测控课程设计最小系统设计实验报告.docx
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测控课程设计最小系统设计实验报告
测控课程设计-最小系统设计实验报告
本科学生学年论文
论文题目：
单片机最小系统测控课程设计
学院：
电子工程学院
年级：
专业：
自动化
姓名：
学号：
指导教师：
2016年5月1日
摘要
意义：
单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机,现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机如：
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机，而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作，汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。
因此单片机地研究前景比较广阔。
结合本专业选取8051单片机作为研究方向。
内容：
单片机最小系统中应用到的芯片、外设及接口电路等，通过扩展单片机外设，包括单片机储存器、数模转换、模数转换、数码管显示模块和键盘输入模块，并将软件设计和外围芯片结合来实现最小系统的功能；掌握单片机系统设计与实施的一般原则，基本实现从理论到实践行动，巩固所学的知识；同时学会微机系统的硬件和基础软件设计，学习硬件和软件系统的设计经验，以及基本的技能和调试。
成果：
单片机可靠性高、便于扩展、控制功能强、低电压、低功耗、片内存储量小、集成度高、应用于社会生活的各个方面。
关键词
关键词：
单片机；数模转换器；模数转换器；光电隔离；掉电保护；接口扩展
Abstract
Meaning:
thesinglechipprocessoristhemostsuitablefortheembeddedsystem,soithasthemostapplication.InfactSCMistheworld'slargestnumberofcomputers,modernhumanlifeinalmosteverypieceofelectronicandmechanicalproductswillbeintegratedsinglechipsuchas:
mobilephone,telephone,calculator,householdappliances,electronictoys,palmcomputersandcomputeraccessoriessuchasamouseareequippedwith1-2SCMandPCwillalsohavealargenumberofSCMinthework,thegeneralcarwithmorethan40SCM,complexindustrialcontrolsystemsmayhaveevenhundredsofSCMtoworkatthesametime!
SCMisnotonlyfarmorethanthenumberofPCmachinesandothercomputing,evenmorethanthenumberofhuman.Sotheresearchprospectofsinglechipcomputerisquitebroad.Combinedwiththeprofessionalselectionof8051singlechipastheresearchdirection.
Content:
minimumsystemofmicrocontrollerisappliedtothechip,peripheralsandinterfacecircuit,byextendingMCUperipherals,includingSCMstorage,digitaltoanalogconversion,analogtodigitalconversion,digitaltubedisplaymoduleandakeyboardinputmoduleandwillsoftwaredesignandperipheralchipsarecombinedtoachievethefunctionoftheminimumsystem;masterMCUsystemdesignandimplementationofthegeneralprinciples,thebasicrealizationoffromtheorytopractice,consolidatethelearnedknowledge;andatthesametime,learnthemicrocomputersystemhardwareandsoftwaredesign,learningexperienceinthedesignofhardwareandsoftwareofthesystem,andthebasicskillsanddebugging.
Results:
singlechipwithhighreliability,easyextension,strongcontrolfunction,lowvoltage,lowpowerconsumption,smallchipstorage,highintegrationandapplicationinallaspectsofsociallife.
Keywords
Keywords:
SCM;DAC;ADC;photoelectricisolation;poweroffprotection;interface
摘要……………………………………………………………………………………………I
关键……………………………………………………………………………………………………I
