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1、吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 1 - 摘要 在现代化的工业生产中,电流、电压、温度、压力、流量、流 速和开关量都是常用的主要被控参数。例如:在冶金工业、化工生 产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中,人 们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检 测和控制。采用单片机来对温度进行测试控制,不仅具有控制方便、 组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术 指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。本数字温度计属于测 试类,在市场上有两种方案可以选择,一:采用模拟传感器,利用 a/d 转换成数字信号进行处理;二:采用数字集成传感器;还可以附 加不
2、同的模块,以增强其功能,如可以进行上下限温度报警,温度 自动调节控制等。器件的选择和电路的设计以微型化为主,尽量减 小体积。本文在深入了解各种方案的硬件设计和软件设计的基础上, 制作了基于 AT89C51 控制的一个数字温度监测系统,完成了整个系 统器件的选择,电路原理图的绘制,各功能模块的软件代码的编写, 并利用仿真软件 proteus 进行测试,验证了整个系统的功能实现。 关键词关键词: 数字温度计 单片机 AT89C51 DS18B20 显示 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 2 - Abstract In the modern industrial production, the
3、current, voltage, temperature, pressure, and flow, velocity, and switch quantity is accused of main parameters. Example: in metallurgical industry, chemical industry, electric power engineering, paper industry, machinery and food processing and so on many domains, people need to all kinds of heating
4、 furnace, heat treatment furnace, reactors and boiler temperature detection and control. Adopts singlechip to control temperature testing, not only has the convenient control, simple and flexible configuration advantages, and can greatly improve the technical indexes are controlled temperature, whic
5、h can greatly improve the products quality and quantity. The number of test, in the thermometer belongs to the market has two options, a simulated sensor, use, a/d conversion into digital signal processing, 2: adopting digital integrated sensor, Still can add different modules, in order to enhance i
6、ts functions, such as the upper temperature can automatically adjust the temperature control of alarm, etc. Device selection and design of the circuit in miniaturization, minimize volume. Based on thorough knowledge of the various solutions of hardware design and software design, and on the basis of
7、 the production of a digital control based on AT89C51 temperature monitoring system, complete the whole system components, circuit principle drawing, the functional modules of software code compiling, and using the simulation software 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 3 - testing, proteus verified the realization
8、of the function of the whole system. Keywords :digital data acquisition single flat machineAT89C51 DS18B20 show a thermometer 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 4 - 目录目录 课题背影 .- 7 - 第一章 绪 论 .- 8 - 1.1 单片机简介.- 8 - 1.1.1 单片机定义 - 8 - 1.1.2 单片机的发展历史及趋势 - 8 - 1.1.3 单片机应用系统概述 - 13 - 1.1.4 单片机应用系统及组成 .- 14 - 1.1.5 单片机应用的可
