the keyboard, the display of LED expands, a wreah for entering elecreic motor form assigns the machine,drive and the design of its protection electric circuit, man-machine connection electric circuit,interr

5、upt system and reset circuit, single-voltage driver circuit and so on,realizes four mutually the step enters the electric motor positive and negative to turn, nasty stop to wait the function.For realizing single chip microcomputer control a special application for entering electric motor system in s

6、everalth contorling machine bed, the system designed two exteriors breaks off,toing realize a the step enters electric motor is in a certain time of again and again positive and negative turn the function, also count namely the knife that control the machine bed is automatic to enter to the sport.KE

7、YWORD：single chip microcomputer 8051；four-phase stepper motor ；control目 录摘要Abstract第一章 引言11.1 课题的来源与意义11.1.1 课题的意义2第二章 步进电动机原理与其控制技术52.1 步进电动机的原理52.2 步进电动机的速度与其加减速控制62.2.1 步进电动机的速度控制62.2.2 步进电动机的加、减速控制 62.3 步进电动机的驱动系统 7第三章 系统总体设计简介 83.1 系统功能 83.2 系统组成与其器件选择 93.2.1 系统组成 93.2.2 器件选择 93.3 系统的可靠性与抗干扰设计

8、103.3.1 软件的可靠性设计103.3.2 硬件抗干扰措施 103.3.3 软件抗干扰措施 11第四章 硬件的设计124.1 单片机控制步进机系统原理图与说明124.1.1 系统模块之一四相混合式步进电动机环形分配器124.1.2 系统模块之二四相步进电动机驱动与保护电路144.1.3 系统模块之三人机接口电路144.1.4 系统模块之四中断系统与复位电路 144.1.5 系统模块之五各档直流电源154.2 单片机原理 164.2.1 MCS51单片机 164.2.2 MCS51单片机引脚功能 174.2.3 MCS51单片机的存储器结构 204.2.4 并行输入与输出端口结构214.3

9、单片机的片外总线结构 254.3.1 单片机的片外总线结构254.4 系统外设接口274.4.1 键盘接口原理 274.4.2 键盘的控制要求 294.5 译码器与地址锁存器304.5.1 38译码器：74LS138 304.5.2 地址锁存器：74LS373 30第五章 软件的设计 325.1 软件设计流程图325.2 设计相关程序 34结论 44参考文献45致47附录4850 / 55第一章 引言1.1 课题的来源与意义早在十九世纪三十年代就出现了步进电动机，那时候的步进电动机实际上是一种可以自由回转的电磁铁，工作原理同今天的反应式步进电动机没有什么区别。到上世纪初，由于战争的需要，造船工

10、业发展迅猛。在上世纪二十年代到三十年代间，一些杂志先后刊登了一些步进电动机在航海技术方面应用的文章，介绍了步进电动机的设计和计算方法。直到上世纪三十年代初这些理论才被真正用于指导步进电动机的设计与生产。但由于其性能不能满足速度不断提高的舰船的要求，使得这项技术徘徊了数十年之久，一度几乎被废弃。后来，由于无触点式电子开关元器件的出现，解决了步进电动机励磁绕组快速换向的问题。所以，在上世纪中期，步进电动机又重新崛起。1952年，美国麻省理工学院首先研制成三坐标数控铣床。数控机床的出现提高了生产效率，推动了机械制造业的发展，对于采用哪种类型的电机作为进给机构的驱动元件一直是争论的焦点，经过理论分析和

11、现场试验，发现使用步进电动机作为进给机构的驱动元件是较理想的选择，这一应用使得步进电动机的使用围更加广泛。1.1.1 课题的意义我国对步进电动机的研制与应用起步不算太晚，早在1958年，我国的一些科研院所就研制成功了反应式步进电动机，并开始应用到数控机床中。进入上世纪六十年代中期，结构新颖的步进电动机相继问世，为了降低电机功耗以与提高效率，人们发明了永磁式和混合式步进电动机。到上世纪七十年代，步进电动机的生产进入了全盛时期，其产量每年都已11%的指数递增。到目前为止，步进电动机已被广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外围设备、绘图仪、电子手表等多方面。步进电动机已成为除直流电动机

12、和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机

13、械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以与包装机械等。任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。由于步进电动机的转速随着输入脉冲频率变化而变化，调速围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，提高进给机构的自动化水平。步进电动机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的

14、数字化执行元件。它有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。单片机在一个集成芯片中，集成有微处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、基本的I/O接口以与定时/计数部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。步进电动机的控制部分以单片机为主的微处理器控制。其特点如下：1.灵活性和适应性。微处理器的控制方式是由软件完成的。如果须要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路、只须修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。2.可以实现较复杂的控制，控制精度高。微处理器有更强的

