关于51单片机论文.docx
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关于51单片机论文
1.绪论
有一种计算机,是能够把信息指令给予各种机械的单片机(亦称微控制器)。
这种计算机的最小系统只用了一块集成电路,就可以对机械进行控制。
它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑,因为它体积小,所以一般都被放在机械的里面,无法看见。
它在这个装置中,起着有很重要的作用,控制着整个机械的运作。
单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点,目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统,传统数字电路与模拟电路固有的领地。
同时,它的体积小、质量轻、价格便宜这些优点为学习、应用和开发提供了便利条件。
现在,这种单片机的使用领域已十分广泛。
彩电、冰箱、空调、录像机、VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子,单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。
单片机能大大地提高这些产品的智能性,易用性及节能性等主要性能指标,给我们的生活带来舒适和方便的同时,在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。
单片机按用途大体上可分为两类,一种是通用型单片机,另一种是专用型单片机。
1.1单片机基础知识
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲,一块芯片就成了一台计算机。
MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品,与MCS-48单片机相比,它的结构更先进,功能更强,在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条,MCS-51单片机可以算是相当成功的产品,一直到现在,MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品,各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。
MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。
DP-51S单片机仿真实验仪是由广州致远电子设计的DP系列单片机仿真实验仪之一,是一种功能强大的单片机应用技术学习、调试。
1.2单片机的应用领域
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分为如下几个范畴:
一、在智能仪器仪表的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。
二、在家用电器中的应用
可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
三、在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。
四、在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从、机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动,集群移动通信,无线电对讲机等。
五、单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
此外,单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。
单片机现在可以说是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供了广阔的天地。
纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有:
一、微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
二、低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。
像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。
CMOS虽然功耗低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
三、主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。
所以80C51占据了半壁江山。
而Microchip公司的PIC精简指令集合(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEX公司近年的单片机产量与日俱增,与其底价质优的优势,占据一定的市场份额。
此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。
九十年代以后,单片机在结构上采用双CPU或内部流水线,CPU位数有8位、16位、32位,时钟频率高达20MHZ,片内带有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。
芯片向高度集成化、低功耗方向的发展,使得单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。
这类单片机有NEC公司的MPD7800,MITSUBISHI公司的M337700,REVKWELL公司的R6500。
2.1硬件设计
2.1.180C51单片机的内部结构
图2-1为80C51单片机功能结构框图
80C51芯片内部集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O口等各功能部件,并由内部总线把这些不见连接在一起。
80C51单片机内部包含以下一些功能部件:
(1)一个8位CPU;
(2)一个片内振荡器和时钟电路;
(3)4KBROM(80C51有4KB掩膜ROM,87C51有4KBEPROM,80C31片内有无ROM);
