微型计算机硬件结构.doc

1、 微型计算机硬件结构 ——常见的微机外形
2、 硬件系统——构成微机的实体和装置
3、 软件系统——微机系统所使用的各种程序的总称
4、 软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统，两者是相辅相成、缺一不可的。
5、 单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机 —— 单片机实质上就是一个芯片
二、 单片机种类
1单片机的发展经历了由4位机到8位机,再到16位机的发展过程
◆生产厂商：
美国微芯片公司:PIC16C××系列、PIC17C××系列、PIC1400系列，
美国英特尔公司的MCS-48和MCS-51系列，
美国摩托罗拉公司的MC68HC05系列和MC68HC11系列，
美国齐洛格公司的Z8系列，
日本电气公司的μPD78××系列，
美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的F8（3870）系列等
1）组成：均有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)等。
区别：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。
PC还包括：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：只是一片集成电路。（……100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。
（2）功能区别：
PC机：擅长于数据运算、采集、处理、存储、传输；
单片机：控制（或受控于）外设。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。
三. 单片机的特点
体积小，重量轻
电源单一，功耗低
功能强，价格低
运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高
可以嵌入到机电、电气、电子产品中——嵌入式应用系统
第二章
四：单片机内部功能部件有哪些及作用
1单片机应用系统:由硬件系统和软件系统组成
硬件是应用系统的基础
软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可
2 单片机内部功能部件作用
中央处理器CPU：8位，运算和控制功能
内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。
内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。
定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。
并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。输入、输出
串行口：一个全双工串行口。通讯用。
中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）
时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ。为CPU提供时钟的。驱动单片机进行工作。
其他：AD,DA 显示等
3单片机内部功能部件作用-时钟振荡电路
单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。MCS-51单片机内部具有一个时钟振荡电路，只需要外接振荡器，即可为各部分提供时钟信号。
典型的时钟电路——在电路中，电容通常取30pF，晶振的取值通常为：1MHz-33MHz（不同型号的单片机的上限频率可能有差别）。
4复位电路
复位电路的作用:
（1）上电时保证系统元件从初始状态开始，
处于一个固定的状态
（2） 人工能够参与复位
（3）系统受到干扰后，运行异常，自动复位。

RST
MCS-51
R2
R1

﹠
MAX813L
PFI
MR
RESET
WDO
WDI
稳压电源
P1.0

5中断功能
1）中断是指由于某种随机事件的发生，计算机暂停现行程序的运行，转去执行另一程序，以处理发生的事件，处理完毕后又自动返回原来的程序继续运行。
2）将能引起中断的事件称为中断源。3）CPU现行运行的程序称为主程序。
4）处理随机事件的程序称为中断服务子程序。
中断技术的优点
分时操作
——CPU可以同多个外设“同时”工作
实时处理

单片机应用系统
单片机
＋
接口电路及外部设备等
＋
软件
硬件
——CPU及时处理随机事件
故障处理
——电源掉电、存储出错、运算溢出
6单片机应用系统组成
单片机应用系统:由硬件系统和软件系统组成
硬件是应用系统的基础
软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，
从而完成应用系统所要求的任务，二 者相互依赖，缺一不可
单片机应用系统设计内容与设计思路

