机械系统微机控制

机械系统微机控制王志刚机械系机电教研室Email：jxxwzg@163.com12/18/202210:25AM机械系统单片机控制

内容提要:§1机械系统控制需求与单片机的发展§2MCS－51系列单片机结构与原理§3MCS－51单片机的指令系统§4MCS－51单片机汇编语言程序设计§5定时计数器§6串行接口§7中断系统§8A/D与D/A接口§9单片机的系统扩展机械系统微机控制§1机械系统控制需求与单片机的发展机械系统控制需求:（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入；（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。（3）实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。机械系统微机控制计算机控制系统的特点:1）结构上。计算机控制系统中除测量装置、执行机构等常用的模拟部件之外，其执行控制功能的核心部件是数字计算机，所以计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。2）计算机控制系统中除仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数字等多种信号形式。3）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号，从而使计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析和设计。机械系统微机控制4）计算机控制系统中，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂的控制规律和对控制方案进行在线修改，使系统具有很大灵活性和适应性。5）计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算能力，一个控制器（控制计算机）经常可以采用分时控制的方式而同时控制多个回路。6）采用计算机控制，如分级计算机控制、离散控制系统、微机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高.机械系统微机控制1.1.1计算机概述计算机发展的变革发展代数年代速度体积成本可靠性特点第一代电子管计算机1946每秒几千次至几万次庞大很高较低形成了计算机的基本体系，确定了程序设计的基本方法，数据处理机开始得到应用第二代晶体管计算机1958几万次至几十万次缩小降低提高工业控制机开始得到应用第三代中小规模集成电路计算机1965几十万次至几百万次进一步缩小进一步降低进一步提高机种多样化，生产系列化，使用系统化，小型计算机开始出现第四代大规模集成电路计算机1971几百万次至几千万次更进一步缩小更进一步降低更进一步提高由几片大规模集成电路组成的微型机开始出现第五代巨大规模集成电路计算机1986几亿次至上百亿次更进一步缩小更进一步降低更进一步提高由一片巨大规模集成电路实现的单片机开始出现每5年运算速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。生产数量每年以25%的速度递增。

计算机的组成计算机主要由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备5大部分组成由控制器产生一系列控制命令，控制计算机各部件自动地、协调一致地工作。控制器是计算机的指挥中心。运算器的功能是实现数据的算术逻辑运算，进行变量处理和数据传送操作。输入设备用来输入数据与程序，以及向CPU发出请求命令。

输出设备将计算机的有关数据或处理结果用数字和图形等形式表示出来。

输入设备

数据/程序

运算器存储器控制器输出设备结果运算器控制器CPU主机存储器是计算机的重要组成部分，是存放数据与程序的部件。1.1.2微型计算机的发展概况1、PC机：PC机系统全力实现海量高速数据处理，兼顾控制功能。2、单片机：单片机系统全力满足测控对象的测控功能，兼顾数据处理能力。形成两大分支：机械系统微机控制组成：

CPU(进行运算、控制)RAM(数据存储器)I/O口(串口、并口等)ROM(程序存储器)

PC机：上述部件以芯片形式安装在主板上。

单片机：上述部件被集成到单芯片中。

通用PC包括：键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、音箱、打印机、扫描仪…等外设。单片机则只是一片集成电路。（……100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。单片机与PC机之异同（1）机械系统微机控制功能：PC机：数据运算、采集、处理、存储、传输；单片机：控制（或受控于）外设。