15、逻辑功能、运算速度快、精度高、有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。并且不论被控量的大或小，都可以保证足够的控制精度。3.可提供人机界面。在电动机的控制中，要用到键盘和显示器作为人机界面，实现步进电动机的控制。由于单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，指令功能强，运行速度快，可靠性高与灵活性好，开发也较为容易，所以国近些年来已将其广泛应用于工业测控、机电设备、仪器仪表、军事设置、家用电器等方面的自动化、智能化1。到现在为止，混合式步进电机己经成为了办公自动化和工业自动化应用场合的主流之一，迅速发展形成规模生产，同时，它的性能指标不断提高，逐渐取代了

16、变磁阻型以与永磁式步进电动机。第二章 步进电动机原理与其控制技术2.1 步进电动机的原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下： 1.控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍

17、工作方式，其各相通电顺序为ABCD，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。 2.控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 3.控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。2.2 步进电动机的特性2.2 步进电动机的速度与其加减速控制2.2.1 步进电动机的速度控制步进电动机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。对于单片机的并行控制的软脉冲分配方式，可以采用调整两个

18、控制字之间的时间间隔来实现调速。对于自己搭建（环形分配器）的脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。2.2.2 步进电动机的加、减速控制步进电动机驱动执行机构从A点到B点移动时，要经历升速、恒速和减速过程。如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率输入，步进电动机要发生失步现象，因此会造成不能正常启动。如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电动机会发生过冲现象，会造成位置稍微减低。如果非常缓慢的升降速，步进电动机自然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。所以，对步进电动机的加减速要有严格的要求。那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度移动到指

19、定位置。图2-1步进电机加、减速曲线为了满足加、减速要求，步进电动机运行通常按照加、减速曲线进行。图2-1是加、减速运行，通常按照加、减速运行曲线没有一个固定的模式，根据经验和试验得到的。最简单的是匀加速和匀减速曲线，如图2-1所示。其加减速曲线都是直线，因此容易编程实现。按直线加速时，加速度是不变的，因此要求转矩也应该是不变的。但是，由于步进电动机的电磁转矩与转速是非线性关系。因此实际上当转速增加时，转矩下降。所以，按直线加速时，有可能造成因转矩不足而产生失步现象。采用指数加减速曲线或S型加减速曲线是最好的选择，如图所示。因为电动机的电磁转矩的关系接近指数规律。如果采用非线性加、减速曲线，要

20、用离散法将加、减速曲线离散化。将离散所得的转速序列所对应的定时常数序列，做成表格存储在程序存储器中。在程序运行中，使用查表的方式重装定时常数，这样做比用计数法节省时间，提高系统的响应速度。2.3 步进电动机的驱动系统步进电动机使用脉冲电源工作。三极管T是按照控制脉冲的规律“开”和“关”。使直流电源以脉冲方式向绕组L供电。这一过程我们称它为步进电动机的驱动。步进电动机的驱动方式有多种，如单电压驱动，双电压驱动，斩波驱动等，因本设计选用步进电动机的功率不是很高，所以控制系统为单电压驱动步进电动机。具体原理将在后面原理图说明中给出。第三章 系统总体设计简介在进行系统设计之前，首先应根据对系统的功能要

21、求与其应用环境等确定合理的、具体的功能和技术指标，对应用系统的可靠性、通用性、先进性、可维护性以与成本等进行综合考虑，以尽量合理并符合相应的标准。然后根据市场上步进电机规格选择相应合理的单片机机型。接下来要根据单片机系统中可能涉与到的I/O接口、存储器、显示器等器件和设备进行选择，使之符合系统在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后确定硬件和软件的功能划分。由于在系统设计中某些功能用硬件和软件都能实现，在设计中必须综合考虑成本等因素具体划分软硬件功能。3.1 系统功能单片机控制系统是以单片机（CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业工程控制。本控制系统是基于

22、MCS51系列中8051单片机控制。通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展，相应步进电动机的环形分配器与驱动电路设计，实现了对步进电动机的开环控制3.2 系统组成与其器件选择3.2.1 系统组成一、硬件组成1.存储器扩展模块2.I/O接口扩展模块3.系统外设接口模块4.四相混合式步进电动机环形分配器5.四相混合式步进电动机驱动电路与保护电路6.系统中断模块7.系统直流电源电路模块二、系统监管程序1.单片机控制步进电动机主程序2.中断程序3.延时等子程序3.2.2 器件选择1.程序存储器：EPROM27162.数据存储器：RAM61163.可编程I/O控制器：81554.译