7单片机应用系统设计内容与设计思路
内容：1）单片机主系统设计-硬件（单片机主系统设计；接口电路及外设设计(包括抗干扰设计）包括：选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。单片机内容的功能单元如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。--系统开展按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、模拟量/数字量的转换器等，设计合适的接口电路。原则：1尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。2应充分满足应用系统的功能要求，并留有余地。3硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但应注意，系统运行速度,实时性.4系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。5必须进行可靠性及抗干扰设计.包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 6单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力）
2) 接口电路及外设设计(包括抗干扰设计）-硬件
3)应用软件设计(包括抗干扰设计）（内容：建立数学模型；编程序。
（1）应对被控对象的物理过程和计算任务进行全面分析，并从中提炼出数学表达式，即建立数学模型。
（2）数学模型的形式是多样的，可以是一系列数学表达式，可以是数学推理和判断，也可以是运行状态的模拟。
例如：在测量系统中从模拟输入通道得到的温度、流量、压力等现场信息与该信号对应的实际值往往存在非线性关系，需要进行非线性补偿。非线性补偿常用方法有：查表法、插值法、曲线拟合等。）
主系统设计内容a.单片机选型；b.MSC-51系列片内有程序存储器的机型，只需在片外配上电源、复位电路、振荡电路，这样便于对单片机系统进行测试与调试。c.配置能满足应用系统要求的一些外围功能器件。
思路：步骤：总体设计阶段、硬件设计、软件设计及系统调试和维护
硬件设计:选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。
软件设计:软件流程设计、编程和调试。
系统调试与性能测定：硬件软件联调与优化。
文件编制:设计思想及设计方案论证、硬件电路图及元器件清单、软件流程图及程序清单、调试记录、性能测定及现场试用报告、使用说明等。
（1）总体设计：需求分析，方案论证。
（2）需求分析:被测控参数的形式（电量、非电量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。
（3）方案论证:根据要求设计出符合现场条件的软硬件方案，又要使系统简单、经济、可靠，这是进行方案论证与总体设计一贯坚持的原则。
8标度变换及其程序设计
（1）概念：
各种被测量不仅量纲不同，其数值变化范围也相差很大。为了便于数据采集，各信号对应的传感器均将他们要处理成与A/D转换器输入特性相匹配的电压信号（如0～5V）送至计算机。即：无论何种量纲信号，计算机通过A/D得到的数字信号是一样的，不是实际数值。为了使显示、记录、打印等结果能反映被测量的实际数值，就必须对A/D转换后的数字信号进行变换。这种测量结果的数字变换就是标度变换
（2）线性仪表的标度变换
对于具有线性特性的仪表，其标度变换可用如下公式表示

Am为测量上限；Nm为上限所对应的数字量；A0为测量下限；N0为下限所对应的数字量。AX为实际测量值； NX为实际测量值所对应的数字量
程序设计：
标度变换需要进行加、减、乘、除算术运算。为了实现上述运算，可以设计一个专用的标度变换子程序，需要时调用这一子程序即可。变换运算中所需常数可由程序到存储器中约定单元提取。例如约定A0 、Am 、 A0 、 Nm 分别存放在以符号ALOWER、AUPPER、NLOWER、NOPPER表示的内存单元中，和分别存放在符号SAMP、DATA表示的单元中.
（3）非线性测量的标度变换
1)分段拟合法序(分段线性化)
在（xi，xi＋1）之间(段)，其对应的线性逼近值为：
实现线性插值的步骤如下：
① 将校准曲线进行分段，选取各插值基点。
② 确定各插值点值，计算值，拟合直线段的斜率值，
全部按一定规律存放在存储器中
编程: (1)根据测量结果，确定Nx所在区间（Ni，Ni＋1），取得该段斜率ki，插值基点值Yi。

9数字滤波：（1）：1）算术平均滤波程序 ——对目标参数进行连续采样，然后去掉最大值和最小值；最后，求取算术平均值作为有效采样值，该算法适用于抑制随机干扰。即：将顺序m次采样值相加，取其算术平均值作为一次采样真值，即:
2）m取决于平滑度、速度和灵敏度，因为随m值的增大，平滑度可提高，但速度降低，灵敏度降低。采样次数m太小则效果不明显，滤除脉冲干扰的效果不好。还应注意，若取m=2n，则除法运算转成二进制数的逻辑右移，可提高处理速度。
（2）中值滤波程序——中值滤波就是对某一被测量连续采样n次（一般为奇数次），然后将n个采样数据进行排序，而取中间值作为本次采样真值。此滤波程序对消除脉冲性质的干扰影响比较有效。如果时间允许，可在排序后将最大和最小的n个数去掉，再求剩余数据的算术平均值。

