機械系統微機(wēijī)控制王志剛機械系機電(jīdiàn)教研室Email：jxxwzg@163.com10/21/20213:00PM精品資料機械系統單片機控制(kòngzhì)內容提要(nèirónɡtíyào):§1機械系統控制需求與單片機的發展§2MCS－51系列單片機結構與原理§3MCS－51單片機的指令系統§4MCS－51單片機匯編語言程序設計§5定時計數器§6串行接口§7中斷系統§8A/D與D/A接口§9單片機的系統擴展機械系統微機控制精品資料§1機械系統控制需求(xūqiú)與單片機的發展機械(jīxiè)系統控制需求:（1）實時數據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入；（2）實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規律，決定將要采取的控制行為。（3）實時控制輸出：根據控制決策，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。機械系統微機控制精品資料計算機控制系統(kònɡzhìxìtǒnɡ)的特點:1）結構上。計算機控制系統中除測量裝置、執行機構等常用的模擬部件之外，其執行控制功能的核心部件是數字計算機，所以計算機控制系統是模擬和數字部件的混合系統。2）計算機控制系統中除仍有連續(liánxù)模擬信號之外，還有離散模擬、離散數字等多種信號形式。3）由于計算機控制系統中除了包含連續(liánxù)信號外，還包含有數字信號，從而使計算機控制系統與連續(liánxù)控制系統在本質上有許多不同，需采用專門的理論來分析和設計。機械系統微機控制精品資料4）計算機控制系統中，修改(xiūgǎi)一個控制規律，只需修改(xiūgǎi)軟件，便于實現復雜的控制規律和對控制方案進行在線修改(xiūgǎi)，使系統具有很大靈活性和適應性。5）計算機控制系統中，由于計算機具有高速的運算能力，一個控制器（控制計算機）經常可以采用分時控制的方式而同時控制多個回路。6）采用計算機控制，如分級計算機控制、離散控制系統、微機網絡等，便于實現控制與管理一體化，使工業企業的自動化程度進一步提高.機械系統微機(wēijī)控制精品資料1.1.1計算機概述(ɡàishù)計算機發展(fāzhǎn)的變革發展代數年代速度體積成本可靠性特點第一代電子管計算機1946每秒幾千次至幾萬次龐大很高較低形成了計算機的基本體系，確定了程序設計的基本方法，數據處理機開始得到應用第二代晶體管計算機1958幾萬次至幾十萬次縮小降低提高工業控制機開始得到應用第三代中小規模集成電路計算機1965幾十萬次至幾百萬次進一步縮小進一步降低進一步提高機種多樣化，生產系列化，使用系統化，小型計算機開始出現第四代大規模集成電路計算機1971幾百萬次至幾千萬次更進一步縮小更進一步降低更進一步提高由幾片大規模集成電路組成的微型機開始出現第五代巨大規模集成電路計算機1986幾億次至上百億次更進一步縮小更進一步降低更進一步提高由一片巨大規模集成電路實現的單片機開始出現每5年運算速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍，體積縮小10倍。生產數量每年以25%的速度遞增。

精品資料計算機的組成(zǔchénɡ)計算機主要(zhǔyào)由運算器、控制器、存儲器、輸入設備及輸出設備5大部分組成由控制器產生一系列控制命令，控制計算機各部件自動地、協調一致地工作。控制器是計算機的指揮中心。運算器的功能是實現數據的算術邏輯運算，進行變量處理和數據傳送操作。輸入設備用來輸入數據與程序，以及向CPU發出請求命令。