23、码器：74LS1385.串行双外围驱动器：DS754526.地址锁存器：74LS3737.8位三态输出的总线驱动器/缓冲器接收器：74LS2408.44键盘9.6位LED显示器3.3 系统的可靠性/抗干扰设计单片机应用系统可靠性设计中首先应考虑硬件设计的可靠性。第一，要考虑元件的失效问题，如元件本身的缺陷和工艺问题。第二，在设计中要特别注意元器件的选择、使用和替换。对于电阻和电容，要考虑其标称值和误差、额定功率、频率特性与耐压值等；对于CMOS集成电路，应注意输入电压不能超过其电源电压，也不能低于0V，未用的输入端必须与电源或地端相接，而输出端则不许短路。未用的门电路的输入端应并联接到该片要使

24、用的输入端，输出端则接高电平，并注意加上适当的去耦电容等。第三，在设计中应考虑环境条件对硬件参数的影响，温度、湿度、电源与各种干扰等。所以在设计中元器件的选择应遵循降额使用的原则，留出一定的余地。3.3.1 软件的可靠性设计在单片机应用系统中，软件就是系统的监控程序。要提高软件的可靠性，必须从设计、调试、和长期使用等方面来考虑。第一，要正确地使用中断。监控系统中，中断处理是很常用的设计方法，在主程序和中断程序的安排上应考虑时间分配问题，可以采用定时中断或随机事件中断。第二，要将整个系统软件根据功能划分为若干个相对独立的模块。第三，根据现场技术指标和具体的控制精度要求选取适当的控制策略。3.3.

25、2 硬件抗干扰措施根据干扰的产生与传输特点，在硬件上可以选取以下措施：1.光电隔离。2.在满足要求的前提下尽量用较低的时钟频率和低频的器件。3.系统中芯片的未用端不要悬空、应根据实际情况接到电源端、地端或已使用端。3.3.3 软件抗干扰措施在软件设计中，可以采取适当的处理来提高系统的可靠性，以保证当系统受到干扰时仍能正常工作。通常可以采取以下一些措施：一、程序中插入空操作指令实现指令冗余。系统在工作时容易因干扰而使PC指向程序存储器的非代码区，从而导致“死机”。为此可以在程序中插入一些单字节约定空操作指令NOP，失控的程序迟到该指令后得到调整而转入正常。二、对未用的中断向量进行处理。在程序中对

26、未用的中断都编写出相应的错误处理程序，若因干扰触发了这些中断，则执行完简单的出错处理程序后可以正常返回。三、软件陷阱：如果因干扰导致单片机的指令计数器PC值被错置，程序跳到这些未用的程序存储空间，系统就会出错。软件陷阱是在程序存储器的未使用的区域中，加上若干条空操作和无条件跳转指令，无条件跳转指令指向程序“跑飞”处理子程序的入口地址。如果程序跳到这些未用区域，就会执行无条件跳转指令，转到相应的程序出错“跑飞”处理程序7。第四章 硬件设计4.1 单片机控制步进机系统原理图与说明原理图见设计说明书附图。步进电动机的控制原理说明：步进电动机是一种将电脉冲转换成相应位移或线位移的电磁机械装置，也是一种

27、能把输出机械位移增量转换成输入数字脉冲对应的驱动器件。步进电动机具有快速起动和停止的特点。另外，步进电动机的步距角和转速只和输入的脉冲频率有关，与环境温度、气压和冲击等因素无关，也不受电网电压的波动和负载变化的影响，因而具有步进精确和步距误差不会长期积累等特点。步进电动机的运转是由脉冲信号控制的。本系统设计是采用环形脉冲分配器进行控制的，只在系统仿真时，则采用通过软件设置方式来控制步进电动机的运行。4.1.1 系统模块之一四相混合式步进电动机环形分配器本环形分配器有程序存储器EPROM2716，计数器74LS191与施密特反相器LS14等组成。现将其工作原理阐述如下：四相混合式步进电动机，有双

28、四拍或四相八拍两种励磁方式，拍数都是2n，因此计数器可以直接使用二十六进制可逆计数器74LS191。系统时钟脉冲从计数器74LS191的CP端引入，控制器发出的时钟脉冲经过LS14两级施密特反向器，对时钟进行整形，有一定的防干扰作用。计数器的输出端Q0Q3直接送到EPROM2716的低四位地址线A0A3，这样可以选通EPROM2716的十六个地址（000FH）。存储器的容从数据线读出，用低四位数据线（D0D3）作为四相驱动器各相输入线。EPROM2716的第四条线A4作为励磁方式的转换信号输入端，其它地址都接地，当A4为低电平时，可选通00H00FH之间的十六个地址：当A4为高电平时，可选通0

