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材料成型设备与控制（微计算机控制基本原理）

时间 : 2022年7月9日分类 :工程百科

4.1.1 单片机内部结构及应用系统

　　单片机内部含有微处理器CPU、存储器、输入/输出接口等多个功能部件，其内部结构如图4-1所示。
　　

图4-1 单片机内部结构图

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　　为了满足一些应用系统的特殊要求，如在一些工业控制系统中，有时要进行一些系统的扩展设计以弥补单片机内部资源的不足。单片机的扩展系统通过并行I/O接口或串行I/O接口做总线，在外部扩展程序存储器、数据存储器或输入/输出接口及其他功能部件以满足一些控制系统的特殊要求。单片机的扩展系统结构如图4-2所示。单片机内结构如图4-3所示。
　　

图4-2 单片机扩展系统结构图

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图4-3 单片机片内结构图

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　　4.1.2 8031微处理器

　　8031采用40条引脚双列直插式器件，引脚除5V（ 40脚）和电源地（ 20脚）外，其功能分为时钟电路、控制信号、输入/输出三大部分，逻辑框图及引脚配置如图4-4所示。　　
　　

图4-4 逻辑框图及引脚配置图

　　8031单片机引脚说明如下所述。

　　1．时钟电路

　　XTAL1（19脚）――芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输入端。

　　XTAL2（18脚）――芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输出端。
　　2．控制信号

　　 RST（9脚）复位信号：时钟电路工作后，在此引脚上将出现两个机器周期的高电平，芯片内部进行初始复位，P0口～P3口输出高电平，将初值07H写入堆栈指针。

　　 ALE（30脚）地址锁存信号：当访问外部存储器时，P0口输出的低8位地址由ALE输出的控制信号锁存到片外地址锁存器，P0口输出地址低8位后，又能与片外存储器之间传送信息。ALE可驱动4个TTL门。

　　（29脚）片外程序存储器读选通：低电平有效，作为程序存储器读信号，输出负脉冲，将相应的存储单元的指令读出并送到P0口，可驱动8个TTL门。

　　（30脚）内部和外部程序存储器选择信号：当为高电平且PC值小于0FFFH（4K）时，CPU执行内部程序存储器程序；当为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器程序。

　　3．I/O接口

　　 P0口（P0.0～P0.7，39～32脚）三态双向口：P0口结构包括一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一个输出驱动电路和一个输出控制端。P0口做地址/数据复用总线使用。若从P0口输出地址数据信息，此时控制端为高电平，若从P0口输入数据指令信息时，引脚信号应从输入三态缓冲器进入地址总线，它可驱动8个TTL门。P0～P3口上的“读-修改-写”功能，其操作是先将字节的全部8位数读入，再通过指令修改某些位，然后将新的数据写回到口锁存器中。

　　 P1口（P1.0～P1.7，1～8脚）准双向口：P1口做通用I/O接口使用，P1口的每一位口线能独立地作用于输入线，P1口可驱动4个TTL门。

　　 P2口（P2.0～P2.7，21～28脚）通用I/O接口：它做通用I/O接口使用时，是一个准双向口，此时转换开关MUX倒向左边，输出极与锁存器相连，引脚可作为用户I/O口线使用，输入/输出操作与P1口完全相同，P2口做地址总线使用。当系统中接有外部存储器时，P2口用于输出高8位地址A8～A15，这时在CPU控制下，转换开关MUX倒向右边，接通内部地址总线。P2口的口线状态取决于片内输出的地址信息，这些地址信息来源于PC、DPTR等。在外接程序存储器中，由于访问外部存储器操作连续不断，P2口不断送出地址高8位。8031中P2口一般只做地址总线使用，不再做I/O接口直接连外部设备。

　　 P3口（P3.0～P3.7，10～17脚）双功能口：P3口做通用I/O接口使用。输出功能控制线为高电平，与非门的输出取决于锁存器的状态，此时锁存器Q端的状态与其引脚状态是一致的。在这种情况下，P3口的结构和操作与P1口相同。P3口第二功能是可作为系统具有控制功能的控制线，如表4-1所示。P3口可驱动4个LSTTL门电路。

表4-1 P3口第二功能定义

口　　　线	第二功能
P3.0	RXD（串行输入口）
P3.1	TXD（串行输出口）
P3.2	（外部中断0输入）
P3.3	（外部中断1输入）
P3.4	T0（外部计数器0触发输入）
P3.5	T1（外部计数器1触发输入）
P3.6	（外部数据存储器写选通）
P3.7	（外部数据存储器读选通）