9、靠性技术发展 - 15 - 1.1.6 单片机的发展特点 - 16 - 1.2 MCS-51 系列单片机- 18 - 1.2.1 MCS-51 系列单片机分类- 18 - 1.2.2 MCS-51 单片机内部结构及组成- 19 - 1.2.3 MCS-51 引脚及功能- 21 - 第二章 温度控制的总体设计 .- 22 - 2.1 硬件电路设计.- 22 - 2.1.1 温度检测和变送器 .- 22 - 2.1.2 接口电路 - 23 - 2.1.3 温度控制电路 - 24 - 2.2 温度控制的算法和程序- 24 - 2.2.1 温度控制算法 - 24 - 吉林师范大学应用工程学院毕业论文
10、- 5 - 2.2.2 温度控制程序 - 24 - 2.3 主程序.- 24 - 2.3.1 中断服务程序 - 24 - 2.3.2 主要子服务程序 - 25 - 2.4 其它控制算法- 25 - 第三章 单片机 AT89C51 的结构和原理 .- 25 - 3.1 AT89C51 单片机的结构- 25 - 3.2 AT89C51 单片机主要特性:- 26 - 3.3 AT89C51 单片机引脚功能说明:- 26 - 第四章 DS18B20 温度传感器.- 28 - 4.1DS18B20 产品介绍.- 28 - 4.2 DS18B20 内部结构- 30 - 4.3 数字温度传感器原理与应用.-
11、 33 - 4.4 DS18B20 的主要特性- 40 - 4.5 DS18B20 工作原理- 41 - 4.6 高速暂存存储器.- 44 - 第五章 调试 .- 49 - 5.1 测试环境.- 49 - 5.2 测试方法.- 49 - 5.3 调试软件的简介.- 49 - 5.3.1 Keil C51 开发系统基本知识.- 49 - 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 6 - 5.3.2 Keil C51 单片机软件开发系统的整体结构.- 50 - 5.3.3 Keil C51 工具包的安装.- 50 - 5.3.4 Keil C51 工具包各部分功能及使用简介.- 50 - 5.4 KE
12、IL C51 编译器的控制指令.- 53 - 5.4.1 C51 编译器的控制指令.- 53 - 5.4.2 dScope51 的使用- 54 - 5.5 KEIL C51 库函数参考.- 54 - 5.5.1 本征库函数(intrinsic routines)和非本征证库函数.- 54 - 5.5.2 几类重要库函数 - 55 - 5.5.3 Keil C51 库函数原型列表.- 55 - 5.6 画硬件连线图工具- 59 - 5.7 测试结果分析.- 62 - 第六章 设计总结 .- 63 - 致 谢 .- 64 - 参考文献 .- 64 - 附录 .- 65 - 附录一、原理图.- 65
13、 - 附录二、程序流程图.- 66 - 附录三、 程序清单- 68 - 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 7 - 课题背影课题背影 随着电子技术的发展,特别是随着大规模集成电路的产生,给 人们的生活带来了根本性的变化,如果说微型计算机的出现使现代 的科学研究得到了质的飞跃,那么可编程控制器的出现则是给现代 工业控制测控领域带来了一次新的革命。在现代社会中,温度控制 不仅应用在工厂生产方面,其作用也体现到了各个方面。 随着人们生活质量的提高,酒店厂房及家庭生活中都会见到温 度控制的影子,温度控制将更好的服务于社会目前,单片机控制器 在从生活工具到工业应用的各个领域,例如生活工具的电梯、工业
14、生产中的现场控制仪表、数控机床等。尤其是用单片机控制器改造 落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动 化程度的特点。 现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制, 早期温度控制主要应用于工厂中,例如钢铁的水溶温度,不同等级 的钢铁要通过不同温度的铁水来实现,这样就可能有效的利用温度 控制来掌握所需要的产品了。 随着社会的发展,人们对食品温度的控制要求也越来越高,对 于低温冷藏车的温度控制也就相应的不断提高,而我设计的低温冷 藏车就是为了达到这样的温度控制要求而进行设计的。我所采用的 控制芯片为 AT89C51,此芯片功能强大,能够满足设计要求。通过 对电路的设计,
15、对芯片的外围扩展,来达到对冷藏车温度的控制和 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 8 - 调节功能。 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 单片机简介单片机简介 1.1.1 单片机定义单片机定义 单片机是指一个集成在一块 芯片上的完整计算机 系统。尽管 它的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算 机所需要的大部分部件: CPU、内存、内部和外部 总线系统,目 前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、 定时器,实时 时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、 图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片 。 1.1.2 单片机的发展历史及趋势单片机的发展历史及趋势