（3）低通数字滤波器模型： 在模拟滤波技术中，RC低通滤波器是最常用的，尤其是如下图所示的一阶RC低通滤波器。

b=1-a
PID算法-增量数字PID
控制输出信号量

式中 E(n)为当前测量值y(n)与设定值r的偏差；E(n-1)为前次偏差； E(n-2)为前次的前次偏差。
第三章
备赛“挑战杯”的几个问题
（一）选题：
（1）要根据科研、生产、教学、生活等各方面社会需要
（2）要结合本校的具体条件和特点
（3）要考虑《挑战杯》的特点：先进性、科学性、现实意义
（4）要掌握较多的信息
（5课题一般不宜过大，但必须有创新。但也不要过小。
（6）若选国家项目的子项，则应把研究范围划清
（7）同一个学校申报作品不要集中在某一个学科领域，避免自相竞争
（8）涉及几个学科领域时，按学术方向或发明点来填写
（二）填写作品申报书注意事项：
1）仔细阅读《挑战杯》竞赛章程、评审规则和《作品申报书》说明
（2）个人作品：
1）申报者需承担申报项目60％以上的研究工作
2）合作者不超过二人，且均为学生
3）合作者学历不高于申报者
4）鉴定书、专利证书、发表作品署名均需第一作者
（3）集体作品
1）合作者超过二人
2）合作者虽不超过二人，但无法区分第一作者
（4）正确填报作品类别及学科领域
1）科技发明制作A、B类区别
2）涉及几个学科领域时，按学术方向或发明点、关键创新点来填写
（5）手工填写时，文字要清楚、端正
（三） 科技发明制作研究报告的撰写：
（1）申报科技发明时制作类作品必须附有研究报告
（2）研究报告一般要有摘要、研究目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标、作品的科学和先进性、作品的设计、制作、试验、作品的适用范围和应用前景预测、参考文献等内容。
（3）研究报告需附有相关曲线、试验数据、原理结构图、实物外观图（照片）等，也可附以鉴定证书，应用证明和专利证。
（4）研究报告应层次分明、条理清楚、文句简明、流畅。
摘要写作规范
1）摘要是对“论文的内容不加注释和评论 的简短陈述”。是一篇具有独立性和完整性的短文。 2）常采用无人称语句或第三人称。注意：摘要不分段,不列举例证,不描述研究过程,不做自我评价。摘要中第一句话的注语，如“本文－－－”、 “作者－－－”等词可以省略
前言写作要求：目的：向读者交代本论文研究内容的来龙去脉。
内容：前言应包括4个方面的内容-四大要件
1）立题背景：即研究对象及其基本特征，研究的价值或意义；问题的解决有什么作用和意义。
2）对这一问题，前人做了哪些工作（可以隐含着写） 还有哪些问题需要处理与解决。
3）本研究的切入点。即在分析还有哪些问题需要处理与解决的基础上，确立研究的关键点。
4）本研究要达到的目的。预期结果及其地位、作用。要写得自然，概括，简洁，确切。
正文写作中的要求：结构要层次分明、逻辑严密、条理清楚。一般来说，研究了几个问题就应该划分几个层次，每一个层次前给出一个小标题。具体见右图。 出现数字时，凡是可以使用阿拉伯数字而且又很得体的地方，均应使用阿拉伯数字。
图文与公式要用新国标。论文结论写作规范：是对正文进行总结。是对正文内容经过判断、归纳、推理而得出的富有创造性、指导性、经验性的结果描述。
结论内容要点如下：
1）本研究结果说明了什么问题，得出了什么规律性的东西，解决了什么理论或实际问题。
2）对前人有关本问题的看法作了哪些检验，做了哪些修正、补充、发展。3）本研究的不足之处或遗留问题。
上述要点1)是必需的，而2)和3)视论文的具体内容可有, 可无；结论里可以包括必要的数据，但主要是用文字表达，一般不再用插图和表格。
（四）准备作品展示和问辩的要点
（1）作品展示，特别是问辩是终评的重要依据。
（2）问辩重点在考察作者对参赛项目的理解程度和参与情况，以及工作实际达到的水平。
（3）展版版面设计应简洁鲜明、吸引观众、文字宜少。内容宜精。
（4）展示表演的作品要考虑电源等动力供应、注意安全、演示项目需反复演练，力争演示一次成功，若偶然出现故障，也应沉着对应。 （5）口头陈述的开篇应开门见山，尽快切入主题并突出创新点以吸引评委。 6）参加集体项目的展示者应掌握未参加展示者的工作内容。（7）准备问辩要围绕作品主题，对项目的基本思路、科学性、先进性和现实意义等几个环节充分准备，努力做到有问必答、有理有据。 （8）对评委提的问题要听清楚，回答必须扣题，切忌答非所问。
商业计划大体上应包含下列几个方面：
　　1）主要概述；2）企业介绍；3）产品（或服务）介绍；4）市场需求； 5）销售渠道和促销策略6）财务管理；7）营业收入的预测 8）其他。

