机械系统微机控制2

机械系统微机控制王志刚机械系机电教研室Email：[e-mail]2019年8月5日2时33分机械系统单片机控制内容提要:§1机械系统控制需求与单片机的发展§2MCS－51系列单片机结构与原理§3MCS－51单片机的指令系统§4MCS－51单片机汇编语言程序设计§5定时计数器§6串行接口§7中断系统§8A/D与D/A接口§9单片机的系统扩展机械系统微机控制§1机械系统控制需求与单片机的发展•机械系统控制需求:•（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入；•（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。•（3）实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。机械系统微机控制计算机控制系统的特点:1）结构上。计算机控制系统中除测量装置、执行机构等常用的模拟部件之外，其执行控制功能的核心部件是数字计算机，所以计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。2）计算机控制系统中除仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数字等多种信号形式。3）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号，从而使计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析和设计。机械系统微机控制4）计算机控制系统中，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂的控制规律和对控制方案进行在线修改，使系统具有很大灵活性和适应性。5）计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算能力，一个控制器（控制计算机）经常可以采用分时控制的方式而同时控制多个回路。6）采用计算机控制，如分级计算机控制、离散控制系统、微机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高.机械系统微机控制1.1.1计算机概述计算机发展的变革发展代数年代速度体积成本可靠性特点第一代电子管计算机1946每秒几千次至几万次庞大很高较低形成了计算机的基本体系，确定了程序设计的基本方法，数据处理机开始得到应用第二代晶体管计算机1958几万次至几十万次缩小降低提高工业控制机开始得到应用第三代中小规模集成电路计算机1965几十万次至几百万次进一步缩小进一步降低进一步提高机种多样化，生产系列化，使用系统化，小型计算机开始出现第四代大规模集成电路计算机1971几百万次至几千万次更进一步缩小更进一步降低更进一步提高由几片大规模集成电路组成的微型机开始出现第五代巨大规模集成电路计算机1986几亿次至上百亿次更进一步缩小更进一步降低更进一步提高由一片巨大规模集成电路实现的单片机开始出现每5年运算速度提高10倍，可靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。生产数量每年以25%的速度递增。计算机的组成计算机主要由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备5大部分组成由控制器产生一系列控制命令，控制计算机各部件自动地、协调一致地工作。控制器是计算机的指挥中心。运算器的功能是实现数据的算术逻辑运算，进行变量处理和数据传送操作。输入设备用来输入数据与程序，以及向CPU发出请求命令。输出设备将计算机的有关数据或处理结果用数字和图形等形式表示出来。输入设备数据/程序运算器存储器控制器输出设备结果运算器控制器CPU主机存储器是计算机的重要组成部分，是存放数据与程序的部件。1.1.2微型计算机的发展概况1、PC机：PC机系统全力实现海量高速数据处理，兼顾控制功能。2、单片机：单片机系统全力满足测控对象的测控功能，兼顾数据处理能力。形成两大分支：机械系统微机控制•组成：•CPU(进行运算、控制)RAM(数据存储器)•I/O口(串口、并口等)ROM(程序存储器)•PC机：上述部件以芯片形式安装在主板上。单片机：上述部件被集成到单芯片中。通用PC包括：键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、音箱、打印机、扫描仪…等外设。单片机则只是一片集成电路。（……100、48、40、32、28、20、16、8条引脚）。单片机与PC机之异同（1）机械系统微机控制功能：PC机：数据运算、采集、处理、存储、传输；单片机：控制（或受控于）外设。通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、存储和传输；单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备/系统中，使其达到智能化的效果。单片机与PC机之异同（2）机械系统微机控制应用特点：PC机（微机）：单片机：体积小，功耗小，价格低，用途灵活，无处不在，属专用计算机。是一种特殊器件，需经过专门学习方能掌握应用，应用中要设计专业的硬件和软件。单片机与PC机之异同（3）体积大，功耗大，价格高，用途较固定，属通用计算机。易于学习掌握和使用，但用于控制时必须制作或购买专用的接口卡，并编制专门的应用软件。机械系统微机控制通用计算机系统：是指以通用计算机及其构成的网络作为支撑平台，主要在其上面开发系统软件与应用软件，重点在于软件开发。嵌入式计算机系统：简称为嵌入式系统，是指嵌入到对象体系中的专用计算机系统，其核心部件是嵌入式微处理器。嵌入式系统的最大特点是针对特定的对象、特定的场合、特定的环境定制，其硬件与软件都必须是定制，因此，对于工程技术人员来说，开发嵌入式系统，其硬件设计与软件设计必须并重。