激光設(shè)備控制技術(shù)教材——第五章第七節(jié)講解

1、第七節(jié)單片機(jī)控制技術(shù)一、單片機(jī)簡述1. 微機(jī)和單片機(jī)5-31所示。地址總線圖5-31微機(jī)的組成框圖微機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的簡稱，它是由主機(jī)和外部設(shè)備等組成的。如圖數(shù)據(jù)總線I控制總線單片機(jī)就是把微機(jī)的主機(jī)部分(圖5-31虛線框內(nèi))集成到一塊集成電路芯片上所得到的電路。圖5-31中的虛線部分為單片機(jī)部分。單片機(jī)：將中央處理器(CPU)，隨機(jī)存儲(chǔ)器，只讀存儲(chǔ)器，中斷系統(tǒng)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及I/O接口電路等主要微型計(jì)算機(jī)的部件集成在一塊芯片上，就稱為單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Micro Computer)，簡稱單片機(jī)。2. 單片機(jī)的分類按CPU位數(shù)可分為：4位單片機(jī)，主要用于家用電器、電子玩具

2、等。8位單片機(jī)，8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)，被廣泛用于工業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域。16位單片機(jī),1983年In tel公司推出了 16位單片機(jī)MCS-96系列。16位單片機(jī)可用于高速復(fù)雜的控 制系統(tǒng)。32位單片機(jī)，近年來各個(gè)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家已生產(chǎn)出更高性能的32位單片機(jī)，如嵌入式單片機(jī)，廣泛用于智能電子產(chǎn)品中，如智能手機(jī)等。按內(nèi)部存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)分類可以分為：哈佛結(jié)構(gòu)，指程序指令存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開， 執(zhí)行效率高；如 PIC公司，ATMEL公司的AVR和ARM系列單片機(jī)。馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)，指程序指 令存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起，這種單片機(jī)執(zhí)行效率較低，如MCS-51系列單片機(jī)。3. 單片機(jī)的主

3、要應(yīng)用單片機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：工業(yè)控制設(shè)備，家用電器，消費(fèi)類電 子產(chǎn)品，通訊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，兒童智能玩具，汽車與機(jī)電設(shè)備和交通控制設(shè)備等。4. 常用單片機(jī)簡介(1)MCS-51系列單片機(jī) MCS-51系列單片機(jī)：是In tel在1980-1982年陸續(xù)推出了指 令系統(tǒng)完全相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同的 8031 >8051和8751等型號(hào)的單片機(jī)，初步形成MCS-51 系列，被奉為“工業(yè)控制單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)”。圖5-32為單片機(jī)引腳圖。其主要引腳有電源引腳、 I/O總線、時(shí)鐘引腳和控制總線引腳。P1.0 EZP1 1匚Pi 2廠R1 .3 匚PI.4 匚Pl .5 匚Pl .6

4、 匚Pl.7 匚 RST匚 (RXD) P3.0 匚 (TXD) P3.1 匚 iri"I f：-. e i_ (ThTri) P3.3 匚 (TO) P3.4 匚 (T1 j P3.6 匚(WR) P3.6 匚 (RD) P3.7 匚XTAL2 匚XTAL1 匚GND rO1 2345678901234567 BS111111111124Q39 3召373635343332315292027262524232221小Zl PO.0 lADO) PO/1 (A011)Zl P0.2 (AD2) 二I 尸0.3 (AD3) P0.4 (AD4fZl RO.5 (AD5) P0.6 (A

5、D6J PQ.7 (AD7) EA/VPP)2單片機(jī)引腳圖Zl PSEN二I P2.7 (A 15) P2.6 CA14)Zl P2.6 (A13) 二I P2.4 (A 12)Zl P2.3 (Al I)Zl P2 2 (A1 0) P2.1H P2.0 (A8)ATMEL89系列單片機(jī)Atmel公司生產(chǎn)的89系列單片機(jī)是市場上比較具有代表性的 MCS-51系列單片機(jī)。其中 89S系列單片機(jī)具有在線編程功能而得以廣泛應(yīng)用；MCS-51增強(qiáng)型單片機(jī)： 它除了 89C51之外，主要包括增強(qiáng)型的 89C52、89C54 89C58 89C516等型號(hào)， 它們的區(qū)別主要有三個(gè)方面：片內(nèi)RAM由 12

