单片机步进电机控制毕业设计（论文）说明书.doc

毕业设计（论文）说明书目录目录1前言31 绪论41.1 选题背景41.2 百叶窗帘发展现状41.3 选题意义52 总体方案设计72.1 设计的总体思路72.2 系统功能要求72.2.1 硬件功能要求72.2.2 软件功能要求82.3 单片机机型选择82.4 方案选择论证82.4.1 方案的提出92.4.2 方案的比较92.4.3 方案的确定92.5 系统硬件结构92.5.1 光控电路测光部分102.5.2 单片机控制执行部分112.5.3 电机控制执行部分112.5.4 时钟电路控制部分133 输入通道说明143.1 光敏传感器的性能143.1.1 光敏传感器的定义143.1.2光敏传感器的发展趋势163.1.3 光敏传感器的特性173.1.4 光敏传感器的分类183.1.5 光敏传感器的作用184 MCS-51单片机的基本结构及工作原理194.1 MCS-51单片机基本结构194.2 输入/输出端口的功能及使用说明214.2.1端口负载能力和要求234.3中断系统244.3.1 中断控制功能244.3.2 中断系统的初始化244.4 定时器/计数器254.4.1 定时器/计数器的初始化255 MCS-51系列单片机的系统扩展275.1 单片机外部总线结构275.1.1 MCS-51单片机扩展时的地址译码方法275.2 程序存储的扩展电路275.2.1 典型的EPROM外引脚排列和功能图285.3 简单的并行I/O接口扩展285.3.1 并行I/O口8255A的扩展286 电机控制316.1 步进电机概述316.1.1步进电机的工作原理316.2 光电隔离器的工作原理366.3 步进电机的驱动控制系统组成396.4 步进电机控制程序设计397 结束语46致谢47参考文献48n 前言当今，随着科学技术的发展，计算机技术带来了科研和生产的许多重大的飞跃，特别是单片微型计算机的应用已经渗透到生产和生活中的各个方面，有力的推动了社会的发展。单片微机以其体积小，集成度高，价格便宜，在数据处理、实时控制等方面无与伦比的强大功能而受到广大科技工作者的好评。其性能不断提高，应用范围愈来愈广，在计算机应用领域已突显出日益重要的地位。它的应用程度已经成为衡量一个国家科学技术水平的一项重要指标。百叶窗帘遮阳控制电路就是单片微型计算机的一个典型的应用。现在市面上的百叶窗帘品种繁多，功能强大。作为一个毕业设计的课题，我们本着从大处着眼，从小处入手的原则，对单片机的应用做了一些初步的尝试和探讨。我们利用了MCS51单片机I/O口的扩展技术以及外接的锁存器74LS373实现了扩展并行I/O接口功能，从而以单片机为控制核心，初步实现了市面上的百叶窗帘遮阳控制的一些基本功能。在将近两个月的时间里，在李老师的认真指导下，完成了这次毕业设计的任务。实现了预期的目的，在此我要特别感谢李文忠老师的细心指导。由于我们的水平有限，时间也很仓促，所以论文中一定会有很多的不足之处，敬请读者批评和指正。n 1 绪论1.1 选题背景窗户是居室的眼睛，一幅搭配得体的窗帘对于提升居室的氛围有着非常重要的作用，是家居装饰中最出彩的部分。窗帘装饰用品，被称为“房屋的名片”，可以反映屋主人的品位和地位。 提起百叶窗，会让人想起许多浪漫美丽的片段。电影中，百叶窗背后的女孩偷偷望着窗外的心爱男孩，无限温柔的眼神从百叶窗的缝隙中流露，画面中带着一种含蓄的美丽。而一到了夏天，漂亮的百叶窗也摇身一变成了家居中的实用品，通过窗叶角度的变化，窗外的阳光往室内投射出不同的光影，就这样，百叶窗和夏日阳光玩起了调皮的捉迷藏游戏。 在许多人的观念中，百叶窗似乎难登大雅之堂，而若想要为窗户穿上外套，人们的首选也是布艺窗帘。不过，在一些以现代风格设计的家居中，百叶窗却大量出现在了客厅、卧室、洗浴间等家居主要的地方，其装饰效果非常好。据说，家居设计师对百叶窗之所以如此喜爱是因为百叶窗比起窗帘来，能够更加灵活地调节室内的光线，为室内营造不同感觉的光线效果，增添家居的灵动气息。而且百叶窗既实用又美观，从经济角度上来看，比起定做窗帘的花费也要少得多，比较适合追求时尚的年轻人。此外，百叶窗之所以在夏天特别受欢迎，不仅因为它可以遮挡窗外射进来的光线，还在于它能够保证室内的通风。只要轻轻转动调节杆，百叶窗的叶片角度便能够自由调节，让人们在夏日的房间里也能够尽享空气流通的舒适感。在这个快节奏的都市生活中，人们更强调产品的便捷性和功能性，因此百叶窗更符合现代人对家居生活高标准要求。1.2 百叶窗帘发展现状百叶窗帘遮阳控制电路采用光敏传感器作为感光元件，具有优越的遮光性及遮蔽性，可按自己的需要任意调整光线，是二十一世纪居家、办公皆宜的个性化装饰品。