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材料成型設(shè)備與控制（微計(jì)算機(jī)控制基本原理）

時(shí)間 : 2022年7月9日分類 :工程百科

4.1.1 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用系統(tǒng)

　　單片機(jī)內(nèi)部含有微處理器CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口等多個(gè)功能部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。
　　

圖4-1 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)畫(huà)講解	圖片說(shuō)明

　　為了滿足一些應(yīng)用系統(tǒng)的特殊要求，如在一些工業(yè)控制系統(tǒng)中，有時(shí)要進(jìn)行一些系統(tǒng)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)以彌補(bǔ)單片機(jī)內(nèi)部資源的不足。單片機(jī)的擴(kuò)展系統(tǒng)通過(guò)并行I/O接口或串行I/O接口做總線，在外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或輸入/輸出接口及其他功能部件以滿足一些控制系統(tǒng)的特殊要求。單片機(jī)的擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。單片機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。
　　

圖4-2 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)畫(huà)講解	圖片說(shuō)明

圖4-3 單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)畫(huà)講解	圖片說(shuō)明

　　4.1.2 8031微處理器

　　8031采用40條引腳雙列直插式器件，引腳除5V（ 40腳）和電源地（ 20腳）外，其功能分為時(shí)鐘電路、控制信號(hào)、輸入/輸出三大部分，邏輯框圖及引腳配置如圖4-4所示。　　
　　

圖4-4 邏輯框圖及引腳配置圖

　　8031單片機(jī)引腳說(shuō)明如下所述。

　　1．時(shí)鐘電路

　　XTAL1（19腳）――芯片內(nèi)部振蕩電路（單級(jí)反相放大器）輸入端。

　　XTAL2（18腳）――芯片內(nèi)部振蕩電路（單級(jí)反相放大器）輸出端。
　　2．控制信號(hào)

　　 RST（9腳）復(fù)位信號(hào)：時(shí)鐘電路工作后，在此引腳上將出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，芯片內(nèi)部進(jìn)行初始復(fù)位，P0口～P3口輸出高電平，將初值07H寫(xiě)入堆棧指針。

　　 ALE（30腳）地址鎖存信號(hào)：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口輸出的低8位地址由ALE輸出的控制信號(hào)鎖存到片外地址鎖存器，P0口輸出地址低8位后，又能與片外存儲(chǔ)器之間傳送信息。ALE可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門(mén)。

　　（29腳）片外程序存儲(chǔ)器讀選通：低電平有效，作為程序存儲(chǔ)器讀信號(hào)，輸出負(fù)脈沖，將相應(yīng)的存儲(chǔ)單元的指令讀出并送到P0口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門(mén)。

　　（30腳）內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)：當(dāng)為高電平且PC值小于0FFFH（4K）時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器程序；當(dāng)為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器程序。

　　3．I/O接口

　　 P0口（P0.0～P0.7，39～32腳）三態(tài)雙向口：P0口結(jié)構(gòu)包括一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)緩沖器、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)輸出控制端。P0口做地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。若從P0口輸出地址數(shù)據(jù)信息，此時(shí)控制端為高電平，若從P0口輸入數(shù)據(jù)指令信息時(shí)，引腳信號(hào)應(yīng)從輸入三態(tài)緩沖器進(jìn)入地址總線，它可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門(mén)。P0～P3口上的“讀-修改-寫(xiě)”功能，其操作是先將字節(jié)的全部8位數(shù)讀入，再通過(guò)指令修改某些位，然后將新的數(shù)據(jù)寫(xiě)回到口鎖存器中。

　　 P1口（P1.0～P1.7，1～8腳）準(zhǔn)雙向口：P1口做通用I/O接口使用，P1口的每一位口線能獨(dú)立地作用于輸入線，P1口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門(mén)。

　　 P2口（P2.0～P2.7，21～28腳）通用I/O接口：它做通用I/O接口使用時(shí)，是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，此時(shí)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MUX倒向左邊，輸出極與鎖存器相連，引腳可作為用戶I/O口線使用，輸入/輸出操作與P1口完全相同，P2口做地址總線使用。當(dāng)系統(tǒng)中接有外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口用于輸出高8位地址A8～A15，這時(shí)在CPU控制下，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MUX倒向右邊，接通內(nèi)部地址總線。P2口的口線狀態(tài)取決于片內(nèi)輸出的地址信息，這些地址信息來(lái)源于PC、DPTR等。在外接程序存儲(chǔ)器中，由于訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器操作連續(xù)不斷，P2口不斷送出地址高8位。8031中P2口一般只做地址總線使用，不再做I/O接口直接連外部設(shè)備。