通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、存储和传输；

单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备/系统中，使其达到智能化的效果。单片机与PC机之异同（2）机械系统微机控制应用特特点：PC机机（微微机））：单片机机：体积小小，功功耗小小，价价格低低，用用途灵灵活，，无处处不在在，属专用用计算算机。是一一种特特殊器器件，，需经经过专专门学学习方方能掌掌握应应用，，应用用中要要设计计专业业的硬硬件和和软件件。单片机机与PC机机之异异同（（3））体积大大，功功耗大大，价价格高高，用用途较较固定定，属通用用计算算机。易于于学习习掌握握和使使用，，但用用于控控制时时必须须制作作或购购买专专用的的接口口卡，，并编编制专专门的的应用用软件件。机械系统微微机控制通用计算机机系统：是指以通用用计算机及及其构成的的网络作为为支撑平台台，主要在在其上面开开发系统软软件与应用用软件，重重点在于软软件开发。。嵌入式计算算机系统：：简称为嵌入入式系统，，是指嵌入入到对象体体系中的专专用计算机机系统，其其核心部件件是嵌入式微处处理器。嵌入式系系统的最大大特点是针针对特定的的对象、特特定的场合合、特定的的环境定制制，其硬件件与软件都都必须是定定制，因此此，对于工工程技术人人员来说，，开发嵌入入式系统，，其硬件设设计与软件件设计必须须并重。嵌入式计算算机与通用用计算机嵌入式计算算机与通用用计算机区别(1)嵌入入式计算机机与通用计计算机的应应用目的、、应用环境境以及对计计算机技术术发展的要要求不相同同。(2)嵌入入式计算机机实现嵌入入式应用后后不保持通通用计算机机的形态，，而形成各各种现代电电子系统的的形态。嵌入式计算算机的特点点(1)现场场环境的可可靠性。(2)嵌入入式应用的的空间限制制性。(3)以控控制功能为为主的技术术要求。(4)要有有满足对象象要求的外外围电路的的集成。机械系统微微机控制单片机（嵌入式应用用）属于专用用计算机，，主要应用用于智能仪仪表、智能能传感器、、智能家电电、智能办办公设备、、汽车及军军事电子设设备等应用用系统。单片机体积小、价价格低、可可靠性高，其非凡的的嵌入式应应用形态对对于满足嵌嵌入式应用用需求具有有独特的优优势。机械系统微微机控制单片机与嵌嵌入式系统统单片机是在在微电子技技术发展到到一定阶段段，通用计计算机无法法满足嵌入入式应用要要求的背景景下诞生的的。单片机是最最典型的嵌嵌入式系统统。单片机的发发展CPU存储器控制电路定时器时钟电路I/O口单片机什么是单片片机?在一块芯片片体上集成成了中央处处理器CPU、随机机存储器RAM、程程序存储器器ROM或或EPROM、定时时器／计数数器、中断断控制器以以及串行和和并行I／／O接口等等功能部件件，单芯片片微型计算算机，即单单片机。机械系统微微机控制单片机的硬硬件结构特特点1.采用哈哈佛型系统统结构

算术逻辑部件（ALU）控制部件中央处理器（CPU）输入/输出部件

数据存储器（RAM）程序存储器（ROM）哈佛型系统结构存储器（RAM）

算术逻辑部件（ALU）控制部件中央处理器（CPU）输入/输出部件

冯·诺依曼型系统结构程序与数据据均存储在在同一个存存储器上1.程序与与数据分开开存储2.程序设设计调试成成功后，一一次性永久久固化到单单片机的只只读芯片内内1.1.3单片片机硬、软软件结构及及其特点机械系统微微机控制单片机软件件结构及其其特点单片机软件系统软件应用软件管理单片机系统资源，位于底层硬件与高层应用软件间监控程序