新品的百叶窗风格多样，或华丽，或粗犷，或可爱，或清雅，多元化的材质令百叶窗有了更加传神的形态，也让百叶窗在各种风格家居中的适用性进一步提高。除了传统的塑料、木片和铝合金制作的百叶窗之外，清新自然的竹片、草席制作的百叶窗帘和现代感十足的粗糙毛纺布艺窗帘亦成为百叶窗家族中的新成员。竹片和草席编成的百叶窗帘色彩清雅柔和，本身的材质带有一种天然的清凉感，能降低夏日家居的温度，与中国传统朴素风格的家居也非常契合。而竹片和草席窗帘材质轻盈，使用时轻巧灵活，即使风吹雨打日晒也不会伸缩变形。而毛纺布艺百叶窗感觉时尚，夏天的布艺百叶窗新品在材质上也创新的以粗糙面目示人，不同色彩的丝麻质布料包裹着百叶窗的叶片，摸上去虽然手感粗糙，却与百叶窗浑然一体，给简洁的空间带来一种赏心悦目之感。如今，已是21世纪，此时的百叶窗帘除了具有一般百叶窗通风、遮阳、隐密、美观的特点外，还具有了防盗、隔音、隔热、采光、遮雨、逃生、防蚊虫的特点，这样就最大限度地解决了一般用户在选择窗户时所要碰到一切问题，如省下窗帘、遮雨（阳）篷，不用担心下雨有没有关窗户，室外的噪音也吵不着睡觉的你，冷器的效果也达到最佳。精益求精，为解决百叶窗在关闭下室内采光问题，研究开发出新型PCTC板叶片，使百叶窗拥有水晶板透光怀，为您创造出安静、明亮的生活工作空间，而且还能有效的防紫外线。层出不穷，奋勇向上，给人们生活增添无限生趣。1.3 选题意义随着现代科学技术的不断发展，传感器技术、计算机技术和通信技术已经成为21世纪最常用、最基础、最实用的技术。因此，作为提供信息的传感技术及传感器已经进入一个飞速发展的新阶段。然而作为现代居家个性装饰的百叶窗帘，它以其无可比拟的优越性快速发展起来，为了进一步了解百叶窗帘遮阳控制电路，因此选做该题。本次设计不仅是对于我们所学知识的深究，而且对于我们独立思考问题能力的培养都有很大的帮助。另外，我们还学会了怎样去查阅资料，怎样分析问题、解决问题。我认为这是一笔可贵的财富。无论我们以后是继续深造，还是参加工作，我想这都是很有意义的。n 2 总体方案设计2.1 设计的总体思路本题要求设计百叶窗帘遮阳控制电路，首先，我们要考虑它的整体性，主要有以下几个原则：(1) 遵循从整体到局部的设计原则。在硬件和软件的设计过程中，应遵循从整体到局部的设计原则，把复杂难处理的问题分为若干个较为简单的、容易处理的问题，分别加以解决。(2) 经济性要求。为了获得较高的性能价格比，设计时不应盲目追求复杂高级的方案。在满足性能指针的前提下，应尽可能采用简单的方案，方案简单,这样所用的元器件就少，可靠性高，而且比较经济。(3) 可靠性要求。所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。(4) 操作和维护要求。在百叶窗帘遮阳控制电路的硬件和软件设计时，应当考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用。其次，根据本课题所研究的对象以及它要实现的功能，利用现有工艺条件， 设计一个百叶窗帘遮阳控制功能的单片机系统，实现其在光照强弱下的开合控制。系统总体设计方案如下图2-1所示：图2-1 总体设计方案图2.2 系统功能要求2.2.1 硬件功能要求本设计的硬件部分主要是由光控电路测光部分、单片机控制执行部分、电机控制执行部分以及时钟电路控制部分组成，它们分别完成不同的功能，光控电路测光部分是完成输入通道对信息的处理，单片机控制执行部分是对其外围电路进行控制，最终由步进电机实现对百叶窗帘的控制。硬件的良好性能正是保证系统正常实现和运行的前提，是设计的重要部分。2.2.2 软件功能要求软件设计的总体概述是，以简单的操作命令为基础，能使操作人员方便、容易地掌握该程序的基本操作和功能原理。为了实现单片机与步进电机之间的通信，以接收从输入通道传送进来的信息，我们要选用能满足信号比较的光敏传感器及其电路，快速而及时的传输实时信息；通过编写单片机的初始化程序，设置单片机的功能口、时钟频率等信息，从而传送给单片机进行驱动步进电机，实现对百叶窗帘的控制。这就是整个通信、传输、驱动的过程。下面会详细介绍单片机、及驱动步进电机的选择。2.3 单片机机型选择单片机是一种特殊的计算机，根据工业测控系统数字化、智能化的迫切要求而提出的。由于它的集成度高、功能强、通用性好，特别是它具有体积小、重量轻、能耗低、价格便宜、可靠性高、抗干扰能力强和使用方便等独特优点，使单片机迅速得到了推广应用，并成为新电子产品的关键部件。单片机的分类方式有很多种，按位数来看，有4位、8位、16位和32位单片机，8位单片机从1976年面世至今，其技术已有了巨大的发展，目前乃至将来仍是单片机的主流机型。MCS51单片机是Intel公司在1980年继MCS48系列8位单片机之后推出的高档8位单片机。