6、8B增加到256B;比基本型多一個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器；片內(nèi) Flash ROM由4KB分別增加到了 8KB 16KB、32KB和64KBSTC89/12系列單片機(jī) STC 89C51RC/RDF系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng) 抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，可以進(jìn)行12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期的選擇。同時(shí)具有內(nèi)存容量大和在線編程功能的特點(diǎn)。二、單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)MCS-51存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)按物理結(jié)構(gòu)可劃分為：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；片外程序存儲(chǔ)器；片內(nèi)數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器四個(gè)區(qū)域。1. 程序存儲(chǔ)器(ROMROM用于存儲(chǔ)程序指令和程序常數(shù)，掉電后程序存儲(chǔ)器的內(nèi)

7、容不會(huì)丟失。8051的地址是從OOOOH-OFFFH的4KB地址空間，為片內(nèi)和片外 ROM都可以占用，但不 能同時(shí)占用?？衫每刂埔_ EA進(jìn)行選擇，當(dāng)EA=1時(shí)使用片內(nèi)ROM當(dāng)EA=0時(shí)使用片外 ROM圖5-33為單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器的分布示意圖。2. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存放程序運(yùn)算的中間結(jié)果、狀態(tài)標(biāo)志，一旦掉電，數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。外部RAM為64KB,地址范圍(OOOOHFFFFH)內(nèi)部RAM為256B,其結(jié)構(gòu)如下： 低128字節(jié)為RAM區(qū)，地址空間為 00H7FH高128字節(jié)為 特殊功能寄存器區(qū)，即 SFR區(qū)，地址空間為80HFFH

8、僅有21個(gè)單元有定義。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低 128B可分為3三部分：從30H到7H為數(shù)據(jù)區(qū)，從20H到2FH為 位 尋址區(qū)，從00H到1FH為 通用寄存器區(qū)。FFFFH外部（EA=o/i）1000H0FFFH0000H內(nèi)部(EA=1)外部（Ea=0）5-33單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器的分布示意通寄存器區(qū)：00H1FH共32個(gè)字節(jié)由4個(gè)通用寄存器區(qū)組成。共分為 4組，每組均用 R0R7表示。任一時(shí)刻，CPU只能選中一組工作寄存器，不會(huì)發(fā)生沖突。CPU復(fù)位后，自動(dòng)選中工作寄存器組 0;通過PSW的RS0 RS1進(jìn)行工作寄存器組的切換?？晌粚ぶ穮^(qū)：地址 20H2FH的16個(gè)單元為可位尋址區(qū)，共有 128個(gè)位，位

9、地址為 00H0FFH只能字節(jié)尋址的數(shù)據(jù) RAM區(qū)：30H7FH的80字節(jié)的 RAMI單元為用戶的 RAM區(qū)， 只能夠按字節(jié)存取。所以 30H7FH為真正的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。專用寄存器區(qū)（SFR）:在高128B中包含21個(gè)SFR,其余單元不可用。 這21個(gè)特殊寄存器 分另是 PSW,IP,IE,P0P3,DPH,DPL,SP，TH0,TH1,TL0,TL1,TM0D,TC0N PCON,SBUF,SCOI和 A,B。三、單片機(jī)最小系統(tǒng)51單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)包括單片機(jī)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。其中的EA接高電平，使用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。圖5-34為51單片機(jī)的最小系統(tǒng)。圖5-34單片機(jī)的最小系統(tǒng)原理圖1. 單片

10、機(jī)時(shí)鐘電路單片機(jī)可以使用兩種時(shí)鐘電路方式, 表示的外部時(shí)鐘源輸入方式。分別是圖5-35中（a）的外接晶體振蕩器方式和（b）XTAL !2Y RCXTAL 2MCS-51XTAL 2MCS-51XTAL !V ss(a) 外接晶體振蕩器方式(b)外部振蕩方式圖5-35單片機(jī)時(shí)鐘電路2. 機(jī)器周期和指令周期機(jī)器周期：通常將完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間稱為機(jī)器周期，它是時(shí)鐘周期的12倍。指令周期：是指 CPU執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間。一個(gè)指令周期通常含有14個(gè)機(jī)器周期。假如51單片機(jī)外接晶振為12MHz時(shí)，則單片機(jī)的2個(gè)周期的具體值分別為：機(jī)器周期為=1卩s，而指令周期約為14卩s。3. 復(fù)位方式(1