　　 P3口（P3.0～P3.7，10～17腳）雙功能口：P3口做通用I/O接口使用。輸出功能控制線為高電平，與非門(mén)的輸出取決于鎖存器的狀態(tài)，此時(shí)鎖存器Q端的狀態(tài)與其引腳狀態(tài)是一致的。在這種情況下，P3口的結(jié)構(gòu)和操作與P1口相同。P3口第二功能是可作為系統(tǒng)具有控制功能的控制線，如表4-1所示。P3口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL門(mén)電路。

表4-1 P3口第二功能定義

口　　　線	第二功能
P3.0	RXD（串行輸入口）
P3.1	TXD（串行輸出口）
P3.2	（外部中斷0輸入）
P3.3	（外部中斷1輸入）
P3.4	T0（外部計(jì)數(shù)器0觸發(fā)輸入）
P3.5	T1（外部計(jì)數(shù)器1觸發(fā)輸入）
P3.6	（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）
P3.7	（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

　　4.1.3 存儲(chǔ)器

　　單片機(jī)在存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)上，其共同特點(diǎn)是將程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)，它們有各自的尋址方式。8031片內(nèi)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)還具有強(qiáng)大的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展能力，存儲(chǔ)器是單片機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分。在一片芯片內(nèi)除了許多基本的記憶單元構(gòu)成的存儲(chǔ)矩陣外，還包括譯碼驅(qū)動(dòng)電路，讀寫(xiě)電路等。圖4-5為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的基本結(jié)構(gòu)框圖。
　　

圖4-5 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的基本結(jié)構(gòu)框圖

　
　　1．單片機(jī)存儲(chǔ)器分類
　　MCS-51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器可分五類：程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、特殊功能寄存器、位尋址區(qū)、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器I/O接口。
　　程序存儲(chǔ)器：存放程序的存儲(chǔ)器稱為程序存儲(chǔ)器。程序存儲(chǔ)器是以程序計(jì)數(shù)器PC做地址指針的，MCS-51單片機(jī)的程序計(jì)數(shù)器為16位，因此可尋址的空間為64KB。8031系統(tǒng)中沒(méi)有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，0000H～0FFFH都是外部程序存儲(chǔ)器空間。
　　內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的編址為00H～7FH。不同的地址區(qū)域內(nèi)，功能不完全相同。單片機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一是工作寄存器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。MCS-51內(nèi)部RAM的00H～1FH為工作寄存器區(qū)，共分4個(gè)區(qū)，每區(qū)有8個(gè)寄存器。當(dāng)前程序使用的工作寄存器區(qū)，是由狀態(tài)字PSW的第3、4位指示的，PSW的狀態(tài)和工作寄存器區(qū)的關(guān)系如表4-2所示。

表4-2 工作寄存器區(qū)選擇表

PSW.4 （RS1）	PSW.3 （RS0）	當(dāng)前使用的工作寄存器區(qū) （R0～R7）
0	0	0區(qū)（00H～07H）
0	1	1區(qū)（08H～0FH）
1	0	2區(qū)（10H～17H）
1	1	3區(qū)（18H～1FH）

　　
　　特殊功能寄存器區(qū)：8031內(nèi)的I/O鎖存器、定時(shí)器、串行接口數(shù)據(jù)緩沖器以及各種控制狀態(tài)寄存器和狀態(tài)寄存器都是以特殊功能寄存器的形式出現(xiàn)的，它們零散地分布于80H～FFH的地址空間范圍內(nèi)，特殊功能寄存器具有各自的地址空間映像。

　　位尋址空間：MCS-51的位尋址空間為00H～7FH，為內(nèi)部RAM中20H～2FH的16個(gè)單元的128位，凡是字節(jié)地址能被8整除的特殊功能寄存器都具有位地址，它們零散地分布在80H～FFH的空間內(nèi)。

　　外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器I/O接口：8031提供了擴(kuò)展64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和輸入/輸出口的能力，它具有十分廣泛的應(yīng)用。

　　2．程序存儲(chǔ)器EPROM27C040

　　1）EPROM27C040的結(jié)構(gòu)和特性

　　可擦除電路芯片的玻璃窗口能夠在紫外光照射下20 min左右之后，使存儲(chǔ)器的信息全變?yōu)椤?”。通過(guò)相應(yīng)的編程器將工作程序固化到這些芯片上，便可成為8031的外部存儲(chǔ)器。EPROM的價(jià)格低廉、性能可靠、靈活方便且使用普遍。圖4-6是27C040的引腳圖和邏輯符號(hào)圖。
　　

