毕业设计（论文）-基于单片机的智能排风系统设计.doc

毕业设计论文摘 要随着计算机技术的发展，单片机技术以成为计算机技术中的一个分支，单片机的运用领域也越来越广泛。特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着及其重要的角色。传统的电路设计方法以演变成软件与硬件相结合的设计方法。在实际应用中，单片机要与各种外界设备相结合组成一定的应用系统，以实现系统的自动检测与控制。这篇文章介绍了以C8051F330单片机、IR2110、HD7279显示芯片和无刷直流电机为核心的智能排风系统。C8051F330是一块高性能的单片机，它具有体积小，运行速度快，工作稳定性高等优点。其内部包含有温度传感器，便于较准确地测量环境温度。IR2110是一种性能比较优良的驱动集成电路，无需扩展便可直接用于小功率的变换器中，使电路更加紧凑。HD7279是一片真正的单片LED数码管显示和键盘接口芯片，无需外围电路，只需要外接少量的电阻等即可构成完善的显示、键盘接口电路。本系统由四部分组成，分别为：显示按键部分、电机驱动部分、温度检测部分和电源部分。当该系统上电运行之后，先由温度检测部分检测环境中的温度，然后由单片机对室温进行判断：当检测到的室温低于设定温度的下限值时，驱动部分不工作，表明室内无需降温；当室温高于设定温度的上限时，驱动部分工作且电机以最快的速度运行；当室温介于两者之间时，电机的转速将按线性规律逐渐增加，增加该温度对应的转速后，恒定运行；当室温降到下限值时，电机停止运行，表明此次排风完成，达到降低室温的目的。关键词：无刷直流电机；C8051F330单片机；IR2110；HD7279；AbstractThis article introduced take the C8051F330 monolithic integrated circuit, IR2110, the HD7279 demonstration chip and not brushes the direct current machine as the core intelligent exhaust system.C8051F330 is together the high performance monolithic integrated circuit, it has the volume to be young, the running rate is quick, work stable nature higher merit. Its interior contains has the temperature sensor, is advantageous for accurate survey ambient temperatureIR2110 is one performance quite fine actuation integrated circuit. Does not need to expand may use in the low power directly in the converter, is the electric circuit is more compact.HD7279 is a piece of true monolithic LED nixietube demonstration and the keyboard interface chip, does not need the peripheral circuit, only needs the external connection few resistances and so on then to constitute the perfect demonstration, the keyboard interface electric circuitKEY WORDS brushless DC motor；C8051F330singlechip；IR2110；HD7279摘要IASTRACT II目录 III第1章 绪论 4课题来源 51.2智能排风系统的特点 51.3智能排风系统发展现状及发展趋势 51.3.1智能排风系统发展现状 61.3.2智能排风系统的发展趋势 6第2章 智能排风系统中电机的控制原理 72.1排风电机（直流无刷电机）的控制特性 72.2排风电机（直流无刷电机）的控制结构 72.3排风电机（直流无刷电机）的控制原理 82.4本章小结第3章 智能排风系统设计方案论证93.1 方案简介93.1.1电机的选取及驱动发案93.1.2单片机的选取及按键显示方案93.2 系统方案论证103.3本章小结第4章 基于C8051F330单片机直流无刷电机的智能排风控制系统114.1 IR2110简介 114.2 单片机330简介 15 4.3 HD7279简介 164.4 系统电路介绍 244.4.1 电源电路 244.4.2 8051F330D单片机控制电路 244.4.3 键盘显示电路 244.5本章小结第5章 控制系统软件设计 265.1 系统功能概述 265.2 程序流程图 265.3 程序清单 285.4 软件程序调试与仿真 335.5本章小结结 论 35致 谢 38附 录 3943第1章 绪论1.1 课题来源排风系统被广泛应用在医院、宾馆、超市、旅游客车、空调铁路列车等场合，在这些场所中，温度是极为普遍，又极为重要的热工参数之一。随着公共场所的不断发展，公众对一定范围内的精确温度要求越来越高，测温范围越来越广，因此自动排风系统的设计是一个重要的发展方向。