1、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.
2、硬件与软件的权衡 根据经济性和可靠性的标准权衡决定。 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,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；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
3、外围设备。 （5）应初步估算其成本。,微型计算机控制系统及接口设计,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
4、自适应控制的控制算法。,微型计算机控制系统及接口设计,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。 ),微型计算机控制系统及接口设计,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。 （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： 选用功能接口板（适用组成较大系统）。 选
5、用通用接口电路（适用较小的控制系统）。 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：,微型计算机控制系统及接口设计, 扩展接口； 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。,微型计算机控制系统及接口设计,（3）操作控制台设计 一般要单独设计一个操作员控制台。 有一组或几组数据输入键（数字键或拔码开关等），用于输
6、入或更新给定值、修改控制器参数或其它必要的数据。 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。 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。 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。,微型计算机控制系统及接口设计,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
7、。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。,微型计算机控制系统及接口设计,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?,课内问题,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P或CPU。它是一个大规模集
8、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（Microcomputer System），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（LS
9、I）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
10、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-PC XT、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
11、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
12、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。,微型计算机控制系统及接口设计,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,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
13、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MCS51。 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”（machine language）、“汇编语言”（ass
14、embly language）、“高级语言”（high level language）。 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
15、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
16、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）SCCDDC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、备品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计
17、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： 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； 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
18、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； 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，通过硬件标准化易于实现大量生产、进一步降低成本； 产品（或系统）标难化硬件易于标准化； 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。,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。 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）、
19、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。 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。 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。 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, 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。 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。 信息处理自动化设备。语音处理、语音识别
20、、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。 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 不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。 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。 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。 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。 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
21、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 四位机常用于较简单、规模较小的系统（或产品）； 八位机则用于中等规模的系统； 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,微型计算机
22、控制系统及接口设计,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？,课内问题,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：,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,MCS-51单片机40脚 Vcc, GND
23、2 XTAL1, XTAL2 2 RESET 1 EA/Vpp 1 ALE/PROG 1 PSEN 1,P0.0P0.7 8 P1.0P1.7 8 P2.0P2.7 8 P3.0P3.7 8,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,1545pfx2,112MHz（MCS-51） 024MHz（Atmel-89C）,XTAL1,XTAL2,也可以由 XTAL1端接入外部时钟，此时应将 XTAL2接地：,XTAL2,XTAL1,外部时钟,通常外接一个晶振两个电容,Vcc, GND:正电源
24、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8 mS） 复位使单片机进入
25、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）：P0P3 = 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,微型计算机控制系统及接口设计,EA/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。,微型计算机控制系统及接口设计,ALE/PROG: 地址锁存允许/编程脉冲输入端。 P
26、0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。,微型计算机控制系统及接口设计,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74LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,微型计算机控制系统及接口设计,P1.0P1.7: 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”。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器
27、,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）,微型计算机控制系统及接口设计,2,1,D,Q,CK,/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,1,1,0,截止,=1,P1.0P1.7: 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1,微型计算机控制系统及接口设计,2,1,D,Q,CK,/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,0,0,1,=0,导通,P1.0P1.7: 准双向
28、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0,微型计算机控制系统及接口设计,简单测控实例原理图,微型计算机控制系统及接口设计,光路通畅，R亮2K 光路阻断，R暗 400K ,R亮 250K ,P1.3作输入端口,微型计算机控制系统及接口设计,JOB3: CLR P1.1 ;亮绿灯 REDO: SETB P1.3 ;P1.3作输入口必先置1 CHECK:JNB P1.3,CHECK ;检测通道是否被阻断？ LOOP: ;有入侵者，报警！AJMP REDO ;再跳回去检测,任务三：红外防盗报警,R亮250K ，红外线光路阻断时，P1.
