第二章-單片機(jī)微機(jī)原理及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1第二章單片機(jī)（微機(jī)）原理及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1單片機(jī)（微機(jī)）系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

2.1.1電子計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成22.1.2微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用形態(tài)從應(yīng)用形態(tài)上，微機(jī)可以分成三種：

◆多板機(jī)（系統(tǒng)機(jī)）將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機(jī)板（即微機(jī)主板）。各種適配板卡插在主機(jī)板的擴(kuò)展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)動(dòng)器及光驅(qū)等裝在同一機(jī)箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)機(jī)）。3

◆單板機(jī)將CPU芯片、存儲(chǔ)器芯片、I/O接口芯片和簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺(tái)單板微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱單板機(jī)）。單板機(jī)4ROM只讀內(nèi)存（Read-OnlyMemory）是一種只能讀取資料的內(nèi)存。PROM可編程程序只讀內(nèi)存（ProgrammableROM，PROM）之內(nèi)部有行列式的镕絲，視需要利用電流將其燒斷，寫入所需的資料，但僅能寫錄一次。EPROM可抹除可編程只讀內(nèi)存（ErasableProgrammableReadOnlyMemory，EPROM）可利用高電壓將資料編程寫入，抹除時(shí)將線路曝光于紫外線下，則資料可被清空，并且可重復(fù)使用。EEPROM電子式可抹除可編程只讀內(nèi)存（ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory，EEPROM）之運(yùn)作原理類似EPROM，但是抹除的方式是使用高電場(chǎng)來(lái)完成5快閃存儲(chǔ)器（Flashmemory）的每一個(gè)記憶胞都具有一個(gè)“控制閘”與“浮動(dòng)閘”，利用高電場(chǎng)改變浮動(dòng)閘的臨限電壓即可進(jìn)行編程動(dòng)作。RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）RAM-randomaccessmemory隨機(jī)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲(chǔ)單元的位置無(wú)關(guān)的存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器在斷電時(shí)將丟失其存儲(chǔ)內(nèi)容，故主要用于存儲(chǔ)短時(shí)間使用的程序。隨機(jī)存取、易失性、高訪問(wèn)速度、需要刷新、對(duì)靜電敏感6

◆單片機(jī)在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路，從而構(gòu)成了單芯片微型計(jì)算機(jī)，即單片機(jī)。三種應(yīng)用形態(tài)的比較：?jiǎn)伟鍣C(jī)單片機(jī)系統(tǒng)機(jī)（多板機(jī)）

單片機(jī)體積小、價(jià)格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對(duì)于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。72.1.3單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)主要階段：

◆單芯片微機(jī)形成階段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機(jī)。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。

特點(diǎn)是：存儲(chǔ)器容量較小，尋址范圍小（不大于4K），無(wú)串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。

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◆性能完善提高階段

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機(jī)：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。

特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在，MCS-51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種。9

◆微控制器化階段

特點(diǎn)是：片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及設(shè)備?！拔⒖刂破鳌钡姆Q謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì)。

1982年，Intel推出MCS-96系列單片機(jī)。芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)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。102.1.4單片機(jī)的特點(diǎn)◆實(shí)時(shí)控制功能特別強(qiáng)，其CPU可以對(duì)I/O端口直接進(jìn)行操作，位操作能力更是其它計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的。另外，由于CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時(shí)受干擾的影響較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機(jī)的可靠性非常高?！趔w積小、價(jià)格低、易于產(chǎn)品化單片機(jī)芯片即是一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)，對(duì)于批量大的專用場(chǎng)合，一方面可以在眾多的單片機(jī)品種間進(jìn)行匹配選擇；同時(shí)還可以專門進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，使芯片的功能與應(yīng)用具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；在單片機(jī)產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機(jī)引腳已減少到8個(gè)或更少。從而使應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡(jiǎn)單方便。112.1.5單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

◆智能儀器儀表

單片機(jī)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，使儀器儀表智能化，同時(shí)還簡(jiǎn)化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級(jí)換代。如各種智能電氣測(cè)量?jī)x表、智能傳感器等。12◆機(jī)電一體化產(chǎn)品機(jī)電一體化產(chǎn)品是集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機(jī)電產(chǎn)品。單片機(jī)在機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)包裝機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等。13◆實(shí)時(shí)工業(yè)控制單片機(jī)還可以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(shù)的采集和控制均可以利用單片機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對(duì)象的不同特征采用不同的智能算法，實(shí)現(xiàn)期望的控制指標(biāo)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動(dòng)生產(chǎn)線等。14

◆分布式系統(tǒng)的前端模塊

在較復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測(cè)控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。15◆家用電器家用電器是單片機(jī)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。另外，在交通領(lǐng)域中，汽車、火車、飛機(jī)、航天器等均有單片機(jī)的廣泛應(yīng)用。如汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、航天測(cè)控系統(tǒng)、黑匣子等。16

