《机电控制技术》图文-第八章

机电控制技术第八章MCS-51系列单片机控制技术9/24/2024机电控制技术目录8.1MCS-51系列单片机的结构及工作原理8.2MCS-51系列单片机指令系统及语言设计8.3MCS-51系列单片机存储器扩展8.4MCS-51系列单片机中断与中断系统8.5MCS-51系列单片机定时/计数器8.6MCS-51系列单片机的接口与应用8.7MCS-51系列单片机控制系统设计9/24/2024机电控制技术MCS-51系列单片机芯片的型号较多，如8031、8051、8751、80C51BH，它们的组成、性能和指令系统基本相同，因此，本章主要以较早生产的代表芯片8051为例，对MCS-51系列单片机的结构及工作原理进行介绍。8.1MCS-51系列单片机的结构及工作原理单片机（Single-chipMicrocomputer）的实质是微型计算机。它把CPU、内存和外设接口等集成在一块芯片上，具有集成度高，可靠性好，便于使用等优点。随着现代制造技术对机电控制的高精度、智能化、交互性和网络化的要求越来越高，单片机以其功能强大、体积小和可靠性高等优点被广泛应用在精确测量、数据采集、智能控制、设备驱动、智能仪表和现场总线等机电控制领域。9/24/2024机电控制技术8.1.1MCS-51系列单片机的结构

1.MCS-51系列单片机的组成及内部结构

MCS-51系列单片机是由CPU、ROM、RAM、并行I/O接口、串行I/O接口、定时/计数器和中断控制系统等若干部件组成的，再配置一定的外围电路，如时钟电路、复位电路等，即可构成一个基本的微型计算机系统。MCS-51系列单片机的内部结构框图如图8-1所示。

各个组成部件功能如下：

（1）CPU。CPU是单片机的核心，通过它可以完成运算和控制功能。MCS-51系列单片机的CPU能处理8位二进制数或代码，故称为8位机。

（2）ROM和RAM。MCS-51系列单片机的芯片内部有地址空间相互独立的ROM和RAM。

（3）并行I/O接口。MCS-51系列单片机中共有4个8位I/O接口（P0、P1、P2和P3），以实现数据的并行输入/输出等。9/24/2024机电控制技术9/24/2024机电控制技术

（4）串行I/O接口。MCS-51系列单片机有一个全双工的串行接口，以实现单片机与其他设备之间的串行数据通信。该串行接口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。

（5）定时/计数器。MCS-51系列单片机内共有2个16位的定时/计数器，以实现硬件定时或计数功能，并可根据需要用定时或计数结果对计算机进行控制。

（6）中断控制系统。MCS-51系列单片机的中断功能较强，用以满足控制应用的需要。它包括2个外部中断、2个定时/计数器溢出中断、1个串行接口中断。MCS-51系列单片机的中断控制系统可分为高级和低级两个中断优先级。

（7）时钟电路。MCS-51系列单片机的时钟电路包括以两种构成方式：

①内部时钟方式。内部时钟方式是指由内部的时钟电路和外接的晶振、电容构成自激振荡器，产生脉冲信号。

②外部时钟方式。外部时钟方式是指直接将外部的信号源作为时钟。9/24/2024机电控制技术2.MCS-51系列单片机的引脚及其功能

MCS-51系列单片机的早期芯片8031、8051、8751和8951采用HMOS工艺制造，现在的主流芯片80C31、80C51、80C71和80C91采用CHMOS工艺制造，在型号中间加字母“C”字作区分。其中，8031和80C31内部无ROM，8051和80C51使用ROM作为程序存储器，8751和87C51使用EPROM作为程序存储器，8951和89C51使用FLASH作为程序存储器。

采用双列直插DIP封装的MCS-51系列单片机有40个引脚，如图8-2（a）所示为引脚封装顺序图，是芯片出厂时的实际引脚分布图，常用于绘制单片机系统的PCB制版图，如图8-2（b）所示为引脚功能顺序图，是按照引脚功能绘的图，常用于在单片机系统原理设计阶段绘制系统原理图。9/24/2024机电控制技术9/24/2024机电控制技术对各引脚的说明分别如下：