16、如果将 8 位单片机的推出作为起点,那么单片机的发展历史大 致可分为以下几个阶段 (1)第一阶段(1976-1978):单片机的控索阶段。以 Intel 公司的 MCS 48 为代表。MCS 48 的推出是在工控领域的控索,参与 这一控索的公司还有 Motorola 、Zilog 等,都取得了满意的效果。 这就是 SCM 的诞生年代, “单机片”一词即由此而来。 (2)第二阶段(1978-1982)单片机的完善阶段。Intel 公司在 MCS 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列 MCS 51。 它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。 完善的外部总线。MCS-51 设置了
17、经典的 8 位单片机的总线 结构,包括 8 位数据总线、16 位地址总线、控制总线及具有很多机 通信功能的串行通信接口。 CPU 外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 9 - 指令系统趋于丰富和完善,并且增加了许多突出控制功能的 指令。 (3)第三阶段(1982-1990):8 位单片机的巩固发展及 16 位单 片机的推出阶段,也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推 出的 MCS 96 系列单片机,将一些用于测控系统的模数转换器、 程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中,体现了单片机的微控制 器特征。随着 MCS
18、51 系列的广应用,许多电气厂商竞相使用 80C51 为内核,将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多 通道 A/D 转换部件、可靠性技术等应用到单片机中,增强了外围电 路路功能,强化了智能控制的特征。 (4)第四阶段(1990):微控制器的全面发展阶段。随着单 片机在各个领域全面深入地发展和应用,出现了高速、大寻址范围、 强运算能力的 8 位/16 位/32 位通用型单片机,以及小型廉价的专用 型单片机 我国开始使用单片机是在 1982 年,短短五年时间里 发展极为迅速。 1986 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会,有的地区 还成立了单片微型计算机应用 协会,那是全国形成的第
19、一次高潮。 截止今日,单片机应用技术飞速发展,我们上因特网输入一个“单 片机”的搜 索,将会看到上万个介绍单片机的网站,这还不包括国 外 的。与它相应的专业杂志现在也有很多,比如由单片机界 的权 威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现 以风靡电子界, 在 2003 年 7 月,(91 猎头 网)在上海、广州、北京 等大城市所做的一次专业人才需 求报告中,单片机人才的需求量位 居第一。一块小小的片子,为何有这样的魔力?我们首先从它的构 成说起:单片机,亦称单片微电脑 或单片微型计算机。它是把中央 处理器(CPU) 、随机存 取存储器(RAM) 、只读存储器(ROM) 、 输入/输出端口 (I
20、/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电 路芯片上的微型计算机。 计算机的产生加快了人类改造世界的步伐, 但是它毕 竟体积大。微计算机(单片机)在这种情况下诞生了,它 为我们改变了什么?纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航 装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网 络通讯与数据传输, 到工业自动化过程的实时控制和数据 处理,以及我们生活中广泛使 用的各种智能 IC 卡、电子 宠物等,这些都离不开单片机。以前没 有单片机时,这些 东西也能做,但是只能使用复杂的模拟电路,然 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 10 - 而这样做 出来的产品不仅体积大,而且成本高,并且由于长期使用, 元
21、器件不断老化,控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生 后,我们就将控制这些东西变为智能化了,我们 只需要在单片机外 围接一点简单的接口电路,核心部分只是由人为的写入程序来完成。 这样产品的体积变小了,成 本也降低了,长期使用也不会担心精度 达不到了。所以,它的魔力不仅是在现在,在将来将会有更多的 人 来接受它、使用它。据统计,我国的单片机年容量已达 13 亿 片,且每年以大约 16%的速度增长,但相对于 世界市场我国的占有 率还不到 1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机, 并不断地辐射向内地。所以,学习单片机在我国是有着广阔前景的。 计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展;
22、这三个方向就是: 巨型化,单片化,网络化。以解决复杂系统计算和高速数据处理的 仍然是巨型机在起作用,故而,巨型机在目前在朝高速及处理能力 的方向努力。单片机在出现时,Intel 公司就给其单片机取名为嵌入 式微控制器(embedded microcontroller) 。单片机的最明显的优势, 就是可以嵌入到各种仪器、设备中。这一点是巨型机和网络不可能 做到的。 数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级 以及制造工艺上。在这几方面,较为典型地说明了数字单片机的水 平。在目前,用户对单片机的需要越来越多,但是,要求也越来越 高。下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。 1
