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1、 毕业设计（论文）基于单片机的地铁自动门设计姓 名： 院(系)别： 电子与信息工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 指导教师： 职 称： 2011年 6月6日 毕业设计（论文）任务书 题目基于单片机的地铁自动门设计学生姓名学院名称电子与信息工程学院专业班级课题类型自选课题意义随着电子科技的不断发展, 各种智能控制系统进入人们的生活。自动门控制系统成为地铁、超市等人流密集地疏导人流、控制出入的首选。自动门能实现入门授权的自动识别控制和防挤压等功能。任务与进度要求3.73.20 查阅相关文献3.214.3 确立多个方案，选择最优方案4.44.17 针对方案进行硬件电路设计并调试4.185.1
2、 针对方案进行软件设计并调试5.26.6 总结报告，撰写论文，准备答辩主要参考文献1 单片机的C语言应用程序设计，马忠梅等，北京航空航天大学出版社2 数字逻辑电路，刘常澍，高等教育出版社3 模拟电子技术基础)， 华成英、童诗白， 高等教育出版社4 田志华，电池供电单片机的低功耗设计J.，宁夏机械，2002（4）5 李学军，如何用MCS-51单片机扩展串口进行通讯J，宁夏机械，2003，（2）6 李海涛，关于如何提高单片机系统可靠性的探讨J，宁夏机械，2005，（3）7 李艳红，单片机I/O口不宜用作直接驱动出口J，电站设备自动化，20038 李玮华，杨秦建，基于单片机的多轴运动数控系统跟随误差
3、补偿器的设计J，机床与液压，2011 9 黄颂红，刘菊香.，城市轨道车辆自动门系统 J，电力机车技术, 2001，24( 4): 27- 29.10 曹超，高档自动门控制系统的设计和实现 D，天津: 天津大学，200411 何礼高，dsPIC30F电机与电源系列数字信号控制器原理与应用M ，北京: 北京航空航天大学出版社, 2007:22- 537起止日期2011.3.7-2011.6.6备注无院长 教研室主任 指导教师 毕业设计（论文）开题报告表 2011年 3 月 7 日姓名学院电子与信息工程专业电子信息工程班级题目基于单片机的地铁自动门设计指导教师一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研
4、究的主要内容、目的和意义：随着电子科技的不断发展, 各种智能控制系统进入人们的生活。自动门控制系统成为地铁、超市等人流密集地疏导人流、控制出入的首选。目前国内高速轨道客车主要采用气动自动门, 主要应用于160 km / h及以下速度级的轨道客车, 200 km / h及以上速度级轨道客车用的电动自动门完全依靠进口, 国内尚无成熟可靠的产品。外高速轨道客车电动自动门技术比较成熟, 其产品通常是用可编程控制器和单片机作为系统的处理器。为了使地铁自动门能够更好的为地铁服务, 得到一种电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高的地铁自动门系统，本文研究一种双翼对开式自动门控制系统, 实现了入门授
5、权的识别控制和防挤压等功能。该系统以8051作为控制核心，直流电机、红外传感器、磁开关相结合的系统。充分发挥了单片机的性能。具有一定的使用和参考价值。二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果3.73.20 查阅相关文献了解关于课题的基本理论和结构3.214.3确立多个方案，选择最优方案得出最佳方案4.44.17针对方案进行硬件电路设计并调试完成硬件电路各部分连接4.185.1针对方案进行软件设计并调试得到运行良好的程序5.2-6.6总结报告，撰写论文，准备答辩完成毕设论文，准备答辩完成课题的现有条件综合实验台，keil C51软件, Multisim审查意见指导教师： 年 月 日学院意见主
6、管领导： 年 月 日摘要随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便生活的自动控制系统开始进入人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。本文设计了基于单片机的地铁自动门，该系统以单片机为主体，直流电机、转速测量为核心，实现地铁门的自动控制。 本设计主要应用8051作为控制核心，直流电机、红外传感器、磁开关相结合的系统。通过单片机程序对直流伺服电机的正转、反转进行控制，从而对门进行开、关的控制； 直流电机采用H桥驱动。充分发挥了单片机的性能。其优点是电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的使用和参考价值。 关键词: 8051；地铁自动门；直流电机
7、；红外传感器；转速测量ABSTRACTWith the development of society, the progress of science and technology and peoples life level gradually improve, all sorts of convenience life automatic control system began to enter into peoples lives, the automatic door systems with SCM as the core is one of them. This paper in
8、troduces the design of metro automatic door, based on single chip microcomputer as the subject in this system, dc motor, speed measurement as the core, realize the automatic control to iron.This design is mainly used the 8051 as control core, combin of DC motors, infrared sensors, magnetic switch.Ma
9、king full use of the microcontroller performance. Through the microcontroller program control the dc servo motor foreward or inversion, thus control the door open or close; and close Dc motor driven adopt H bridge.Its advantage is the circuit is simple, softwares function is consummation, the contro
10、l system is reliable, cost-effective is high,it has a certain use and reference value.Keywords: 8051, Metro automatic door,DC motor, Infrared sensors, Speed measurement目 录第一章 绪论11.1 课题背景11.1.1 自动门的介绍11.1.2 单片机的发展31.1.3 电机自动控制系统的应用和发展41.2 课题研究的意义和目的6第二章 自动门系统方案72.1 设计思想和整体框图72.2 器件选型7第三章 自动门系统的硬件设计93
