《機(jī)電控制技術(shù)》教學(xué)參考講稿教案-第8章

第8章MCS-51系列單片機(jī)控制技術(shù)教學(xué)要求了解MCS-51系列單片機(jī)硬件資源的組成，即MCS-51系列單片機(jī)是由CPU、ROM、RAM、并行I/O接口、串行I/O接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷控制系統(tǒng)等若干部件組成的，再配置一定的外圍電路，如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等，即可構(gòu)成一個(gè)基本的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。掌握搭建MCS-51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)的基本步驟和方法。教學(xué)重點(diǎn)MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)。教學(xué)難點(diǎn)MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)。課時(shí)安排本章安排6課時(shí)。教學(xué)內(nèi)容8.1MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理8.1.1MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)8.1.1MCS-51系列單片機(jī)的工作原理8.2MCS-51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)及語言設(shè)計(jì)8.2.1MCS-51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)概述在MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)中，程序是指令的有序集合，運(yùn)行程序就是按順序地一條一條執(zhí)行指令的過程。指令的機(jī)器碼一般由操作碼和操作數(shù)地址兩部分組成，操作碼在前，操作數(shù)地址在后。操作碼決定指令的操作類型（如加、減、乘、除等算術(shù)操作），操作數(shù)地址指示了參加運(yùn)算的操作數(shù)來自何處。因此，指令是構(gòu)成MCS-51系列單片機(jī)程序的基本元素。8.2.2MCS-51系列單片機(jī)的尋址方式所謂尋址方式是指如何找到存放被操作數(shù)位置（地址）的方法。MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)提供了7種尋址方式，分別為立即尋址、直接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、相對(duì)尋址和位尋址。一條指令可能含有多種尋址方式。8.2.3MCS-51系列單片機(jī)匯編語言的8.3MCS-51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器擴(kuò)展在有些場(chǎng)合中，MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部集成的ROM和RAM難以滿足工藝對(duì)系統(tǒng)的要求，用戶必須在單片機(jī)外部擴(kuò)展ROM。MCS-51系列單片機(jī)外部有16條地址線，即P0接口和P2接口，因此，最大尋址范圍為64KB（0000H～FFFFH）。選擇存儲(chǔ)芯片中單元的方法有單譯碼法和雙譯碼法。8.3.1MCS-51系列單片機(jī)三總線的概念和構(gòu)成MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)是基于三總線的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，即三種總線分別是地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。系統(tǒng)中的各個(gè)部件都是通過這三類總線傳遞信息得。8.3.2MCS-51系列單片機(jī)ROM的擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)中的8051單片機(jī)的內(nèi)部有4KB的ROM區(qū)，能滿足一般系統(tǒng)的需求，但如果系統(tǒng)規(guī)模比較大，需要存放較大的程序，就需要擴(kuò)展ROM。在選擇ROM芯片時(shí)，首先必須滿足程序容量，其次在價(jià)格合理情況下盡量選用容量大的芯片。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意，盡量減少芯片的使用個(gè)數(shù)，使得電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高可靠性。8.3.3MCS-51系列單片機(jī)RAM擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)中的8051單片機(jī)內(nèi)部有128B的RAM。CPU對(duì)內(nèi)部RAM具有豐富的操作指令，但是當(dāng)單片機(jī)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集或處理大批量數(shù)據(jù)時(shí)，僅靠?jī)?nèi)部提供的RAM的操作指令是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。此時(shí)，可以利用單片機(jī)的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部RAM。