·8位CPU

·4kbytes程序存儲(chǔ)器(ROM)

·256bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)·32條I/O口線

·111條指令，大部分為單字節(jié)指令

·21個(gè)專用寄存器

·2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器

·5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)2.2單片機(jī)的基本組成

·一個(gè)全雙工串行通信口

·外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kB

·外部程序存儲(chǔ)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17總線型非總線型1819CPU：由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時(shí)還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)；ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；I/O口：四個(gè)8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出；T/C：兩個(gè)定時(shí)/記數(shù)器，既可以工作在定時(shí)模式，也可以工作在記數(shù)模式五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個(gè)全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高振蕩頻率為12M。2021單片機(jī)工作的基本時(shí)序（1）振蕩周期:也稱時(shí)鐘周期,是指為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)的振蕩源的周期。（2）狀態(tài)周期:每個(gè)狀態(tài)周期為時(shí)鐘周期的2倍,是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。（3）機(jī)器周期:一個(gè)機(jī)器周期包含6個(gè)狀態(tài)周期S1~S6,也就是12個(gè)時(shí)鐘周期。在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi),CPU可以完成一個(gè)獨(dú)立的操作。（4）指令周期:它是指CPU完成一條操作所需的全部時(shí)間。每條指令執(zhí)行時(shí)間都是有一個(gè)或幾個(gè)機(jī)器周期組成。MCS-51系統(tǒng)中,有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。22232425【例2-1】控制單個(gè)LED程序（1）用單片機(jī)控制LED點(diǎn)亮CLRP1.0；讓P1.0引腳變?yōu)榈蚐JMP$；$表示在本地循環(huán) END（2）用單片機(jī)控制LED滅燈SETBP1.0；讓P1.0引腳變?yōu)楦逽JMP$；在本地循環(huán) END26【例2-2】單個(gè)LED閃爍程序；主程序MAIN：SETB P1.0；讓P1.0引腳變?yōu)楦?/p>

LCALL DELAY；調(diào)一段延時(shí)程序進(jìn)行計(jì)時(shí)等待1S，肉眼看清滅

CLR P1.0；讓P1.0引腳變?yōu)榈?/p>

LCALL DELAY；調(diào)一段延時(shí)程序進(jìn)行計(jì)時(shí)等待1S，肉眼看清亮

LJMP MAIN；跳轉(zhuǎn)回標(biāo)識(shí)為MAIN的指令行繼續(xù)執(zhí)行程序；以下是延時(shí)子程序DELAY：MOV R7，#250 ；給寄存器R7內(nèi)送數(shù)，R7＝250D1：MOV R6，#250；給寄存器R6內(nèi)送數(shù)，R6＝250D2：DJNZ R6，D2 ；對(duì)R6內(nèi)的數(shù)據(jù)減1循環(huán)直到為0 DJNZ R7，D1；對(duì)R7內(nèi)的數(shù)據(jù)減1循環(huán)直到為0 RET ；返回到主程序跳出點(diǎn)繼續(xù)向下執(zhí)行END ；主程序結(jié)束272.3.380C51的中斷系統(tǒng)

一、中斷的概念

CPU在處理某一事件A時(shí)，發(fā)生了另一事件B請(qǐng)求CPU迅速去處理（中斷發(fā)生）；

CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)去處理事件B（中斷響應(yīng)和中斷服務(wù)）；待CPU將事件B處理完畢后，再回到原來(lái)事件A被中斷的地方繼續(xù)處理事件A（中斷返回），這一過(guò)程稱為中斷。28MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)執(zhí)行主程序主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序斷點(diǎn)中斷請(qǐng)求中斷響應(yīng)執(zhí)行中斷處理程序中斷返回29引起CPU中斷的根源，稱為中斷源。中斷源向CPU提出的中斷請(qǐng)求。CPU暫時(shí)中斷原來(lái)的事務(wù)A，轉(zhuǎn)去處理事件B。對(duì)事件B處理完畢后，再回到原來(lái)被中斷的地方（即斷點(diǎn)），稱為中斷返回。實(shí)現(xiàn)上述中斷功能的部件稱為中斷系統(tǒng)（中斷機(jī)構(gòu)）。30二、中斷源及優(yōu)先級(jí)80C51的中斷系統(tǒng)有5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)，可實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套

。同一優(yōu)先級(jí)中的中斷申請(qǐng)不止一個(gè)時(shí)，則有中斷優(yōu)先權(quán)排隊(duì)問(wèn)題。同一優(yōu)先級(jí)的中斷優(yōu)先權(quán)排隊(duì)，由中斷系統(tǒng)硬件確定的自然優(yōu)先級(jí)形成，其排列如所示：3132中斷源有中斷請(qǐng)求；此中斷源的中斷允許位為1；