(4)128B内RAM;
(5)可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路;
(6)两个16位定时/计数器;
(7)21个特许功能寄存器;
(8)4个8位并行I/O口,共32条可编程I/O端线;
(9)一个可编程全双工串行口;
(10)5个中断源,可设置成2个优先级。
2.1.280C51单片机的引脚功能
80C51单片机一般采用双列直插DIP封装,共40个引脚,
(1)Vcc——芯片电源,接+5V;
(2)Vss——接地端。
XTAL1、XTAL2——晶体振荡电路反相输入端和输出端。
使用内部振荡电路时外接石英晶体。
控制线共有4根,其中3根是复用线。
所谓复用线是指具有两种功能,正常使用时是一种功能,在某种条件下是另一种功能。
(1)ALE/PROG——地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。
ALE功能:
用来锁存P0口送出的低8位地址。
80C51在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P0口用于分时传送低8位地址和数据信号,且均为二进制数。
当ALE信号有效时,P0口传送的是低8位地址信号;ALE信号无效时,P0口传送的是8位数据信号。
在ALE信号的下降沿,锁定P0口传送的内容,即低8位地址信号。
需要指出的是,当CPU不执行访问外RAM指令(MOVX)时,ALE以时钟振荡频率1/6的固定频率输出,因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。
但是,当CPU执行MOVX指令时,ALE将跳过一个ALE脉冲。
ALE端可驱动8个LSTTL门电路。
PROG功能:
片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚输入编程脉冲。
(2)PSEN——外ROM读选通信号。
80C51读外ROM时,没个机器周期内PSEN两次有效输出。
PSEN可作为外ROM芯片输出允许OE的选通信号。
在读内ROM或读外RAM时,PSEN无效。
PSEN可驱动8个LSTTL门电路。
(3)RST/Vpd——复位/备用电源。
正常工作时,RST(Reset)端为复位信号输入端,只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平,80C51芯片即实现复位操作,复位后一切从头开始,CPU从0000H开始执行指令。
Vpd功能:
在Vcc掉电情况下,该引脚可接上备用电源,由Vpd向片内供电,以保持片内RAM中的数据不丢失。
(4)EA/Vpp——内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
EA功能:
正常工作时,EA为内外ROM选择端。
80C51单片机ROM寻址范围为64KB,其中4KB在片内,60KB在片外(80C31芯片无内ROM,全部在片外)。
当EA保持高电平时,先访问内ROM,但当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时,将自动转向执行外ROM中的程序。
当EA保持低电平时,则只访问外ROM,不管芯片内有否内ROM。
对80C31芯片,片内无ROM,因此EA必须接地。
Vpp功能:
片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚用于施加编程电源Vpp。
对4个控制引脚,应熟记起第一功能,了解其第二功能。
严格来讲,80C51的控制线还应该包括P3口的第二功能。
4.I/O引脚
80C51共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚
(1)P0口——8位双向I/O口。
在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P0口可用作双向I/O口。
在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。
(2)P1口——8位准双向I/O口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。
(3)P2口——8位准双向I/O口。
在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P2口可用作双向I/O口。
在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P2口可用于传送高8位地址(属地址总线)。
P2口能驱动4个LSTT。
(4)P3口——8位准双向I/O口。
可作一般I/O口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。
P3口驱动能力为4个LSTTL门。
P3口第二功能如下:
——RXD:
串行口输入端;
——TXD:
串行口输出端;
——INT0:
外部中断0请求输入端;
——INT1:
外部中断1请求输入端
——T0:
定时/计数器0外部信号输入端;
——T1:
定时/计数器1外部信号输入端;
——WR:
外RAM写选通信号输出端;
——RD:
外RAM读选通信号输出端。
上述4个I/O口,各有各的用途。
在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,4个I/O口都可作为双向I/O口用。
在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时,P0口专用于分时传送低8位地址信号和8位数据信号,P2口专用于传送高8位地址信号。
P3口根据需要常用于第二功能,真正可提供给用户使用的I/O口是P1口和一部分未用作第二功能的P3口端线
:
设计制作一个增益可数字化控制的线性放大器电路,并通过单片机小系统控制它的直流信号增益值的改变。
具体要求:
在给定的单片机小系统板上提供人机操作界面,使操作者能通过按键操作,设置放大器的增益等级,相应的增益值在数码管上显示。
具体指标如下:
(1)最低增益绝对值小于0.15;
(2)最高增益绝对值大于1.45;
(3)增益等级最少达到规定的15级;
(4)增益相对误差小于3%。
拓展部分设计要求
函数信号发生器:
对于某一输入电压(由于没有要求特定的输入值,故我们用的是1.0V),输出端能够产生正弦信号、三角信号以及方波信号。