在日常的生产过程中，大多情况下都是首先通过测量手段对环境进行测试，其次对所测的结果进行分析比较，最后决定是否对环境采取调节措施。测量工具的精度及人为的读数误差导致得到的数据不够准确，难以达到精确的要求，且操作步骤之间不够连贯，需要人为地实时监测环境温度，不够达到自动排风的要求。随着各种智能芯片及各种传感器的出现，大大的提高了环境监测手段。特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度测控系统发展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂温度测控系统，具有参数自整定功能和自学习功能，即温控器对控制对象、控制参数及特性进行自动整定，并根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强等特点。由于排风系统长时间的工作，所以其对能源的消耗是不可以避免的。智能排风系统能够准确地判断环境中的温度，根据环境中的温差准确地调节电机的转速，当环境中的温度符合被控条件时，排风系统能够自动关闭电机，以此来达到降低能耗的目的。而且智能排风系统对环境温度进行检测时，声音小，抗干扰能力强，对外界不会产生电磁，噪声方面的影响，所以智能排风系统是环保的。在排风的电机选择方面，也从以往结构简单，价格便宜，调速性能较差的交流电机到转矩较大，调速性能优越，但价格高昂维护困难的直流电机延续到如今的集交流电机与直流电机各个优点于一体的直流无刷电机。直流无刷电机运行电压低，能够较方便的与智能芯片相结合。所以，随着智能芯片及电机的不断发展，智能排风系统正向着高精度、智能化、小型化等方向发展。智能排风系统在现代化工业控制领域很多新技术、新理论方面都得到了应用。1.2智能排风系统的特点该智能排风系统的核心部分是由C8051F330单片机和直流无刷电机构成的。单片机C8051F330与其他类型的单片机相比，具有以下特点：1. 系统功耗低、可靠性高；2. 体积小，运行速度快；3. 采用单总线技术的温度信息采集系统。直流无刷电机与直流电机、交流电机相比，其技术特点是：1. 通过电力电子器件制作的驱动器驱动无刷电机，能够使其获得直流电的调速特性，运行稳定，有较宽的调速范围；2. 运行时需要通过位置传感器及电力电子器件制作的驱动器才能运行；3. 本质上是交流电动机，但由于没有电刷和换向器的火花、磨损问题，可用于于高速，可靠性较高，工作寿命长，无需经常维护；4. 无刷直流电动机功率因数高，转子无损耗和发热，有较高的效率。该智能排风系统采用的单片机是C8051F330，该单片机体积小，功耗低，运行速度快，稳定性高。在电机方面，由于交流电机无法满足较高的调速性能，高维护费等原因，逐渐被性能优越的直流无刷电机所取代，且由于直流无刷电机具有效率高，稳定性好，便于与智能芯片相互结合，易于调速等优点，在智能排风领域中正被广泛的运用。随着智能型芯片的不断发展，智能排风系统的体积将会越来越小，智能芯片与电机的驱动器能够与电机有机地连在一起，达到一个整体，即一个电机直接与电源相连，就可以实现智能排风的目的。1.3 智能排风系统发展现状及发展趋势1.3.1 智能排风系统发展现状智能排风系统的发展与智能芯片和驱动电机的发展是紧密相关的。智能芯片的发展能使智能排风系统的反应速度越来越快，对温度的测量精度越来越高。能够准确的控制温度。电机的发展能使电机性能更加稳定，调速范围更宽，对电能的利用率更高。智能芯片与电机的不断提高能使智能排系统的性能大大改善。单片机方面，C8051F330与STC系列的单片机相比，它们具有相同的工作原理。对单片机编程方面，都可以使用汇编语言。但在单片机的引脚方面，C8051F330仅有20个脚，内部包含温度传感器，通过对交叉开关的设置，C8051F330的引脚包含其他的功能。且C8051F330单片机是10位的，运行速度方面比STC的快，精度较高。直流无刷电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，但其组成却是不一样的。除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换向电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身是与换向电路合成一体，从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。与直流电机相比，它少了电刷，比直流电机的维护周期低。由于没有电刷，使得直流无刷电机噪声更小，稳定性更高，使用寿命更长。直流无刷电机采用的是永磁式励磁方式，与其他电机相比，能够更加节约铜材料。为了实现无刷电机的运行，电子驱动器的开关必须有位置信号来控制电路。早期用机电位置传感器获得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。1.3.2智能排风系统的发展趋势随着人们对温度要求的提高，智能排风系统将会得到越来越广泛的应用。智能排风系统将来会被广泛的运用到空调大巴，公共场所等人流较多的场所。在以往的温度检测排风系统中，那种低精度、高耗能、不易于控制的设备将会逐渐被高智能的芯片及高性能的电机所取代。世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，有8位的、16位的、32位的，运行速度也是越来越快。 