（1）主电源引脚。主电源引脚Vcc（40引脚）接＋5V电源。主电源引脚Vss（20引脚）接电源地端。

（2）外接晶体引脚。外接晶体引脚XTAL1（19引脚）为内部反相放大器的输入端。外接晶体引脚XTAL2（18引脚）为内部反相放大器的输出端。使用内部时钟方式时，XTAL1引脚和XTAL2引脚各接在外部晶体的一端；使用外部时钟方式时，外部信号源接XTAL1引脚，而XTAL2引脚悬空。

（3）I/O引脚。P0.0～P0.7（39~32引脚）为P0接口的8个引脚，可作为地址/数据线，也可以作为准双向I/O接口使用。在做外部扩展时，P0接口被分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。P1.0～P1.7（1~8引脚）为P1接口的8个引脚。可以作为准双向I/O接口使用。P2.0～P2.7（21~28引脚）为P2接口的8个引脚，可作为准双向I/O接口，在接有外部存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256B时，可作为高8位地址总线。P3.0～P3.7（10~17引脚）为P3接口的8个引脚。除作为准双向I/O接口外，还具有第二种功能，即能输出控制信号和输入外部状态信息等。9/24/2024机电控制技术（4）ALE引脚。

ALE引脚（30引脚）为地址锁存有效信号的输出端。在访问外部ROM期间，每个机器周期该信号出现两次，其下降沿用于控制锁存P0接口输出的低8位地址。对于内部含EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作编程脉冲的输入端。

（5）PSEN引脚。PSEN引脚（29引脚）为外部ROM读选通信号的输出端，或称为外部ROM取指信号输出端。在向外部ROM读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效（低电平），以通过数据总线P0接口读取指令或常数，在访问外部RAM期间，PSEN信号将不出现。

（6）RST引脚。RST引脚（9引脚）为复位端。当该引脚上出现持续两个机器周期的高电平时单片机复位，各个寄存器的状态改变为初始状态。通电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。（7）EA/VPP引脚。EA/VPP引脚（31引脚）为外部ROM的选用端。读取外部ROM中的程序，该引脚接低电平有效，当该引脚接高电平时，内部ROM有效并首先从内部ROM中读取程序，如果扩展了外部ROM，在读取内部ROM的所有程序后才会自动读取外部ROM上的数据。

9/24/2024机电控制技术综上所述，对MCS-51系列单片机的引脚特点可归纳出以下两点：

（1）MCS-51系列单片机的功能多，引脚数少，以至于许多引脚都具有第二功能。

（2）MCS-51系列单片机对外呈三总线形式，由P0接口和P2接口组成16位地址总线，由P0接口分时复用为数据总线，由ALE、PSEN、RST、EA与P3接口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线。由于它们组成16位地址总线，因而使外部ROM和外部RAM的寻址范围均能达到64K字节。9/24/2024机电控制技术8.1.2MCS-51系列单片机的工作原理

所谓最小系统是指

用最少的元件构成的能

够让单片机正常工作的

系统。它是构成其他

单片机系统的核心模块。

在最小系统的基础上，

配合外围元件和相关电

路，就构成了不同功能

的单片机系统。如图8-3

所示为MCS-51单片机最小

系统的组成图。

9/24/2024机电控制技术1.汇编指令的执行过程

指令的执行又可分为取出指令和执行指令两项步骤。例如，要使MCS-51系列单片机进行08H+5BH=63H这样的运算，并将结果63H送单片机内部RAM35H单元。具体的操作步骤如下：

（1）编写汇编语言程序。

MOVA，#08H；将立即数08H送到累加器A中，即（A）=08H。

ADDA，#5BH；将累加器A中的内容与立即数5BH相加，结果送到累加器A中，即A←（A）+5BH。

MOV35H，A；将结果送入内部RAM35H单元。8.2MCS-51系列单片机的指令系统及语言设计8.2.1MCS-51系列单片机指令系统概述

在MCS-51系列单片机的指令系统中，程序是指令的有序集合，运行程序就是按顺序一条一条执行指令的过程。指令的机器码一般由操作码和操作数地址两部分组成，操作码在前，操作数地址在后。操作码决定指令的操作类型（如加、减、乘、除等算术操作），操作数地址指示了参加运算的操作数来自何处。因此，指令是构成MCS-51系列单片机程序的基本元素。

9/24/2024机电控制技术（2）通过查指令表得出各指令的机器码。机器码是在单片机的ROM中以“1”和“0”的形式存放的实际码值，可以通过查指令表得出。机器码难于记忆和书写，使用助记符来替代后就是汇编指令，它和机器指令是一一对应的。各指令的机器码见表8-1。