操作系统

监控程序是用非常紧凑的代码编写的系统底层软件。监控程序实现的功能，主要是实现系统硬件的管理与驱动，并内嵌一个用于系统的开机初始化、程序代码下载及辅助调试等功能的引导（BOOT）模块应用在硬件的支撑下用于实现系统的应用功能单片机系统资源的一个大型管理软件。在其支持下，嵌入式系统具有更好的技术性能，如：程序的多进程结构，与硬件无关的设计特性，系统的高可靠性，软件开发的高效率等等机械系统微微机控制单片机软件件结构的3种模式第一种模式——无系统软件支撑模式在这种模式中，由单片机直接运行应用软件。许多小规模的单片机应用系统就采用这种模式。第二种模式——监控程序支撑模式在这种模式中，由监控程序作为支撑平台。一些中等规模的单片机应用系统常常采用这种模式。第三种模式——操作系统支撑模式在这种模式中，由操作系统作为支撑平台。一些较大规模的单片机应用系统一般采用这种模式。机械系统微微机控制1.1.4单片机机的发展过过程及产品品近况1单片片机的发展展过程单片机技术术发展过程程可分为三三个主要阶阶段：单芯片微机机形成阶段段1976年年，Intel公司司推出了MCS-48系列单片机机。配置：8位CPU、1K字字节ROM、64B字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。。特点是：存储器容量量较小，寻寻址范围小小（不大于于4K），无无串行接口口，指令系系统功能不不强。机械系统微微机控制性能完善提提高阶段1980年年，Intel公司司推出了MCS-51系列单片机机：配置：8位CPU、4K字字节ROM、128B字节RAM、4个8位并口、1个个全双工串串行口、2个16位位定时/计计数器。寻址址范围64K，并有有控制功能能较强的布布尔处理器。。特点是：结构体系完完善，性能能已大大提提高，面向向控制的特点进进一步突出出。现在，，MCS-51已成为公认的单单片机经典典机种。机械系统微微机控制微控制器化化阶段特点是：片内面向测测控系统外外围电路增增强，使单单片机可以方方便灵活地地用于复杂杂的自动测测控系统及设设备。“微控制器器”的称谓谓更能反应应单片机的的本质。1982年年，Intel推出出MCS-96系列单片机机。配置：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并并口、1个个全双工串串行口、2个16位位定时/计数数器。寻址址范围64K。片上上还有8路路10位ADC、1路路PWM输输出及高速速I/O部部件等。机械系统微微机控制2单片机产品品近况﹡ATMEL公司融融入Flash存储器技术术的AT89系列；；﹡Philips公公司的80C51、、80C552系列列；﹡华邦公司司的W78C51、、W77C51高速低价系列；﹡ADI公公司的ADμC8xx高精度ADC系列列；﹡LG公司司的GMS90/97低压高速系列；﹡Maxim公司的的DS89C420高速（50MIPS）系列；﹡Cygnal公司司的C8051F系系列高速SOC单片机。80C51系列单片机产品品繁多，主主流地位已已经形成，，近年来推推出的与80C51兼容的主要产品品有：机械系统微微机控制非80C51结构单单片机新品品不断推出，，给用户提提供了更为为广泛的选选择空间，，近年来来推出的非非80C51系列的的主要产品品有：﹡Intel的MCS-96系列16位位单片机；；﹡Microchip的PIC系列RISC单片机；；﹡TI的MSP430F系列16位位低功耗单片机。。机械系统微微机控制1.1.5单片片机的特点点及应用领领域1单片片机的特点点近期推出的的单片机产产品，内部部集成有高高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件件，并在低低电压、低低功耗、串串行扩展总总线、控制制网络总线线和开发方方式（如在在系统编程程ISP））等方面都都有了进一一步的增强强。控制性能和和可靠性高高实时控制功功能特别强强，其CPU可以对对I/O端端口直接进进行操作，，位操作能力力更是其它计计算机无法法比拟的。。另外，由由于CPU、存储器器及I/O接口集成在同一一芯片内，各部件间间的连接紧紧凑，数据据在传送时时受干扰的影影响较小，且不易受受环境条件件的影响，，所以单片片机的可靠性非常常高。机械系统微微机控制体积小、价价格低、易易于产品化化单片机芯片片即是一台台完整的微微型计算机机，对于批量量大的专用用场合，一一方面可以以在众多的的单片机品品种间进行行匹配选择择；同时还还可以专门门进行芯片片设计，使使芯片的功功能与应用用具有良好好的对应关关系；在单单片机产品品的引脚封封装方面，，有的单片片机引脚已已减少到8个或更少少。从而使应用用系统的印制板减小小、接插件件减少、安安装简单方方便。机械系统微微机控制极强的布尔尔处理能力力由于控制应应用中往往往存在很多多开关量，，因而对开开关量的处处理功能要要强。具体体表现在单单片机的位位寻址功能能及对位的的各种算术术及逻辑处处理和控制制功能，这这些功能就就构成了一一个布尔处处理机环境境。拥有较齐全全的输入/输出接口口及实时中中断功能一般单片机机上都配有有并行接口口、串行接接口、计数数/定时器器，有的还还配有A/D及D/A转换器器，以适应应不同应用用场合的需需要。有实时控制制的特殊电电路包括掉电保保护及复位位电路，时时间监视定定时器电路路等。