CPU開中斷（即EA=1）。同時(shí)滿足時(shí)，CPU才有可能響應(yīng)中斷。中斷響應(yīng)條件33三、中斷的應(yīng)用實(shí)例34P3第二功能各引腳功能定義：P3.0：RXD串行口輸入P3.1：TXD串行口輸出P3.2：INT0外部中斷0輸入P3.3：INT1外部中斷1輸入P3.4：T0定時(shí)器0外部輸入P3.5：T1定時(shí)器1外部輸入P3.6：WR外部寫控制P3.7：RD外部讀控制352.3單片機(jī)（微機(jī)）系統(tǒng)與外界設(shè)備接口接口：計(jì)算機(jī)一個(gè)部件與另一個(gè)部件之間的連接界面。功能：設(shè)備選擇、信息傳輸、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、聯(lián)絡(luò)、中斷管理、復(fù)位、錯(cuò)誤檢測(cè)和可編程功能。常見外部接口設(shè)備：人機(jī)交互接口設(shè)備；信號(hào)輸入\輸出接口設(shè)備；數(shù)據(jù)通信接口設(shè)備。36一、人機(jī)交互接口設(shè)備輸出設(shè)備：發(fā)光二極管顯示器（LED）、液晶顯示器（ LCD）、陰極射線管顯示器（CRT）輸入設(shè)備：文本輸入設(shè)備、信號(hào)輸入設(shè)備、指點(diǎn)輸入設(shè) 備37LED顯示器工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是每個(gè)數(shù)碼管必須接一個(gè)8位鎖存器用來(lái)鎖存待顯示的字形碼。送入一次字形碼顯示字形一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是占用CPU時(shí)間少，顯示便于監(jiān)測(cè)和控制。缺點(diǎn)是硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來(lái)，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個(gè)鎖存器，從而大大地簡(jiǎn)化了硬件電路。選亮數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。38394041二、信號(hào)輸入\輸出接口設(shè)備1.模擬量的輸入\輸出系統(tǒng)模擬量輸入通道：電壓形成、模擬低通濾波（ALF）、采樣保持(S\H)、多路轉(zhuǎn)換（MPX）以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（A\D）。模擬量輸出通道：接口電路、鎖存器、D\A轉(zhuǎn)換器、放大驅(qū)動(dòng)電路。42數(shù)模（D\A）轉(zhuǎn)換器4344分辨率（Resolution）：指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。分辨率與D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，能夠分辨的最小輸出電壓變化量就越小。例如：8位DAC的最小電壓變化量為1LSB=10V/256＝39mV16位DAC的最小電壓變化量為1LSB=10V/65536＝0.153mV轉(zhuǎn)換精度（ConversionAccuracy）：指D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大誤差。例如：滿量程時(shí)理論輸出值為10V，實(shí)際輸出值是9.99~10.01V之間，其轉(zhuǎn)換精度為±10mV。通常，D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度為分辨率的一半，即為L(zhǎng)SB/2。這里，LSB是分辨率，指最低一位數(shù)字量變化引起的幅度的變化量。轉(zhuǎn)換時(shí)間：指D/A轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字信號(hào)開始轉(zhuǎn)換到輸出的模擬電壓達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。45模數(shù)（A\D）轉(zhuǎn)換器46電壓形成回路：非電量＼實(shí)際電量Ａ＼Ｄ轉(zhuǎn)換器的電壓等級(jí)模擬低通濾波器單元（ＡＬＦ）：阻止高于1000Ｈｚ以上的信號(hào)進(jìn)入A\D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，防止采樣時(shí)造成混疊誤差，兵器能有效降低采樣頻率，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。

采樣定理：為了能不失真地恢復(fù)原模擬信號(hào)，采樣頻率應(yīng)不小于輸人模擬信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍，即：

采樣保持器：在A/D進(jìn)行采樣期間，在一個(gè)極短時(shí)間內(nèi)測(cè)量模擬信號(hào)在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過(guò)程內(nèi)保持不變，以保證轉(zhuǎn)換精度。47482.數(shù)字量輸入\輸出系統(tǒng)49計(jì)算機(jī)通信是將計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的相結(jié)合，完成計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的信息交換?？梢苑譃閮纱箢悾翰⑿型ㄐ排c串行通信。并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時(shí)進(jìn)行傳送。并行通信控制簡(jiǎn)單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長(zhǎng)距離傳送時(shí)成本高且接收方的各位同時(shí)接收存在困難。

50串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)地傳送。串行通信的特點(diǎn)：傳輸線少，長(zhǎng)距離傳送時(shí)成本低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復(fù)雜。

51異步通信

異步通信是指通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過(guò)程