9/24/2024机电控制技术表8-1中MOVA，#08H是一条汇编指令，MOV是操作码，A和#08H都是操作数。74H08H是机器码，74H是操作码，08H是操作数。

（3）将操作码存入ROM中。例如，从存储地址为8000H的ROM单元开始存放程序的机器码见表8-2。

9/24/2024机电控制技术（4）程序执行过程。先使用赋值令PC=8000H，第一条指令的执行过程可分为以下几步：①PC送出当前地址8000H，选中ROM8000H单元。

②CPU发出访问ROM信号，从8000H单元中取出第一条指令的操作码74H。

③PC内容自动加1，指向下一个存储单元。

④CPU把操作码74H送到内部指令译码器中，经译码操作后，得知是一条把立即数送到A的指令。

⑤PC送出当前地址8001H，选中ROM8001H单元。

⑥CPU再发出访问ROM信号，从8001H单元中取出第一条指令的操作码08H送到累加器A中。

⑦PC内容自动加1，指向下一个存储单元。接下去CPU取出第二条指令，并完成加法运算后将结果送到累加器A中，最后完成把累加器A中的内容传送到地址为35H的单元的指令。每条指令的执行步骤与前面所述基本相同，不再细述。9/24/2024机电控制技术2.MCS-51系列单片机的汇编指令

MCS-51系列单片机使用44种助记符。通过助记符、指令中源操作数及目的操作数的不同组合，构成MCS-51系列单片机111种指令。

1）按汇编指令所占存储器的字节数分

按汇编指令所占存储器的字节数可分为以下几种：

（1）单字节指令（49条）。

（2）双字节指令（45条）。

（3）三字节指令（17条）。

9/24/2024机电控制技术2）按汇编指令执行的周期分

按汇编指令执行的周期可分为以下几种：

（1）单周期指令（64条）。

（2）双周期指令（45条）。

（3）四周期指令（2条）。

3）按汇编指令的功能分

按汇编指令的功能可分为以下几种：

（1）数据传输指令（29条）。

（2）算术运算指令（24条）。

（3）逻辑运算指令（24条）。

（4）控制转移指令（17条）。

（5）位操作指令（17条）。9/24/2024机电控制技术8.2.2MCS-51系列单片机寻址方式

所谓寻址方式是指如何找到存放被操作数位置（地址）的方法。MCS-51系列单片机的指令系统提供了7种寻址方式，分别为立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址、相对寻址和位寻址。一条指令可能含有多种寻址方式。

1.立即寻址

将立即参与操作的数据直接写在指令中，这种寻址方式称为立即寻址。立即寻址的指令中直接含有所需的操作数。该操作数可以是8位的，也可以是16位的，常常处在指令的第二字节和第三字节的位置上。立即数通常使用#data或#data16表示，在立即数前面加“#”标志，用以和直接寻址中的直接地址（direct或bit）相区别。MCS-51系列单片机中除了一条指令（MOVDPTR，#data16）是16位长的立即数外，其余都是8位的立即数。

例如，MOVA，#32H，若执行前（A）=51H，则执行后（A）=32H。“#”号表示其后面的数为立即数而非直接地址。9/24/2024机电控制技术2.直接寻址

将操作数的地址直接存放在指令中，这种寻址方式称为直接寻址，也就是在指令中直接给出操作数所在单元的地址。

例如，MOVA，20H，若执行前（A）=51H，内部RAM20H地址单元的内容为96H，执行后（A）=（96H）。3.寄存器寻址

操作数存放在MCS-51系列单片机内部的某个工作寄存器Rn（R0～R7）或部分专用寄存器中，这种寻址方式称为寄存器寻址。可寻址的寄存器除R0~R7外还有累加器A、寄存器B、数据指针DPTR和位处理累加器Cy。PSW是程序状态字寄存器，地址为D0H～D7H，其中，D3H为RS0，D4H为RS1，它们统称为工作寄存器组的选择位。RS0和RS1取不同的值，构成的二进制数对应不同的寄存器组的组号，例如，RS0和RS1分别取“1”和“0”时，对应寄存器组的第2组。9/24/2024机电控制技术4.寄存器间接寻址