29、10H01FH之间的十六个地址，其中00100FH空间为四相八拍状态，存储两个循环，而010H01FH空间为双四拍状态，存储四个循环。LS191第五个脚为加、减速输入控制端，用该控制端作为方向输入的控制信号，当低电平时执行加法计数，既是正转状态；当为高电平时，执行减法计数，既是反转状态。LS191的数据输入端A、B、C、D各管脚接地，而脚11是置数端。当为高电平时，LS191为计数状态；当为低电平时，LS191停止计数，而把数据端容装入计数器。因此，管脚11通过电阻10拉到高电平，引出线作为清零端（复位），当输入一个低电平时，LS191输出为零，可选通EPROM2716的地址0000H或001

30、0H，EPROM2716输出状态为A（四相八拍时）或（双四拍时）。EPROM2716的管脚0E和CE分别为输出容许和片选端，接地使之处于选通状态，地址A4作为方式控制端，当A4=0时，选通0000H000FH空间，为四相八拍状态；当A4=1时，选通010H01FH空间，为双四拍状态。在需要零状态时，可将零状态容的第四位存储。例如，四相八拍时零状态存储容为FEH（A），改为存储EEH。这样，在环形运行过程中，每出现一个零状态，D4线上出现一次低电平。该数据输出端既可作为零状态输出线。4.1.2 系统模块之二四相步进电动机驱动与保护电路步进电动机驱动方式有很多种，如双电压驱动，斩波驱动等。步进电动

31、机的保护电路有过电流保护和短路保护，低电压保护和过电压保护；过热保护；输入信号异常保护等。由控制系统原理图看出，本设计采用了单电压驱动方式，过电流保护和短路保护。4.1.3 系统模块之三人机接口电路因系统功能的需要，I/O口用8155可编程接口芯片进行了扩展。关于8155并行口的扩展与编程方法，与8155并行口的键盘扫描与LED动态显示程序的编程，将在后面一一阐述。现只将8155的一些控制字描述如下：8155控制字口：4000H8155 A口（字形）：4001H8155 B口（字位）：4002H8155 C口（键入口）：4003H8155控制寄存器状态为01000011，即控制字为43H9。4

32、.1.4 系统模块之四中断系统与复位电路一、中断系统鉴于中断的分时操作、实时处理等优点，并根据系统要求，步进电动机需要在运行过程中急停车，或者实现数控机床中自动的进给运动，为此在程序执行中引入了两个中断。两个中断分别为外部中断0和外部中断1。因外部中断0和外部中断，被设置为电平触发方式，故在系统原理图中，将INT0和INT1两个端口接到逻辑电平开关电路上。当开关置0（1）时，系统响应中断。复位电路单片机在接通电源启动或出现故障后，程序需要从头开始，机器全部寄存器、I/O口等都必须重新复位，所以外接复位电路。当8051的ALE与PSEN两引脚输出高电平，RST引脚为高电平时，单片机复位。RST/

33、VPD端的高电平直接由上电瞬间产生为上电复位，通过按动按钮产生高电平复位为手动复位。从系统原理图中看出，上电时，刚接通电源，电容相当于瞬间短路，+5V立即加到RST/VPD端，该高电平使8051全机自动复位，即上电复位；若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮A即可。按下A，则直接把+5V加到RST/PVD端，即手动复位。4.1.5 系统模块之五各档直流电源因步进电动机的驱动电压为直流+220V，而单片机电压为直流+5V，又因系统控制步进电动机功率不是很大，故采用单相桥式整流、电容滤波电路。现根据系统具体要求，计算、选择整流二极管与滤波电容器10。交流电网电压为220V，交流电源频率f=50

34、HZ。步进电动机要求直流电压220V，负载（线圈）电流为2.6A；单片机要求直流5V。1.由于变压器副边电压大约高出10%，所以U2有效值为：U2=220/1.1=200V公式（4-1）由于变压器副边电压经电容滤波时的直流电压为U3=U/1.2，所以U3有效值为：U3=5/1.2=4.6V公式（4-2）2.选择整流二极管流经二极管的平均电流为：IDI=1/2*I1=0.5*2.6=1.3A公式（4-3）二极管承受的最大反向电压为：URMI=1.414*U2=256V公式（4-4）URMI=1.414*U3=5.6V公式（4-5）因此选用2CZ56B整流二极管3.选择滤波电容线圈电阻为RL=UL

