单片机系统的设计说明.docx

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单片机系统的设计说明

第4章单片机系统的设计

4.1引言

用V/F变换器作A/D转换时，通常由一些硬件电路如振荡器、二分频器、计数器和门电路组成，而由计数器计得的计数值即A/D转换结果再通过接口电路送入微计算机进行处理，较为复杂和不便，或者采用F/BCD变换电路将V/F变换器输出的频率信号变为BCD码再通过接口电路送入微计算机，也较为复杂，而且还要对BCD码进行变换。

这些方法成本都较髙。

本设计介绍一种以单片机直接与V/F变换器接口进行A/D转换的方法,不须额外的硬件电路，完全利用单片机部的硬件资源，简单方便，成本最低，大提高了V/F变换器作为A/D转换电路的可行性。

当前，单片机特别是Intel公司的MCS-51系列单片机已在智能仪器仪表和过程控制等方面得到广泛应用，大有取代Z80之势，因此A/D转换电路与单片机的接口方法也是人们所关注的。

下面将主要介绍MCS-51系列的单片机8031为主控器件的硬件电路。

4.2主控器Intel8031简介

Pl.0—

Pl.1—

Pl.2—

Pl.3—

Pl.4—

Pl.5—

Pl.6—

Pl.7—RST/VPD—RXDP3.0—TXDP3.1—INT0F3.2—INT\F3・3—

TOP3・4—

T1P3.5一莎P3.6——P3.7一RDXTALi—

XTAL：

—

Vss

图4-18031引脚图

Fig.4-18031cite-feetfigure

根据应用系统功能要求，考虑低成本、小体积等因素，本设计采用

Intel8031单片微计算机。

Intel8031是MCS-51系列单片机目前使用最多的一种基本产品，在它的部包括一个8位的CPU,128个字节的RAM,21个特殊功能寄存器（SFR）,4个8位并行I/O口，1个全双工的串行口，2个16位的定时器、计数器。

但Intel8031片无程序存储器，因此，必须外扩EOPROM芯片存放用户程序。

Intel8031的引脚配置如图4-1所示，40条引脚按功能来分，可分为三部分。

4.2.lintel8031的引脚

4.2.1.1电源及时钟引脚包括电源引脚％、Vss,时钟引脚XTAL,.XTAL2o电源引脚接入单片机的工作电源。

Vcc（40脚）：

接+5V电源；

Vss（20脚）：

接地。

时钟引脚外接晶体时与片的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的是时钟控制信号。

时钟引脚也可外接晶体振荡器。

XTAL,（19脚）：

接外部晶体的一个引脚。

在单片机部，它是一个反相放大器的输入端。

当采用外接晶体振荡器时，此引脚外接地。

XTALU18脚）：

接外部晶体的另一端在单片机部接至反相放大器的输出端。

若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到部时钟发生器的输入端。

4.2.1.2控制引脚包括RESET（即RST）、ALE、PSEN、鬲，此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复杂功能。

（1）RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）o复位后应使此引脚电平为W0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。

掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD）,以保值部RAM中的数据不流失。

当V“下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压围（5±0.5V）时，VPD就向部RAM提供备用电源。

（2）ALE/（30脚）当单片机访问外部存储器时，ALE（地址锁促允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。

即使不访问外部存储器，ALE端有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。

但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一

个ALE脉冲。

ALE端可以驱动8个TTL负载。

对于片具有EPROM型的单片机8751,在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲PROG。

（3）PSEN（29脚）此输出为单片访问外部程序存储器的读选通信号。

在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期区丽信号将不出现。

更丽同样可以驱动8个TTL负载.

（4）EA/VPI,（31脚）当亟端保持高电平时，单片机访问部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过OFFFH时，将自动转向执行外部程序存储器的程序。

当丟端保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有部程序存储器。

对8031来说，因其无部程序存储器，所以该脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。

4.2.1.3输入/输出引脚输入/输出（I/O）口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。

（1）P0口（P0.0〜P0.7）双向8位三态I/O口，此口为地址总线低8位及数据总线分时复用口，可带8个LSTTL负载。

（2）P1口（P1.0〜P1.7）8位准双向I/O口（作为输入时，口锁存器置1）,可带4个LSTTL负载。

（3）P2口（P2.0〜P2.7）8位准双向I/O口，与地址总线高8位复用，可驱动4个LSTTL负载。

（4）P3口（P3.0〜P3.7）8位准双向I/O口，为双功能复用口，可带4个LSTTL负载。

4.2.2Intel8031的部结构

单片机8031部总体结构如图4-2所示。

按功能划分，它由8个部分组成，即微处理器（CPU）、程序存储器（ROM/EPROM）、特殊功能寄存器（SFR）、I/O口、（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定时器/计数器及中断系统，它们是通过片单一总线连接起来的。

