《机电控制技术》教学参考讲稿教案-第8章.doc

第8章 MCS-51系列单片机控制技术教学要求了解MCS-51系列单片机硬件资源的组成，即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。掌握搭建MCS-51系列单片机控制系统的基本步骤和方法。教学重点MCS-51系列单片机的结构。教学难点MCS-51系列单片机的指令系统。课时安排本章安排6课时。教学内容8.1 MCS-51系列单片机的结构及工作原理8.1.1MCS-51系列单片机的结构8.1.1 MCS-51系列单片机的工作原理8.2 MCS-51系列单片机指令系统及语言设计8.2.1 MCS-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地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。8.2.2 MCS-51系列单片机的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。8.2.3 MCS-51系列单片机汇编语言的程序设计8.3 MCS-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64 KB（0000HFFFFH）。选择存储芯片中单元的方法有单译码法和双译码法。8.3.1 MCS-51系列单片机三总线的概念和构成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得。8.3.2 MCS-51系列单片机ROM的扩展MCS-51系列单片机中的8051单片机的内部有4KB的ROM区，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。8.3.3 MCS-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128 B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，仅靠内部提供的RAM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。8.4 MCS-51系列单片机的中断与中断系统8.4.1 MCS-51系列单片机中断的概述当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。8.4.2 MCS-51系列单片机中断系统8.4.3 MCS-51系列单片机中断设置8.5 MCS-51系列单片机定时/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，就可以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。8.5.1 MCS-51系列单片机定时/计数器的结构和工作方式8.5.2 MCS-51系列单片机定时/计数器的使用8.6 MCS-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。8.6.1 MCS-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，将系统的当前状态量反馈到输入端，但工业现场的状态量值经传感器转换后多为模拟量，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。8.6.2 MCS-51系列单片机的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。8.6.3 MCS-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。8.6.4 MCS-51系列单片机的显示器接口单片机系统中常见的显示器可以分为数码管LED和液晶屏LCD和融合了显示和键盘功能的触摸屏。LED因为具有结构简单、价格低廉、实现方便和读数直观等优点而被广泛使用。8.7 MCS-51系列单片机控制系统设计要实现一个控制任务，应具备以下几个基本步骤：（1）应分析该控制任务的性质。如果要处理高速的数据流或要进行大量的复杂运算，可以选择FPFA或DSP；如果需要非常高的可靠性，一般选择PLC系统；如果是大规模流水线，一般选择FCS系统；如果控制任务不太复杂，性价比要求很高，需要大批量生产的一般选用单片机系统。（2）应该把用户的专业术语转换为单片机的术语。例如，可能控制的是数控机床，也可能控制的是流水线，提出的控制要求都是关于被控对象的，所以要用单片机领域的语言描述清楚。（3）把控制要求描述清楚，就可以进行单片机的选型。为了便于初学者学习，教学上一般都介绍MCS-51系列单片机，但是基于它内核的单片机的种类相当多，开发者要根据“够用即可”的原则按照控制要求进行合理的选型，既要完成控制要求，又要兼顾成本，这样才能提高性价比。主要概念单片机（Single-chip Microcomputer）