Abstract…………………………………………………………………………………………….….II
Keyword……………………………………………………………………………………...…….…II
前言…………………………………………………………………………………………………….1
（一）单片机简述………………………………………………………………………………………….2
1.1单片机c8051简述………………………………………………………………..……………….2
1.2单片机发展趋势……………………………………………………………………..…………….3
1.3单回路控制器………………………………………………………………………………………4
1.4设计思想……………………………………………………………………………………………4
（二）单片机外部设备扩展……………………………………………………………………………….5
2.1外部数据存储器和程序存储器扩展及掉电保护………………………………………..…………..5
2.1.1晶振接口设计……………………………………………………………………………………5
2.1.2复位电路设计…………………………………………………………………………………….5
2.1.3地址锁存器74LS374…………………………………………………………………………….6
2.1.4外部数据存储器扩展…………………………………………………………………………….6
2.1.5掉电保护………………………………………………………………………………………….7
2.2外部接口扩展…………………………………………………………………………………………..7
2.2.1DAC0830电压输出电路…………………………...…………………………………………….7
2.2.2电压变化电路……………………………………………………………………………………8
2.2.3AD转换…………………………………………………………………………………………...9
2.2.4电压/电流变换电路……………………………………………………………………………..9
2.3模拟输入、光电隔离及采样保持器………………………………………………………………….10
2.3.1模拟输入和光电隔离…………………………………………..……………………………….10
2.3.2采样保持器……………………………………………………………………………………...11
2.4LED显示扩展…………………………………………………………………………………………12
2.4.18155H与单片机接口设计………………………………………………………………………12
2.4.2按键扩展…………………………………………………………...…………………………..13
2.4.3LED显示器……………………………………………………………………………………..14
2.5开关量………………………………………………………………………………………………...15
2.5.1开关量输入电路……………………………………………………………………………….15
2.5.2开关量输出…………………………………………………………………………………….15
2.6看门狗及复位电路……………………………………………………………………………….16
结论………………………………………………………………………………………………………...16
参考文献…………………………………………………………………………………………………...16
附电路原理图……………………………………………………………………………………………...17
附PCB制版图………………………………………………………………………………………………18
前言
自从1972年Intel公司推出第一颗微处理器以来，计算机技术遵循着摩尔先生提出的摩尔定律，以每18个月为一个周期微处理器性能提高一倍、价格降低一半的速度快步向前发展。
以微处理器为核心的微型计算机在最近20年中发生了巨大的变化，闪电般地经历了从8088/8086到286、386、486、586、P-Ⅱ、P-Ⅲ等奔腾（Pentium）系列众多CPU的飞跃。
计算机对整个社会进步的影响有目共睹，其应用面的迅速拓宽，对个人与社会等多方面的渗透表明，计算机技术已不再是深踞于高层次科技领域里的宠儿，它已经深入到社会活动的一切领域之中，闯进了平常百姓的生活里，使人们跨入了信息时代
随着电子技术的发展和近代超大规模集成电路的出现，通过对计算机的功能部件进行剪裁及优化，将CPU、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、并行I/O口（PIO）、串行I/O口（SIO）、定时/计数器（CTC）及中断控制器（ICU）等基本部件集成在一块芯片中，制成了单芯片微型计算机（SingleChipmicrocomputer），简称单片机，又叫微控制器（MicroControllerUnit，简称MCU）。
由于它能嵌入到某个电路或电子产品设备中，故被称为嵌入式控制器（EmbeddedController）。
要把前面提到的众多功能集合在一起，在过去需要具备专门的知识，采用许多电路组建成一个电子系统来实现。
而今却简化成只需选择一片合适的单片机，并对其已有的功能、指标、参数及引脚进行合理的使用即可完成。
20世纪90年代，单片机在我国迅速普及。
在电子技术日新月异的今天，在人们的生活里，到处都可以看到单片机的具体应用。
单片机可以嵌入到各种电子产品之中，成为机电产品的核心部件，控制着各种产品的工作。
随着大规模集成电路的发展，单片机已从过去的单一品种，发展成为多品种、多系列机型，内部结构从过去的基本部件发展到集成有A/D、D/A、监控定时器（WDT）、通信控制器（CCU）、脉宽调制器（PWM）、浮点运算器（FPU）、模糊控制器（FCU）、数字信号处理器（DSP），以及具有I2C、SPI、ISP等众多特殊功能部件，成为功能越来越强的增强型、高档型单片机。