35、/IL=220/2.6=8406，RLC=（35）T/2，T=1/f=0.02S，所以取RLC=4*T/2=2T=0.04S公式（4-6）得滤波电容为C=0.04/84.6=472.8f公式（4-7）则电容器承受的最高电压为UCM=1.4*200*1.1=308V公式（4-8）选用标称值为400V/560F的电解电容器同理，选用160V /10000F的电解电容器4.2 单片机原理4.2.1 MCS51单片机因为单片机控制系统基于MCS51系列的8051单片机，故就不详尽介绍。MCS51系列单片机的主要特性如下：8位字长CPU和指令系统一个片时钟振荡器和时钟电路4 Kbytes 程序存储器(R

36、OM)128bytes的数据存储器(RAM)32条双向且分别可寻址的I/O口线111条指令，大部分为单字节指令21个专用寄存器2个16位可编程定时/计数器5个中断源，2个优先级一个全双工串行通信口外部数据存储器寻址空间为64KB外部程序存储器寻址空间为64KB逻辑操作位寻址功能布尔处理器MCS51系列不同类型的单片机除上述主要特性外，还有不同的附加特性。4.2.2 MCS51单片机引脚功能图4-1为采用双列直插式封装的MCS51系列单片机的引脚图。各引脚功能说明如下：1.Vss和VccVcc（40）接+5V；Vss（20）接地。2.外接晶体XTAL1和XTAL2XTAL1（19）片反相放大器的

37、输入端，这个放大器构成了片振荡器，当采用外部振荡器时接低电平。XTAL2（18）片反相放大器的输出和部时钟发生器的输入端。在采用外部振荡器时用于输入外部振荡器信号。3.控制线（1）RST/Vpd（9）当作为RST使用时，为复位输入端。在振荡器工作时，此引脚上出现两个机器周期的高电平使单片机复位。在RST与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，RST与VSS引脚之间连接一个约8.2K的电阻，以保证可靠的上电复位功能。做为Vpd功能使用时，当VCC处于掉电情况下，此引脚可接上备用电源，只为片RAM供电，保持信息不丢失。（2）EA/Vpp（31）如使用片有ROM/PROM的8051/8751，EA端

38、必须接高电平，当PC值小于0FFFH，CPU访问部程序存储器；当PC值大于0FFFH且部的程序。若使用片无ROM/EPROM的8031时，EA必须接地，CPU全部访问外部程序存储器。对片EPROM编程时，此引脚接入21V编程电压。（3）ALE/PROG（30）当访问外部存储器时，ALE（地址锁存器允许）输出用来锁存P0口输出的低8位地址。即使不访问外部存储器，ALE端仍以振荡器频率的1/6固定速率输出正脉冲信号，此时可用它作为对外输出的时钟或定时脉冲。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，以1/6（晶振频率为6M）的振荡频率输出。对片EPROM编程时，该引脚（PROG）用于

39、输入编程脉冲。ALE端能驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL负载。图4-1 MCS51单片机引脚图（4）PSEN（29）外部程序存储器读选通控制信号，以区别读取外部数据存储器。在选取外部程序存储器指令（或常数）时，每个机器周期产生两次PSEN有效信号。但在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次PSEN有效信号将不出现。PSEN同样能驱动8个LSTTL负载。4.输入/输出口（1）P0口（3239）8位漏极开路双向I/O口。在外接存储器时，P0口作为低8位地址/数据总线复用口，通过分时操作，先传送低8位地址，利用ALE信号的下降沿使地址锁存，然后作为8位双向数据总线使用，用来传送8位数据。在对片E

40、PROM编程时，P0口接受指令代码；而在部程序验证时，输出指令代码，并要求外接上拉电阻。P0口能以吸收电流的方式驱动9个LSTTL负载。（2）P1口（18）8位具有部上拉电阻的准双向I/O口。在片EPROM编程与校验时，他接受低8位地址。P1口能驱动3个LSTTL负载。（3）P2口（2128）8位具有部上拉电阻的准双向I/O口。在外接存储器时，P2口做为高8位地址总线。在对片EPROM编程、校验时，它接受高位地址。P2口能驱动3个LSTTL负载。（4）P3口（1017）8位带有部上拉电阻的准双向I/O口。每一位又具有特殊功能（或称第二变异功能）：一个8位CPU； 一个片振荡器与时钟电路； 4K

41、字节ROM程序存储器； 128字节RAM数据存储器； 两个16位定时器/计数器； 可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路； 32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）； 一个可编程全双工串行口； 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构；4.2.3 时钟电路与时序MCS51单片机部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶振或瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器。计算机在执行指令时，一条指令经译码后产生若干个基本的微操作，这些微操作所对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为计算机的时

