基于單片機智能臺燈的研究與設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 央處理器在設計時就規定了一系列與其硬件電路相配 合的指令系統。指令集，顧名思義就是中央處理器在指令的集合。單片機從指令集的角度可分為 CISC(復雜指令集 )單片機與 RISC(精簡指令集 )單片機兩大類。 CISC 單片機內部結構是傳統的馮 .諾依曼（ von Neumann architecture）型結構，該結構中數據與指令共同使用同一條總線進行傳輸。 CISC 單片機的指令豐富，功能較強。但這類單片機中，指令與數據的傳輸操作不能同時進行，工作速度將受到一定的限制，而且價格也相對較高。 RISC 單片機的內部結構是新型的哈佛（ Harvard）型結構，即雙總線型結構。這 種結構的單片機內部，指令總線與數據總線分離，使得指令與數據的傳輸可以同時進行，從而提高了單片機的運行速度。 一般在控制關系比較簡單的小型電路中可使用 RISC 單片機，而在控制關系復雜的環境中應采用 CISC 單片機。 b按制造工藝分類 按芯片的制造工藝，可將單片機分為 HMOS 工藝和 CHOMS 工藝兩大類。 HMOS工藝是指高密度短溝道的 MOS（金屬氧化物半導體）工藝，采用這種工藝制造出的芯片具有高速度和高密度的特點； CHMOS 工藝是指互補金屬氧化物的 HMOS 工藝，采用這種工藝制造出的芯片除了具有 HMOS 型芯片的特點外 ，還具有低功耗的特點。 通常型號中帶有“ C”字樣的單片機為 CHMOS 型，其余則為 HMOS 型。例如8051 單片機就是 HMOS 型，而 80C51 則是 CHMOS 型。 c按片內程序存儲器分類 單片機是通過指令程序來控制各種電路的，這種指令程序存儲在程序存儲器中。單片機內部的程序存儲器稱為片內程序存儲器，按照片內存儲器的結構，可將單片機分為：片內無 ROM 型、片內帶掩膜 ROM 型、片內 EPROM 型、片內一次可編程型、片內帶 Flash 型等。下面對該分類中所出現的技術名詞進行解釋。 ROM 是只讀存儲器的縮寫，這種存儲器中的內容 通過特殊方法寫入后就不能隨意更新，但可以隨時讀取，而且斷電后 ROM 中的內容仍然會被保留。 淮海工學院二 〇一二 屆本科畢業設計（論文） 第 10 頁 共 36 頁 掩膜是一種半導體制造工藝，一般 ROM 中的內容是可以通過特殊方法來改變的，而掩膜 ROM 中的內容則在出廠前寫好后就無法改變。 EPROM 是可擦寫、可編程的只讀存儲器（ Erasable Programmable Read_Only Memory）的縮寫，它是一種可以重復利用的 ROM。 一次可編程（ One Time Program， OTP），是指僅允許用戶完成一次寫入操作。 Flash 是閃速存儲器，簡稱閃存，是一種可擦寫、可編 程的 ROM。 Flash 內部包含 IOS（一種為國際互聯服務的操作系統）及微代碼。與 EPROM 相比， Flash的存儲速度更快。 d按所能處理的數據寬度分類 按照 CPU 一次可處理的數據寬度（數據的二進制位數），單片機可分為 4 位機、 8位機、 16位機、 32位機和 64位機。目前應用最廣，需求量最大的機型是4位機和 8位機。 常用的幾種單片機系系列 目前，市場上常見的單片機主要有以下幾個系列。 如圖 31 所示是各類芯片： 圖 31 各類芯片 （ 1） 51 系列單片機 MCS_51系列單片機由 Intel公 司生產，其中 8051是一系列的典型代表。 8051單片機推出后，很多公司都購買了它的內核，使得以 8051 為內核的微控制器系列單片機在全世界的產量最大，應用也最為廣泛。有人推測 8051 可能最終形成世界上的標準 MCU 芯片。 淮海工學院二 〇一二 屆本科畢業設計（論文） 第 11 頁 共 36 頁 （ 2） AVR 系列單片機 1997 年， ATMEL 公司為了充分發揮其 Flash 的技術優勢，推出了全新配置的精簡指令集單片機，簡稱 AVR。該系列單片機一進入市場，就以其卓越的性能大受歡迎。 （ 3） Motorola 單片機 Motorola 是世界上最大的單片機廠商。與 Intel 單片機相比， Motorola 單片機的高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合工作在惡劣的環境。 (4) PIC 系列單片機 PIC 系列單片機 Microchip 公司的產品，其突出的特點是體積小，功耗低，精簡指令集，抗干擾性好，可靠性高，有較強的模擬接口，代碼保密性好。在一些小型的應用中，比傳統的 51單片機更加靈活，因而也得到了廣泛的應用。 (5) MDT20XX 系列單片機 MDT20XX 系列是由 Micon 公司生產的工業級 OTP（一次性可編程）單片機，該系列單片機與 PIC 系列的管腳一致。我國海爾集團的電冰箱控制器、 TCL 的通信產品就采用這種單片機 。 (6) SX 系列單片機 SX 系列單片機是 8 位 RISC 結構的單片機，由 Scenix 公司推出。 SX系列單片機與 Intel 公司的 Pentium Ⅱ等一起被《 Electronic Industry Yearbook 1998》（電子工業年鑒 1998）評選為 1998 年世界十大處理器。 SX 系列單片機采用雙時鐘設置，其指令運行速度可達 50/75/100MIPS(MIPS 指每秒執行百萬條指令 )。 (7)SMC 系列單片機 EPSON 公司生產的 SMC 系列單片機以低電壓、低功耗和內置 LCD（液晶顯示器）驅動器特點而受到市場 的歡迎，其廣泛應用于工業控制、醫療設備、家用電器、儀器儀表、通信設備和手持式消費類產品等領域。 (8)Z8 系列單片機 Z8 系列單片機是 Zilog 公司的產品，該系列單片機的開發工具價廉物美，價格便宜，主要面向低端應用。 通過以上單片機的簡介， 8051 單片機的在應用領域已經很運用的的很廣泛，淮海工學院二 〇一二 屆本科畢業設計（論文） 第 12 頁 共 36 頁 其 8051 單片機的微控制器比其它的單片機功能強大。其中也包括 AT89C51 系列的單片機，它可以適用于很多領域的應用。 單片機的應用 （ 1）單片機 在 智能儀器 儀表上的應用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表 當 中，結合不同類型的 傳感器 ，可 以對 電壓、 功率 、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚 度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量 進行 測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化 ， 且功能 相比于 采用電子或 數字電路 更加 簡單和清晰 。