　　4.1.3 存储器

　　单片机在存储器的设计上，其共同特点是将程序存储器与数据存储器分开，它们有各自的寻址方式。8031片内具有数据存储器，同时还具有强大的外部存储器扩展能力，存储器是单片机系统中的重要组成部分。在一片芯片内除了许多基本的记忆单元构成的存储矩阵外，还包括译码驱动电路，读写电路等。图4-5为半导体存储器芯片的基本结构框图。
　　

图4-5 半导体存储器芯片的基本结构框图

　
　　1．单片机存储器分类
　　MCS-51系列单片机的存储器可分五类：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位寻址区、外部数据存储器I/O接口。
　　程序存储器：存放程序的存储器称为程序存储器。程序存储器是以程序计数器PC做地址指针的，MCS-51单片机的程序计数器为16位，因此可寻址的空间为64KB。8031系统中没有片内程序存储器，0000H～0FFFH都是外部程序存储器空间。
　　内部数据存储器：MCS-51单片机内部有128B的数据存储器RAM，内部数据存储器的编址为00H～7FH。不同的地址区域内，功能不完全相同。单片机结构的特点之一是工作寄存器与数据存储器统一编址。MCS-51内部RAM的00H～1FH为工作寄存器区，共分4个区，每区有8个寄存器。当前程序使用的工作寄存器区，是由状态字PSW的第3、4位指示的，PSW的状态和工作寄存器区的关系如表4-2所示。

表4-2 工作寄存器区选择表

PSW.4 （RS1）	PSW.3 （RS0）	当前使用的工作寄存器区（R0～R7）
0	0	0区（00H～07H）
0	1	1区（08H～0FH）
1	0	2区（10H～17H）
1	1	3区（18H～1FH）

　　
　　特殊功能寄存器区：8031内的I/O锁存器、定时器、串行接口数据缓冲器以及各种控制状态寄存器和状态寄存器都是以特殊功能寄存器的形式出现的，它们零散地分布于80H～FFH的地址空间范围内，特殊功能寄存器具有各自的地址空间映像。

　　位寻址空间：MCS-51的位寻址空间为00H～7FH，为内部RAM中20H～2FH的16个单元的128位，凡是字节地址能被8整除的特殊功能寄存器都具有位地址，它们零散地分布在80H～FFH的空间内。

　　外部数据存储器I/O接口：8031提供了扩展64KB的外部数据存储器和输入/输出口的能力，它具有十分广泛的应用。

　　2．程序存储器EPROM27C040

　　1）EPROM27C040的结构和特性

　　可擦除电路芯片的玻璃窗口能够在紫外光照射下20 min左右之后，使存储器的信息全变为“1”。通过相应的编程器将工作程序固化到这些芯片上，便可成为8031的外部存储器。EPROM的价格低廉、性能可靠、灵活方便且使用普遍。图4-6是27C040的引脚图和逻辑符号图。
　　

图4-6 27C040引脚图和逻辑符号图

　　
　　27C040电路是32线双列直插式封装，各引脚符号意义如下。

　　A0～A18：地址输入线。

　　Q0～Q7：三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线，维持或编程禁止时呈高阻状态。

　　：片选线，输入低电平有效。

　　：读出选通线。

　　：编程电源线。

　　：电源线，接 5V。

　　GND：接地。

　　2）27C040芯片主要技术指标

　　27C040芯片主要技术指标如表4-3所示。

表4-3 27C040芯片主要技术指标

技术指标	27C040芯片
容量/KB	512
引脚数	32
读出时间/ns	200
最大工作时间/ns	100
最大维持电流/mA	40

　　3）27C040的操作方式

　　编程方式：把程序代码（机器指令码或常数）固化到EPROM中。

　　编程校验方式：读出EPROM中的内容，校验编程操作的正确性。

　　读出方式：CPU从EPROM中读出指令和常数。

　　维持方式：数据端呈高阻。

　　编程禁止方式：用于多片EPROM并行编程。

　　4）27C040方式选择

　　27C040芯片方式选择如表4-4所示。

表4-4 27C040方式选择

　　　　　　　注：“H”表示高电平；“L”表示低电平；“X”表示不定值。

　　5）EPROM27C040的编程

　　设置计数器C的初值为0，首先发一个1ms宽的编程脉冲，将一个数据写入一个单元，C加1；然后读该单元，若读出内容与写入内容不符，则再发一个1ms宽的脉冲写入该单元，C再加1；然后再读再比较……若在第n次（n＜25）读出与写入内容相符则为信息稳定。接下来清零计数器C，编程下一个单元。