42、序。下面阐述有关CPU时序的概念。1.振荡周期指为单片机提供定时信号的振荡源的周期，若为部产生方式时，为石英晶体的振荡周期。2.时钟周期也称为状态周期，用S表示。时钟周期是计算机中最基本的时间单位，在一个时钟周期，CPU完成一个最基本的动作。MCS51单片机中一个时钟周期为振荡周期的2倍。3.机器周期为便于管理，常把一个指令的执行过程划分为若干个阶段，每一个阶段完成一个基本操作，例如，取指令、存储器读/写等。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。MCS51的一个机器周期含有6个时钟周期。XTAL1XTAL2 20pf 6MHZ20pf图4-2 时钟电路指令周期：完成一条指令所需要的时间。M

43、CS51的指令周期含14个机器周期不等，其中多数为单周期指令，还有2周期和4周期指令。4周期指令只有乘、除两条指令。4.2.4 并行输入/输出端口结构MCS51单片机有四个8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2和P3。每个端口都是8位准双向口，共占有32根引脚。每个端口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口的每一位都可以作为准双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口双向总线，分别送出低8位地址和数据的输入/输出。（1）P0口I/O口的每位锁存器均由D触发器组成，用来锁存输入/输出的信息。在CPU的“写

44、锁存器”信号驱动下，将部总线上的数据写入锁存器中。两个三态缓冲器，一个用来“读引脚”信息，即将I/O端引脚上的信息读部总线，送CPU处理；另一个用来读锁存器，即把锁存器容读入部总线上，送CPU处理。因此，对某些I/O指令可读取锁存器的容，而另外一些指令则是读取引脚上的信息。当输入数据时，由于外部输入信号既加在缓冲输入端上，又加在驱动电路的漏极上，如果这时下面的FET是导通的，则引脚上的电位始终被钳位在0电平上，输入数据不可能正确的读入。因此，在输入数据时，应先把P0口置1，使两个输出FET均关断，使引脚置“1”，成为高阻状态，这样才能正确的插入数据。这就是所谓的准双向口。在有外部扩展存储器时，

45、P0口必须作地址/数据总线用，这时就不能在把它作为通用的I/O口使用了。（2）P1口也是一个八位准双向并行I/O口，做通用I/O口使用。在电路结构上，P1口的输出驱动部分与P0口不同，部有上拉负载电阻与电源相连，与场效应管FET共同组成输出驱动电路。当进行写操作时，写锁存器脉冲将部总线送入D端的信息写入锁存器，再由Q端去驱动FET。当P1口用作输入口时，也应先用软件使输出锁存器置1，使FET截止，处于高阻状态，然后再通过缓冲器进行输入操作。（3）P2口P2口在结构上比P1口多了一个输出转换控制部分，多路开关MUX由CPU命令控制。同P1口一样，P2口部也接有固定的上拉电阻。P2口既可作为通用I

46、/O口使用，有可作为地址总线口，传送地址高8位。当P2口用来作通用I/O口时，是一个准双向口。在外接程序存储器的系统中，由于访问外部程序存储器的操作连续不断，P2口将不断输出高八位地址，故这时P2口不再作通用I/O口使用。在无外部程序存储器而扩展有外部数据存储器的系统中，P2口的使用情况有所不同，若外接RAM容量为256B，则可用MOVX Ri类指令由P0口送出8位地址，这时P2口仍可作通用I/O口使用。若外部RAM容量较大（超过256B），则使用MOVX DPTR类指令访问外部RAM。在读/写周期，P2口引脚将保持高8位地址信息。输出地址时，通过CPU控制部转换开关转向地址输出，故输出锁存器

47、的容不会在输出地址过程中改变，所以访问外部数据存储器周期结束后，多路开关自动切换到锁存器Q端，P2口输出锁存器的容又回重新出现在引脚上。因此，根据访问外部RAM的频繁程度，P2口仍可利用其中访问间隙作通用I/O口用。在外部RAM容量不太大时，通过采用软件方法，将所需的高位地址，例如只需要A8A10三位，先由P2.0P2.2三位输出，再用指令MOVX PV Ri访问外部RAM。而P2口余下的几位仍可作通用I/O使用。（4）P3口P3口是一个多功能端口当P3口作为通用I/O口使用时，第二输出端应保持高电平。当P3口作为第二输出功能使用时，应先将输出锁存器置“1”，不论作为输入口使用还是第二功能信号

48、插入，锁存器输出和第二功能端都应保持高电平。如表4.4（5）I/O口读修改写操作从上可见，每个I/O口均有两种读入方法：读锁存器和读引脚，并有相应的指令。读锁存器指令是从锁存器中读取数据，送CPU处理，再把处理后的数据重新写入锁存器中，这类指令称为读修改写指令。在读修改写指令中，目的操作数必须是一个I/O口或I/O口的某一位。例如：INC P2，CLR P1.0与ANL P1，A等。读引脚指令一般都是一I/O端口为源操作数的指令，执行读引脚指令时，输入口状态。例如，读P1口引脚指令为MOV A，P1。表4-1P3口第二功能端 口 功 能第 二 功 能P3.0RXD-串行输入（数据接收）P3.1