輸出設備將計算機的有關數據或處理結果用數字和圖形等形式表示出來。

輸入設備

數據/程序

運算器存儲器控制器輸出設備結果運算器控制器CPU主機存儲器是計算機的重要組成部分，是存放數據與程序的部件。精品資料1.1.2微型(wēixíng)計算機的發展概況1、PC機：PC機系統全力實現海量高速數據處理，兼顧控制(kòngzhì)功能。2、單片機：單片機系統全力滿足測控對象的測控功能，兼顧數據處理能力。形成兩大分支：機械系統微機控制精品資料組成：CPU(進行運算、控制)RAM(數據存儲器)I/O口(串口、并口等)ROM(程序存儲器)PC機：上述部件以芯片形式安裝(ānzhuāng)在主板上。單片機：上述部件被集成到單芯片中。通用PC包括：鍵盤、顯示器、鼠標、硬/軟/光驅、音箱(yīnxiānɡ)、打印機、掃描儀…等外設。單片機則只是一片集成電路。（……100、48、40、32、28、20、16、8條引腳）。單片機與PC機之異同（1）機械系統微機控制精品資料功能：PC機：數據運算、采集(cǎijí)、處理、存儲、傳輸；單片機：控制（或受控于）外設。通用計算機擅長于數據運算、采集、處理、存儲和傳輸；單片機的專長則是測控，往往嵌入某個儀器/設備/系統中，使其達到(dádào)智能化的效果。單片機與PC機之異同（2）機械系統微機控制精品資料應用(yìngyòng)特點：PC機（微機）：單片機：體積小，功耗小，價格低，用途靈活，無處不在，屬專用(zhuānyòng)計算機。是一種特殊器件，需經過專門學習方能掌握應用，應用中要設計專業的硬件和軟件。單片機與PC機之異同（3）體積大，功耗大，價格高，用途較固定，屬通用計算機。易于學習掌握和使用，但用于控制時必須制作或購買專用的接口卡，并編制專門的應用軟件。機械系統微機控制精品資料通用(tōngyòng)計算機系統：是指以通用(tōngyòng)計算機及其構成的網絡作為支撐平臺，主要在其上面開發系統軟件與應用軟件，重點在于軟件開發。嵌入式計算機系統：簡稱為嵌入式系統，是指嵌入到對象體系中的專用計算機系統，其核心部件是嵌入式微處理器。嵌入式系統的最大特點是針對(zhēnduì)特定的對象、特定的場合、特定的環境定制，其硬件與軟件都必須是定制，因此，對于工程技術人員來說，開發嵌入式系統，其硬件設計與軟件設計必須并重。嵌入式計算機與通用計算機精品資料嵌入式計算機與通用(tōngyòng)計算機區別(qūbié)(1)嵌入式計算機與通用計算機的應用目的、應用環境以及對計算機技術發展的要求不相同。(2)嵌入式計算機實現嵌入式應用后不保持通用計算機的形態，而形成各種現代電子系統的形態。嵌入式計算機的特點(1)現場環境的可靠性。(2)嵌入式應用的空間限制性。(3)以控制功能為主的技術要求。(4)要有滿足對象要求的外圍電路的集成。機械系統微機控制精品資料單片機（嵌入式應用(yìngyòng)）屬于專用計算機，主要應用(yìngyòng)于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設備、汽車及軍事電子設備等應用(yìngyòng)系統。單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應用形態對于(duìyú)滿足嵌入式應用需求具有獨特的優勢。機械系統微機控制單片機與嵌入式系統單片機是在微電子技術發展到一定階段，通用計算機無法滿足嵌入式應用要求的背景下誕生的。單片機是最典型的嵌入式系統。精品資料單片機的發展(fāzhǎn)CPU存儲器控制電路定時器時鐘電路I/O口單片機什么是單片機?在一塊芯片體上集成了中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM或EPROM、定時器／計數器、中斷控制器以及串行和并行I／O接口(jiēkǒu)等功能部件，單芯片微型計算機，即單片機。機械系統微機控制精品資料單片機的硬件(yìnɡjiàn)結構特點1.采用(cǎiyòng)哈佛型系統結構

算術邏輯部件（ALU）控制部件中央處理器（CPU）輸入/輸出部件

數據存儲器（RAM）程序存儲器（ROM）哈佛型系統結構存儲器（RAM）

算術邏輯部件（ALU）控制部件中央處理器（CPU）輸入/輸出部件

馮·諾依曼型系統結構程序與數據均存儲在同一個存儲器上1.程序與數據分開存儲2.程序設計調試成功后，一次性永久固化到單片機的只讀芯片內1.1.3單片機硬、軟件結構及其特點機械系統微機控制精品資料單片機軟件結構及其特點(tèdiǎn)單片機軟件系統軟件應用軟件管理單片機系統資源，位于底層硬件與高層應用軟件間監控程序

