第二章-单片机微机原理及其在电力系统中的应用

1第二章单片机（微机）原理及其在电力系统中的应用2.1单片机（微机）系统基础知识

2.1.1电子计算机的经典结构冯·诺依曼结构：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成22.1.2微型计算机的应用形态从应用形态上，微机可以分成三种：

◆多板机（系统机）将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。3

◆单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单板机4ROM只读内存（Read-OnlyMemory）是一种只能读取资料的内存。PROM可编程程序只读内存（ProgrammableROM，PROM）之内部有行列式的镕丝，视需要利用电流将其烧断，写入所需的资料，但仅能写录一次。EPROM可抹除可编程只读内存（ErasableProgrammableReadOnlyMemory，EPROM）可利用高电压将资料编程写入，抹除时将线路曝光于紫外线下，则资料可被清空，并且可重复使用。EEPROM电子式可抹除可编程只读内存（ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory，EEPROM）之运作原理类似EPROM，但是抹除的方式是使用高电场来完成5快闪存储器（Flashmemory）的每一个记忆胞都具有一个“控制闸”与“浮动闸”，利用高电场改变浮动闸的临限电压即可进行编程动作。RAM（随机存取存储器）RAM-randomaccessmemory随机存储器。存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。随机存取、易失性、高访问速度、需要刷新、对静电敏感6

◆单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。三种应用形态的比较：单板机单片机系统机（多板机）

单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。72.1.3单片机的发展过程单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：

◆单芯片微机形成阶段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。

特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。

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◆性能完善提高阶段

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。

特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。9

◆微控制器化阶段

特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。

1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。102.1.4单片机的特点◆实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。◆体积小、价格低、易于产品化单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。112.1.5单片机的应用领域

◆智能仪器仪表

单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。12◆机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。13◆实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。14

◆分布式系统的前端模块

在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。15◆家用电器家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。16

·8位CPU

·4kbytes程序存储器(ROM)

·256bytes的数据存储器(RAM)·32条I/O口线

·111条指令，大部分为单字节指令

·21个专用寄存器

·2个可编程定时/计数器

·5个中断源，2个优先级2.2单片机的基本组成

·一个全双工串行通信口

·外部数据存储器寻址空间为64kB

·外部程序存储器寻址空间为64kB

·逻辑操作位寻址功能

·双列直插40PinDIP封装

·单一+5V电源供电17总线型非总线型1819CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。2021单片机工作的基本时序（1）振荡周期:也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。（2）状态周期:每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。（3）机器周期:一个机器周期包含6个状态周期S1~S6,也就是12个时钟周期。在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。（4）指令周期:它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS-51系统中,有单周期指令、双周期指令和四周期指令。22232425【例2-1】控制单个LED程序（1）用单片机控制LED点亮CLRP1.0；让P1.0引脚变为低SJMP$；$表示在本地循环 END（2）用单片机控制LED灭灯SETBP1.0；让P1.0引脚变为高SJMP$；在本地循环 END26【例2-2】单个LED闪烁程序；主程序MAIN：SETB P1.0；让P1.0引脚变为高

LCALL DELAY；调一段延时程序进行计时等待1S，肉眼看清灭

CLR P1.0；让P1.0引脚变为低

LCALL DELAY；调一段延时程序进行计时等待1S，肉眼看清亮

LJMP MAIN；跳转回标识为MAIN的指令行继续执行程序；以下是延时子程序DELAY：MOV R7，#250 ；给寄存器R7内送数，R7＝250D1：MOV R6，#250；给寄存器R6内送数，R6＝250D2：DJNZ R6，D2 ；对R6内的数据减1循环直到为0 DJNZ R7，D1；对R7内的数据减1循环直到为0 RET ；返回到主程序跳出点继续向下执行END ；主程序结束272.3.380C51的中断系统