MCS51单片机在性能和片内功能方面大大优于MCS48系列单片机。由于考虑到单片机本身的性能和课题开发的特点，综合各方面性能来看，我选用MCS-51系列单片机8031。2.4 方案选择论证百叶窗帘遮阳控制电路是由光控电路测光部分、单片机控制执行部分、电机控制执行部分，时钟电路控制部分组成。针对任务要求，我们发现此项设计的核心部分在单片机控制执行以及电机控制执行部分。因此，设计方案的比较主要对此展开。2.4.1 方案的提出方案一：采用电机控制活动转轴使每个窗叶转动一定的角度来实现对窗帘的控制。方案二：采用电机控制全部窗叶实现对窗帘整体的开合控制。2.4.2 方案的比较方案一所谓的电机控制活动转轴使每个窗叶转动一定的角度来实现对窗帘的硬件单独控制，此方式最大优点是无需程序设计。但这种设计存在致命的缺点：电路复杂，硬件利用率低，成本比较大。所以此方式不被采用。方案二采用电机控制全部窗叶实现对窗帘的开合控制。所谓的对全部窗叶的开合控制，即当光照强/弱时，以光敏传感器RG和电容C组成的RC充放电路把信号传送给MCS51单片机，单片机经过8255A并行口的扩展，取控制字从而实现对步进电机的正/反转控制，最终步进电机驱动负载，即对全部窗叶实现整体的开合控制。相对方案一电路构成简单，比较经济。2.4.3 方案的确定在此次设计中我采用方案二实现对百叶窗帘的遮阳控制，具体设计在下面的叙述中将详细讨论。2.5 系统硬件结构百叶窗帘遮阳控制电路是由光控电路测光部分、单片机控制执行部分、电机控制执行部分，时钟电路控制部分组成，其系统硬件方框图如图2-2所示：图2-2 系统硬件方框图2.5.1 光控电路测光部分光控电路测光部分是本设计中的输入通道，主要由光敏二极管RG、C1、VT1组成，利用了单片机的P3.4和P3.5完成对环境亮度的测试工作。如图2-3所示，其工作原理为：RG可以使用光敏电阻或者光敏二极管，本电路中使用光敏二极管。C1和RG组成RC充放电回路，P3.4处于高电平的时候，P3.4的高电压用过RG的正向电阻向C1充电，此时电机处于停止状态。当P3.4被单片机拉低后，此时电机处于启动状态，C1通过光敏元件放电，光敏二极管工作在反向电压状态下，此时环境亮度决定了光敏二极管的光阻值，光阻值大，C1放电速度慢，反之放电速度快。适当控制P3.4的拉低脉冲宽度，使得C1放电工作在线性比较好的一个工作段上。P3.5用来检测C1在P3.4拉低期间放电的电压状态，当C1电压下降到1/2VCC以下后，P3.5测得数据为“0”，电机反转；反之测得为“1”，电机正转。为了减小P3.5对C1充放电的影响，C1充放电电压通过三极管VT1组成的射极输出器连接到P3.5上，射极输出器的高输入阻抗减小了P3.5对RC充放电电路的影响。 图2-3 光控电路测光部分2.5.2 单片机控制执行部分单片机是本电路中的核心器件，担负整个电路的管理。电路中使用并行口的扩展对三相步进电机进行控制。与此同时，还使用P3.4口和P3.5口作为信号的输入口，与8255A的 B口的扩展一起对步进电机进行起/停和正/反转控制。单片机的复位脚使用C1、R1和R2组成上电+按钮电平复位电路，若振荡频率选用6MHz时，C1取22F，R2取1K，R1为200左右。如图2-4所示：图2-4 单片机控制执行部分2.5.3 电机控制执行部分本设计中步进电机的控制部分由单片机和8255A并行扩展口完成，8255A的A口PA0PA2分别作步进电机的三相控制端口。B口则控制步进电机的启/停及正/反转，与输入通道中的光控电路测光部分同时使用，来实现对步进电机的控制。其中步进电机的驱动脉冲由光控电路测光部分结合输入程序产生，并通过8255A端口PA0PA2脚发出，然后再驱动电动机A、B、C三相。其驱动电路如图2-5所示: 图25 步进电机控制电路图步进电机驱动电路部分采用光电耦合将单片机系统与步进电机驱动电路隔离，以增强系统抗干扰能力，并能防止当三极管损坏时电机驱动电路的高压对单片机的安全造成的威胁。可根据步进电机的电流选用合适的大功率的三极管VT，以完成功率放大及电机驱动任务。二极管VD为保护元件，为断流时的电机绕组提供低阻抗续流回路，把集电极电位钳制在电源电压，防止过高的反向电压击穿三极管。通过8255芯片的B口读取起/停以及正/反转控制信号。2.5.4 时钟电路控制部分MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入输出引脚分别是引脚XTAL1和XTAL2，在这两个引脚外接时钟源即可构成时钟电路。设计所用的时钟电路采用内部方式，由12MHz的晶振和30PF的电容构成，协调各功能元件，完成指令所规定的内容。