圖4-6 27C040引腳圖和邏輯符號(hào)圖

　　
　　27C040電路是32線雙列直插式封裝，各引腳符號(hào)意義如下。

　　A0～A18：地址輸入線。

　　Q0～Q7：三態(tài)數(shù)據(jù)總線，讀或編程校驗(yàn)時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線，編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入線，維持或編程禁止時(shí)呈高阻狀態(tài)。

　　：片選線，輸入低電平有效。

　　：讀出選通線。

　　：編程電源線。

　　：電源線，接 5V。

　　GND：接地。

　　2）27C040芯片主要技術(shù)指標(biāo)

　　27C040芯片主要技術(shù)指標(biāo)如表4-3所示。

表4-3 27C040芯片主要技術(shù)指標(biāo)

技術(shù) 指標(biāo)	27C040芯片
容量/KB	512
引腳數(shù)	32
讀出時(shí)間/ns	200
最大工作時(shí)間/ns	100
最大維持電流/mA	40

　　3）27C040的操作方式

　　編程方式：把程序代碼（機(jī)器指令碼或常數(shù)）固化到EPROM中。

　　編程校驗(yàn)方式：讀出EPROM中的內(nèi)容，校驗(yàn)編程操作的正確性。

　　讀出方式：CPU從EPROM中讀出指令和常數(shù)。

　　維持方式：數(shù)據(jù)端呈高阻。

　　編程禁止方式：用于多片EPROM并行編程。

　　4）27C040方式選擇

　　27C040芯片方式選擇如表4-4所示。

表4-4 27C040方式選擇

　　　　　　　注：“H”表示高電平；“L”表示低電平；“X”表示不定值。

　　5）EPROM27C040的編程

　　設(shè)置計(jì)數(shù)器C的初值為0，首先發(fā)一個(gè)1ms寬的編程脈沖，將一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入一個(gè)單元，C加1；然后讀該單元，若讀出內(nèi)容與寫(xiě)入內(nèi)容不符，則再發(fā)一個(gè)1ms寬的脈沖寫(xiě)入該單元，C再加1；然后再讀再比較……若在第n次（n＜25）讀出與寫(xiě)入內(nèi)容相符則為信息穩(wěn)定。接下來(lái)清零計(jì)數(shù)器C，編程下一個(gè)單元。

　　6）EPROM27C040的擦除

　　用專門(mén)設(shè)備進(jìn)行擦除操作，通常將EPROM芯片在紫外線擦除器紫光燈下照射15～30min，便可將芯片擦除干凈，擦除后的EPROM各單元的信息均為“1”。若總是擦不干凈，則芯片可能已經(jīng)老化或損壞。

　　3．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM6264

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)采集的原始數(shù)據(jù)、運(yùn)行結(jié)果等。外部數(shù)據(jù)應(yīng)能隨機(jī)讀/寫(xiě)，通常由半導(dǎo)體靜態(tài)隨機(jī)讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM組成。EPROM芯片也可作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，且掉電后信息不丟失。在8031系統(tǒng)中，最常見(jiàn)的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM電路有6116和6264等型號(hào)。

　　1）6264為24腳雙列直插式器件，其引腳圖和邏輯符號(hào)圖如圖4-7所示。

　　A0～A12：地址輸入線。

　　D0～D7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。

　　：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。

　　CE2：片選信號(hào)輸入線，高電平有效，可用于掉電保護(hù)。

　　：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效。

　　：寫(xiě)允許信號(hào)輸入線，低電平有效。

　　：工作電源電壓（ 5V）。

　　GND：電源地。
　　

圖4-7 6264引腳圖和邏輯符號(hào)圖

　　2）6264芯片主要技術(shù)指標(biāo)如表4-5所示。6264操作方式選擇如表4-6所示。

表4-5 6264技術(shù)指標(biāo)

技術(shù) 指標(biāo)	6264芯片
存儲(chǔ)容量/KB	8
存取時(shí)間/ns	200
利用工藝	CMOS
引　腳　數(shù)	28

表4-6 6264操作方式選擇

			方　　式	功　　能
0	0	1	寫(xiě)	D0～D7上內(nèi)容寫(xiě)入A0～A10對(duì)應(yīng)單元
0	1	0	讀	A0～A10對(duì)應(yīng)單元內(nèi)容輸出到D0～D7
0	X	X	非選	D0～D7呈高阻