　　6）EPROM27C040的擦除

　　用专门设备进行擦除操作，通常将EPROM芯片在紫外线擦除器紫光灯下照射15～30min，便可将芯片擦除干净，擦除后的EPROM各单元的信息均为“1”。若总是擦不干净，则芯片可能已经老化或损坏。

　　3．数据存储器SRAM6264

　　数据存储器用于存储现场采集的原始数据、运行结果等。外部数据应能随机读/写，通常由半导体静态随机读/写存储器RAM组成。EPROM芯片也可作为外部数据存储器，且掉电后信息不丢失。在8031系统中，最常见的静态随机存取存储器RAM电路有6116和6264等型号。

　　1）6264为24脚双列直插式器件，其引脚图和逻辑符号图如图4-7所示。

　　A0～A12：地址输入线。

　　D0～D7：双向三态数据线。

　　：片选信号输入线，低电平有效。

　　CE2：片选信号输入线，高电平有效，可用于掉电保护。

　　：读选通信号输入线，低电平有效。

　　：写允许信号输入线，低电平有效。

　　：工作电源电压（ 5V）。

　　GND：电源地。
　　

图4-7 6264引脚图和逻辑符号图

　　2）6264芯片主要技术指标如表4-5所示。6264操作方式选择如表4-6所示。

表4-5 6264技术指标

技术指标	6264芯片
存储容量/KB	8
存取时间/ns	200
利用工艺	CMOS
引　脚　数	28

表4-6 6264操作方式选择

			方　　式	功　　能
0	0	1	写	D0～D7上内容写入A0～A10对应单元
0	1	0	读	A0～A10对应单元内容输出到D0～D7
0	X	X	非选	D0～D7呈高阻

　　　　　　　注：X表示不定值。

　　4．地址锁存器74LS373

　　74LS373地址锁存器结构原理图、电路连接图和引脚图如图4-8所示，功能如表4-7所示。
　　

图4-8 74LS373结构原理图、电路连接图和引脚图

表4-7 74LS373功能表

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

　　　　　　　注：X表示不定值。

　　4.1.4 微计算机最小应用系统设计实例
　　1．焊接过程语音提示卡微处理器选择

　　微处理器是整个系统的中心，所有的操作指令都是由微处理器进行控制的，它具有运算和控制功能。具体地说，就是从存储器中取出指令进行分析，并执行所规定的操作。在语音卡提示系统中，微处理器根据焊接过程出现的各种具体情况，实时地做出判断，根据需要从存储器中取出事先存好的语音数据，要交由单片机读出并传给语音芯片发声，从而达到提醒操作者的目的。

　　在该焊接过程语音卡提示系统中，微处理器选择的是MCS-51系列的80C31单片机。

　　2．系统总线扩展

　　地址总线A0～A15（16位）

　　80C31允许用户扩展64KB外部程序存储器和64KB外部数据存储器。故系统必须提供16位地址线。P0口作为地址/数据复用口，在访问外部存储器时，由于地址锁存信号ALE的下降沿把P0.0～P0.7端口上的低8位地址信号锁存到地址锁存器中（即由ALE将P0.0～P0.7定义成地址低8位），成为系统地址线的A0～A7；P2口在系统访问外部存储器时，由P2.0～P2.7送出地址高8位A8～A15，从而构成系统的16位地址总线。

　　数据总线D0～D7（8位）

　　P0口作为系统的地址/数据复用口，在访问外部程序存储器时，即在取指令周期程序存储器读选通信号有效时，P0口作为数据总线将出现指令信号；在访问外部存储器期间，当读与信号有效时，P0口上将出现数据信号，此P0.0～P0.7就是系统数据总线信息D0～D7。

　　控制总线（12位）

　　即P3口的第二功能状态加上控制线，， ALE和。
　　3．程序存储器的扩展
　　在单片机系统中，片内的存储量往往不够用，必须外接存储芯片。尤其是80C31片内无程序存储器，必须外接。有时随机的数据量大，还要外接数据存储器。在焊接过程语音卡提示系统中，80C31片内没有程序存储器，所以必须外接EPROM作为程序存储器，用以存储语音提示过程中的操作指令系统。80C31的引脚EA必须接地，CPU总是执行外部EPROM中的固化程序。其逻辑电路图如图4-9所示。
　　