如图2-6所示：图2-6 时钟电路控制部分n 3 输入通道说明3.1 光敏传感器3.1.1 光敏传感器的定义信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 图3-1 传感器系统的框图传感器系统的原则框图如图3-1，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。光敏传感器，亦称光传感器，或称光电式传感器及光电探测器。它是一种能量转换器件，是利用各种手段将光能量变换成电能量信号的器件，即把入射电磁辐射能量（或称光能）转成电能，通过对电能的精密测量，了解到该入射辐射能量的大和性质，从中达到探测辐射（或光）能量的存在的所携带的信息。光敏传感器的工作原理基于光电效应。它是由光源、光通路、光电转换器件和测量电路4部分组成，如图3-2所示。图3-2 光敏传感器的组成通常，光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子光子所组成，每一个光子的能量E与其频率 成正比。即E=h （3.1）式中 h普郎克常量，h=6.622*10-34(Js)；光的频率（s-1）。可见，光的频率愈高，即波长愈短，光子的能量愈大。其中光电效应可以分为以下三种类型：(1)外光电效应 (2)光电导效应 (3)光生伏特效应(1)外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应。只有当光子能量大于逸出功时，即 时，才有电子发射出来，即有光电效应，当光子的能量等于逸出功时，即 时，逸出的电子初速度为0，此时光子的频率 为该物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。由于这里没有电子自物体向外发射，仅改变物体内部的电阻或电导，有时也称为内光电效应。与外光电效应一样，要产生光电导效应，也要受到红限频率限制。(2)光电导效应利用光电导效应可制成半导体光敏电阻 。(3)光生伏特效应在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。3.1.2光敏传感器的发展趋势由于科技技术迅猛发展，工艺过程自动化程度越来越高，因此对测控系统的精度提出更高的要求。近年来，微型计算机组成的测控系统已经在许多领域得到应用，而传感器作为微型机的接口必须解决相容技术，根据这些特点，传感器将向下面五方面发展。1、向高精度发展2、向高可靠性、宽温度范围发展3、向微型化发展4、向微功耗及无源化发展5、向智能化数字化发展综上所述，光敏传感器亦将向上述五方面发展，从而更快地推进科学技术的发展。3.1.3 光敏传感器的特性(1)光电流 光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或加的电流称为光电流。(2)暗电流 光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。 (3)光照特性当光敏元件加一定电压时，光电流 I 与光敏元件上光照度 E 之间的关系，称为光照特性。一般可表示为 。(4)光谱特性 当光敏元件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射光功率不变时，光电流随入射光波长变化而变化的关系（），称为光谱特性。 光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。 (5)伏安特性 在一定照度下，光电流 I 与光敏元件两端的电压 U 的关系 称为伏安特性。 (6)频率特性 在相同的电压和相同幅值的光强度下，当入射光以不同的正弦交变频率调制时，光敏元件输出的光电流 I 和灵敏度 S 随调制频率 f 变化的关系： 称为频率特性。(7)温度特性环境温度变化后，光敏元件的光学性质也将随之改变，这种现象称为温度特性。 3.1.4 光敏传感器的分类光敏传感器是把光信号转换成电信号的传感器。大致可分为4类：利用光电发射效应工作的光敏传感器，如光电管和光电倍增管。利用光电导将工作的光敏传感器，如光敏电阻。利用光电效应类型的光敏传感器，如光敏二极管、光敏三极管、光控晶闸管；电耦合器件（CCD）二维固态图像传感器中的光电部分也属于这类光电效应传感器。利用热释电效应型工作的红外线检测光敏传感器。3.1.5 光敏传感器的应用在迅猛发展的信息技术应用领域中，光敏传感器无处不在，科学应用、工业应用、医学应用及其他应用，它已经渗透到人们生产和生活中的各个地方。光敏传感应用于空间位置测定（如导弹制导、雷管引爆、定位跟踪、人造卫星检测）、图像控制、辐射检测、光谱辐射补量、工业监视、病情初期诊断等检测技术领域中。