寄存器间接寻址是指以指定的地址寄存器的内容作为地址，并以该地址所指定的存储单元数据为指令的操作对象。MCS-51系列单片机的地址寄存器只能为R0、R1和DPTR。当以R0或R1为地址寄存器时，可以寻址内部RAM的地址空间00H~FFH内的256B个单元，以及外部RAM页内地址空间的256B个单元，页内地址为P2的内容；以16位寄存器DPTR作为间接寻址寄存器时，可寻址外部存储器的64KB地址空间。例如，MOVXA，@DPTR的含义是把DPTR中的内容作为地址，按这个地址找到的外部RAM单元中的内容，并将该内容传给累加器A。

若执行前（A）=20H，DPTR=2000H，外部RAM2000H地址单元的内容为79H，则执行指令后（A）=79H。9/24/2024机电控制技术5.变址寻址

操作数存放在变址寄存器（累加器A）和基址寄存器（DPTR或PC）相加形成的16位地址单元中，DPTR或PC中的内容是基地址，A中的内容是地址偏移量，这种寻址方式称为基址加变址寄存器间接寻址，简称为变址寻址。也就是说，在寄存器间接寻址中，地址放在寄存器的某个单元里，如果地址不是放在一个寄存器里，而是放在两个寄存器里，两个寄存器中存放的地址之和形成一个新的地址，按照这个地址可以找到操作数。

6.相对寻址

将程序计数器PC的当前值（取出本条指令后的PC值）与指令第二个字节给出的偏移量（rel）相加，形成新的转移目标地址，这种寻址方式称为相对寻址。

相对寻址是为了实现程序的相对转移而设计的，为相对转移指令所使用，其指令码中含有相对地址偏移量，能生成浮动代码。例如，SJMPrel；（PC）←（PC）+2+rel，其也可以表示作为相对转移指令的目的地址＝指令地址＋指令字节数＋偏移量

9/24/2024机电控制技术7.位寻址

MCS-51系列单片机中设有独立的位处理器，可对寻址的位进行处理。在指令系统中共有17条位操作指令。位操作指令中的操作数仅允许采用位寻址方式。位寻址方式类似于直接寻址方式，同样是在指令中直接给出操作数的地址。每一种寻址方式所对应的寻址空间见表8-3。9/24/2024机电控制技术9/24/2024机电控制技术8.2.3MCS-51系列单片机汇编语言的程序设计

例8-2在MCS-51系列单片机最小系统的基础上，实现一个发光二极管的闪烁。9/24/2024机电控制技术

如图8-4所示为发光二极管闪烁的电路图。

相应程序代码如下：

ORG2000H

MAIN：

SETBP0.0 ；让P0.0置1

CALLDELAY ；调用延时程序

CLRP0.0 ；让P0.0置0

CALLDELAY ；调用延时程序

AJMPMAIN

DELAY：

MOVR1，#250 ；给R1置立即数250

D1：MOVR2，#250 ；给R2置立即数250

D2：DJNZR2，D2 ；内层循环

DJNZR1，D1 ；外层循环

RET

END

9/24/2024机电控制技术8.3MCS-51系列单片机存储器扩展在有些场合中，MCS-51系列单片机内部集成的ROM和RAM难以满足工艺对系统的要求，用户必须在单片机外部扩展ROM。MCS-51系列单片机外部有16条地址线，即P0接口和P2接口，因此，最大寻址范围为64KB（0000H～FFFFH）。选择存储芯片中的单元的方法有单译码法和双译码法。（1）单译码法。（2）双译码法。把存储芯片中的基本单元按线性排列，用2N条地址线选择2N个存储单元，这种译码的方法称为单译码法。这种方法虽然结构简单但是需要太多的地址线。把存储芯片中的基本单元按矩阵排列，用N条行选择线和N条列选择线作为地址线，可以选择2N×2N个存储单元，这种译码的方法称为双译码法。这种方法需要很少的地址线即可实现寻址，例如，为了寻址64KB的存储单元，由于这65536个存储单元成矩阵排列，因而行和列上需要64+64=128根译码器输出线。9/24/2024机电控制技术（1）地址总线。（2）数据总线。（3）控制总线。地址总线（adressbus，简称为AB）的功能是传送地址，其传送方向是单向的，只能从单片机内部向外部发送地址信息。数据总线(databus，简称为DB)的功能是传送数据，其传送方向是双向的，既可以从单片机内部向外部发送数据信息，也可以采集外界的信号，从单片机外部向内部发送数据信息。控制总线（controlbus，简称为CB）的功能是传送控制信息，其传送方向是双向的，既可以从单片机内部向外部发送控制信息，也可以从单片机外部向内部发送控制信息。8.3.1MCS-51系列单片机三总线的概念和构成