8.4MCS-51系列單片機(jī)的中斷與中斷系統(tǒng)8.4.1MCS-51系列單片機(jī)中斷的概述當(dāng)CPU正在執(zhí)行某個(gè)程序時(shí)，由于有來自CPU外部的事件向CPU提出響應(yīng)請(qǐng)求，因而CPU中止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行與外部事件相關(guān)的處理程序，當(dāng)處理響應(yīng)的程序執(zhí)行結(jié)束后，返回被中止執(zhí)行的程序并繼續(xù)執(zhí)行，這種有響應(yīng)請(qǐng)求而改變程序執(zhí)行順序的現(xiàn)象稱為中斷。8.4.2MCS-51系列單片機(jī)中斷系統(tǒng)8.4.3MCS-51系列單片機(jī)中斷設(shè)置8.5MCS-51系列單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的應(yīng)用非常廣泛。使用單片機(jī)內(nèi)置的定時(shí)器則可以實(shí)現(xiàn)精確的定時(shí)。定時(shí)器可以用在單片機(jī)串行通信中，而且可以和CPU并行工作，系統(tǒng)工作效率高。定時(shí)器的輸入端如果連接的是振蕩電路的脈沖信號(hào)，就可以測(cè)量時(shí)間；定時(shí)器的輸入端如果連接的是外部電路的脈沖信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部脈沖的計(jì)數(shù)功能，因此，定時(shí)器也可以作為計(jì)數(shù)器使用。此外，也可以將定時(shí)器和計(jì)數(shù)器聯(lián)合使用，在確定的時(shí)間里統(tǒng)計(jì)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，從而完成頻率測(cè)量的功能。8.5.1MCS-51系列單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作方式8.5.2MCS-51系列單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的使用8.6MCS-51系列單片機(jī)的接口與應(yīng)用在機(jī)電控制系統(tǒng)中，根據(jù)控制需要，單片機(jī)需要各種接口，如為了接收模擬量，需要A/D轉(zhuǎn)換接口；為了輸出模擬量，需要D/A轉(zhuǎn)換接口；為了響應(yīng)操作者的要求，需要鍵盤接口；為了給操作者提供需要的信息，需要顯示器接口。8.6.1MCS-51系列單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換接口在控制系統(tǒng)中多使用閉環(huán)控制，將系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)量反饋到輸入端，但工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)量值經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后多為模擬量，如溫度、成分、速度和位置等，單片機(jī)作為數(shù)字系統(tǒng)無法直接接收模擬量，這就需要能把模擬量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量值的A/D轉(zhuǎn)換器。8.6.2MCS-51系列單片機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換器接口在機(jī)電控制系統(tǒng)中，要驅(qū)動(dòng)的往往是模擬系統(tǒng)，如直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)等，要輸出模擬量值，需要在單片機(jī)后加D/A轉(zhuǎn)換單元。8.6.3MCS-51系列單片機(jī)的鍵盤接口如果操作者需要單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地接收自己的命令，就需要給單片機(jī)加上鍵盤接口。鍵盤一般分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。計(jì)算機(jī)鍵盤就是編碼鍵盤，它集成了消抖、誤碼處理和編碼等功能。單片機(jī)系統(tǒng)一般采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的非編碼鍵盤來提高性價(jià)比；非編碼鍵盤可分為獨(dú)立式按鍵和行列式按鍵。8.6.4MCS-51系列單片機(jī)的顯示器接口單片機(jī)系統(tǒng)中常見的顯示器可以分為數(shù)碼管LED和液晶屏LCD和融合了顯示和鍵盤功能的觸摸屏。LED因?yàn)榫哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、實(shí)現(xiàn)方便和讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。8.7MCS-51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制任務(wù)，應(yīng)具備以下幾個(gè)基本步驟：（1）應(yīng)分析該控制任務(wù)的性質(zhì)。如果要處理高速的數(shù)據(jù)流或要進(jìn)行大量的復(fù)雜運(yùn)算，可以選擇FPFA或DSP；如果需要非常高的可靠性，一般選擇PLC系統(tǒng)；如果是大規(guī)模流水線，一般選擇FCS系統(tǒng)；如果控制任務(wù)不太復(fù)雜，性價(jià)比要求很高，需要大批量生產(chǎn)的一般選用單片機(jī)系統(tǒng)。（2）應(yīng)該把用戶的專業(yè)術(shù)語轉(zhuǎn)換為單片機(jī)的術(shù)語。例如，可能控制的是數(shù)控機(jī)床，也可能控制的是流水線，提出的控制要求都是關(guān)于被控對(duì)象的，所以要用單片機(jī)領(lǐng)域的語言描述清楚。（3）把控制要求描述清楚，就可以進(jìn)行單片機(jī)的