由于单片机具有功能强、体积小、功耗低、成本低、裸机编程、软件代码少、工作可靠、自动化程度高、实时响应速度快以及使用方便等特点，因此被广泛应用于工业制造、过程控制、数据采集、通信、智能化仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军工及消费类电子产品中。
现今，炙手可热的“三网”（即电信网、有线电视网、国际互联网）融合产品、物联科技已开始兴起；在汽车中普遍都需要有30多个单片机被用于其中的空调、音响、仪表盘、自动窗、遥控门、自控前后盖、空气质量监测、反射镜角度调整、自动灭火、防盗报警等的控制，协调控制着发动机、传动器、制动器、安全气囊、车载全球定位系统（GPS）等多方面有条不紊地工作；此外，还有工业自动化控制和军事科技等。
这些领域的应用开发都还存在许多技术问题尚要解决，这正是电子技术人员可以大展拳脚的领域。
（一）单片机概述
1.1单片机c8051简述：
C8051F单片机中有丰富的模拟和数字资源，并采用了一些在单片机中前所未有的新技术，在CPU内核的内部和外部有几项关键性的改进。
提高了整体性能，更易于在最终使用中使用。
下面对C8051F单片机的主要特点加以介绍。
高速CIP-51内核，C8051F单片机使用Silabs的专利CIP-51核。
CIP-5核采用流水线结构，机器周期由标准8051F的12个系统时钟同期降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高。
在采用相同振荡器频率的情况下，C8051F单片机的峰值执行速度的标准8051的12倍。
大部分C8051F单片机的峰值性能达到25MIPS，而8051F12X系列的峰值性能达到100MIPS。
CIP-51扩展了标准的中断系统，这个扩展的中断系统可以提供22个中断源（标准8051F只有7个中断源）允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，却有更高的执行频率。
在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。
丰富的模拟和数字资源，C8051F单片机内部集成了大量的模拟和数字资源。
模拟资源主要包括：
1）由逐次逼近型ADC、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成的完整ADC子系统。
ADC可以由多种转换启动方式，10位或12位的ADC数据字可以被编程为左对齐或右对齐方式。
大部分器件中的ADC都可被编程差分输入或单端输入。
ADC子系统可以产生窗口比较中断，即当ADC数据位于一个规定的窗口之内或之外时向CPU申请中断，这一特性允许用ADC以后台方式监视一个关键电压，当转换数据位于规定的窗口之内时才向CPU申请中断。
2）数、模转换器（DAC）。
大部分C8051F器件内部有一个或两个电压输出DAC子系统。
C8051F02X的DAC还有灵活的输出更新机制，允许用软件命令和定时器2、定时器3及定时器4的溢出信号更新DAC输出。
3）模拟比较器。
大多数C8051F单片机内部都有两个模拟电压比较器。
可以用软件设置比较器的回差电压。
每个比较器都能在上升沿或下降沿产生中断，或在两个边沿都产生中断，比较器得我输出状态可以用软件查询。
可通过设置交叉开关端11MUX将比较器的输出接到端口I/O引脚。
数字资源主要包括：
1）标准8052单片机的数字资源。
如三个16位定时器/计数器,256字节内部RAM,UART等.
2）片内可编程计数器/定时器阵列（PCA）.PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和3-6个可编程的捕捉/比较模块.PCA的时钟源可以是系统时钟分频、定时器溢出、外部时钟输入、外部振荡源分频等。
每个捕捉/比较模块都有多种工作方式：
如边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、脉冲宽度调制器、频率输出等。
3）SPI总线和SMBus/I2C总线。
大部分C8051F单片机中集成了SPI总线和SMBus/I2C总线。
这些串行总线不“共享”定时器、中断或端口I/O，所以可以使用任何一个或全部同事使用。
多源复位C8051F单片机可有多达7个复位源：
一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器O提供的电压检测器、一个强制软件复位、CNVSTR引脚及外部复位引脚。
外部复位引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到外部复位引脚。
除了VDD监视器复位和外部引脚复位以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止。
双重系统时钟：
C8051F单片机内部有一个能独立工作的时钟发生器件并具有外部振荡器驱动电路。
在复位后内部时钟发生器被默认为系统时钟。
外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐震器、电容、RC电路或外部时钟源产生系统时钟。
如果需要，时钟源可以在运行期间在内部振荡器和外部振荡器之间切换。
这种时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速的内部振荡器。
可编程数字I/O和交叉开关
1.2单片机发展趋势
集成更多功能及兼容性目前微控制器的另一个发展趋势是在芯片上集成更多的功能,如模拟功能,包括模拟比较器,AD和DA转换等。