49、TXD-串行输出（数据发送）P3.2-外部中断0输入线P3.3-外部中断1输入线P3.4T0 -定时器0外部输入P3.5T1 -定时器1外部输入P3.6-外部数据存储器写选通信号输出P3.7-外部数据存储器读选通信号输入对“读修改写”指令，直接读锁存器Q端而不是读引脚的原因是为了避免错读引脚上电平的可能性。例如，若用一口位去驱动一个晶体管的基极，当向此口位写“1”时，晶体管导通，并把引脚的电平拉低，这时若从引脚上读取数据，则读的是晶体管的基极电平，与地址锁存器的状态1不一样。而锁存器Q端读取，就能避免这样的错误，得到正确的数据，（6）I/O口的负载能力P0口的每位输出可驱动8个LSTTL输入，

50、但把它作为通用I/O口使用时，输出级是开漏电路，故用它驱动CMOS输入时需外接上拉电阻；而把它作地址/数据总线用时，则无需外接上拉电阻。P1P3口的输出级均接有部上拉电阻，它们的每一位输出可驱动3个LSTTL输入。对CMOS型单片机，当N和P3口作输入方式时，任何TTL或NM05电路都能以正常的方式去驱动这些口。4.3 单片机的片外总线结构4.3.1 单片机的片外总线结构单片机是通过其片外引脚进行系统扩展的，即在片外连接相应的外围芯片以满足应用系统的要求，总线是连接系统中各扩展部件的一组公共信号线。单片机的片外引脚也呈三总线结构，这三总线是地址总线（AB），数据总线（DB）和控制总线（CB），

51、所有的外部芯片都是通过这三组总线进行扩展的。1.地址总线（AB）地址总线（Address Bus）用于传送单片机发出的地址信号，以便进行存储单元和I/O端口的选择。地址总线是单向的，只能由单片机向外发出。地址总线的目的决定了可直接访问的存储单元的数据。MCS51单片机的地址总线由P0口构成低8位（A7A0），P2口的高8位（A8A15），地址总线宽度为16位，故可寻址围为64KB。由于P0口用作数据总线口，只能分时用作地址总线，故P0口的低8位地址信息必须用锁存器锁存。先传送低8位地址，利用ALE信号的下降沿将地址锁存，然后作为8位双数据总线使用。P2口本身具有输出锁存功能，故不需外加锁存器。

52、P0、P2口在系统扩展中用作地址线后，就不能再作为一般I/O。2.数据总线（DB）数据总线（DATA BMS）用于单片机与存储器之间或单片机与I/O端口之间传送数据，单片机系统数据总线的位数与其处理数据的字长一致，数据总线总是双向的。 MCS51单片机的数据总线由P0口提供，宽度为8位，该口为三态双向口，通过数据总线实现CPU与存储器或外设之间的信息交换。数据总线一般要连多个外围芯片上，那个芯片的数据通道则由地址控制各个芯片的片选线来选择。3.控制总线（CB）控制总线（Control bms）是一级控制信号线，包括单片机发出的，以与从其他部件送给单片机的。对于一条控制信号而言，其传送方向是单向

53、的。单片机的控制总线按功能可分为片外系统扩展用控制线和片外信号对单片机的控制线。系统扩展用控制线有WR、RD、PSEN、ALE、EA。PSEN：访问外部程序存储器RAM时，用这两个信号进行读/写控制，当执行片外数据存储器的操作指令MOVX DPTR或MOVX Ri时，这两个控制信号自动生成13。ALE：地址锁存允许，用于锁存P0口场出的低8位地址控制线。在ALE的下降沿将P0口输出的地址字节装入外部锁存器。EA：用来选择片或片外程序存储器。EA=0时，不论片有无程序存储器，只访问外部程序存储器。EA=1时，地址不超过0FFFH，只访问片ROM/EPROM，然后是访问外部程序存储器的1000HF

54、FFFH单元，对片无ROM无EPROM单片机，扩展时EA必须接低电平。4.4 系统外设接口4.4.1 键盘接口原理对于需要人工干预的单片机应用系统，键盘就成为人机联系的必要手段，此时需配置适当的键盘输入设备，微机所用键盘有全编码键盘和非编码键盘两种，全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供被按下键的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键等保护功能。这种键盘使用方便，但需较多的硬件、价格贵，一般的单片机应用系统较少采用。键盘是由若干个键组成的开关矩阵，它是最简单的单片微机辅助设备。44的键盘结构如图所示，图中行线通过电阻接+5V，当键盘没有键闭合时，所有的行线（X0X3）和列线（Y0Y3）断开，行线均