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但其物理特征决定了其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征更适合应用在要求低功耗象电池供电的场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径 2.微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就更强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出符合用户要求的且具有特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。永磁无刷直流电机是一种电子电动机。随着电力电子技术的发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现以及高性能永磁材料，如稀土永磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础, 它由直流电源经过逆变器、位置检测装置向电动机供电，因而既保持了直流电机的结构简单，运行可靠，维护方便的一系列优点，又改善了有刷直流电机效率低、耗电多、噪音大、维护困难、使用寿命短等运行状况，还具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点。电机系统属环保节能型产品，是国家产业政策支持的高新技术项目，正处在产品成长期，具有广阔的市场前景。无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。第2章 智能排风系统中电机的控制原理2.1 排风电机（直流无刷电机）的控制特性图2-1所示为直流无刷电动机系统基本结构,它由直流电源、驱动电路、控制电路、电机本体和位置传感器这几部分构成,控制电路是系统的关键部分，它是由单片机C8051F330控制的。直流电源驱动电路电动机本体单片机控制霍尔传感器图2-1 直流无刷电机的基本结构直流无刷电机的旋转是由位置传感器感应出当前转子的位置，单片机的引脚读出位置传感器的状态，然后根据状态单片机决定驱动器各个MOS的导通，从而使电机运转。而各相绕组导通的顺序和时间,主要取决于来自位置传感器的信号,但位置传感器的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元,往往需要经过一定的逻辑处理后才能控制逻辑开关单元。2.2排风电机（直流无刷电机）的控制结构直流无刷电机是同步电机的一种，即电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极对数(P)影响：N=120*f / P。在转子极对数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子驱动器，控制定子旋转磁场的频率，并将电机转子的转速通过位置传感器回馈给单片机控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图2-2：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部分可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(220 V)，如果输入是交流电，则需要经过整流器将交流转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由驱动电路转成3相电压来驱动电机。无刷电机驱动电路一般由6个MOS管(V1V6)分为上臂(V1、V2、V3)/下臂 (V4、V5、V6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。单片机控制部分则提供决定MOS管开关及MOS管的开关频率。图2-2 电机控制结构2.3排风电机（直流无刷电机）的控制原理要让电机转动起来，首先单片机控制部就必须感应到电机转子目前所在位置，然后依照转子所在位置决定开启6个MOS管的顺序，如下（图2-3 ）图中V1、V2、V3这些称为上臂MOS管及V4、V5、V6这些称为下臂MOS管，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到位置传感器感应出另一组信号的位置时，单片机控制部又再开启下一组MOS管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： V1、V5一组V1、V6一组V2、V6一组V2、V4一组V3、V4一组V3、V5一组 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以MOS管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。 图2-3 电机控制原理2.4本章小结本章较详细的介绍了智能排风电机（直流无刷电机）的控制特性，控制结构控制原理。较准确的分析了直流无刷电机的控制器在给无刷直流电机上电时的注意事项。为以后单片机的编程及对硬件的调试做了前期的准备。第3章 智能排风系统设计方案论证3.1 方案简介3.1.1电机的选取及驱动发案方案一：选取小型直流电机（即直接由干电池供电的电机），该电机耗电较少，且驱动方式较简，该电机体积较小。但该电机调速性能较差，不能满足调速要求（即采用PWM调速时电机的转速没有明显变化），该电机转速范围较小，所以不采用该电机及驱动系统。