23、、内部结构的进步 单片机在内部已集成了越来越多的部件,这些部件包括一般常用的 电路,例如:定时器,比较器,A/D 转换器,D /A 转换器,串行通 信接口,Watchdog 电路,LCD 控制器等。有的单片机为了构成控制 网络或形成局部网,内部含有局部网络控制模块 CAN。例如, Infineon 公司的 C 505C,C515C,C167CR,C167CS- 32FM,81C90;Motorola 公司的 68HC08AZ 系列等。特别是在单片 机 C167CS-32FM 中,内部还含有 2 个 CAN。因此,这类单片机十 分容易构成网络。特别是在控制,系统较为复杂时,构成一个控制 网络十分
24、有用。为了能在变频控制中方便使用单片机,形成最具经 济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控 制的脉宽调制控制电路,这些单片机有 Fujitsu 公司的 MB89850 系 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 11 - 列、MB89860 系列;Motorola 公司的 MC68HC08MR16、MR24 等。 在这些单片机中,脉宽调制电路有 6 个通道输出,可产生三相脉宽 调制交流电压,并 内部含死区控制等功能。特别引人注目的是:现在有的单片机已采 用所谓的三核(TrCore)结构。这是一种建立在系统级芯片 (System on a chip)概念上的结构。这种单片机由三
25、个核组成:一 个是微控制器和 DSP 核,一个是数据和程序存储器核,最后一个是 外围专用集成电路(ASIC) 。这种单片机的最大特点在于把 DSP 和 微控制器同时做在一个片上。虽然从结构定义上讲,DSP 是单片机 的一种类型,但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立 叶变换等上面。把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功 能。这是目前单片机最大的进步之一。这种单片机最典型的有 Infineon 公司的 TC10GP;Hitachi 公司的 SH7410,SH7612 等。这 些单片机都是高档单片机,MCU 都是 32 位的,而 DSP 采用 16 或 32 位结构,工作频率一般在
26、60MHz 以上。 2、功耗、封装及电源电压的进步 现在新的单片机的功耗越来越小,特别是很多单片机都设置了多种 工作方式,这些工作方式包括等待,暂停,睡眠,空闲,节电等工 作方式。Philips 公司的单片机 P87LPC762 是一个很典型的例子,在 空闲时,其功耗为 1.5 mA,而在节电方式中,其功耗只有 0.5mA。 而在功耗上最令人惊叹的是 TI 公司的单片机 MSP430 系列,它是一 个 16 位的系列,有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有 LPM1、LPM3、LPM4 三种。当电源为 3V 时,如果工作于 LMP1 方式,即使外围电路处于活动,由于 CPU 不活动,振荡器处于
27、14MHz,这时功耗只有 50?A。在 LPM3 时,振荡器处于 32kHz,这时功耗只有 1.3?A。在 LPM4 时,CPU、外围及振荡器 32kHz 都不活动,则功耗只有 0.1?A。 现在单片机的封装水平已大大提高,随着贴片工艺的出现,单片机 也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现,以大量减少体积。 在这种形势中,Microchip 公司推出的 8 引脚的单片机特别引人注目。 这是 PIC12CXXX 系列。它含有 0.52K 程序存储器,25128 字节 数据存储器,6 个 I/O 端口以及一个定时器,有的还含 4 道 A/D , 完全可以满足一些低档系统的应用。扩大电源电压范围
28、以及在较低 电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。目前,一般单片 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 12 - 机都可以在 3.35.5V 的条件下工作。而一些厂家,则生产出可以 在 2.26V 的条件下工作的单片机。这些单片机有 Fujitsu 公司的 MB8919189195,MB89121125A,MB89130 系列等,应该说该 公司的 F2MC-8L 系列单片机绝大多数都满足 2.26V 的工作电压条 件。而 TI 公司的 MSP430X11X 系列的工作电压也是低达 2.2V 的。 3、工艺上的进步 现在的单片机基本上采用 CMOS 技术,但已经大多数采用了 0.6?m 以
29、上的光刻工艺,有个别的公司,如 Motorola 公司则已采用 0.35?m 甚至是 0.25?m 技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密 度和可靠性。以单片机为核心的嵌入式系统 单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器,原因在于它可以嵌入 到任何微型或小型仪器或设备中。目前,把单片机嵌入式系统和 Internet 连接已是一种趋势。但是,Internet 一向是一种采用肥服务 器,瘦用户机的技术。这种技术在互联上存储及访问大量数据是合 适的,但对于控制嵌入式器件就成了“杀鸡用牛刀“了。要实现嵌入 式设备和 Int ernet 连接,就需要把传统的 Internet 理论和嵌入式设备 的
30、实践都颠倒过来。为了使复杂的或简单的嵌入式设备,例如单片 机控制的机床、单片机控制的门锁,能切实可行地和 Internet 连接, 就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器,使嵌入式设备 可以和 Internet 相连,并通过标准网络浏览器进行过程控制。 4主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以 80C51 为核心的单 片机占主流,兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品, ATMEL 公司的产品和中国台湾的 Winbond 系列单片机。所以 C8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精 简指令集(RISC)也有着强