55、呈高电平。当键盘上某一键闭合时，该键所对应的行线和列线短路。例如9号键按下时，行线X2和Y1短路，此时行线X2的电平由Y1决定。如果把行线接到微机的输入口，列线接到微机输出口。在微机控制下，先使列线Y0为低电平，其余三根Y1、Y2、Y3均为高电平。然后通过输入口读行线状态，如果4根行线均为高电平，说明在Y0这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则说明为低电平的那根行线与Y0相交的键处于闭合状态。若Y0这列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余三根列线Y0、Y2、Y3为高电平。用同样的反复检查这一列键上无键闭合。以次类推，用同样方法检查其余的两根列线上有无键闭合。这种逐行逐列地

56、检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。目前，无论是按键或键盘大部分都是利用机械触点的合、断作用。机械触点在闭合与断开瞬间由于弹性影响，在闭合与断开瞬间均有抖动过程，从而使电压信号也出现抖动，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510ms。而微机对键盘进行一次扫描仅需几百微秒。这样将会使键盘扫描产生错误的判断。为了保证CPU对键盘的一次闭合仅作一次输入处理，必须去除抖动影响。通常去抖动影响有两种方法，一是在硬件上采取在键盘端加Rs触发器或单稳态电路构成去抖动电路；另一种方法是在检测到有键按下时，执行10ms左右的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态时的电平，若仍保持为闭合状态电平

57、，则说明该键确实处于闭合状态，从而去除了抖动影响。键盘的扫描由键盘扫描控制程序来完成，在这个控制程序中应主要解决下述任务：（1）监测有无按键按下（2）有键按下后， 在无硬件去抖动电路时，应用软件延时的方法消除抖动的影响；（3）有可靠的、满足要求的逻辑处理方法如键盘锁定功能，即只处理一个键，其间任何一个按下又松开的键不产生影响。不管一次按键持续多长时间，仅执行一次按键功能程序等。（4）输出确定的键盘以满足散转程序的要求。4.4.2 键盘的控制要求在单片机应用系统中，扫描键盘只是CPU的工作任务之一。在实际应用中要想做到既能与时响应键盘操作，有不过多占用CPU的工作时间，就要根据应用系统中CPU的

58、忙闲情况，键盘的使用频率等来适当的选择键盘的控制方式。1.程序控制扫描方式这种方法是只有当CPU空闲时才调用键盘扫描程序，查询键盘并给予相应处理。在程序控制方式中，CPU的空闲时间需要安排键盘扫描程序，但有可能多数时间里CPU处于空扫描状态。因此，这种控制方式并没有充分提高CPU的工作效率。2.中断控制方式中断控制方式又分两种：（1）定时控制方式CPU对键盘的扫描采用定时方式，即每隔一定时间对键盘扫描一次，在这种方式中，通过利用单片机部的定时器，产生定时时间的定时中断后，在中断服务程序中对键盘进行扫描。这种控制方式虽然也能比较与时的响应键入的命令或数据，但与程序控制方式类似，不管键盘上有无键按

59、下，CPU总要定时扫描键盘。而单片机应用系统在工作时，并不经常需要键输入，因此CPU经常还是处于空扫描状态。（2）外部中断控制方式此种控制方式是只有在键盘有键按下时，才会发出中断申请，CPU响应中断请求后，在中断服务程序中对键盘进行扫描。4.5 译码器与电子锁存器4.5.1 38译码器：74LS138E1、E2、E3为数据允许输入端，E1、E2低电平有效，E3高电平有效；A、B、C为译码器信号输入端；Y0Y7，为译码输出信号，低电平有效。图4-3 74LS138 38译码器引脚图4.5.2 地址锁存器：74LS3731D8D为8个输入端。1Q8Q为8个输出端。G为数据锁存控制端；当G为“1”时

60、，锁存器锁存输入端；当G由“1”变“0”时，数据输入锁存器中。OE为输出允许端；当OE为“0”时，三态门打开；当OE为“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如图4.8所示。其中输入端1D8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。图4-4 74LS373锁存器第五章 软件设计51 软件设计流程图单片机应用系统的软件设计是设计中最基本而且是最重要的一个环节。在设计中，综合考虑了系统需要实现的功能和仿真实验系统环境。从而确定了本设计系统的具体任务细节与软件结构。图5.1 外部（随机）中断1 图5.2 外部（随机）中断2图5.3 主程序流程图5.2 设计相关程序ORG 0000H DOJ6:LCALL X2LJMP DOJO