方案二：采用无刷电机及驱动器。无刷直流电机集交流电机和直流电机优点于一体，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。无刷电机的转速范围较宽且易于调速，容易被控制。无刷电机转速的线性度较好。 图3-1采用芯片IR2110和MOS管构成的驱动电路，如图3-2 图 3-2如图3-2所示无刷电机驱动电路是由单片机C8051F330，驱动芯片IR2110和MOS管构成。(1)基于单片机的驱动部分单片机C8051F330的端脚输出电压为3.3V，不能够直接驱动MOS 管使其导通。所以，单片机与MOS管之间需加驱动芯片IR2110。驱动芯片IR2110的输书电压范围是10V20V，能够满足MOS的驱动要求。单片机便能够容易的控制MOS的通断。从而控制电机的的停转。(2) 转子位置检测在无刷直流电机控制系统中，位置传感器一方面用来测定转子磁极的位置，以便为实现电子换向提供信息；另一方面可以通过单片机编写延时程序，放缓其检测频率，来达到控制电机转速的目的。本设计采用霍尔型位置传感器来采集转子磁极位置。它将霍尔元件及其半导体集成电路集成在一块N型外延片上，其外形与一般小型晶体管相似，采用这种方式体积小、灵敏度高，因而大多数无刷直流电动机均采用霍尔型位置传感器。3.1.2单片机的选取及按键显示方案方案一：选取有32个I/O口的STC80C51单片机，选用其中的10个脚作为数码显示管的接线端，选用单片机8个作为按键端口，在选用单片机的3个脚接温度传感器，通过各个器件的相互组合，能够完成简单的显示及按键的硬件。选取该方案，原理比较简单，结构简单，但该方案的制作难度较大，且制作的系统稳定性较差，不能很好的满足设计要求。方案二：选取单片机C8051F330，显示及按键芯片HD7279。显示及按键芯片能够显示8位数码读数，能够提供8个按键，该芯片体积小，耗电少，能够稳定地运行。单片机C8051F330能够提供20个脚，该单片机运行速度快，且无须外接最小系统。单片机内带温度传感器， 图3-3能够自行将温度转，精度较高。整个按键及显示部分就由单片机C8051F330及HD7279两部分组成，运行时稳定性较高，其控制方案如图3-3所示。3.2 系统方案论证直流无刷电机与较大功率的直流电机相比，无刷电机的维护较方便，相同输出功率的无刷电机和直流电机，直流电机的耗电多。无刷电机驱动器部分直接用MOS管就可以驱动，而直流电机部分需要接晶闸管等相应较贵器件，还应接高电压，因此安全性不高，综上选取无刷直流电机。在单片机及按键显示方案的选取上，随着智能排风系统正向着小型化，智能化，简单化方向的房展，单片机C8051F330内部包含有温度传感器，反应速度快，集成化程度高，还有芯片HD7279，是一片具有串行接口的, 可同时驱动8位共阴极数码管的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64 键的键盘矩阵, 并具有自动消除按键抖动并识别按键代码的功能, 从而可以提高CPU 的工作效率。一片HD7279A 即可完成LED 显示及键盘接口的全部功能。3.3本章小结 本章较具体的论证了智能排风系统的两个核心部分：排风电机和显示按键部分。通过论证，能够找出适合该系统的电机及按键显示芯片。能够较好的实现设计要求，满足智能化，低功耗化，低维护化。第4章 基于C8051F330单片机直流无刷电机的智能排风控制系统该设计是以C8051F330单片机和直流无刷电机为核心，利用IR2110芯片和MOS管作为直流无刷电机的驱动器，单片机C8051F330为无刷电机的控制部分和温度的检测部分，已构成的温度检测和排风智能控制系统。该系统结构简单,价格低廉,运行性能良好。C8051F单片机具有片内调试电路,通过4脚JTAG接口,可以进行非侵入式、全速的在系统调试; C8051F高速SOC的芯片上还集成了构成单片机控制系统所需的几乎所有模拟、数字外设及其他功能部件(包括ADC、DAC、可编程增益放大器;电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/ I2C、UART、SP I、定时器、可编程计数器/定时器阵列( PCA) 、内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等) 。这些外设的高度集成,为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了极大的方便,可大大降低系统的整体成本。4.1 IR2110简介IR2110是美国IR公司生产的一种驱动芯片。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点。在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路相互隔离开来，以免发生严重性的后果。隔离驱动可以分为光电隔离和电磁隔离两种。光电隔离具有体积小、结构简单等优点，但同时也存在共模抑制能力差、传输速度慢的缺点。电磁隔离采用脉冲变压器作为隔离元器件，具有响应速度快、原副边的绝缘强度高、共模抑制能力强，但信号的最大传输宽度受磁饱特性的限制，因而信号的顶部不容易传输。而且信号的最小宽度又受磁化电流的限制，且变压器的体积大，重量大等，所以结合以上特点，IR2110是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。