自动增益控制:
设计要求:
通过随输入波幅度变化自动更改增益等级,将输出信号峰值自动限制在一定范围内。
红外遥控:
设计制作一个红外线遥控音量放大电路,通过单片机小系统用红外方式来遥控对音频输入信号的放大倍数,并输出至耳机。
同时,在实验中所使用的单片机系统红外操作面板上,经过按键,得到红外放大的增益等级,相应的增益值显示在数码管上。
液晶显示:
在给定的单片机小系统板上提供人机操作界面,使操作者能通过按键操作,设置放大器的增益等级,相应的增益值在液晶屏幕上显示。
FPGA:
使用FPGA代替单片机完成基础部分内容以及扩展部分内容。
1.1实际完成后的功能
基础部分
。
可以实现从0.1到1.5的15个增益倍率档位变化,并且相应的增益值会在数码管上显示。
各等级的实际增益值与标准值比较,最大误差为%,最小误差为%,其中有14个增益值误差小于1%。
拓展部分
红外遥控:
可以同时在单片机面板和红外线发射端通过按键对增益进行从0-1.5的调控,且增益值都可在数码管上得以显示,并且可以通过耳机输出端听见从另一耳机输入端输入的音量发生相应的变化。
遥控距离较远。
函数信号发生器:
从左边数起,第三个按键为状态键,控制功能键的切换方向,并以LED灯来显示其当前的切换方向,当LED灯亮时表示按下功能键时相关输出增大或功能向上切换,当LED灯灭时表示按下功能键时相关功能的输出减小或功能向下切换。
其余三个按键为功能键,其中第一个按键调节函数信号发生的频率,能够实现在1~10HZ之间的变化;第二个按键调节函数信号发生幅度,能够实现在0~3V之间的变化;第四个按键能够选择输出波型的种类,包括正弦波、方波、三角波,且波形可以另人满意。
音乐播放:
能够播放《卡秋莎》以及自己编写的歌曲《挥着翅膀的女孩》,信号输入电压1V,驱动扬声器电压3V,播放声音较大,音调准确,节奏准确。
自动增益调节:
增益可以随输入正弦波波的幅度变化而自动更改,能够保证输出信号峰值在限定范围之内。
在0.4倍增益以上的范围,输出信号能够很好的实现无失真的自动增益控制功能。
在0.4倍增益(包含0.4)以下的范围,输出波形出现失真。
液晶显示:
通过单片机控制液晶显示;显示基础部分中的增益放大倍数;加入提示语,做到人机界面友好,并实现了屏幕翻滚效果,即增益值从左侧滚动到右侧并逐字消失,然后又从左侧逐字出现并向右侧滚动,重复如此;并可以调节屏幕的对比度。
增益值在数码管上显示,通过人为按键(左一为递增,左二为递减)可以改变增益数值。
FPGA:
能够代替单片机完成基础部分内容要求。
FPGA上的四个按键与单片机上的四个按键功能相同,。
可以实现从0.1到1.5的15个增益倍率档位变化,并且相应的增益值会在数码管上显示。
1.2系统的设计原理与分析
1.2.1系统的设计原理和总体结构
通过四个开关的的闭合与断开设计一个反相放大器电路以实现可变增益。
利用CD4066,使得开关的状态可以受单片机的控制。
其具体控制原理图如图.1具体电路如图.2。
图.1控制原理图
图.2运算放大电路[1]
【拓展部分原理】
红外遥控:
用红外遥控的方式,通过增添电平转换,放大器等电路,遥控对音频输入信号的放大倍数,输出至耳机。
具体设计思路如图.2。
图.2红外遥控原理图[1]
自动增益调节:
新增的电路部分可以让增益值随输入信号幅度而自有变化,并且将输出信号的幅度限制在一定范围内。
具体电路如图.3。
图.3自动增益调节[1]
液晶显示:
此部分是通过单片机与液晶屏的对接实现的。
单片机通过8255扩展出PBI/O端口输出至液晶显示数据,并使用PC^5,PC^6,PC^7控制液晶模块,显示放大倍数。
由于P1^4在单片机小系统中用于8255的复位,所以拓展部分改用8255的PA口控制放大电路。
系统结构图如图四。
图四液晶显示电路原理图[1]
函数信号发生暨电子音乐合成和播放:
波形发生器部分首先是在单片机中利用定时器中断,并在中断服务程序中进行有关操作,相关函数值已经计算成表(存入数组),并在程序中查表输出,然后通过接口输出到数模转换模块输出电压波形,电路可输出正弦、三角、锯齿、矩形(方波)等数学函数波形。
其中数摸转换模块是通过二级权电阻网络来实现的,并通过增加一片4066实现了64位的变化,从而实现了变化曲线的平滑,具体原理在硬件模块中描述。
音乐发生部分则是通过控制电子开关开关状态切换的频率来实现不同的音调从而实现音乐播放。
FPGA:
实现方式和单片机相同,通过输送控制信号控制到4066控制电子开关的打开和闭合从而控制输出的增益。
其控制原理如图。
1.2.2系统的功能
可变增益控制:
根据用户的需要,可以调节输出电压的增益值,范围为0.1~1.5倍,且控制误差小于3%。
键盘与显示:
键盘从左至右四个键功能依次为:
加,减,置低,置高。
每次按键,相应的灯亮,相应的增益值能够在数码管上显示。
每按一次“加”键,增益值增大0.1.;每按一次“减”键,增益值减少0.1;按一次“置低”键,增益值变为0,按一次“置高”键,增益值变为1.5。
增益控制:
通过改变反响输入端的电阻阻止来控制增益大小。
反相输入端电阻由四个电阻并联组成的开关阵,由CD4066实现,可以提供15种不同的增益值。
红外遥控音量放大电路:
通过红外发射端发射红外线,接收端接收后进行放大传入单片机再经过电平转换电路得以实现通过红外发射端的两个按键分别实现增益的增加0.1和减少0.1,从而改变增益大小,并显示在数码管上。
并且通过一个耳机接口输入,将音乐信号接入放大电路并将放大后的音乐信号接到另一个耳机接口上进行输出,实现红外遥控音量的放大。
函数信号发生暨电子音乐合成和播放:
输出正弦波、锯齿波、方波、三角波等三种波形。
其中正弦波、锯齿波、方波、三角波都可以调节输出的频率与幅值。
音乐播放可以播放歌曲《卡秋莎》和《挥着翅膀的女孩》。
自动增益控制:
输出信号增益能够随输入的正弦波信号幅度而自动变化,并把输出信号的幅值限制在一定范围内。
液晶显示:
通电后液晶第一行显示字符“AutoControl”;第二行显示字符“att:
”并在中间显示放大倍数,显示的放大倍数和数码管上的放大倍数保持一致。
并且第二行字符有滚动效果,即从左侧滚动到右侧并逐字消失,然后又从左侧逐字出现并向右侧滚动,重复如此
FPGA:
代替单片机完成基础部分内容要求。
FPGA上的四个按键与单片机上的四个按键功能相同,。
可以实现从0.1到1.5的15个增益倍率档位变化,并且相应的增益值会在数码管上显示。
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