嵌入式计算机与通用计算机嵌入式计算机与通用计算机区别(1)嵌入式计算机与通用计算机的应用目的、应用环境以及对计算机技术发展的要求不相同。(2)嵌入式计算机实现嵌入式应用后不保持通用计算机的形态，而形成各种现代电子系统的形态。嵌入式计算机的特点(1)现场环境的可靠性。(2)嵌入式应用的空间限制性。(3)以控制功能为主的技术要求。(4)要有满足对象要求的外围电路的集成。机械系统微机控制单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。机械系统微机控制单片机与嵌入式系统单片机是在微电子技术发展到一定阶段，通用计算机无法满足嵌入式应用要求的背景下诞生的。单片机是最典型的嵌入式系统。•单片机的发展CPU存储器控制电路定时器时钟电路I/O口单片机什么是单片机?在一块芯片体上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器／计数器、中断控制器以及串行和并行I／O接口等功能部件，单芯片微型计算机，即单片机。机械系统微机控制单片机的硬件结构特点1.采用哈佛型系统结构算术逻辑部件（ALU）控制部件中央处理器（CPU）输入/输出部件数据存储器（RAM）程序存储器（ROM）哈佛型系统结构存储器（RAM）算术逻辑部件（ALU）控制部件中央处理器（CPU）输入/输出部件冯·诺依曼型系统结构程序与数据均存储在同一个存储器上1.程序与数据分开存储2.程序设计调试成功后，一次性永久固化到单片机的只读芯片内1.1.3单片机硬、软件结构及其特点机械系统微机控制单片机软件结构及其特点单片机软件系统软件应用软件管理单片机系统资源，位于底层硬件与高层应用软件间监控程序操作系统监控程序是用非常紧凑的代码编写的系统底层软件。监控程序实现的功能，主要是实现系统硬件的管理与驱动，并内嵌一个用于系统的开机初始化、程序代码下载及辅助调试等功能的引导（BOOT）模块应用在硬件的支撑下用于实现系统的应用功能单片机系统资源的一个大型管理软件。在其支持下，嵌入式系统具有更好的技术性能，如：程序的多进程结构，与硬件无关的设计特性，系统的高可靠性，软件开发的高效率等等机械系统微机控制单片机软件结构的3种模式第一种模式——无系统软件支撑模式在这种模式中，由单片机直接运行应用软件。许多小规模的单片机应用系统就采用这种模式。第二种模式——监控程序支撑模式在这种模式中，由监控程序作为支撑平台。一些中等规模的单片机应用系统常常采用这种模式。第三种模式——操作系统支撑模式在这种模式中，由操作系统作为支撑平台。一些较大规模的单片机应用系统一般采用这种模式。机械系统微机控制1.1.4单片机的发展过程及产品近况1单片机的发展过程单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：单芯片微机形成阶段1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。配置：8位CPU、1K字节ROM、64B字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。机械系统微机控制性能完善提高阶段1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：配置：8位CPU、4K字节ROM、128B字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。机械系统微机控制微控制器化阶段特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。配置：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。机械系统微机控制2单片机产品近况﹡ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；﹡华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；﹡LG公司的GMS90/97低压高速系列；﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：机械系统微机控制非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：﹡Intel的MCS-96系列16位单片机；﹡Microchip的PIC系列RISC单片机；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗单片机。机械系统微机控制1.1.5单片机的特点及应用领域1单片机的特点近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。控制性能和可靠性高实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。机械系统微机控制体积小、价格低、易于产品化单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。机械系统微机控制极强的布尔处理能力由于控制应用中往往存在很多开关量，因而对开关量的处理功能要强。具体表现在单片机的位寻址功能及对位的各种算术及逻辑处理和控制功能，这些功能就构成了一个布尔处理机环境。拥有较齐全的输入/输出接口及实时中断功能一般单片机上都配有并行接口、串行接口、计数/定时器，有的还配有A/D及D/A转换器，以适应不同应用场合的需要。有实时控制的特殊电路包括掉电保护及复位电路，时间监视定时器电路等。机械系统微机控制以单片机为核心的应用系统广泛应用于：智能仪器仪表；机电一体化产品实时工业控制；分布式系统的前端模块；家用电器。机械系统微机控制2单片机的应用领域智能仪器仪表单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能