操作系統

監控程序是用非常緊湊的代碼編寫的系統底層軟件。監控程序實現的功能，主要是實現系統硬件的管理與驅動，并內嵌一個用于系統的開機初始化、程序代碼下載及輔助調試等功能的引導（BOOT）模塊應用在硬件的支撐下用于實現系統的應用功能單片機系統資源的一個大型管理軟件。在其支持下，嵌入式系統具有更好的技術性能，如：程序的多進程結構，與硬件無關的設計特性，系統的高可靠性，軟件開發的高效率等等機械系統微機(wēijī)控制精品資料單片機軟件結構的3種模式(móshì)第一種模式——無系統軟件支撐模式在這種模式中，由單片機直接運行應用軟件。許多小規模的單片機應用系統就采用這種模式。第二種模式——監控程序支撐模式在這種模式中，由監控程序作為支撐平臺。一些中等規模的單片機應用系統常常采用這種模式。第三種模式——操作系統支撐模式在這種模式中，由操作系統作為支撐平臺。一些較大規模的單片機應用系統一般采用這種模式。機械系統微機(wēijī)控制精品資料1.1.4單片機的發展過程及產品(chǎnpǐn)近況1單片機的發展(fāzhǎn)過程單片機技術發展過程可分為三個主要階段：單芯片微機形成階段1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。

配置：

8位CPU、1K字節ROM、64B字節RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數器。

特點是：存儲器容量較小，尋址范圍小（不大于4K），無串行接口，指令系統功能不強。機械系統微機控制精品資料性能完善提高階段(jiēduàn)1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機：配置：8位CPU、4K字節ROM、128B字節RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數器。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。特點(tèdiǎn)是：結構體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(tèdiǎn)進一步突出。現在，MCS-51已成為公認的單片機經典機種。機械系統微機控制精品資料微控制器化階段(jiēduàn)特點是：片內面向測控系統外圍電路增強，使單片機可以方便(fāngbiàn)靈活地用于復雜的自動測控系統及設備。“微控制器”的稱謂更能反應單片機的本質。1982年，Intel推出MCS-96系列單片機。

配置：16位CPU、8K字節ROM、232字節RAM、5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I/O部件等。機械系統微機控制精品資料2單片機產品(chǎnpǐn)近況﹡ATMEL公司融入Flash存儲器技術(jìshù)的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；﹡華邦公司的W78C51、W77C51高速低價系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；﹡LG公司的GMS90/97低壓高速系列；﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC單片機。80C51系列單片機產品繁多，主流地位已經形成，近年來推出的與80C51兼容的主要產品有：機械系統微機控制精品資料非80C51結構單片機新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間(kōngjiān)，近年來推出的非80C51系列的主要產品有：﹡Intel的MCS-96系列(xìliè)16位單片機；﹡Microchip的PIC系列(xìliè)RISC單片機；﹡TI的MSP430F系列(xìliè)16位低功耗單片機。機械系統微機控制精品資料1.1.5單片機的特點(tèdiǎn)及應用領域1單片機的特點(tèdiǎn)近期推出的單片機產品，內部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴展總線、控制網絡總線和開發方式（如在系統編程ISP）等方面都有了進一步的增強。控制性能和可靠性高實時控制功能特別強，其CPU可以對I/O端口直接進行操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。另外，由于CPU、存儲器及I/O接口集成在同一芯片內，各部件間的連接緊湊，數據在傳送時受干擾的影響較小，且不易受環境條件的影響，所以單片機的可靠性非常高。機械系統微機控制精品資料體積小、價格低、易于(yìyú)產品化單片機芯片即是一臺完整的微型計算機，對于批量大的專用場合，一方面可以在眾多的單片機品種間進行匹配選擇；同時還可以專門進行芯片設計，使芯片的功能與應用具有良好的對應關系；在單片機產品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到8個或更少。從而使應用系統的印制板減小、接插件減少、安裝簡單方便。機械系統微機(wēijī)控制精品資料極強的布爾處理(chǔlǐ)能力由于(yóuyú)控制應用中往往存在很多開關量，因而對開關量的處理功能要強。具體表現在單片機的位尋址功能及對位的各種算術及邏輯處理和控制功能，這些功能就構成了一個布爾處理機環境。擁有較齊全的輸入/輸出接口及實時中斷功能