11、 )復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路包括片內(nèi)、片外兩部分。外部復(fù)位電路就是為內(nèi)部復(fù)位電路提供兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平而設(shè)計(jì)的。51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。如圖5-36所示，(a)為上電復(fù)位電路，(b)為按鍵電平復(fù)位電路。22 口 F&+5VR11KQRST80318051(a)上電復(fù)位電路(b)按鍵電平復(fù)位電路8751圖5-36單片機(jī)復(fù)位電路(2)單片機(jī)復(fù)位后SFR的狀態(tài)0,只有P0P3這四個(gè)特從該表可以看出，復(fù)位以后大部分特殊功能寄存器的數(shù)據(jù)都是 殊功能寄存器的數(shù)據(jù)為1。四、單片機(jī)I/O 口及其控制單片機(jī)具有四個(gè) 8位并行口，分別是 PO、P1、P2和P3。單片機(jī)的I

12、/O 口有三種基本操 作方式：就是讀（輸入）、寫（輸出）和讀-修改-寫三種方式。輸出控制一對(duì)端口進(jìn)行寫操作使用賦值語句，如 P0= 0x20進(jìn)行輸出操作；輸入控制一對(duì)端口進(jìn)行讀操作使用賦值語句如：P0=0XFF;Y= P0進(jìn)行輸入。輸入前必須對(duì)端口寫高電平。讀-修改-寫操作女口： P0=P0&0x0f ;把P0 口鎖存器信息讀入后與 0x0f進(jìn)行與操作，再寫入到P0 口的鎖存器。表5-1單片機(jī)復(fù)位寄存器狀態(tài)表特殊功能寄 存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL10

13、0HP0 P3FFHSBUFXXXXXXXX BIPXXX 00000 BSCON00HIE0XX 00000BPCON0 XXXXXXX B1. P0 口P0 口內(nèi)部沒有上拉電阻，具有兩種功能：作為通用I/O 口輸入或輸出，因?yàn)閮?nèi)部沒有上拉電阻，必須在端口外電路加上拉電 阻。作外部擴(kuò)展總線應(yīng)用，輸出外部器件的低8位地址。使用語句操作：#define DAT XBYTE0x1234 DAT=0x20 ;2. P1 口P1 口是內(nèi)部帶上拉電阻的 8位準(zhǔn)雙向I/O 口，只作普通I/O 口使用，無需外加上拉電 阻，讀引腳前必需先進(jìn)行初始化。3. P2 口P2 口內(nèi)部帶上拉電阻，可以作為作通用I/O

14、口使用和總線擴(kuò)展，總線開展時(shí)輸出高8位地址，一般無需外加上拉電阻。4. P3 口P3 口內(nèi)部帶上拉電阻，具有兩種功能：做通用I/O 口使用；做第二功能口使用；五、單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1.定時(shí)/計(jì)數(shù)器的實(shí)質(zhì)單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能模塊使用同一個(gè)電路來實(shí)現(xiàn)，只是定時(shí)/計(jì)數(shù)功能模塊“計(jì)算個(gè)數(shù)”的對(duì)象不一樣一一定時(shí)是時(shí)間單位的個(gè)數(shù)，計(jì)數(shù)是外部事件的個(gè)數(shù)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊一次只能工作在一種功能下一一要么是定時(shí)器，要么是計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)完成后，模塊向CPU輸出一個(gè)計(jì)數(shù)完成信號(hào)來中斷計(jì)數(shù)操作。圖5-37是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊框圖。表5-2單片機(jī)P3 口第二功能表P3 口引腳線號(hào)第二功能標(biāo)記第二功能注釋P3.0RX

15、D串行口數(shù)據(jù)接收輸入端P3.1TXD串行口數(shù)據(jù)發(fā)送輸岀端P3.2INT0外部中斷0請(qǐng)求輸入端P3.3INT1外部中斷1請(qǐng)求輸入端P3.4T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入端P3.5T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入端P3.6WR片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通端P3.7RD片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通端2.時(shí)間單位脈沖單片機(jī)中的時(shí)間單位脈沖的周期是：1個(gè)機(jī)器周期，也就是 12個(gè)振蕩周期。如果晶振的頻率是12MHz貝U 1個(gè)機(jī)器周期=1卩s,每1秒鐘Timer所記錄的時(shí)間單位脈沖的個(gè)數(shù)是：1s = 10 個(gè) 1 卩 s如果Timer從0計(jì)數(shù)到50000需要的時(shí)間可以這樣計(jì)算：50000個(gè)單位時(shí)間脈沖 =50000 X 1us=0.