PHILIPS的P87LPC76X系列单片机中就有两个模拟比较器,输入和输出选择允许比较器配置成不同模式;还有外围功能,如USB（UniversalSerialBUS）、LCD（液晶显示）、CAN（ControllerAreaNetwork）、硬件加速器等。
USB是解决PC机环境工业标准连接的有效途径,允许把很多外围器件连接到一个公共界面上。
MOTOROLA提供了一个FaStackUSB器件库。
CAN直译为控制器区域网,它是一种可靠、廉价、快速、灵活的串行总线系统,它由许多相等的节点以线状的拓扑结构相连接而成，用来在高噪音环境中进行实时数据交换工作。
InfineonTechnologies在解释CAN基本原理时提出了一种“完整型”CAN控制器的结构,强抗干扰能力用户最初不肯选择微控制器的一个原因是电磁噪声,而STMicroelectronics推出的ST62系列单片机在这方面无疑是佼佼者,其优良的抗干扰能力使得许多大公司将其应用在系统中的关键部件上。
加强内核开发
（1）M.COREM.CORE是新一代Motorola微控制器内核产品,采用32位存取RISC结构,使之适用于高性能嵌入式控制应用;全静态设计,动态时钟管理和低电压工作方式又大大减小了功耗。
（2）TriCoreTriCore是Infineon推出的32位单片机与DSP融合为一的内核芯片,它基于TriCore21的“superscalar”结构,真正融合了单片机的实时性能和DSP的计算能力,以及RISC存取结构带来的高性能价格比,减少了系统的成本和复杂度。
TriCore被广泛应用在语音指纹识别、互联网设备、工业产品、PC周边设备以及通讯器材等领域。
1.3单回路控制器
单回路控制系统又称单回路反馈控制；它是最基本、结构最简单的一种，单回路控制器一般可接受多个输入信号，单输出只有一个模拟信号，构成单回路直接数字控制；单回路反馈控制由四个基本环节组成即：
被控对象或被控过程、测量变送装置、控制器和控制阀。
单回路控制器一种以微处理器为计算、控制核心，配以相应软件，在外观及使用上类似常规模拟控制器的数字式控制仪表，又称单回路数字控制器。
单回路控制器一般可接受多个输入信号，但只输出一个模拟量信号，构成单回路直接数字控制。
它可以由用户编制程序，组成各种调节规律，所以又称为“可编程控制器”。
单回路控制器一般由微处理器、过程输入/输出通道、正面板、侧面板、供电电源、数字通信系统等硬件部分和监控系统、基本算式编程系统等软件部分组成 单回路控制由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称过程）、测量变送装置、控制器和控制阀。
单回路控制器就是对控制系统的整定，对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数的调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
单回路控制器具有两个控制回路：
比例积分模拟回路和比例积分温度控制回路。
工作原理编辑
单回路控制器将控制中常用的比例积分微分（PID）、超前滞后（E/L）、四则运算、开方等几十种算式写人只读存储器中。
这些固化算式称为“软件功能模块”。
将这些功能模块根据用户的需要按某种规律“连接”起来，组成控制方案的过程，就称为控制器的编程。
编程工作通过专用的编程器或某些控制器本身所附的编程器进行。
方法有“在线”编程和“离线”编程两种。
“在线”编程要求控制器中的随机存储器RAM有较大的容量，并有可靠的掉电保护装置。
温度控制 控制器既可以通过内置温度传感器也可以通过外接传感器测量温度。
使用内置或外接的传感器可通过一个跳线装置进行选择。
控制器通过输出给阀门执行器或风门执行器一个连续的0…10VDC信号使被控区域温度恒定在设定点。
温度控制使用比例积分控制函数（PI）。
特点编辑
单回路控制器的型号有许多种，但它们一般都具有以下共同特点:
（l）数字量和模拟量显示棍合使用，输人和输出信号采用国际统一标准的模拟信号41孔A一201llAIX二及IV一SVL〔o
（2）外形结构、安装方式、正面操作面板的设置、操作及显示方式都与模拟控制器相似，使习惯于模拟控制器的人员容易掌握。
（3）用户程序编制采用“面向过程语言”，使用上类似袖珍计算器的编程。
（4）调节器外部采用硬接线，与模拟控制器兼容;它的内部功能模块通过软件连接。
控制器中配有数十种常用的控制算式和操作功能。
用户可根据需要，按照系统的控制方案及算式，从中任意选择和组态。
（5）具有数据通信功能。
它既能代替模拟仪表单独使用，也可与其它单回路控制器或数字仪表、CRT操作站、上位计算机进行信息交换，构成不同规模的计算机控制系统。
（6）具有自诊断功能。
能对仪表的各功能模块和软件进行在线检查，发现异常立即显示诊断代码，指出故障部位并随时报警。
（7）在仪表的软硬件开发上采用了后备操作、后备电源、无扰动切换、故障自动切换与隔离及冗余措施等可靠性技术。
1.4设计思想
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。
单片机接口电路主要用来连接计算机和其它外部设备.各功能模块的原理及功能如下:
复位电路:
由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位晶振电路:
典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作）；利用Protel电路设计软件进行原理图绘制、元器件的排布、PCB自动布线，以此巩固单片机应用、模拟电路、数字电路课程的知识，以及熟练运用工程软件Protel的使用。
（二）单
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