一般單片機上都配有并行接口、串行接口、計數/定時器，有的還配有A/D及D/A轉換器，以適應不同應用場合的需要。

有實時控制的特殊電路

包括掉電保護及復位電路，時間監視定時器電路等。機械系統微機控制精品資料以單片機為核心的應用(yìngyòng)系統廣泛應用(yìngyòng)于：智能儀器儀表；機電一體化產品實時工業控制；分布式系統的前端模塊；家用電器。機械系統微機(wēijī)控制精品資料2單片機的應用領域智能(zhìnénɡ)儀器儀表單片機用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能(zhìnénɡ)化，同時還簡化了儀器儀表的硬件結構，從而可以方便地完成儀器儀表產品的升級換代。如各種智能(zhìnénɡ)電氣測量儀表、智能(zhìnénɡ)傳感器等。機械系統微機控制精品資料機電(jīdiàn)一體化產品機電一體化產品是集機械技術、微電子技術、自動化技術和計算機技術于一體，具有智能化特征的各種機電產品。單片機在機電一體化產品的開發中可以發揮巨大的作用。典型產品如機器人、數控機床(shùkònɡjīchuánɡ)、自動包裝機、點鈔機、醫療設備、打印機、傳真機、復印機等。機械系統微機控制精品資料實時(shíshí)工業控制單片機還可以(kěyǐ)用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數的采集和控制均可以(kěyǐ)利用單片機方便地實現。在這類系統中，利用單片機作為系統控制器，可以(kěyǐ)根據被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現期望的控制指標，從而提高生產效率和產品質量。典型應用如電機轉速控制、溫度控制、自動生產線等。機械系統微機控制精品資料分布式系統的前端模塊(mókuài)在較復雜的工業系統中，經常要采用分布式測控系統完成大量的分布參數的采集。在這類系統中，采用單片機作為分布式系統的前端采集模塊，系統具有運行(yùnxíng)可靠，數據采集方便靈活，成本低廉等一系列優點。機械系統微機控制精品資料家用電器(jiāyònɡdiànqì)家用電器是單片機的又一重要(zhòngyào)應用領域，前景十分廣闊。如空調器、電冰箱、洗衣機、電飯煲、高檔洗浴設備、高檔玩具等。

另外，在交通領域中，汽車、火車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應用。如汽車自動駕駛系統、航天測控系統、黑匣子等。機械系統微機控制精品資料MCS-48系列(xìliè)單片機簡介1976年由美國INTEL公司于推出，是現代單片機的雛形，包含了數字處理的全部(quánbù)功能，外接一定的附加外圍芯片即構成完整的微型計算機，其主要的功能特征為：8位CPU(中央處理器)、內置程序存儲器(ROM)、隨機存取數據存儲器(RAM)和輸入輸出端口(I/O)全部集成在單一的芯片上而構成了完整的微型計算機。8位CPU。雙列直插40PinDIP封裝。所有指令均為1-2個機器周期。96條指令，大部分為單字節指令。2個工作寄存器。2個可編程定時/計數器。8層堆棧。單一+5V電源供電。使用6MHz外接石英晶體管振蕩器，此時機器周期為2.5us。與先期開發的8080和8085微處理器兼容。單片機系列概述精品資料MCS-51系列(xìliè)單片機簡介8位CPU4kbytes程序存儲器(ROM)128bytes的數據存儲器(RAM)32條I/O口線

111條指令，大部分為單字節指令

21個專用(zhuānyòng)寄存器2個可編程定時/計數器

5個中斷源，2個優先級一個全雙工串行通信口外部數據存儲器尋址空間為64kB外部程序存儲器尋址空間為64kB邏輯操作位尋址功能雙列直插40PinDIP封裝單一+5V電源供電

1980年由美國INTEL公司推出的產品，與MCS-48單片機相比，它的結構更先進，功能更強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令,指令數達111條。MCS-51系列單片機主要包括8031、8051和8751等通用產品，其主要功能如下：精品資料1MCS-51系列(xìliè)（1）MCS-51是Intel公司生產的一個單片機系列(xìliè)名稱。屬于這一系列(xìliè)的單片機有多種，如：

﹡8051/8751/8031；﹡8052/8752/8032；﹡80C51/87C51/80C31﹡80C52/87C52/80C32等

。

機械系統微機(wēijī)控制精品資料（2）該系列(xìliè)生產工藝有兩種：CHMOS是CMOS和HMOS的結合，既保持了HMOS高速