1.三总线的概念

MCS-51系列单片机的结构是基于三总线的冯·诺依曼结构，即三种总线分别是地址总线、数据总线和控制总线。系统中的各个部件都是通过这三类总线传递信息。9/24/2024机电控制技术2.MCS-51系列单片机扩展三总线的构成

MCS-51系列单片机由于受引脚数目的限制，使得数据线和低8位地址线复用，为了将它们分离出来，需要外加地址锁存器，从而构成与一般CPU相类似的外部三总线，如图8-5所示。

9/24/2024机电控制技术8.3.2MCS-51系列单片机ROM扩展

MCS-51系列单片机中的8051单片机的内部有4KB的ROM，能满足一般系统的需求，但如果系统规模比较大，需要存放较大的程序，就需要扩展ROM。在选择ROM芯片时，首先必须满足程序容量，其次在价格合理情况下尽量选用容量大的芯片。在单片机应用系统硬件设计中应注意，尽量减少芯片的使用个数，使得电路结构简单，提高可靠性。1.2732芯片

2732芯片的容量为4K×8位。4K表示有4×1024个存储单元，8位表示每个单元存储数据的宽度为8位。前者确定了地址线的位数为12位（A0～A11），后者确定了数据线的位数为8位（O0～O7）。2732芯片采用+5V供电，最大静态工作电流为100mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns。2732芯片的封装形式为DIP24，其引脚图如图8-7所示。9/24/2024机电控制技术

9/24/2024机电控制技术2.ROM扩展的硬件电路

8051单片机扩展一片2732芯片的电路图，如图8-8所示。

9/24/2024机电控制技术3.扩展ROM地址范围的确定

单片机扩展ROM的关键是搞清楚扩展芯片的地址范围。决定ROM芯片的地址范围的因素有两个：一个是片选端的连接方法，另一个是ROM芯片的地址线与单片机地址线的连接。在确定地址范围时，必须保证片选端为低电平。

例8-3根据控制要求需要在8051单片机外部扩展32K的ROM，完成系统的硬件设计。

解要扩展32K的外部ROM，可通过多种方法实现，但应该选择集成度尽可能高的芯片，这样设计的电路结构简单易行、可靠性高，所以选择27256芯片。因为8051单片机的P0接口既要传输数据又要传输地址，所以需要8位的锁存器锁存低8位地址，可以选择74LS373锁存器，8051单片机ROM的扩展图如图8-9所示。9/24/2024机电控制技术

9/24/2024机电控制技术8.3.3MCS-51系列单片机RAM扩展

MCS-51系列单片机中的8051单片机内部有128B的RAM。

CPU对内部RAM具有丰富的操作指令，但是当单片机用于实时数据采集或处理大批量数据时，仅靠内部RAM提供的操作指令是远远不够的。此时，可以利用单片机的扩展功能，扩展外部RAM。

常用的外部RAM包括静态RAM（StaticRandomAccessMemory，简称为SRAM）和动态RAM（DynamicRandomAccessMemory，简称为DRAM）。前者的优点是读写速度高，一般都是8位宽度，易于扩展，而且大多数的RAM和与它相同容量的EPROM的引脚相兼容，有利于印刷板的电路设计，使用方便；缺点是集成度低、成本高、功耗大。后者的优点是EPROM的集成度高、功耗相对较低；缺点是需要使用EPROM就需要增加一个刷新电路，增加了额外的成本。

8051单片机扩展外部RAM的地址线也是由P0接口和P2接口提供的，因此，其最大寻址范围为64KB（0000H～FFFFH）。9/24/2024机电控制技术1.8051单片机的硬件电路8051单片机与6116芯片连接的电路图如图8-10所示。9/24/2024机电控制技术2.8051单片机芯片的选择

8051单片机常用的SRAM芯片有6116（2K×8位）芯片、6264（8K×8位）芯片、62256（32K×8位）芯片等。6116芯片的引脚图如图8-11所示。

