第二章-單片機微機原理及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1第二章單片機（微機）原理及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1單片機（微機）系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

2.1.1電子計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)：計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成22.1.2微型計算機的應(yīng)用形態(tài)從應(yīng)用形態(tài)上，微機可以分成三種：

◆多板機（系統(tǒng)機）將CPU、存儲器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機板（即微機主板）。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)動器及光驅(qū)等裝在同一機箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺完整的微型計算機系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)機）。3

◆單板機將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和簡單的I/O設(shè)備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺單板微型計算機（簡稱單板機）。單板機4ROM只讀內(nèi)存（Read-OnlyMemory）是一種只能讀取資料的內(nèi)存。PROM可編程程序只讀內(nèi)存（ProgrammableROM，PROM）之內(nèi)部有行列式的镕絲，視需要利用電流將其燒斷，寫入所需的資料，但僅能寫錄一次。EPROM可抹除可編程只讀內(nèi)存（ErasableProgrammableReadOnlyMemory，EPROM）可利用高電壓將資料編程寫入，抹除時將線路曝光于紫外線下，則資料可被清空，并且可重復(fù)使用。EEPROM電子式可抹除可編程只讀內(nèi)存（ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory，EEPROM）之運作原理類似EPROM，但是抹除的方式是使用高電場來完成5快閃存儲器（Flashmemory）的每一個記憶胞都具有一個“控制閘”與“浮動閘”，利用高電場改變浮動閘的臨限電壓即可進行編程動作。RAM（隨機存取存儲器）RAM-randomaccessmemory隨機存儲器。存儲單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關(guān)的存儲器。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內(nèi)容，故主要用于存儲短時間使用的程序。隨機存取、易失性、高訪問速度、需要刷新、對靜電敏感6

◆單片機在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O接口電路，從而構(gòu)成了單芯片微型計算機，即單片機。三種應(yīng)用形態(tài)的比較：單板機單片機系統(tǒng)機（多板機）

單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨特的優(yōu)勢。72.1.3單片機的發(fā)展過程單片機技術(shù)發(fā)展過程可分為三個主要階段：

◆單芯片微機形成階段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數(shù)器。

特點是：存儲器容量較小，尋址范圍小（不大于4K），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強。

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◆性能完善提高階段

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。

特點是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出?，F(xiàn)在，MCS-51已成為公認的單片機經(jīng)典機種。9

◆微控制器化階段

特點是：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)外圍電路增強，使單片機可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動測控系統(tǒng)及設(shè)備?！拔⒖刂破鳌钡姆Q謂更能反應(yīng)單片機的本質(zhì)。

1982年，Intel推出MCS-96系列單片機。芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I/O部件等。102.1.4單片機的特點◆實時控制功能特別強，其CPU可以對I/O端口直接進行操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。另外，由于CPU、存儲器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時受干擾的影響較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機的可靠性非常高?！趔w積小、價格低、易于產(chǎn)品化單片機芯片即是一臺完整的微型計算機，對于批量大的專用場合，一方面可以在眾多的單片機品種間進行匹配選擇；同時還可以專門進行芯片設(shè)計，使芯片的功能與應(yīng)用具有良好的對應(yīng)關(guān)系；在單片機產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到8個或更少。從而使應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡單方便。112.1.5單片機的應(yīng)用領(lǐng)域

◆智能儀器儀表

單片機用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。12◆機電一體化產(chǎn)品機電一體化產(chǎn)品是集機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機電產(chǎn)品。單片機在機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機器人、數(shù)控機床、自動包裝機、點鈔機、醫(yī)療設(shè)備、打印機、傳真機、復(fù)印機等。13◆實時工業(yè)控制單片機還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(xiàn)期望的控制指標，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動生產(chǎn)線等。14

◆分布式系統(tǒng)的前端模塊

在較復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點。15◆家用電器家用電器是單片機的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。另外，在交通領(lǐng)域中，汽車、火車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應(yīng)用。如汽車自動駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(tǒng)、黑匣子等。16

·8位CPU

·4kbytes程序存儲器(ROM)