16、05s圖5-37是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊框圖3. 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的控制寄存器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)、設(shè)置、關(guān)閉和工作模式與特殊功能寄存器中的TMODTCONTL0、THO等寄存器有關(guān)。AT89S51單片機(jī)中有兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，分別為 Timer 0和Timer 1。 兩個(gè)Timer可以工作在定時(shí)器模式下，也可以工作在計(jì)數(shù)器模式下。GATEC/LM1M0GATEC/LM1M089H控制T i控制T o和T類同定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作模式寄存器 TMOD TMO共有8位，高四位控制定時(shí)器 T1,而低四位 控制定時(shí)器TO。如圖5-38所示。M1 M 0方式"00-方式0一01-方式110方式211方式3

17、0定時(shí)器模式1計(jì)數(shù)器模式0與INT兀關(guān)1與INT甫關(guān)圖5-38定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式寄存器 TMODM1M（兩位是工作模式設(shè)定位利用M1MO勺不同二進(jìn)制組合可以實(shí)現(xiàn)四種工作模式的設(shè)定。C/T位定時(shí)/計(jì)數(shù)方式設(shè)定位當(dāng)C/T=0設(shè)定為定時(shí)方式；當(dāng) C/T=1設(shè)定為計(jì)數(shù)方式。GAT日1控位是定時(shí)/計(jì)數(shù)運(yùn)行控制位當(dāng)GATE=1時(shí)只有INTO（或INT1）為1時(shí)TO或T1才能工作；當(dāng)GATE=0寸，T0或T1的工作與INT0 （或INT1）無關(guān)。4. 定時(shí)器控制寄存器TCONTCON也是8位的控制寄存器，如圖 5-38所示。其中與定時(shí)/計(jì)數(shù)器相關(guān)的位有： TF1,TF0 它是T1,T0溢出標(biāo)志位。當(dāng)加

18、1計(jì)滿溢出時(shí)置1，在中斷響應(yīng)后硬件自動(dòng)清 零。TR1,TR0是T1,T0運(yùn)行控制位。通過軟件置1后，定時(shí)/計(jì)數(shù)器開始工作。D7 D6 D5 D 4 D3 D 2 D1 D 00:停T計(jì)數(shù)1:啟T計(jì)數(shù)0:無T中斷（硬件復(fù)位）1:有T溢出中斷0:停T計(jì)數(shù)1:啟T計(jì)數(shù)0:無T中斷（硬件復(fù)位）1:有T溢出中斷圖5-38定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器 TCON定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作模式單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有四種工作模式， 通過TMOD勺M1,M0兩位進(jìn)行工作模式的 設(shè)定。下面介紹常用的工作模式1。工作模式1是16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。圖5-39為T0模式1的邏輯框圖，通過 M1MC兩位設(shè)定為模式1，通過C/T位設(shè)

19、定定時(shí)/計(jì)數(shù)模式，而門控 位設(shè)定是否與INTO引腳相關(guān)。設(shè)定為模式1TMOD1雨5引肉設(shè)定是否與INTO 引腳相關(guān)圖5-39 TO模式1的邏輯框圖TL0TH0定時(shí)/計(jì)數(shù)模式的 選擇定時(shí)初值的計(jì)算（以 TO為例）：TO初值=216 定時(shí)時(shí)間t/T機(jī)器定時(shí)器TO初值的高8位THO= TO初值/256 ,定時(shí)器TO初值的低8位TLO= TO初值25&實(shí)例分析： 對(duì)于采用12MHZ晶振的單片機(jī)系統(tǒng)，利用TO實(shí)現(xiàn)1Oms定時(shí)，計(jì)算THO,TLO 的初始值如下。T機(jī)器=1us,TO 初值=65536-1Oms/1us=55536所以 THO=55536/256, TLO=55536%256模式1的

20、應(yīng)用：利用定時(shí)器O產(chǎn)生1OHZ的方波，由P1.O 口輸出，采用查詢方式進(jìn)行控制，設(shè)晶振頻率為12MHZ第一步確定定時(shí)器初值：采用定時(shí)器O,定時(shí)器初值的計(jì)算為：TO 初值=2 t/T 機(jī)器=65536 5OOOO/仁15536 ,THO= TO初值/256的整數(shù)部分TLO= TO 初值%256的余數(shù)部分第二步確定主程序流程圖，主程序流程圖如圖5-40所示。圖5-40主程序流程圖 第三步是編寫程序，主程序MAI N的部分如下：#i nclude <at89x51.h>ma in( )/TM0D=0x01;/設(shè)定TO為方式1定時(shí)TH0=(65536-50000)/256; / 設(shè)定 50ms定時(shí)初值TL0=(65536-50000)%256;TR0=1;/while(1) /while(!TF0);TF0=0;/P1_0=!P1_0; /啟動(dòng)TO死循環(huán)/等待定時(shí)器溢出 清除溢出標(biāo)志位端口取反/ 頭文件 主程序TH0=(65536-50000 )/256; / 重賦