9/24/2024机电控制技术3.外部RAM地址范围的确定及使用

按照图8-10中的连线，片选端直接与地址线P2.7相连，这种扩展方法称为线选法。显然，只有P2.7=0，才能够选中6116芯片。

如果与6116芯片无关的引脚取0，那么6116芯片的地址范围为0000H～07FFH；如果与6116芯片无关的引脚取1，那么6116芯片的地址范围为7800H～7FFFH。4.单片机对外部RAM的读写

单片机对RAM读写的相应程序如下：

MOVX @DPTR，A；64KB内写入数据

MOVX A，@DPTR；64KB内读取数据

除了上述指令外，还可以使用以下指令对低256B进行读写：

MOVX @Ri，A；低256B内写入数据

MOVXA，@Ri；低256B内读取数据9/24/2024机电控制技术例8-4根据控制要求需要在8051单片机外部扩展8K的RAM，完成系统的硬件设计。

解要扩展8K的外部RAM，只需选择一片6264芯片就可以达到要求。为了实现时分复用，锁存低8位地址，可以选择74LS373锁存器，8051单片机RAM的扩展图如图8-12所示。

9/24/2024机电控制技术

8.4MCS-51系列单片机中断与中断系统8.4.1MCS-51系列单片机中断概述

当CPU正在执行某个程序时，由于有来自CPU外部的事件向CPU提出响应请求，因而CPU中止当前正在执行的程序，转而执行与外部事件相关的处理程序，当处理响应的程序执行结束后，返回被中止执行的程序并继续执行，这种有响应请求而改变程序执行顺序的现象称为中断。构成中断的要素包含中断请求、中断事件、中断响应、中断屏蔽断点和中断源。9/24/2024机电控制技术8.4.2MCS-51系列单片机中断系统1.中断源

2.中断入口地址3.中断的优先级是指能产生中断请求的来源。MCS-51系列单片机系统中的中断源包括外部中断、定时/计数器中断和串行通信中断三种类型。中断源发出中断请求后，如果CPU响应中断，就会执行该中断对应的中断程序。系统约定了每一种中断程序存放的地址，这个地址称为中断的入口地址，也称为中断矢量。MCS-51系列单片机的中断源有5个，由于CPU在任何时刻只能响应一个中断请求，因而需要把所有的中断源分出优先级，根据中断源的优先级，判断CPU应该选择响应哪一个中断请求。9/24/2024机电控制技术8.4.3MCS-51系列单片机中断设置

如图8-13所示为MCS-51系列单片机中断系统的结构图，它描述了中断系统的组成部件及其相互关系。

9/24/2024机电控制技术例8-5设计一个单片机系统，要求系统通电以后，1、3、5、7号发光二极管点亮。当按下按钮时，1、3、5、7号发光二极管熄灭，2、4、6、8号发光二极管点亮。9/24/2024机电控制技术相应程序代码如下：

ORG0003H

LJMP3000H ；外部中断发生时，程序跳转到地址为3000H处执行

ORG2000H

MAIN：

MOVP0，#0AAH ；将1、3、5、7号发光二极管点亮

SETBEA ；允许全局中断

SETBEX0 ；允许外部中断0

SETBIT0 ；把外部中断0设置为边沿触发方式

AJMPMAIN

ORG3000H ；中断程序入口地址

MOVP0，#55H；将1、3、5、7号发光二极管，熄灭；将2、4、6、8号发光二极管点亮

RETI9/24/2024机电控制技术8.5MCS-51系列单片机的定时/计数器在单片机系统设计中，定时/计数器的应用非常广泛。使用单片机内置的定时器则可以实现精确的定时。定时器可以用在单片机串行通信中，而且可以和CPU并行工作，系统工作效率高。定时器的输入端如果连接的是振荡电路的脉冲信号，就可以用来测量时间；定时器的输入端如果连接的是外部电路的脉冲信号，则可以用来实现对外部脉冲的计数功能，因此，定时器也可以作为计数器使用。此外，也可以将定时器和计数器联合使用，在确定的时间里统计信号的脉冲个数，从而完成频率测量的功能。8.5.1MCS-51系列单片机定时/计数器的结构和工作方式