由于光敏传感器广泛的应用，因而正在被广大科技工作者所喜欢，正发挥着其无尽的作用，正在为人类带来更多的福祉。 n 4 MCS-51单片机的基本结构及工作原理4.1 MCS-51单片机简介MCS51单片机是Intel公司在1980年继MCS48系列8位单片机之后推出的高档8位单片机。MCS51单片机在性能和片内功能方面大大优于MCS48系列单片机。MCS51的典型产品有：8051、8031、8751、80C51、80C31、87C51等。8051内部有4kB ROM，8751内部有4kB EPROM，8031片内无ROM。除此之此，三者的内部结构及引脚完全相同。一、 CS51系列单片机的内部结构8051结构框图如图4-1所示。图4-1 8051结构框图8051内部集成有8位CPU，4KB程序存储器ROM（8031内部无ROM，8071以EPROM代替ROM）、两个16位定时/计数器，4个8位并行I/O端口（P0P3），一个可编程串行I/O口，256B数据存储器RAM，时钟振荡器和时钟电路。二、 部引脚功能 8051采用HMOS工艺制造，为40条引脚双列直插封装（DIP），逻辑符号及引脚排列如图4-2所示。由于制造工艺的限制，许多引脚都采用功能复用。图4-2 MCS-51引脚图1 主电源引脚VCC、VSSVCC：电源端。正常工作和编程校验（8051/8751）均为+5V。VSS：接地端。2 外接晶振引脚XTAL1、XTAL2MCS51内中有一个高增益的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是这个放大器的输入端和输出端，通过这两个引脚外接石英晶体和微调电容构成振荡器，振荡器的输出脉冲直接送内部时钟电路。3 控制信号引脚RST/VPD、 、 RST/VPD RST是复位端，该引脚连续保持两个机器周期以上的高电平，单片机将完成复位。VPD是备用电源输入端，当单片机发生掉电或电源波动，电压下降到一定值时，备用电源通过VPD端给内部RAM内部供电，保持其中的信息，直至单片机恢复正常。 ALE为地址锁存信号，在有外部扩展存储器的系统中，当访问外存时，ALE信号的下降沿降沿锁存低8位地址信号。ALE信号以1/6振荡器频率周期性输出，在无外部扩展存储器的系统中，可以作为对外输出的时钟。在访问外部RAM时，会丢掉一个ALE脉冲，这一点应注意。功能是8751片内部EPROM的编程脉冲输入端。 外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。访问内部ROM或RAM时不会产生信号。 是访问外部ROM控制信号。当访问程序存储器的低4KB时，若信号为低电平，则指片外ROM，相反，若是高电平则指片内ROM。高于4KB地址均指外部ROM。8031片内因为片内没有集成ROM，信号必须接地。VPP功能是对8751片的EPROM编程时的电源输入，接+21V电压。4.2 输入/输出端口的功能及使用说明MCS-51单片机有4个I/O端口，共32根I/O线，4个端口都是准双向口。每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器P0P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。为方便起见，我们把4个端口和其中的锁存器都统称P0P3。在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O口使用。(1)P0口P0口是一个8位漏极开路型双向I/O口，它由1个输出锁存器、1个输入驱动器和1个输出控制控制电路组成。输出驱动电路由一对FET（场效应管）组成，其工作状态受输出控制电路的控制；输出控制电路由一个与门电路，一个多路开关MUX组成。1）P0口可作为一般I/O口用，也可以分时作低8位地址线和8位双向数据总线用。其工作状态由CPU发出的控制信号决定。P0口作I/O端口使用时，CPU内部发出控制电平“0”信号，当P0口作地址/信号线时，CPU内部发出控制电平“1”信号。P0口作为一般I/O口使用时应注意： 作为输出口时，由于输出极为漏极开路电路，若要驱动NMOS或其它拉电流负载时，引脚上应外接上拉电阻。 作为输入口时，如果下拉场效应管VT2导通会将输入的高电平拉为低电平造成勿读，所以在进行输入操作前，应先向端口输出锁存器写入“1”。2) 作地址/数据总线使用时在扩展系统中，P0口作为地址/数据总线使用，此时可分为两种情况：一种是以P0口引脚输出地址/数据信息。这时CPU内部发出高电平的控制信号，打开与门，同时使多路开关MUX把CPU地址/数据总线反向后与输出驱动场效应管V2D的栅极接通。