31、劲的发展势头,中国台湾的 HOLTEK 公司 近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市 场分额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品,日本几大公司的专用 单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单 片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展 的道路。 目前,为了把单片机为核心的嵌入式系统和 Internet 相连,已有多家 公司在进行这方面的较多研究。这方面较为典型的有 emWare 公司 和 TASKING 公司。 EmWare 公司提出嵌入式系统入网的方案- 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 13 - EMIT 技术。这个技术包括三个
32、主要部分:即 emMicro, emGateway 和网络浏览器。其中,emMicro 是嵌入设备中的一个只 占内存容量 1K 字节的极小的网络服务器; emGateway 作为一个功 能较强的用户或服务器,它用于实现对多个嵌入式设备的管理,还 有标准的 Internet 通信接入以及网络浏览器的支持。网络浏览器使 用 emObjicts 进行显示和嵌入式设备之间的数据传输。 如果嵌入式 设备的资源足够,则 emMicro 和 emGateway 可以同时装入嵌入式设 备中,实现 Inter net 的直接接入。否则,将要求 emGateway 和网络 浏览器相互配合。EmWare 的 EMI
33、T 软件技术使用标准的 Internet 协 议对 8 位和 16 位嵌入式设备进行管理,但比传统上的开销小得多。 目前,单片机应用中提出了一个新的问题:这就是如何使 8 位、16 位单片机控制的产品,也即嵌入式产品或设备能实现和互联网互连? TASKING 公司目前正在为解决这个问题提供了途径。该公司已把 emWare 的 EMIT 软件包和有关的软件配套集成,形成一个集成开发 环境,向用户提供开发方便。嵌入互联网联盟 ETI(embed the Internet Consortium)正在紧密合作,共同开发嵌入式 Internet 的解 决方案。在不久将会有成果公布。 1.1.3 单片机应
34、用系统概述单片机应用系统概述 微型计算机的出现,给人类生活带来了根本性的变化,它使现 代科学研究产生了质的飞跃。而单片机技术的出现则是给现代工业 测控领域带来了一次新的技术革命。它在工业控制、数控采集、智 能化仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应用,可以毫 不夸张地说,单片机技术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工 业发展的标志之一。 单片微型计算机(Single Chip Micro Computer)简称单片机,它 是把组成微型计算机的各功能部件:中央处理单元 CPU、一定容量 的随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM、I/O 接口电路、定时器/计数 器以及串行口等制作在一块芯片
35、中的计算机。由于单片机的硬件结 构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的,常用在工业检 测、控制装置中,因而也称为微控制器(MicroController) 。它 具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等特点。 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 14 - 从家用电器、智能化仪器、工业控制直到火箭导航尖端技术领域都 发挥着十分重要的作用。 单片微型计算机简称单片机,它是指把组成微型计算机的各功能 部件集成在一个芯片上构成一个完整的微型机,从而实现微型计算 机的基本功能。单片机的内部结构示意图如图 1.1 所示 。 单片机实质上是一个芯片,在实际应用中通常很难将单片机直接和 受
36、控对象进行电气连接,必须外加各种扩展接口电路以至外部设备。 图 1.1 单片机内部结构示意图 1.1.4 单片机应用系统及组成单片机应用系统及组成 单片机应用系统是以单片机为核心,配以 输入、输出、显示、测量和控制等外围电路和 软件,能实现一种或多种功能的实用系统。本 书的实训系统就是一个单片机的应用系统。它 除了有单片机芯片以外,还有许多其它外围电 路。1.2 单片机应用系统示意图如果再配以后续章节 所讲的一系列的实训程序,便可以完成诸如: 电子钟的设计与制作、温度控制、 单字彩色电子显示、 8 路采集 无线双向传输、PSW (调光)等很多图功能。所以说单片机应用系 统是由硬件和软件组成的。
37、硬件是单片机应用系统的基础,软件则 是在硬件的基础上对其资源 进行合理调配和使用,从而完成应用 系统所要求的任务。硬件和软件二者相互依赖,缺一不可。单片机 应用系统的组成示意图如图所示。 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 15 - 由此可见,单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个 角度来深入了解单片机,并能将二者有机地结合起来,才能设计制 作出具有特定功能的单片机应用系统或整机产品。 自从 1974 年美国 Fairchild 公司研制出第一台单片机 F8 之后, 迄今为止,单片机经历了由 4 位机到 8 位机再到 16 位、32 位机的 发展过程。单片机制造商很多,主要有美国的 I
