2.2 MCS-51单片机系统及应用举例_智能仪器基础-QQ阅读男生都市网

书名：智能仪器基础
作者名：朱一纶主编
本章字数：3096字
更新时间：2020-08-28 12:23:08

2.2 MCS-51单片机系统及应用举例

MCS-51单片机在一片芯片上集成了计算机的基本功能部件，功能较强，在实际应用中，可以根据需要加上输入、输出接口电路组成智能仪器，根据智能仪器功能的不同及选用的CPU芯片的不同，会有相应不同的系统构成。

2.2.1 8051/8751/8951的最小系统

所谓最小系统，是指能满足要求的最小配置系统。由于MCS-51系列单片机内部没有集成时钟电路所需的晶体振荡器，也没有复位电路，因此最小系统必须外接这些部件。这几种芯片都有片内4KB程序存储器，区别仅在于8951内部为E2PROM，8051内部为ROM，8751内部为EPROM，如果系统要处理的工作不太复杂，程序加数据不超过4KB，那么这些芯片只要外接晶体振荡器和复位电路就可以构成最小系统，如图2.5所示，其主要特征包括以下几点。

（1）有4KB内部程序存储器（地址是0000H～0FFFH），EA引脚要接高电平。

（2）有128B内部数据存储器（地址是00H～7FH）。

（3）因为没有用到外部程序存储器和数据存储器，所以P0～P3口可以全部作为I/O接口。

图2.5中电源引脚和接地引脚也要接上，一般在电路原理图中因为电源引脚Vcc总是接+5V，接地引脚总要接地，所以不画出来，接线时要注意。最小系统的构成非常简单，可以利用它进行实验和开发小产品。

图2.5 8051/8751/8951的最小系统

2.2.2 单片机系统的并行扩展

当CPU选用8031，或者系统的程序比较长，需要存储的数据比较多，上面的最小系统不能满足要求时，就需要外接程序存储器和数据存储器，通常称为单片机系统的扩展。

MCS-51系列单片机一般用74LS373配合其扩展，以8051为例，只接一片27128（16KB）外部程序存储器和一片62256（32KB）外部数据存储器，扩展后的单片机系统电路接法如图2.6所示。其主要特征如下。

（1）有16KB外部程序存储器（地址是0000H～3FFFH），EA引脚要接地，内部没有程序存储器。

（2）有32KB外部数据存储器（地址是0000H～7FFFH），内部仍有128B的数据存储器可用。

图2.6 扩展后的单片机系统

（3）因为P0和P2口要作为地址线和数据线，所以不能作为I/O接口，只有P1和P3口可以作为I/O接口，且P3.6和P3.7要作为外部数据存储器的读/写控制线，也不能用，可见I/O端口减少了很多，但程序和数据存储量扩大了。

（4）图2.6中RST引脚直接接高电平，通电后就一直工作。没有重启按钮。

2.2.3 单片机系统的串行扩展

在单片机应用系统中，现在常用到带有I2C串行总线接口的芯片，因为采用这种I2C串行总线接口的芯片与单片机连接简单，连接线少，结构紧凑，使用比较方便。

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，它由数据线SDA和时钟线SCL构成，可发送和接收数据。各种采用I2C总线标准的器件均并联在总线上，每个器件内部都有I2C接口电路，器件的地址由芯片内部的硬件电路和外部地址引脚共同决定，并建立了简单的主从关系，每个器件既可以作为发送器，又可以作为接收器。

作为例子，图2.7给出了8051单片机与串行存储E2PROM芯片CAT24WC04的接口电路，8051单片机的P1.0，P1.1作为I2C总线与CAT24WC04的SDA和SCL相连，连接时注意I2C总线须通过上拉电阻接电源，P1.2与WP相连，CAT24WC04的地址线A2、A1、A0直接接地，片选地址为000，因此CAT24WC04的器件地址码的高7位为1010000。存储容量为4KB。

从图2.7中可以看到，这种用I2C总线串行扩展的单片机系统既增加了单片机的程序存储器，又保留了很多I/O接口，且接线也简单。图中所用到的CAT24WCXX系列是美国CATALYST公司出品的串行（CMOS）E2PROM芯片，有1～256KB不同容量的芯片，如CAT24WC04就是64KB存储容量的芯片。

图2.7 8051单片机与串行存储E2PROM的接口电路

2.2.4 应用举例

1.MCS-51系列单片机在调速系统中的应用

在单片机控制的小功率直流电机调速系统中，利用单片机的内部定时器产生占空比不同的矩形波，可以改变电机定子电压接通和断开的时间，从而控制电机转速。

【例2.1】若要求单片机输出频率为10kHz的矩形波，占空比为2∶1（高电平时间长），单片机频率为12MHz，写出有关程序。

分析：输出频率为10kHz的矩形波，即周期为100μs。高电平持续时间为66.7μs，低电平持续时间为33.3μs。由于定时时间短，定时器采用模式2即8位定时器/计数器模式（并具有自动重装载功能）。

定时33.3μs，初值=2 8-33.3=DFH

定时66.7μs，初值=2 8-66.7=BDH

方法：利用定时器的模式2自动重装载功能，只要每次计数溢出，就自动重新装入TH0中的值（时间常数），使定时器能交替实现66.7μs和33.3μs定时。

程序清单：

MOV    TMOD,#02H       ；TMOD为8051的内部寄存器，设置T0为模式2
MOV    TL0,#0BDH       ；送初值，高电平持续时间
MOV    TH0,#0DFH       ；低电平持续时间
MOV    A,#0BDH         ；高电平持续时间送到A寄存器
SETB    TR0             ；启动T0
SETB    P1.0             ；P1.0引脚输出高电平
L0:   JNB     TF0,L0           ；循环等待，定时时间是否到？这里也可以用中断
CLR     TF0             ；清定时器0溢出标志
CPL     P1.0             ；P1.0引脚输出取反
XCH    A,TH0           ；交换时间常数，为下次定时做准备
SJMP    L0
END