例如精密的測量設備（ 功率計 ， 示波器 ，各 類的 分析儀）。 （ 2）單片機 在工業控制中的應用 用單片機可以 組 成形式多樣的控制系統、數據采集 的 系統。例如 ， 工廠流水線的智能化管理，電梯智能化 的 控制、 各式各樣 報警系統，與計算機聯網構成二級控制系統等。 （ 3）單片機 在家用電器中的應用 可以 通俗的 說， 如今 的家用電器基本上都采 是由 單片機控制，從電飯 煲 、洗衣機、電冰箱、空調、彩電、其他 音響 視頻器材、再到 電子秤 量設備，五花八門，無 處 不在。 （ 5）單片機 在計算機網絡和通信領域中的應用 如今 的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備 之 間的應用提供了 很 好的物質條件，現在的通信設備基本上都實現了單片機智能控制， 先是 從手機，電話機、小型 程控交換機 、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群 的移動通信， 無線電 對講機等 等 。 （ 6） 單片機在醫用設備領域中的應用 單片機在醫 療 設備中的用途 也是 相當廣泛，例如醫用呼吸機，各 類 分析儀，監護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統等等 ，都是利用單片機技術 。 （ 8） 在各種大型電器中的模塊化應用 淮海工學院二 〇一二 屆本科畢業設計（論文） 第 13 頁 共 36 頁 有些 專用 單片機設計用 來 實現特定功能，從而在各種電路中進行模塊化 的 應用，而不 是 要求使用人員了解 芯片的 內部結構。 比 如音樂集成單片機，看似 很 簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數字的形式存于存儲器中（類似于 ROM），由微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號 （ 類似于聲卡）。在大型 的 電路中，這 類 模塊化應用極大地縮小了 單片機的 體積，簡化了 實際的 電路，降低了損壞 度 、錯誤率，也方便 來 更換 舊的芯片 。 （ 9） 單片機在汽車設備領域中的應用 單片機在汽車電子中的應用 也 非常廣泛 ，例如汽車中的發動機控制器， 它是基于 CAN 總線的汽車發動機智能電子控制器， GPS 導航系統， ABS 防抱死系統，制動系統等等 ，這些都充分說明了單片機的重要意義。 此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。 以下是一些單片機的芯片： MCU即微控制器 淮海工學院二 〇一二 屆本科畢業設計（論文） 第 14 頁 共 36 頁 常見的單片機芯片 單片機 AT89C51 芯 片 AT89C51 的簡介 AT89C51 是一種帶 4K字節 FLASH 存儲器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器， 稱之為 單片機 。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節閃存可編程可擦除 只讀存儲器 的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 因為將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， 所以 ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 系列的 單片機為很多嵌入式控制系統 提供了一種靈活性高且價廉的 產品 。 AT89C51 的特性概述 AT89C51 提供以下標準功能： 4k 字節 Flash 閃速存儲器， 128字節內部 RAM，32 個 I/O 口線，兩個 16位定時 /計數器，一個 5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51 可 以 降至 0Hz 的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電 工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存 RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 淮海工學院二 〇一二 屆本科畢業設計（論文） 第 15 頁 共 36 頁 AT89C51 單片機的管腳說明 AT89C51 單片機的管腳圖（ 32）所示： 圖（ 32 ） AT89C51 的管腳圖 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口 是 一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每 個管 腳可吸收 8TTL門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1時， 則 被定義為 高阻 輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗 檢查 時， P0輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高。 P1口： P1 口是一個 由 內部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1口管腳寫入 1后，被內部上拉為 高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 淮海工學院二 〇一二 屆本科畢業設計（論文） 第 16 頁 共 36 頁 P2口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1” 時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時，它利用內部上拉優勢，當 進 行 外部八位地址數據存儲器讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時 來 接收高八位地址信號和控制信號。