38、ntel、Motorola、Zilog 等公司。目前,单片机正朝着高性能、多 品种方向发展。近年来,32 位单片机已进入了实用阶段,但是由于 8 位单片机在性能价格比上占有优势,而且 8 位增强型单片机在速 度和功能上向现在的 16 位单片机挑战,因此在未来相当长的时期内, 16 位机可能被淘汰,8 位单片机仍是单片机的主流机型。 1.1.5 单片机应用的可靠性技术发展单片机应用的可靠性技术发展 在单片机应用中,可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和 领域,提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来,单片机 的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术,这些 新技术表 现在如下几
39、点: 1、EFT(Ellectrical Fast Transient)技术 EFT 技术是一种抗干扰技术,它是指在振荡电路的正弦信号受 到外界干扰时,其波形上会迭加各种毛刺信号,如果使用施密特电 路对其整形,则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟,在交替使用 施密特电路和 RC 滤波电路时,就可以消除这些毛否则令其作用失效, 从而保证系统的时钟信号正常工作。这样,就提高了单片机工作的 可靠性。Motorola 公司的 MC68HC08 系列单片机就采用了这种技术。 2、低噪声布线技术及驱动技术 在传统的单片机中,电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚 上,一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点
40、上。这样,就 使电源噪声穿过整块芯片,对单片机的内部电路造成干扰。现在, 很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样,不 仅降低了穿过整个芯片的电流,另外还在印制电路板上容易布置去 耦电容,从而降低系统的噪声。 现在为了适应各种应用的需要,很多单片机的输出能力都有了 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 16 - 很大提高,Motorola 公司的单片机 I/O 口的灌拉电流可达 8mA 以上, 而 Microchip 公司的单片机可达 25mA。其它公司: AMD,Fujitsu,NEC ,Infineon,Hitachi,Ateml,Tosbiba 等基 本上可达 820mA
41、的水平。这些电流较大的驱动电路集成到芯片内 部在工作时带来了各种噪声,为了减少这种影响,现在单片机采用 多个小管子并联等效一个大管子的方法,并在每个小管子的输出端 串上不同等效阻值的电阻,以降低 di/dt,这也就是所谓“跳变沿软 化技术“,从而消除大电流瞬变时产生的噪声。 3、采用低频时钟 高频外时钟是噪声源之一,不仅能对单片机应用系统产生干扰, 还会对外界电路产生干扰,令电磁兼容性不能满足要求。对于要求 可靠性较高的系统,低频外时钟有利于降低系统的噪声。在一些单 片机中采用内部琐相环技术,则在外部时钟较低时,也能产生较高 的内部总线速度,从而保证了速度又降低了噪声。Motorola 公司的
42、 MC68HC08 系列及其 1 6/32 位单片机就采用了这种技术以提高可靠 性。 1.1.6 单片机的发展特点单片机的发展特点 单片机在目前的发展形势下,表现出几大趋势: 可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。 所集成的部件越来越多;NS(美国国家半导体)公司的单片机已 把语音、图象部件也集成到单片机中,也就是说,单片机的意义只 是在于单片集成电路,而不在于其功能了;如果从功能上讲它可以 讲是万用机。原因是其内部已集成上各种应用电路。 功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。 随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高,单片机还 会不断产生新的变化和进步,最终人们可能发现:
43、单片机与微机系 统之间的距离越来越小,甚至难以辨认。 目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步 向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电 路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。 CMOS 化 近年,由于 CHMOS 技术的进小,大大地促进了单片机 的 CMOS 化。CMOS 芯片除了低功耗特性之外,还具有功耗的可控性, 使单片机可以工作在功耗精细管理状态。MCS-51 系列的 8031 推出 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 17 - 时的功耗达 630mW,而现在的单片机普遍都在 100mW 左右,随着对 单片机功耗要求越来越低,现在
44、的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象 80C51 就采用了 HMOS(即高 密度金属氧化物半导体工艺)和 CHMOS(互补高密度金属氧化物半导 体工艺)。CMOS 虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度 不够高,而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适 合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后 一段时期单片机发展的主要途径。因而,在单片机领域 CMOS 正在逐 渐取代 TTL 电路。 低功耗化 单片机的功耗已从 Ma 级,甚至 1uA 以下;使用电压 在 36V 之间,完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低,