机械系统微微机控制以单片机为为核心的应应用系统广广泛应用于于：智能仪器仪仪表；机电一体化化产品实时工业控控制；分布式系统统的前端模模块；家用电器。。机械系统微微机控制2单片片机的应用用领域智能仪器仪仪表单片机用于于各种仪器器仪表，一一方面提高高了仪器仪仪表的使用用功能和精精度，使仪仪器仪表智智能化，同同时还简化化了仪器仪仪表的硬件件结构，从从而可以方方便地完成成仪器仪表表产品的升升级换代。。如各种智能电电气测量仪仪表、智能能传感器等。机械系统微微机控制机电一体化化产品机电一体化化产品是集集机械技术术、微电子子技术、自自动化技术术和计算机机技术于一一体，具有有智能化特特征的各种种机电产品品。单片机机在机电一一体化产品品的开发中中可以发挥挥巨大的作作用。典型产品如如机器人、、数控机床床、自动包包装机、点点钞机、医医疗设备、、打印机、、传真机、、复印机等。机械系统微微机控制实时工业控控制单片机还可可以用于各各种物理量量的采集与与控制。电电流、电压压、温度、、液位、流流量等物理理参数的采采集和控制制均可以利利用单片机机方便地实实现。在这这类系统中中，利用单单片机作为为系统控制制器，可以以根据被控控对象的不不同特征采采用不同的的智能算法法，实现期期望的控制制指标，从从而提高生生产效率和和产品质量量。典型应应用如电机转转速控控制、、温度度控制制、自自动生生产线线等。。机械系系统微微机控控制分布式式系统统的前前端模模块在较复复杂的的工业业系统统中，，经常常要采采用分分布式式测控控系统统完成成大量量的分分布参参数的的采集集。在在这类类系统统中，，采用用单片片机作作为分分布式式系统统的前前端采采集模模块，，系统统具有有运行可可靠，，数据据采集集方便便灵活活，成成本低低廉等一系系列优优点。。机械系系统微微机控控制家用电电器家用电电器是是单片片机的的又一一重要要应用用领域域，前前景十十分广广阔。。如空空调器器、电电冰箱箱、洗洗衣机机、电电饭煲煲、高高档洗洗浴设设备、、高档档玩具具等。。另外，，在交交通领领域中中，汽汽车、、火车车、飞飞机、、航天天器等等均有有单片片机的的广泛泛应用用。如如汽车车自动动驾驶驶系统统、航航天测测控系系统、、黑匣匣子等等。。机械系系统微微机控控制MCS-48系系列单单片机机简介介1976年年由美美国INTEL公司司于推推出，，是现现代单单片机机的雏雏形，，包含含了数数字处处理的的全部部功能能，外外接一一定的的附加加外围围芯片片即构构成完完整的的微型型计算算机，，其主主要的的功能能特征征为：：8位CPU(中中央处处理器器)、、内置置程序序存储储器(ROM)、随随机存存取数数据存存储器器(RAM)和和输入入输出出端口口(I/O)全全部集集成在在单一一的芯芯片上上而构构成了了完整整的微微型计计算机机。8位CPU。双列直直插40PinDIP封封装。。所有指指令均均为1-2个机机器周周期。。96条条指令令，大大部分分为单单字节节指令令。2个工工作寄寄存器器。2个可可编程程定时时/计计数器器。8层堆堆栈。。单一+5V电源源供电电。使用6MHz外外接石石英晶晶体管管振荡荡器，，此时时机器器周期期为2.5us。与先期期开发发的8080和和8085微处处理器器兼容容。单片机机系列列概述述MCS-51系系列单单片机机简介介8位CPU4kbytes程程序存存储器器(ROM)128bytes的的数据据存储储器(RAM)32条条I/O口口线111条指指令，，大部部分为为单字字节指指令21个个专用用寄存存器2个可可编程程定时时/计计数器器5个中中断源源，2个优优先级级一个全全双工工串行行通信信口外部数数据存存储器器寻址址空间间为64kB外部程程序存存储器器寻址址空间间为64kB逻辑操操作位位寻址址功能能双列直直插40PinDIP封封装单一+5V电源源供电电1980年年由美美国INTEL公司司推出出的产产品，，与MCS-48单单片机机相比比，它它的结结构更更先进进，功功能更更强，，在原原来的的基础础上增增加了了更多多的电电路单单元和和指令令,指指令数数达111条。。MCS-51系系列单单片机机主要要包括括8031、8051和和8751等通通用产产品，，其主主要功功能如如下：：1MCS-51系系列（1））MCS-51是Intel公公司生生产的的一个个单片片机系系列名名称。。属于于这一一系列列的单单片机机有多多种，，如：：﹡8051/8751/8031；﹡8052/8752/8032；﹡80C51/87C51/80C31﹡80C52/87C52/80C32等等。机械系系统微微机控控制（2））该系系列生生产工工艺有有两种种：CHMOS是CMOS和和HMOS的结结合，，既保保持了了HMOS高速速度和和高密密度的的特点点，还还具有有CMOS的低低功耗耗的特特点。。在产品品型号号中凡凡带有有字母母“C”的的即为为CHMOS芯芯片，CHMOS芯芯片的的电平平既与与TTL电电平兼兼容，，又与与CMOS电平平兼容容。一是HMOS工工艺（高密密度短短沟道道MOS工工艺））。二是CHMOS工艺艺（互补补金属属氧化化物的的HMOS工艺艺）。。机械系系统微微机控控制（3））在功功能上上，该该系列列单片片机有有基本本型和增强强型两两大类类：增强型型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32基本型型：8051/8751/803180C51/87C51/80C31机械系系统微微机控控制