2.利用单片机的内部定时器测量外部脉冲宽度

【例2.2】用定时器测量INT1引脚上正脉冲的宽度（机器周期数）。

分析：T0、T1定时器/计数器中有一个门控信号GATE，当该信号被设置为“1”时，只有TR1=1，并且INT1为1时才能启动定时器。利用此信号可以检测外部某一个脉冲的宽度。

测量过程为：初始设置T1工作在方式1，定时状态，时间常数初值为0，GATE=1。当外部待测脉冲由INT1（P3.3）输入时，启动T1。当INT1上再次出现高电平时，开始计数，直到INT1出现低电平为止。此时读出的时间常数就是对机器周期的计数次数，此数乘以机器周期即为正电平宽度。其过程如图2.8所示。

图2.8 测量过程示意图

程序清单：

MOV        TMOD,#90H       ；设置T1为模式1，且GATE=1
MOV        TL0,#00H         ；定时初值为0
MOV        TH0,#00H
WAIT1:    JB          P3.3,WAIT1       ；等待INT1变低电平，开始启动TR1
SETB        TR1             ；启动定时器
WAIT2:    JNB         P3.3,WAIT2       ；等待INT1=1，开始计数
WAIT3:    JB          P3.3,WAIT3       ；等待P3.3变低电平
CLR         T               ；结束计数
MOV        A,TL1
MOV        B,TH1           ；存放计数值
END

若f=12MHz，则A、B中的数值是以微秒为单位的正电平的宽度。也可以把该数通过显示器显示出来。

3.利用中断实现故障报警

【例2.3】用一个中断源显示故障的发生。如图2.9所示的电路，当系统正常工作时，四个故障源的输出均为高电平，显示灯全不亮。当其中任意一个故障源出现故障时，其相应的输出为低电平，相应的二极管显示灯亮。

图2.9 用中断实现故障报警

分析：当某一故障信号输入线由高电平变为低电平时，与门输出为0，并通过INT0申请中断（边沿触发）。在中断服务程序中，通过查询与故障信号相连接的P1.0、P1.2、P1.4、P1.6的值，确定故障的位置，并使相应的发光二极管亮。

程序清单：

ORG    0000H
AJMP    MAIN        ；跳过中断服务程序
ORG    0003H       ；外部中断0中断矢量
AJMP    zd

主程序：

MAIN:    ANL     P1,#55H      ；P1.0、P1.2、P1.4、P1.6输入，P1.1、P1.3、P1.5、P1.7输出
        SETB    EX0         ；允许外部输入
        SETB    IT0          ；边沿触发
        SETB    EA          ；CPU开中断
        SJMP    $           ；循环等待，需要时这里也可以执行别的程序

中断服务子程序：当INT0引脚出现低电平时，CPU自动执行这段程序。

zd:       JB      P1.0,L1       ；若P1.0=1，转L1
        SETB    P1.1         ；故障1，P1.1脚输出高电平，则相应的二极管亮
L1:       JB      P1.2,L2       ；若P1.2=1，转L2
        SETB    P1.3         ；故障2，P1.3脚输出高电平，则相应的二极管亮
L2:       JB      P1.4,L3       ；若P1.4=1，转L3
        SETB    P1.5         ；故障3，P1.5脚输出高电平，则相应的二极管亮
L3:       JB      P1.6,L4       ；若P1.6=1，转L4
        SETB    P1.7         ；故障4，P1.7脚输出高电平，则相应的二极管亮
L4:       RETI                ；中断返回
        END

4.利用中断进行定时控制外部操作

【例2.4】用中断进行定时控制。即要求每间隔一定时间，对现场数据实施一次采集、传送、取数等操作，而间隔时间未到，CPU可进行数据处理、数据显示等主程序的工作。

要求每隔150ms，从外部P1口读一次数据，并把数据存入到内部RAM 30H（首地址）开始的存储器中，供主程序进行处理，如果数据多的话，也可以存放在外部RAM 1000H单元（首地址）开始的数据存储区，单片机的晶振频率f=6MHz。

分析：实现150ms定时，采用定时器T0定时50ms、软件计数器计数3次的方式实现。定时初值为：X=2 16-50×10-3×3×10 6/6=40536=9E58H

程序清单：

ORG    0000H
AJMP    MAIN            ；跳过中断服务程序
ORG    000BH           ；定时器0中断矢量
AJMP    TCT0

主程序：

ORG    0100H
MAIN:   MOV    TMOD,#01H       ；定时器T0，方式1
MOV    TH0,#9EH
MOV    TL0,#58H
MOV    DPTR,#1000H      ；外部RAM首地址
MOV    R0,#30H          ；内部RAM首地址

MOV    R3,#03H          ；软件计数次数
SETB    ET0             ；允许T0中断
SETB    EA              ；CPU开中断
SETB    TR0
SJMP    $               ；等待中断
                      ；如果需要，可在此放置显示传送次数等程序

中断服务程序：

ORG    0150H
TCT0:   MOV    TH0,#9EH         ；重装初值
MOV    TL0,#58H
DJNZ    R3,NEXT1        ；定时不到150ms，返回
MOV    A,P1
MOVX   @DPTR,A        ；从外部RAM向内部RAM传送数据
MOV    @R0,A
INC     DPTR
INC     R0
NEXT1:  RETI                    ；开中断返回
END