45、而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。 低电压化 几乎所有的单片机都有 WAIT、STOP 等省电运行方式。允 许使用的电压范围越来越宽,一般在 36V 范围内工作。低电压供电 的单片机电源下限已可达 12V。目前 0.8V 供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力,使产品能适 应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片 厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。 大容量化 以往单片机内的 ROM 为 1KB4KB,RAM 为 64128B。 但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩 充。为了适应这种领域的要求
46、,须运用新的工艺,使片内存储器大 容量化。目前,单片机内 ROM 最大可达 64KB,RAM 最大为 2KB。 高性能化 主要是指进一步改进 CPU 的性能,加快指令运算的 速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集(RISC)结构和流 水线技术,可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达 100MIPS(Million Instruction Per Seconds,即兆指令每秒) ,并 加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度 比标准的单片机高出 10 倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度, 就可以用软件模拟其 I/O 功能,由此引入了虚拟外设的新概念。小 容量、低价
47、格化与上述相反,以 4 位、8 位机为中心的小容量、低 价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑 集成电路组成的控制电路单片化,可广泛用于家电产品。 外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。随着集成度 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 18 - 的不断提高,有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了 一般必须具有的 CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外,片内集成 的部件还有模/数转换器、DMA 控制器、声音发生器、监视定时器、 液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。 串行扩展技术 在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构 扩展外围器件成为单
48、片机应用的主流结构。随着低价位 OTP(One Time Programble)及各种类型片内程序存储器的发展,加之处围接 口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是 I C、SPI 等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单 片机系统结构更加简化及规范化。 随着半导体集成工艺的不断发展,单片机的集成度将更高、体 积将更小、功能将列强。在单片机家族中,80C51 系列是其中的佼 佼者,加之 Intel 公司将其 MCS 51 系列中的 80C51 内核使用权以 专利互换或出售形式转让给全世界许多著名 IC 制造厂商,如 Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦
49、等,这些公司都在保持与 80C51 单片机兼容的基础上改善了 80C51 的许多特性。这样,80C51 就变 成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族,现统称为 80C51 系列。80C51 单片机已成为单片机发展的主流。专家认为,虽 然世界上的 MCU 品种繁多,功能各异,开发装置也互不兼容,但是 客观发展表明,80C51 可能最终形成事实上的标准 MCU 芯片。 1.2 MCS-51 系列单片机系列单片机 Intel 公司于 1976 年推出了 MCS-48 系列单片机,于 1980 年推 出了 MCS-51 系列单片机,于 1983 年推出了 MCS-96 系列单片机。 MCS-51 系列单片机有 8051/8751/8031、8052/8752/8032、8044/874480C51BH/87C51 /80C31BH、83C252/87C252/80C252 等品种。它们的引脚及指令 系统相互兼容,主要在内部结构和应用上有些区别。 1.2.1 MCS-51 系列单片机分类系列单片机分类 按结构及功能可以把它们分成几类: (1)基本型 如 8051/8751/8031。 吉林师范大学应用工程学院毕业论文 - 19 - (2)加强型 如 8052/87
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