VT1和VT2两个FET场效应管构成推拉式的输出电路，其负载能力大大增强。另一种情况由P0口输入数据，此时的数据是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线的。(2)P1口P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。它的每一位均可独立作为I/O口。也可整体作为通用双向口用，当P1口输出高电平时，能直接驱动拉电流负载，因此不必再外接上拉电阻。当端口用做输入时，和P0口一样，为了避免勿读，必须先向对应的输出锁存器写入“1”，使FET截止。然后再读端口引脚。由于片内输入电阻较大，约2040K，所以不会对输入的数据产生影响。(3)P2口可作为一般I/O口用，但应用系统采用外部系统采用总线结构时，它分时作为高8位地址线。当多路开关MUX倒向锁存器输出Q端时，构成一个准双向I/O口，可作数据口用。当多路开关MUX在CPU的控制下，倒向内部地址线一端，P2口可用于输出高8位地址。P2口使用时应注意：1) 当应用系统扩展有大于256B而小于64KB的外部存储器，P2口用于输出高8位地址时，由于访问外部存储器的操作是连续不断的，P2口要不断输出高8位地址，故此时P2口不能再作通用I/O口用。2) 在不接外部存储器或片外存储器容量小于256B的系统里，可以使用“MOVX Ri”类指令访问外部存储器，由P0口输出低8位地址，而P2口引脚上的内容在整个访问期间不会变化，此时P2口可作通用I/O口使用。3) 在外部扩充的存储器容量大于256B而小于64KB时，可以用软件方法利用P1P3中的某几位口线输出高8位地址,而保留P2中的部分或全部口线作通用I/O口用。(4)P3口多功能口。作为第一功能使用时同P1口，每一位均可独立作为I/O口。另外，每一位均具有第二功能，每一位的两个功能不能同时使用。当“第二输出功能”端保持高电平时，P3口作为通用I/O口的输出使用。使用时注意：无论P3口作为通用输入口还是第二功能口，相应位的输出锁存器和第二输出功能端都应置“1”，使FET截止。4.2.1 端口负载能力和要求综上所述，P0口的输出级与P1P3的输出级在结构上是不相同的，因此它们的负载能力和接口要求也不相同。P0口的每一位可驱动8个LSTTL负载。P0口即可作通用I/O口用，也可作地址/数据总线使用。当它作为通用I/O口输出时，输出级是开漏电路，当它驱动NMOS或其它拉电流负载时，需要外接上拉电阻才有高电平输出。当作地址/数据总线时，无须外接上拉电阻。此时不能作通用I/O口使用。P1P3口的输出级均有上拉电阻，它们的每一位均可以驱动3个LSET负载。对HNOS型的单片机，当P1和P3口作为输入时，任何TTL或NMOS电路都能以正常的方法驱动这些口。4.3 中断系统中断系统由中断源、中断请求标志、中断允许、中断优先级及中断源的入口地址五部分组成，中断系统的主要功能是为了解决快速CPU与慢速的外设间的矛盾，有了中断系统，能使计算机的功能更强、效率更高、使用更加方便灵活。在这里主要介绍的是中断控制部分的功能、初始化和计数/定时器。4.3.1 中断控制功能MCS-51单片机中断控制部分由4个专用寄存器组成。(1) 中断请求标志寄存器(2) 中断开放和屏蔽(3) 中断优先级设定(4) 中断管理4.3.2 中断系统的初始化从软件角度看，使用中断时需要完成两个方面的任务：(1) 人们的意志对中断源进行管理和控制。(2) 编制中断服务程序。中断源管理和控制(初始化程序)程序一般都在主程序中，根据需要通过几条指令来完成。中断服务程序是一种具有特定功能的独立程序段，根据中断源的具体要求进行服务。在编写中断管理与控制程序时应考虑以下项目： CPU开中断与关中断；某个中断源中断请求的允许或屏蔽；各中断源优先级别的设定；外部中断请求的触发方式。4.4 定时器/计数器4.4.1 定时器/计数器的初始化由于定时器/计数器的功能是又软件来设置的，所以在使用定时器/计数器前均要对其进行初始化。初始化程序应放在主程序的开始处。(1) 初始化的步骤 确定定时器/计数器的工作方式、操作模式、启动控制模式、并利用传送指令将其写入TMOD寄存器。 设置定时器/计数器的初值。直接将初值写入TH0、TL0或TH1、TL1中。16位计数器初值必须分两次写入对应的计数器。 根据要求考虑是否采用中断方式，直接对IE位赋值。开放中断时，对应位置1；采用程序查询方式时，IE中对应位应清0进行中断屏蔽。 启动定时器/计数器工作。使用SETB TRi指令。若第一步设置为软启动，即GATE设置为0时，以上指令执行后，定时器/计数器即可开始工作。若GATE设置为1时，还必须由外部中断源INTi共同控制，只有当引脚INTi电平为高时，以上指令执行后定时器/计数器方可启动工作。