由于本设计选用的单片机为8031,所以它的片无程序存储器。

考虑到本设计的需要下面仅对8031的时钟和复位电路、存储器的扩展作详细的介绍。

电平为TTL逻辑，故外接一个4.7〜10kQ的上拉电阻。

图4-38031时钟电路

Fig.4-3ClockcircuitofSCM8031

（3）部方式时钟电路；（b）外部方式时钟电路

（a）Insidemodeclockcircuit；（b）Exteriormodeclockcircuit

（2）8031的复位方式通常有上电自动复位和按钮复位两种，上电复位电路原理如图4-4（a）所示，而图4-4（b）为兼有上电复位和按钮复位的复位电路。

图4-4复位电路

Fig.4-4Replacementcircuit

上电复位的工作原理是：

通电瞬间，RC电路充电，RST端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效复位。

当振荡频率选用6MHz时，C取22“F,斤取1KQ。

在需要人工复位大的情况下，按动按钮，RST端出现髙电平，便能可靠的实现复位。

此时兀取200Q,仏取1KQo

在实际的应用系统中，若有外部扩展的I/O接口电路也需要初始复位，如果它们的复位端与8031的复位端相连，复位电路中的爪C参数要受到影响，此时需要重新调整只C参数以保证可靠的复位。

如果8031的复位与外部I/O口的复位不要求同步，外围I/O接口的复位端可以不和8031的复位端相连，外围I/O接口电路可采用独立的上电复位电路。

4.3Intel8031存储器的扩展

8031单片机的程序存储器空间，数据存储器空间是相互独立的。

8031部无程序存储器，外部程序存储空间最大可扩展至64KB。

外部数据存储器（简称外部RAM）的地址空间最大也可扩至64KBo由于8031的数据存储器和I/O地址空间是统一编址的，在64KB的外部RAM空间，可划出一定的区间作为外部扩展接口的地址空间。

程序存储器的扩展：

由于选用的单片机Intel8031片无程序存储器，所以必须接在单片机Intel8031的外部扩展一片程序存储器作为程序的存储单元。

在本设计中，

选用EPROM作为单片机Intel8031的外部扩展程序存储器。

EPROM是可擦除、可编程只读存储器，由独立的编程器进行编程（烧程序）。

EPROM可重新改写程序，但通常要把EPROM芯片从系统中折下来，放到紫外线下照射才能擦除，然后才能重写。

常用的EPROM程序存储器的芯片有：

2716（2KX8）、2732（4KX8）、2764（8KX8）、27128（16KX8）、27256（32KX8）、27512（64KX8）。

图4-5和表4-1给出了2716芯片的端子图和常见的EPROM芯片的主要技术指标。

VccAsA9VppOEA“CSQ7〜Qi

）2716

A?

〜A（）Qo〜Q?

GND

图4-5芯片2716的引脚图

Fig.4-5Cite-feetof2713CMOSchip

表4-1常见的EPROM芯片的主要技术指标

Table4~lMostlytechniqueguidelineoffami1iarchipEPROM

型号

2716

2732

2764

27128

27256

27512

容量（字节）

2K

4K

8K

16K

32K

61K

端子数

24

21

28

28

28

28

读出时问/ns

350-450

200

200*

200®

200*

170*

最大工作电流/mA

100

100

75

100

100

125

最大维持电流A1A

35

35

35

40

40

40

①EPROM的读出时问按型号而定，一般在100-300ns问，表中列出的为典型值。

图4-5中涉及的端子符号的意义如下：

（1）Ao〜Ai地址输入线，匸10〜11；

（2）Q°〜Q?

三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线。

维持或编程禁止时呈髙阻态。

（3）CE选片信号输入线，“0”（即TTL低电平）有效。

（4）PGM编程脉冲输入线。

（5）近读选通信号输入线，“0”有效。

（6）V...,编程电源输入线，Vi*值因芯片型号和制造厂商而异。

（7）Vcc电源输入线，一般为+5Vo

（8）GND线路地。

程序存储器的扩展时，除必须有EPROM芯片，还必须有锁存器芯片。

常见的锁存器芯片有三态缓冲输出的入口锁存器74LS373和带清除端的入口锁存器74LS373及74LS373的功能表4-2。

表4-274LS373的功能表

Table4~2Functiontableof74LS373

OE

G

功能

0

1

直通（0=D）

0

0

保持（o,保持不便）

1

X

输出高阻

图4-6锁存器74LS373的引脚图

Fig.4-6Cite-feet74LS373flip-latch

如图4-6所示为74LS373的外部引脚结构。

当亦为低电平时，芯片处于导通状态。

G称为数据输入线，当亦为低电平时，如果G输入端为高电平，锁存器输出端（Q】〜QQ和输入端（口〜DQ状态相同；如果G端从高电平返回到低电平（下降沿），输入端（B〜DQ的数据锁入Q】〜氐的8位锁存器中。

74LS373的锁存控制端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。

本设计选用2KBEPROM2716作为单片机Intel8031的外部扩展程序存储器，它与单片机的连接图，如图4-7所示。

图4-7EPROM2716与单片机8031的连接图

Fig.4-7ConnectingfigureofE