29、3端高电平,P1.3口用于输入状态检测的语句：,微型计算机控制系统及接口设计,P0.0P0.7: 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。,2,1,D,Q,CK,/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.X,3,4,Vcc,单片机的引脚（P0口）,微型计算机控制系统及接口设计,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7: 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
30、口使用。,微型计算机控制系统及接口设计,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）,P0.0P0.7: 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。,微型计算机控制系统及接口设计,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）,P0.0P0.7: 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。,微型
31、计算机控制系统及接口设计,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）,P0.0P0.7: 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。,微型计算机控制系统及接口设计,P2.0P2.7: 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）,微型计算机控制系统及接口设计,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7: 双向I/O （内置了上拉电
32、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。,微型计算机控制系统及接口设计,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7: 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。,微型计算机控制系统及接口设计,控制=1 时，此脚作高8位地址A8A15输出口：当输出 =1 时,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7: 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。,微型计算机控制系统及接口设计,控制=1 时，此脚作高8位地
33、址A8A15输出口：当输出 =0 时,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7: 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。,微型计算机控制系统及接口设计,P3.0P3.7: 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）,微型计算机控制系统及接口设计,单片机的引脚（P3口）,P3.0P3.7: 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。,微型计算机控制系统及接口设计,单片机的引脚（
34、P3口）,P3.0P3.7: 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。,微型计算机控制系统及接口设计,P3口第二功能表（P.35 ）,微型计算机控制系统及接口设计,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8 mS） 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,微型计算机控制系统及接口设计,51单片机的4个
35、8位的I/O口,P0.0P0.7:8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) P1.0P1.7: 通用I/O口（准双向口）,P2.0P2.7: 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） P3.0P3.7: 具有特定的第二功能（准双向口）,注意：在不外扩ROM/RAM时，P0P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口(例如:AT89C51)！,微型计算机控制系统及接口设计,P3口第二功能表,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,单片机的系统构成：,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,最小应用系统
36、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,1、最小应用系统,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。,2、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
37、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,
38、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（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）、27512（64K8）等。 另外，还有+5 V电可擦除EEPROM，如2816（2K8）、2864（8K8）等等。 另一类是数据存储器芯片。 常用的静态RAM芯片有6116（2K8位）、6264（8K8位）、62256（32K8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。,微型计算机控制系统及接口设计,图3-
39、15常用EPROM芯片管脚图,微型计算机控制系统及接口设计,图3-17 单片机扩展2764 EPROM电路,微型计算机控制系统及接口设计,图3-18 单片机扩展27128 EPROM电路,微型计算机控制系统及接口设计,图3-19 单片机扩展2732 EPROM电路,微型计算机控制系统及接口设计,2764是8K8位的EPROM，单一+5 V供电，工作电流为75 mA，维持电流为35 mA，读出时间最大为250 ns，DIP28封装。2764A有13条(A0A12)地址线，数据输出线O0O7， 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。,EPROM 27
40、64,微型计算机控制系统及接口设计,扩展2732 EPROM电路说明, 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（A0A11）中，低8位A0A7通过锁存器74LS373与P0口连接，高4位A8A11直接与P2口的P2.0P2.3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。 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。 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
41、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。,微型计算机控制系统及接口设计,图3-16 常用EEPROM管脚图,微型计算机控制系统及接口设计,图3-17 单片机扩展2817A EEPROM电路,微型计算机控制系统及接口设计,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16 m
42、s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。,扩展2817EEPROM电路说明,微型计算机控制系统及接口设计,(3) 连线说明： 地址线。图6.5中，2817A的11条地址线（A0A10，容量为2K8位，211=21024=2K）中的低8位A0A7通过锁存器74LS373与P0口连接，高3位A8A10直接与P2口的P2.0P2.2连接。 数据线。2817A的8位数据线直
43、接与单片机的P0口相连。 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连线说明,微型计算机控制系统及接口设计,控制程序存储器的读操作，执行指令的取指阶段和执行MOVC A,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MOVX A,DPTR和MOVX A,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281
44、7A一直被选中。,2817管脚说明,微型计算机控制系统及接口设计,：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,微型计算机控制系统及接口设计,其实，检测2817
45、A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0000H07FFH（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。,2817管脚说明,微型计算机控制系统及接口设计,图3-18 6116管脚图,6116的管脚与EPROM 2716管脚兼容，管脚如图所示。,6264管脚,微型计算机控制系统及接口设计,(2) 硬
46、件电路。单片机与6116的硬件连接如图所示。,微型计算机控制系统及接口设计,图3-20 单片机与6264 SRAM的连接,微型计算机控制系统及接口设计,用译码法扩展多片E2PROM,微型计算机控制系统及接口设计,6264是8K8位的静态RAM，它采用CMOS工艺制造，单一+5 V供电，额定功耗200 mW，典型读取时间200 ns，封装形式为DIP28，管脚如图6.13所示。其中，A0A12为13条地址线；I/O0I/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。,静态RAM芯片6264说明,微型计算机控制系统
47、及接口设计,图3-21 iRAM2186、2187管脚图,微型计算机控制系统及接口设计,2186/2187片内具有8K8位集成动态RAM，单一+5 V供电，工作电流70 mA，维持电流20 mA，存取时间250 ns，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（Flash Memory）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，Flash Memory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。,动态RAM芯片,微型计算机控制系统及接口设计,(2)可编程I/O扩展芯片,8255：可编程通用并行接口电路，可扩展38位并行I/O口。 8243：可编程通用并行接口电路，可扩展44位并行I/O口。 8155：编程RAM/IO扩展电路，可扩展28位并行口、6位并行口、2568位静态RAM和14位定时/计数器。 8755：可编程EPROM/IO扩展电路，可扩展28位并行I/O口和2k8位EPROM。 8253：可编程定时/计数器，可扩展3个16位定时/计数器。 8251：可编程串行口电路。 8279：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。,