定时器/计数器一旦启动后就按规定的方式定时或计算。(2) 计数初值的计算当T0或T1工作于定时器或计数器方式时，其计数初值如何计算?不同的工作方式、不同的操作模式其计数初值均不同。若设最大计数值(溢出值)为M，各操作模式下的M值为：模式0： M=2=8192 模式1： M=2=65536模式2： M=2=256模式3： M=2=256，定时器T0分成2个独立的8位计数器，所以TH0、TL0的M均为256。因为MCS-51的两个定时器均为加1计数器。当加到溢出值时产生溢出，将TFi位置1。可发出溢出中断，因此，计数器初值X的计算式为：X=M-计数值式中：M由操作模式确定，计数值与定时器的工作方式有关。 计数器方式。当T0或T1工作于计数器方式时，技术脉冲由外部引入，它是对外部脉冲进行计数，因此计数值应根据实际要求来确定。 定时器方式。当T0或T1工作于定时器方式时，由于是对机器周期进行计数，故计数值应为定时时间对应的机器周期个数。为此，应首先将定时时间转换为所需要记录的机器周期个数(计数值)。其转换公式为：机器周期个数(计数值)=式中：-定时时间； -机器周期，=；f为机器时钟(振荡器)的振荡频率。故计数初值的计算公式为：X=M-计数值=M-=M-(f)/12M1 M0 操作模式 功能简述0 0 模式0 13位计数器，TLi只用低5位0 1 模式1 16位计数器1 0 模式2 8位自动重装计数器，仅TLi作为计数器，而THi的数值在技术中不变。THi中的值自动装入TLi中1 1 模式3 T0分成两个独立的8位计数器n 5 MCS-51系列单片机的系统扩展5.1 单片机外部总线结构微型计算机大多数CPU外部有单独的地址总线、数据总线、和控制总线，而单片机由于受芯片管脚限制数据总线和地址总线（低8位）是复用的，而且是I/O口线兼用。为了将它们分离出来，以便同单片机之外的芯片正确地连接，常常在单片机外部增加地址锁存器来构成与一般CPU相类似的三总线，如图5-1所示。图5-1 MCS-51的扩展总线5.1.1 MCS-51单片机扩展时的地址译码方法MCS-51单片机扩展时的地址译码法有线选法和全地址译码法两种。线选法是将各扩展芯片上的地址线均接到单片机系统对应的地址总线上，且外围芯片上的片选线也接到地址总线剩余的高位任意一条线上。全地址译码法是将各扩展芯片上的地址线均接到单片机系统对应的地址总线上。各芯片的选择则利用译码电路实现。5.2 程序存储的扩展电路MCS-51系列单片机扩展外部程序存储器的基本硬件电路图如图5-2所示。在CPU访问外部程序存储器时，P2口提供地址的高8位，P0口分时输出地址的低八位和接受外部程序存储器送到数据总线上的指令代码信息。图52 外部程序存储器一般连接方法5.2.1典型的EPROM外引脚排列和功能图以设计中用到的EPROM芯片2732列位说明它们的引脚功能。图5-3 EPROM芯片2732引脚图5.3 简单的并行I/O接口扩展在实际应用中经常会遇到开关量，并行的数字量。主机会随时从这些外设中取得信息或向它们发出信息。只要按照“输入三态，输出锁存”的原则将这些外设与总线相连，就能组成简单的并行扩展接口。通常，采用8位三态缓冲器74LS244组成输入口，采用8D锁存器74LS373、74LS273、74LS377组成输出口。5.3.1 并行I/O口8255A的扩展8255A是由INTEL公司生产的NMOS器件，输入和输出与TTL电平兼容，电源电流最大值为120mA。 图5-4 8255A的引脚图(1) 8255A的封装和引脚功能 8255A共有40个引脚，采用双列直插式封装，其引脚功能如下： D0D7：三态双向数据线，与微型机数据总线相接，用来传送数据信息； ：片选信号线，低电平有效时芯片被选中； ：读出信号线，低电平有效时允许数据写入； VCC：+5V电源； PA7PA0：A口输入/输出线； PB7PB0：B口输入/输出线； PC7PC0：C口输入/输出线；RESET：复位信号线，高电平有效。复位后清除控制寄存器，所有口均为输入；A1A0：地址线，用来选择内部端口。(2) 8255A的内部结构8255A由三个并行数据输入/输出端口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路，一个8位数据总线缓冲器。各部分功能概括如下：1) 数据端口A、B、CA口：一个8位数据输出锁存器，一个8位数据输入锁存器。B口：一个8位数据输入/输出、锁存/缓冲器。一个8位数据输入缓冲器。C口：一个8位数据输出锁存器/缓冲器，一个8位数据输入缓冲器。