1.定时/计数器的结构

定时/计数器是由专用寄存器、方式寄存器和控制寄存器构成的。它的结构如图8-15所示。9/24/2024机电控制技术

9/24/2024机电控制技术（1）置初值。（2）定方式。（3）开中断。（4）启动。以方式0为例，预置初值0，如果不改变初值，定时时间=12×时钟周期×（213－0），计算得到的时间不一定符合系统需要的控制时间，所以编程者可以在定时器初始化程序中设定初值，实现需要的定时时间。通过对TMOD的M1和M0赋值，可以确定定时/计数器的工作方式。启动可以用软件启动定时/计数器，也可以用外部引脚启动定时/计数器。开中断包括开CPU的总中断和定时中断。8.5.2MCS-51系列单片机定时/计数器的使用

定时/计数器在使用之前要做以下一系列的准备工作，一般应遵循如下步骤：9/24/2024机电控制技术例8-6用单片机内部集成的定时/计数器实现发光二极管的闪烁。如图8-20所示。9/24/2024机电控制技术

9/24/2024机电控制技术8.6MCS-51系列单片机的接口与应用在机电控制系统中，根据控制需要，单片机需要各种接口，如为了接收模拟量，需要A/D转换接口；为了输出模拟量，需要D/A转换接口；为了响应操作者的要求，需要键盘接口；为了给操作者提供需要的信息，需要显示器接口。

8.6.1MCS-51系列单片机的A/D转换接口

在控制系统中多使用闭环控制，将系统的当前状态值反馈到输入端，但工业现场的状态量值经传感器转换后多为模拟量值，如温度、成分、速度和位置等，单片机作为数字系统无法直接接收模拟量，这就需要能把模拟量值转换为数字量值的A/D转换器。

A/D转换器是由采样环节、保持环节和量化编码环节组成的，如图8-21所示。

9/24/2024机电控制技术8.6.2MCS-51系列单片机D/A转换器接口

在机电控制系统中，要驱动的往往是模拟系统，如直流电动机、交流电动机等，要输出模拟量值，需要在单片机后加D/A转换单元。

1）D/A转换时间2）D/A转换精度3）D/A转换线性度D/A转换芯片完成一次转换的时间称为D/A转换时间。一般用D/A的建立时间来描述D/A芯片的特性。D/A的建立时间是指当输入的数字量的各位都为“1”时，从接收数字量的值结束到输出端的幅值达到最大幅值的某个百分比所需的时间。D/A转换精度是以最大误差的相对满刻度电压的百分比来表示的。通常也可用分辨率和D/A的数字最低位发生变化时输出幅值的变化来描述。D/A转换线性度描述了D/A转换过程中输入不同数字量时输出模拟量值和真值的偏离程度。1.D/A转换的参数:

9/24/2024机电控制技术2.D/A转换芯片

DAC0832芯片内部有8位的D/A转换器，输出信号是电流信号，转换时间为1μs，基准电压为±10V，工作电压在5～15V范围内。

1）DAC0832芯片的结构与工作原理

DAC0832芯片是由输入寄存器、DAC寄存器和8位乘法DAC形式的D/A转换电路构成的，如图8-26所示。

9/24/2024机电控制技术例8-8使用DAC0832芯片设计一个可以产生三角波的信号发生器。9/24/2024机电控制技术

9/24/2024机电控制技术8.6.3MCS-51系列单片机的键盘接口

如果操作者需要单片机系统实时地接收自己的命令，就需要给单片机加上键盘接口。键盘一般分为编码键盘和非编码键盘。计算机键盘就是编码键盘，它集成了消抖、误码处理和编码等功能。单片机系统一般采用结构简单、价格低廉的非编码键盘来提高性价比；非编码键盘可分为独立式按键和行列式按键。1.独立式按键

每根I/O接口线上只有一个按键称为独立式按键。其优点是结构简单、实现方便；缺点是耗费接口线。它一般在系统需要按键很少的情况下使用。

例8-9使用独立式按键实现用4个按键控制4个灯，要求某个按键按下的时候，对应的发光二极管点亮。

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9/24/2024机电控制技术2.行列式按键

如果系统需要较多的按键，为了节省接口线，可以把按键排成矩阵，这就是矩阵式键盘，也称为行列式键盘。

行列式按键的结构,行列式按键的结构如图8-30所示。

9/24/2024机电控制技术8.6.4MCS-51系列单片机的显示器接口

1.LED显示器的结构

多个发光二极管封装在一起就构成了LED