·256bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)·32條I/O口線

·111條指令，大部分為單字節(jié)指令

·21個專用寄存器

·2個可編程定時/計數(shù)器

·5個中斷源，2個優(yōu)先級2.2單片機的基本組成

·一個全雙工串行通信口

·外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB

·外部程序存儲器尋址空間為64kB

·邏輯操作位尋址功能

·雙列直插40PinDIP封裝

·單一+5V電源供電17總線型非總線型1819CPU：由運算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)；ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；I/O口：四個8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出；T/C：兩個定時/記數(shù)器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高振蕩頻率為12M。2021單片機工作的基本時序（1）振蕩周期:也稱時鐘周期,是指為單片機提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期。（2）狀態(tài)周期:每個狀態(tài)周期為時鐘周期的2倍,是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。（3）機器周期:一個機器周期包含6個狀態(tài)周期S1~S6,也就是12個時鐘周期。在一個機器周期內(nèi),CPU可以完成一個獨立的操作。（4）指令周期:它是指CPU完成一條操作所需的全部時間。每條指令執(zhí)行時間都是有一個或幾個機器周期組成。MCS-51系統(tǒng)中,有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。22232425【例2-1】控制單個LED程序（1）用單片機控制LED點亮CLRP1.0；讓P1.0引腳變?yōu)榈蚐JMP$；$表示在本地循環(huán) END（2）用單片機控制LED滅燈SETBP1.0；讓P1.0引腳變?yōu)楦逽JMP$；在本地循環(huán) END26【例2-2】單個LED閃爍程序；主程序MAIN：SETB P1.0；讓P1.0引腳變?yōu)楦?/p>

LCALL DELAY；調(diào)一段延時程序進行計時等待1S，肉眼看清滅

CLR P1.0；讓P1.0引腳變?yōu)榈?/p>

LCALL DELAY；調(diào)一段延時程序進行計時等待1S，肉眼看清亮

LJMP MAIN；跳轉(zhuǎn)回標識為MAIN的指令行繼續(xù)執(zhí)行程序；以下是延時子程序DELAY：MOV R7，#250 ；給寄存器R7內(nèi)送數(shù)，R7＝250D1：MOV R6，#250；給寄存器R6內(nèi)送數(shù)，R6＝250D2：DJNZ R6，D2 ；對R6內(nèi)的數(shù)據(jù)減1循環(huán)直到為0 DJNZ R7，D1；對R7內(nèi)的數(shù)據(jù)減1循環(huán)直到為0 RET ；返回到主程序跳出點繼續(xù)向下執(zhí)行END ；主程序結(jié)束272.3.380C51的中斷系統(tǒng)

一、中斷的概念

CPU在處理某一事件A時，發(fā)生了另一事件B請求CPU迅速去處理（中斷發(fā)生）；

CPU暫時中斷當前的工作，轉(zhuǎn)去處理事件B（中斷響應(yīng)和中斷服務(wù)）；待CPU將事件B處理完畢后，再回到原來事件A被中斷的地方繼續(xù)處理事件A（中斷返回），這一過程稱為中斷。28MCS-51單片機的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)執(zhí)行主程序主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序斷點中斷請求中斷響應(yīng)執(zhí)行中斷處理程序中斷返回29引起CPU中斷的根源，稱為中斷源。中斷源向CPU提出的中斷請求。CPU暫時中斷原來的事務(wù)A，轉(zhuǎn)去處理事件B。對事件B處理完畢后，再回到原來被中斷的地方（即斷點），稱為中斷返回。實現(xiàn)上述中斷功能的部件稱為中斷系統(tǒng)（中斷機構(gòu)）。30二、中斷源及優(yōu)先級80C51的中斷系統(tǒng)有5個中斷源，2個優(yōu)先級，可實現(xiàn)二級中斷嵌套

。同一優(yōu)先級中的中斷申請不止一個時，則有中斷優(yōu)先權(quán)排隊問題。同一優(yōu)先級的中斷優(yōu)先權(quán)排隊，由中斷系統(tǒng)硬件確定的自然優(yōu)先級形成，其排列如所示：3132中斷源有中斷請求；此中斷源的中斷允許位為1；