通常，A口，B口作为数据输入/输出端口；C口作为控制/状态信息端口，它在方式控制字的控制下可分为两个4位锁存器，分别与A口和B口配合使用，作为控制信号输出或状态信息诸如端口，在方式0时C口可用作输入或输出。2) 工作方式控制电路工作方式控制电路有两个，一个是A组控制电路，另一个是B组控制电路。这两组控制电路具有一个控制命令寄存器，用来接受中央处理器发出的控制字，以决定两组端口的工作方式，也可根据控制字的要求对C口按位清0或按位置1。A组控制电路用来控制A口和C口的上半部。B组控制电路用来控制B口和C口的下半部。3) 总线数据缓冲器总线数据缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255A与系统之间的接口，用来传送数据、指令、控制命令以及外部状态信息。4) 读/写控制逻辑电路读/写控制逻辑电路接收CPU发来的控制信号、RESET、IORQ和地址信号A1A0等，然后根据控制信号的要求，将端口数据送往CPU，或者将CPU送来的数据写入端口。5) 端口的选择8255A有A口、B口、C口，不同的口有不同的地址，利用、和地址信号A1A0等确定。n 6 电机控制6.1步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有一定规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频率成正比，而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能向普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。根据励磁方式的不同，步进电动机分为反应式、永磁式和感应子式（又叫混合式），而反应式步进电动机应用较多，下面以此为例来阐述步进电动机的原理。6.1.1 步进电机的工作原理图6-1为一台三相六拍反应式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组。当 相控制绕组通电，而 相和 相不通电时，步进电动机的气隙磁场与 相绕组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电机转子受到一个反应转矩，在步进电机中称之为静转矩。在此转矩的作用下，使转子的齿1和齿3旋转到与 相绕组轴线相同的位置上，如图6-1a所示，此时整个磁路的磁阻最小，此时转子只受到径向力的作用而反应转矩为零。如果 相通电， 相和 相断电，那转子受反应转矩而转动，使转子齿2齿4与定子极 、 对齐，如图6-1b所示，此时，转子在空间上逆时针转过的空间角q为30，即前进了一步，转过这个角叫做步距角，同样的，如果 相通电， 相 相断电，转子又逆时针转动一个步距角，使转子的齿1和齿3与定子极 ， 对齐，如图6-1c所示。如此按 顺序不断地接通和断开控制绕组，电机便按一定的方向一步一步地转动，若按 顺序通电，则电机反向一步一步转动。图6-1 三相反应式步进电动机的工作原理图在步进电机中，控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角，上述的运行方式每次只有一个绕组单独通电，控制绕组每换接三次构成一个循环，故这种方式称为三相单三拍。若按 顺序通电，每次循环需换接6次，故称为三相六拍，因单相通电和两相通电轮流进行，故又称为三相单、双六拍。三相单、双六拍运行时步距角与三相单三拍不一样。当 相通电时，转子齿1、3和定子磁极 、 对齐，与三相单三拍一样，如图6-2a所示。当控制绕组 相 相同时通电时，转子齿2、4受到反应转矩使转子逆时针方向转动，转子逆时针转动后，转子齿1、3与定子磁极 、 轴线不再重合，从而转子齿1、3也受到一个顺时针的反应转矩，当这两个方向相反的转矩大小相等时，电机转子停止转动，如图6-2b所示。当 相控制绕组断电而只由 相控制绕组通电时，转子又转过一个角度使转子齿2、4和定子磁极 、 对齐，如图6-2c所示，即三相六拍运行方式两拍转过的角度刚好三相单三拍运行方式一拍转过的角度一样，也就是说三相六拍运行方式的步距角是三相单三拍的一半，即为15。接下来的通电顺序为 ，运行原理与步距角与前半段 一样，即通电方式每变换一次，转子继续按逆时针转过一个步距角（ ）。如果改变通电顺序，按 顺序通电，则步进电机顺时针一步一步转动，步距角 也是15。图6-2 步进电机的三相单、双六拍运行方式另外还有一种运行方式，按 顺序通电，每次均有两个控制绕组通电，故称为三相双三拍，实际是三相六拍运行方式去掉单相绕组单独通电的状态，转子齿与定子磁极的相对位置与图6-2b一样或类似。不难分析，按三相双三拍方式运行时，其步矩角与三相单三拍一样，都是30。由上面的分析可知，