该集成电路的主要组成部分包括：逻辑输入电平平移输出保护IR2110芯片的特点： 有独立的高端和低端输入通道； 15V下功耗仅耗116mV； 输出的电压端电压范围10V20V; 逻辑电源电压范围515V，可方便的与TTL,CMOS电平相匹配； 工作频率高，可达到500kHZ； 开通关断延迟时间小，分别为120nm和94nm；IR2110是双列直插窄式集成电路块，其内部结构如图4-1所示。 图4-1在智能排风系统中，所用芯片HD7279的接线图4-2所示：图4-24.2 C8051F330微控制器概述（1） C8051F330简介 模拟外设 10位 ADC（只限于F330） 转换速率可达200ksps 可多达16个外部单端或差分输入 VREF可在内部VREF、外部引脚或VDD中选择 内部或外部转换启动源 内置温度传感器 10位电流输出DAC（只限于F330） 比较器 可编程回差电压和响应时间 可配置为中断或复位源 小电流（0.4A） 在片调试 片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需仿真器！） 支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器 比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更优越的性能 廉价而完整的开发套件 供电电压2.7V - 3.6V 典型工作电流：6.4mA 25MHz 9A 32KHz 典型停机电流：0.1A 温度范围：-40C - +85C 高速8051微控制器内核 流水线指令结构；70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期 速度可达25MIPS（时钟频率为25MHz时） 扩展的中断系统 存储器 768字节内部数据RAM（256+512） 8KB FLASH；可在系统编程，扇区大小为512字节 数字外设 17个端口I/O；均耐5V电压，大灌电流 硬件增强型UART、SMBus和增强型SPI串口 4个通用16位计数器/定时器 16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有3个捕捉/比较模块 使用PCA或定时器和外部时钟源的实时时钟方式 时钟源 两个内部振荡器： 24.5MHz，2%的精度，可支持无晶体UART操作 80/40/20/10 kHz低频率、低功耗振荡器 外部振荡器：晶体、RC、C、或外部时钟 可在运行中切换时钟源，适用于节电方式 封装：20脚MLP（2） C8051F330原理框图 图4-4 C8051F33O原理框图（3） C8051F330引脚定义表4-2 C8051F330引脚定义引脚名称引脚号引脚类型说明VDD3电源GND2地/RSTC2CK4数字I/O数字I/O器件复位。内部上电复位或VDD监视器的漏极开路输出。一个外部源可以通过将该引脚驱动为低电平（至少10s）来启动一次系统复位。C2调试接口的时钟信号P2.0C2D5数字I/O数字I/O端口P2.0C2调试接口的双向数据信号P0.0VREF1数字I/O或模拟输入模拟输入端口P0.0外部VREF输入P0.1IDA020数字I/O或模拟输入模拟输出端口P0.1IDA0输出P0.2XTAL119数字I/O或模拟输入模拟输入端口P0.2外部时钟输入。对于晶体或陶瓷谐振器，该引脚是外部振荡器电路的反馈输入P0.3XTAL218数字I/O 模拟I/O或数字输入端口P0.3外部时钟输出。该引脚是晶体或陶瓷谐振器的激励驱动器。对于CMOS时钟、电容或RC振荡器配置，该引脚是外部时钟输入。P0.417数字I/O或模拟输入端口P0.4P0.516数字I/O或模拟输入端口P0.5P0.6CNVSTR15数字I/O或模拟输入数字输入端口P0.6ADC0外部转换启动输入或IDA0更新源输入P0.714数字I/O或模拟输入端口P0.7P1.013数字I/O或模拟输入端口P1.0P1.112数字I/O或模拟输入端口P1.1P1.211数字I/O或模拟输入端口P1.2P1.310数字I/O或模拟输入端口P1.3P1.49数字I/O或模拟输入端口P1.4P1.58数字I/O或模拟输入端口P1.5P1.67数字I/O或模拟输入端口P1.6P1.76数字I/O或模拟输入端口P1.7（4） 系统概述图4-5 C8051F330D引脚图C8051F330D器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，主要特性有：1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）； 3）真正10位200 ksps的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器； 4）10位电流输出DAC； 5）高精度可编程的25MHz内部振荡器；6）8KB可在系统编程的FLASH存储器；7）768字节片内RAM； 8）硬件实现的SMBus/ I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口； 9）4个通用的16位定时器； 10）具有3 个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器列（PCA）；11）片内上电复位、VDD监视器和温度传感器；12）片内电压比较器；13）17个端口I/O（容许5V输入）。 