电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2；整流电路:：将交流电压u2变为脉动的直流电压uR滤波电路: 将脉动直流电压uR转变为较平滑的直流电压uF；稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出直流电压U0的稳定。
输出正、负电压的电路

按键接口电路（中断方式和查询方式），如何去抖动。LED数码显示器应用中，为何要译码，如何译码。
按键的去抖动

按键从最初按下到稳定接触要经过数毫秒的抖动过程，按键松开时也存在同样的问题，如图5所示。对于高速运行的微机系统，这数毫秒的抖动将引起多次读数的误动作，因此，按键必须进行去抖动处理，去抖动通常有硬件（互锁）和软件（延时）两种方案。现在基本都用软件方法。
⑶. 串键处理
当多个按键并列使用时，因操作因素可能将双键或多键同时按下，此时程序应考虑对串键的处理。方法:采用双键锁定的原则，即串键时不判断键值，只到按着仅剩的一个键时，才判断键值。
⑷. 按键接口的工作形式
对按键的处理应具有实时性，CPU处理按键的方式可采用中断或定时查询的方式。

①.数码显示器的段译码
为了在七段显示器上显示数字或字符，需要将数字或符号转换为对应的显示器的LED段码，这一过程称段译码。段译码有硬件译码和软件译码两种方法。
● 硬件译码: 例如CD4511： 输入BCD码，输出段码；
●软件译码:查表： 数字\符号——段码字；（PC机字库）

1、开关输入电路

数据采集通道:由两部分组成：一是信号的滤波、放大、采样、保持、转换部分；二是单片机及其接口部分；如图所示。

接口程序的任务为: 对接口初始化，确定采样通道、采样频率、中断方式,启动A/D,读取结果,作前期数据处理，存入指定单元等。
传感器及变换器：采集现场的各种信号，并变换成电信号(电压信号或电流信号)，以满足单片机的输入要求。现场信号有各种各样，有电信号，如电压、电流、电磁量等；也有非电量信号，如温度、湿度、压力、流量、位移量等，对于不同物理量应选择相应的传感器。
放大器：对传感器输出的微弱信号，进行放大处理处理成满足A/D转换要求的输入信号。如果传感器输出的信号满足A/D转换要求，可以省略。
滤波器：减少来自各种工业现场的干扰信号。
采样保持器：在单片机的控制下，在某一个时刻采样模拟信号的值，并能保持该瞬时值，直到下一次重新采样。主要用于对一个A/D转换器分时对多路模拟信号进行转换时，或对变化较快的信号。
多路转换开关：实现一个A/D转换器分时对多路模拟信号进行转换。如果是一个A/D转换器对用一个信号，可以省略。
A/D转换器：实现模拟信号向数字转换，量化

传感器的选择：
原则：
选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。
除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小。重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。1）灵敏度：一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。
2）响应特性：传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但我们总希望延迟的时间越短越好。
3）线性范围：任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。
4）稳定性：稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
5）精确度：精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。
6）测量方式：传感器在实际条件下的工作方式。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。
A/D转换器的选择
1）分辨率：分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。转换器的分辨率定义为满刻度电压与2n之比值，其中n为A/D转换器的位数，例如一个8位A/D转换器其分辨率为满刻度1/28，若满刻度电压为5V，则能分辨率的最小电压值为5/28=20mv。
2）量化误差：是由于A/D转换的有限数字对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差。单位为LSB（Least Significant Bit）是数字量的最小有效位所表示的模拟量，提高分辨率可减少量化误差。量化误差和分辨率是统一的
3）转换精度：表示实际A/D转换在量化值上与理想A/D转换器进行模/数转换的差值，可以用两个方式来表示： ①绝对精度：用最低位（LSB）的倍数表示，如±1/2LSB等。②用绝对精度除以满量程值的百分数来表示。
4）转换时间与转换速率：转换时间为完成一次A/D转换所需要的时间，即从输入端加入信号到输出端出现相应数码的时间转换时间越短，适应输入信号快速变化能力越强。
转换速度是转换时间的倒数。
还要考虑线性度。
直流电磁式继电器功率接口

交流电磁式接触器的功率接口