一、中断的概念

CPU在处理某一事件A时，发生了另一事件B请求CPU迅速去处理（中断发生）；

CPU暂时中断当前的工作，转去处理事件B（中断响应和中断服务）；待CPU将事件B处理完毕后，再回到原来事件A被中断的地方继续处理事件A（中断返回），这一过程称为中断。28MCS-51单片机的中断系统结构执行主程序主程序继续执行主程序断点中断请求中断响应执行中断处理程序中断返回29引起CPU中断的根源，称为中断源。中断源向CPU提出的中断请求。CPU暂时中断原来的事务A，转去处理事件B。对事件B处理完毕后，再回到原来被中断的地方（即断点），称为中断返回。实现上述中断功能的部件称为中断系统（中断机构）。30二、中断源及优先级80C51的中断系统有5个中断源，2个优先级，可实现二级中断嵌套

。同一优先级中的中断申请不止一个时，则有中断优先权排队问题。同一优先级的中断优先权排队，由中断系统硬件确定的自然优先级形成，其排列如所示：3132中断源有中断请求；此中断源的中断允许位为1；

CPU开中断（即EA=1）。同时满足时，CPU才有可能响应中断。中断响应条件33三、中断的应用实例34P3第二功能各引脚功能定义：P3.0：RXD串行口输入P3.1：TXD串行口输出P3.2：INT0外部中断0输入P3.3：INT1外部中断1输入P3.4：T0定时器0外部输入P3.5：T1定时器1外部输入P3.6：WR外部写控制P3.7：RD外部读控制352.3单片机（微机）系统与外界设备接口接口：计算机一个部件与另一个部件之间的连接界面。功能：设备选择、信息传输、数据格式转换、联络、中断管理、复位、错误检测和可编程功能。常见外部接口设备：人机交互接口设备；信号输入\输出接口设备；数据通信接口设备。36一、人机交互接口设备输出设备：发光二极管显示器（LED）、液晶显示器（ LCD）、阴极射线管显示器（CRT）输入设备：文本输入设备、信号输入设备、指点输入设 备37LED显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每个数码管必须接一个8位锁存器用来锁存待显示的字形码。送入一次字形码显示字形一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。38394041二、信号输入\输出接口设备1.模拟量的输入\输出系统模拟量输入通道：电压形成、模拟低通滤波（ALF）、采样保持(S\H)、多路转换（MPX）以及模数转换（A\D）。模拟量输出通道：接口电路、锁存器、D\A转换器、放大驱动电路。42数模（D\A）转换器4344分辨率（Resolution）：指D/A转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。分辨率与D/A转换器的位数有关，位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小。例如：8位DAC的最小电压变化量为1LSB=10V/256＝39mV16位DAC的最小电压变化量为1LSB=10V/65536＝0.153mV转换精度（ConversionAccuracy）：指D/A转换器实际输出的模拟电压与理论输出模拟电压的最大误差。例如：满量程时理论输出值为10V，实际输出值是9.99~10.01V之间，其转换精度为±10mV。通常，D/A转换器的转换精度为分辨率的一半，即为LSB/2。这里，LSB是分辨率，指最低一位数字量变化引起的幅度的变化量。转换时间：指D/A转换器从输入数字信号开始转换到输出的模拟电压达到稳定值所需的时间。45模数（A\D）转换器46电压形成回路：非电量＼实际电量Ａ＼Ｄ转换器的电压等级模拟低通滤波器单元（ＡＬＦ）：阻止高于1000Ｈｚ以上的信号进入A\D转换系统，防止采样时造成混叠误差，兵器能有效降低采样频率，简化硬件设计。

采样定理：为了能不失真地恢复原模拟信号，采样频率应不小于输人模拟信号频谱中最高频率的两倍，即：

采样保持器：在A/D进行采样期间，在一个极短时间内测量模拟信号在该时刻的瞬时值，并在模数转换器转换为数字量的过程内保持不变，以保证转换精度。47482.数字量输入\输出系统49计算机通信是将计算机技术和通信技术的相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。可以分为两大类：并行通信与串行通信。并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送。并行通信控制简单、传输速度快；由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难。

50串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。串行通信的特点：传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。

51异步通信

异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程