　　　　　　　注：X表示不定值。

　　4．地址鎖存器74LS373

　　74LS373地址鎖存器結(jié)構(gòu)原理圖、電路連接圖和引腳圖如圖4-8所示，功能如表4-7所示。
　　

圖4-8 74LS373結(jié)構(gòu)原理圖、電路連接圖和引腳圖

表4-7 74LS373功能表

E	G	功　　能
0	0	直通Qi = Di
0	1	保持（Qi保持不變）
1	X	輸出高阻

　　　　　　　注：X表示不定值。

　　4.1.4 微計(jì)算機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例
　　1．焊接過(guò)程語(yǔ)音提示卡微處理器選擇

　　微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的中心，所有的操作指令都是由微處理器進(jìn)行控制的，它具有運(yùn)算和控制功能。具體地說(shuō)，就是從存儲(chǔ)器中取出指令進(jìn)行分析，并執(zhí)行所規(guī)定的操作。在語(yǔ)音卡提示系統(tǒng)中，微處理器根據(jù)焊接過(guò)程出現(xiàn)的各種具體情況，實(shí)時(shí)地做出判斷，根據(jù)需要從存儲(chǔ)器中取出事先存好的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，要交由單片機(jī)讀出并傳給語(yǔ)音芯片發(fā)聲，從而達(dá)到提醒操作者的目的。

　　在該焊接過(guò)程語(yǔ)音卡提示系統(tǒng)中，微處理器選擇的是MCS-51系列的80C31單片機(jī)。

　　2．系統(tǒng)總線擴(kuò)展

　　地址總線A0～A15（16位）

　　80C31允許用戶擴(kuò)展64KB外部程序存儲(chǔ)器和64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。故系統(tǒng)必須提供16位地址線。P0口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，由于地址鎖存信號(hào)ALE的下降沿把P0.0～P0.7端口上的低8位地址信號(hào)鎖存到地址鎖存器中（即由ALE將P0.0～P0.7定義成地址低8位），成為系統(tǒng)地址線的A0～A7；P2口在系統(tǒng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，由P2.0～P2.7送出地址高8位A8～A15，從而構(gòu)成系統(tǒng)的16位地址總線。

　　數(shù)據(jù)總線D0～D7（8位）

　　P0口作為系統(tǒng)的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口，在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，即在取指令周期程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)有效時(shí)，P0口作為數(shù)據(jù)總線將出現(xiàn)指令信號(hào)；在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器期間，當(dāng)讀與信號(hào)有效時(shí)，P0口上將出現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)，此P0.0～P0.7就是系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線信息D0～D7。

　　控制總線（12位）

　　即P3口的第二功能狀態(tài)加上控制線，， ALE和。
　　3．程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
　　在單片機(jī)系統(tǒng)中，片內(nèi)的存儲(chǔ)量往往不夠用，必須外接存儲(chǔ)芯片。尤其是80C31片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，必須外接。有時(shí)隨機(jī)的數(shù)據(jù)量大，還要外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在焊接過(guò)程語(yǔ)音卡提示系統(tǒng)中，80C31片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，所以必須外接EPROM作為程序存儲(chǔ)器，用以存儲(chǔ)語(yǔ)音提示過(guò)程中的操作指令系統(tǒng)。80C31的引腳EA必須接地，CPU總是執(zhí)行外部EPROM中的固化程序。其邏輯電路圖如圖4-9所示。
　　

圖4-9 程序存儲(chǔ)器邏輯電路圖

　　4．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
　　在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理時(shí)，80C31系統(tǒng)中僅僅片內(nèi)的RAM存儲(chǔ)器是不夠的，在這種情況下，我們必須對(duì)RAM進(jìn)行外部擴(kuò)展以增大存儲(chǔ)器的容量。在該系統(tǒng)中利用了RAM6264進(jìn)行外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，具體邏輯框圖如圖4-10所示。
　　

圖4-10 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的具體邏輯框圖

　　5．語(yǔ)音芯片與微處理器連接圖

　　語(yǔ)音芯片與微處理器連接圖如圖4-11所示。
　　

圖4-11 語(yǔ)音芯片與微處理器連接圖

　　6．焊接過(guò)程語(yǔ)音卡提示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
　　焊接過(guò)程語(yǔ)音卡提示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-12所示?！　?/p>

圖4-12 焊接過(guò)程語(yǔ)音卡提示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