CPU開中斷（即EA=1）。同時滿足時，CPU才有可能響應(yīng)中斷。中斷響應(yīng)條件33三、中斷的應(yīng)用實例34P3第二功能各引腳功能定義：P3.0：RXD串行口輸入P3.1：TXD串行口輸出P3.2：INT0外部中斷0輸入P3.3：INT1外部中斷1輸入P3.4：T0定時器0外部輸入P3.5：T1定時器1外部輸入P3.6：WR外部寫控制P3.7：RD外部讀控制352.3單片機（微機）系統(tǒng)與外界設(shè)備接口接口：計算機一個部件與另一個部件之間的連接界面。功能：設(shè)備選擇、信息傳輸、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、聯(lián)絡(luò)、中斷管理、復(fù)位、錯誤檢測和可編程功能。常見外部接口設(shè)備：人機交互接口設(shè)備；信號輸入\輸出接口設(shè)備；數(shù)據(jù)通信接口設(shè)備。36一、人機交互接口設(shè)備輸出設(shè)備：發(fā)光二極管顯示器（LED）、液晶顯示器（ LCD）、陰極射線管顯示器（CRT）輸入設(shè)備：文本輸入設(shè)備、信號輸入設(shè)備、指點輸入設(shè) 備37LED顯示器工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示的特點是每個數(shù)碼管必須接一個8位鎖存器用來鎖存待顯示的字形碼。送入一次字形碼顯示字形一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點是占用CPU時間少，顯示便于監(jiān)測和控制。缺點是硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。動態(tài)顯示的特點是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個鎖存器，從而大大地簡化了硬件電路。選亮數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示。38394041二、信號輸入\輸出接口設(shè)備1.模擬量的輸入\輸出系統(tǒng)模擬量輸入通道：電壓形成、模擬低通濾波（ALF）、采樣保持(S\H)、多路轉(zhuǎn)換（MPX）以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（A\D）。模擬量輸出通道：接口電路、鎖存器、D\A轉(zhuǎn)換器、放大驅(qū)動電路。42數(shù)模（D\A）轉(zhuǎn)換器4344分辨率（Resolution）：指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。分辨率與D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，能夠分辨的最小輸出電壓變化量就越小。例如：8位DAC的最小電壓變化量為1LSB=10V/256＝39mV16位DAC的最小電壓變化量為1LSB=10V/65536＝0.153mV轉(zhuǎn)換精度（ConversionAccuracy）：指D/A轉(zhuǎn)換器實際輸出的模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大誤差。例如：滿量程時理論輸出值為10V，實際輸出值是9.99~10.01V之間，其轉(zhuǎn)換精度為±10mV。通常，D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度為分辨率的一半，即為LSB/2。這里，LSB是分辨率，指最低一位數(shù)字量變化引起的幅度的變化量。轉(zhuǎn)換時間：指D/A轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字信號開始轉(zhuǎn)換到輸出的模擬電壓達到穩(wěn)定值所需的時間。45模數(shù)（A\D）轉(zhuǎn)換器46電壓形成回路：非電量＼實際電量Ａ＼Ｄ轉(zhuǎn)換器的電壓等級模擬低通濾波器單元（ＡＬＦ）：阻止高于1000Ｈｚ以上的信號進入A\D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，防止采樣時造成混疊誤差，兵器能有效降低采樣頻率，簡化硬件設(shè)計。

采樣定理：為了能不失真地恢復(fù)原模擬信號，采樣頻率應(yīng)不小于輸人模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍，即：

采樣保持器：在A/D進行采樣期間，在一個極短時間內(nèi)測量模擬信號在該時刻的瞬時值，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程內(nèi)保持不變，以保證轉(zhuǎn)換精度。47482.數(shù)字量輸入\輸出系統(tǒng)49計算機通信是將計算機技術(shù)和通信技術(shù)的相結(jié)合，完成計算機與外部設(shè)備或計算機與計算機之間的信息交換?？梢苑譃閮纱箢悾翰⑿型ㄐ排c串行通信。并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時進行傳送。并行通信控制簡單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長距離傳送時成本高且接收方的各位同時接收存在困難。

50串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送。串行通信的特點：傳輸線少，長距離傳送時成本低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復(fù)雜。

51異步通信

異步通信是指通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程