具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F330D是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。片内Silicon Labs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。每种器件都可在工业温度范围（-45到+85）内用2.7V-3.6V 的电压工作。端口I/O 和/RST 引脚都容许5V 的输入信号电压。各组成部分：1.CIP-51TM 微控制器核C8051F330/1 系列器件使用Silicon Labs的专利CIP-51 微控制器内核。CIP-51 与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51 内核具有标准8052 的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、768 字节内部RAM、128 字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及17 个I/O端口。CIP-51 采用流水线结构，与标准的8051 结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51 内核，70%的指令的执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有 有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期。CIP-51 共有111 条指令。下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。执行周期数122/333/444/558指令数2650516731212.片内存储器CIP-51 有标准8051 的程序和数据地址配置。它包括256 字节的数据RAM，其中高128字节为双映射。用间接寻址访问通用RAM 的高128 字节，用直接寻址访问128 字节的SFR地址空间。数据RAM 的低128 字节可用直接或间接寻址方式访问。前32 个字节为4 个通用寄存器区，接下来的16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。程序存储器包含8KB 的FLASH。该存储器以512 字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的编程电压。图3.12 给出了MCU 系统的存储器结构。3.片内调试电路C8051F330/1器件具有片内Silicon Labs 2线（C2）接口调试电路，支持使用安装在最终应用系统中的产品器件进行非侵入式、全速的在系统调试。Silicon Labs的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点和单步执行。不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设（ADC和SMBus除外）都停止运行，以保持与指令执行同步。开发套件C8051F330DK具有开发应用代码和对C8051F330/1 MCU进行在系统调试所需要的全部硬件和软件。开发套件中包括开发者工作室软件和调试器、一个集成的8051汇编器和一个RS-232转换到C2的串行适配器。套件中还有一个目标应用板，上面有对应的MCU和一大块样机区域。套件中还包括RS-232和C2电缆及一个墙装电源。开发套件需要一个运行Windows95/98/Me/2000并有一个可用RS-232串口的计算机。如图1.6所示，PC机通过RS-232与串行适配器连接。一条六英寸的扁平电缆将串行适配器和用户的应用板连接起来，使用2个C2引脚和VDD及GND。串行适配器从应用板获取其电源。对于不能从目标板上提取足够电源的应用，可以将套件中提供的电源直接连到串行适配器上。对于开发和调试来说，Silicon Labs IDE接口比采用标准MCU仿真器要优越得多。标准的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有MCU的插座。Silicon Labs的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。4.可编程数字I/O 和交叉开关C8051F330有17个I/O引脚（两个8位口和一个1位口）。C8051F330/1端口的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为模拟输入或数字I/O。被选择作为数字I/O的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口I/O引脚 。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。5.串行端口C8051F330/1系列MCU内部有一个SMBus/I2C接口、一个具有增强型波特率配置的全双工UART和一个增强型SPI接口。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断，因此需要很少的CPU干预。6.可编程计数器阵列除了4个16位的通用计数器/定时器之外，MCU中还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（PCA）。PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和3个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入（ECI）、系统时钟和外部振荡源频率/8。外部时钟源对于实时时钟功能是非常有用的，可以在使用内部振荡器驱动系统时钟的同时由外部振荡器给PCA提供时钟。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、8位或16位脉冲宽度调制器、频率输出。此外，捕捉/比较模块2还提供看门狗定时器（WDT）功能。在系统复位后，捕捉/比较模块2被配置并被使能为WDT方式。PCA捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到端口I/O。710 位模/数转换器C8051F330/1内部有一个10位SAR ADC和一个16通道差分输入多路选择器。该ADC工作在200ksps的最大采样速率时可提供真正10位的线性度，INL和DNL为1LSB。ADC系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择ADC的正输入和负输入。端口01作为ADC的输入；另外，片内温度传感器的输出和电源电压（VDD）也可以作为ADC的输入。用户固件可以将ADC置于关断状态以节省功耗。A/D转换可以有6种启动方式：软件命令、定时器0溢出、定时器1溢出、定时器2溢出、定时器3溢出或外部转换启动信号。这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器溢出信号触发转换。一次转换完成可以产生中断（如果被允许），或者用软件查询一个状态位来判断转换结束。转换结束后10位结果数据字被锁存到ADC数据寄存器中。窗口比较寄存器可被配置为当ADC数据位于一个规定的范围之内或之外时向控制器申请中断。ADC可以用后台方式监视一个关键电压，当转换数据位于规定的范围之内/外时才向控制器申请中断。8比较器C8051F330/1器件内部有一个电压比较器，可以由用户软件使能/禁止和配置。端口I/O引脚可以通过多路选择器被配置为比较器输入。如果需要，可以将两个比较器输出连到端口引脚：一个锁存输出和/或一个未锁存的输出（异步）。比较器的响应时间是可编程的，允许用户在高速和低功耗方式之间选择。比较器的正向和负向回差电压也是可配置的。比较器能在上升沿、下降沿产生中断，或在两个边沿都产生中断。当MCU工作在空闲方式时，这些中断可用于唤醒MCU。比较器0还可以被配置为复位源。9.10位电流输出DACC8051F330内部有一个10位电流方式数/模转换器（IDA0）。IDA0的最大输出电流可以有三种不同的设置：0.5mA、1mA和2mA。IDA0具有灵活的输出更新机制，允许无缝满度变化，支持无抖动波形更新。IDA0有三种更新方式：写IDA0H、定时器溢出或外部引脚边沿。4.3 HD7279芯片介绍HD7279A是一片具有串行接口的, 可同时驱动8位共阴极数码管的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64 键的键盘矩阵, 并具有自动消除按键抖动并识别按键代码的功能, 从而可以提高CPU 的工作效率。一片HD7279A 即可完成LED 显示及键盘接口的全部功能。HD7279A 芯片内部有译码器, 可以直接接受16 进制码, 并具有2 种译码方式和多种控制指令, 如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。HD7279A和微处理器之间采用串行接口, 其接口和外围电路比较简单, 且占用CPU 的I/O 端口少, 加之它具有较高的性能价格比, 因此, 广泛应用在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域。（1） 引脚说明 图4-6 HD7279芯片引脚图4-6为HD7279A芯片引脚图。各引脚功能如下:VDD：接正电源 NC：悬空VSS：接地 CS：片选输入端，低电平有效CLK：同步时钟输入端，低电平有效 DATA：串行数据输入/ 输出端KEY：按键有效输出端，低电平有效 SG SA：段G 至段A 驱动输出DP：小数点驱动输出 DIG0DIG7：数字0 至数字7 驱动输出CLKO：振荡输出端 RC：RC 振荡器连接REST：复位端（2） 接口电路HD7279A 与微处理器间仅需4 条接口线,其中CS 为片选信号( 低电平有效) 。当微处理器访问HD7279A 时,应将片选端置为低电平。DATA 为串行数据端，当向HD7279A 发送数据时, DATA 为输入端;当通过HD7279A 输出键盘代码时, DATA 为输出端。CLK 为数据串行传送的同步时钟输入端,时钟的上升沿表示数据有效。KEY 为按键信号输出端,在无键按下时为高电平；而在有键按下时变为低电平,并一直保持到按键释放为止。（3） HD7279控制指令 表4-3 HD7279控制指令指令名指令格式说明复位指令10100100清除所有显示测试指令10111111将所有的LED全部点亮左移指令10100001 所有的显示自右向左移一位，最右边为空右移指令10100000所有的显示自左向右移一位，最左边为空循环左移指令10100011自右向左移一位，最右边显示最左边的内容循环右移指令10100010自左向右移一位，最左边显示最右边的内容下载数据且按方式0译码10000a2a1a0Dp*d3d2d1d0a2a1a0为位地址，d3