11、.1 系统硬件整体逻辑设计93.2 控制器单元的硬件设计93.3 直流电机驱动模块153.4 检测模块193.5转速测量模块20第四章 软件设计234.1 整体程序流程图234.2 功能模块设计234.2.1 PWM信号发生程序设计234.2.2 转速测量模块程序设计26第五章 设计仿真与分析295.1 仿真软件介绍295.2 整体分析305.3 软件调试325.4 硬件仿真32总结33参考文献34附录35谢 辞48第一章 绪论现代社会是一个快速发展的信息化社会，随着科学技术的不断进步，人们不断去追求舒适，方便的生活环境。于是相应的电子产品产生，智能型自动门同样出现在人们的生活中。随着自动门的
12、技术、性能日趋成熟、完善，它被广泛应用在政府机关、银行、医院、商业、工业等不同行业，改善了人们的生产生活条件。自动门不但能给我们带来人员出入方便、节约空调能源、防风、防尘、防噪音等好处，更令我们的建筑物增添了不少高贵典雅的气息。1.1 课题背景1.1.1 自动门的介绍自动门是指可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。按启闭形式分：可分为推拉门、平开门、折叠门和旋转门；按门体的材料分：不锈钢门有安全玻璃、不锈钢饰面、建筑铝合金型材、彩色涂层钢板、木材等。自动门的系统配置是指根据使用要求而
13、配备的，与自动门控制器相连的外围辅助控制装置，如开门信号源、门禁系统、安全装置、集中控制等。必须根据建筑物的使用特点。通过人员的组成，楼宇自控的系统要求等合理配备辅助控制装置。 1、开门信号 自动门开门信号是触点信号，微波雷达和红外传感器是常用的两种信号源。 微波雷达是对物体的位移反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动后，雷达便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用；红外传感器对物体存在进行反应，不管人员移动与否，只要处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓的人
14、员出入的场所。 另外，如果自动门接受触点信号时间过长，控制器会认为信号输入系统出现障碍。而且自动平移门如果保持开启时间过长，也会对电气部件产生损害。由于微波雷达和红外传感器并不了解接近自动门的人是否真要进门，所以有些场合更愿意使用按键开关。 按键开关可以是一个触点式的按钮，更方便的是所谓肘触开关。肘触开关很耐用，特别是它可以用胳膊肘来操作。避免了手的接触。 还有脚踏开关，功能一样，但对防水的要求较高，而且脚踏的力量很大，容易使脚踏开关失效。还有一种带触点开关的拉手，当拉手被推(或在反方向拉)到位时，向门机提供触点信号。 现在的楼宇自控有时会提出特殊的要求，例如使用电话的某一分线控制开门。要达到
15、这个要求，只要保证信号是无源的触点信号即可。有些情况下，人们会提出天线遥控的要求。用一个无线接受器与自动门进行触点式连接，再配一个无线发射器，就可以达到要求。不过，现在的无线电波源太多，容易导致偶然开门是一个麻烦的问题。 定时器可以自动控制门的状态，其原理是将时钟与特定的开关电路相连，可预设定时间将自动门处于自动开启或锁门状态。 2、门禁系统与非公共区域的自动门 如果说对自动门的性能和质量要求最高是在使用频率极高的大型公共区域，那么自动门功能要求最高是对进出人员进行选择的非公共区域。门禁系统是对入门授权的识别。在识别或检测入门授权通过以后，向自动门的控制系统提供开门信号。在提供开门信号之前，自
16、动门必须处于锁门的状态。门禁系统包括从最简单的钥匙开关，密码锁，磁卡锁。（考勤统计系统）。一直到复杂的体重识别系统，指纹识别系统等。但无论系统怎样复杂，最终都是给自动门提供开门的触点信号。信号电路的屏蔽对避免由于无关信号的干扰而误开门的情况发生非常重要。 3、对自动门的要求就是解锁动作与开门动作之间的协调。 应用于自动平移门的电子锁有锁皮带的电磁锁和锁门体吊挂件的电动锁，锁电机的三种。后者用于重型自动平移门，自动平开门的电子锁有电磁门吸，电子插销锁和电子开门器，电子开门的作用力方向不影响门的开启动作，不易发生误操作。还有一种带触点开关的机械锁，使锁与开关结合，锁不处于开锁状态，触点就不能接触，
17、不可能发生误操作。 4、集中控制 集中控制的概念，包括集中监视自动门运行状态和集中操作多个自动门两层含义，集中监视自动门开门关门状态可以通过位置信号输出电路来实现，可以采用接触式开关，当门到达一定位置（如开启位置）时，触动开关而给出触点信号。也可以采用感应式信号发生装置，当感应器探测到门处于某一位置时发出信号。在中控室设置相应的指示灯，就可以显示自动门的状态，而集中操作通常指同时将多个门打开或锁住，这取决于自动门控制器上有无相应的接线端子。1.1.2 单片机的发展单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I
18、/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可,用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
19、我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么
20、不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。 单片机的硬件特性：1、单片机集成度高。单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031 无）、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。 2、系统结构简单，使用方便，实现模块化。 3、单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障。 4、处理功能强，速度
21、快。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。1.1.3 电机自动控制系统的应用和
22、发展电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱、空调、DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控
23、制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、
24、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。目前，伺服技术正朝着交流化、数字化的方向迅速发展。随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微型计算机的性能越来越高，价格也越来越便宜。此外电力电子技术的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机完成备种新颖的、高性能的控制策略，是电机的各种潜在能力得到充分发挥，是电机的性能更符合使用要求，还可以制造山便于控制纳新型电机，使电机山现新的而貌。比较简单的电机微机控制，例如在适当的时候让电机启动、制动或反转之类，只
25、要让微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了：在各种机床设备及生广流水线中，现在已普遍采用微机的可编程控制器。按一定的规律控制各类电机的动作。至于复杂的控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按指定的指令准确工作。通过微机控制，电机的性能有很大的提高。例如传统的直流电集合变流电机各有忧缺点，直流电动机的调速性能好。但带有机械按向器，有机械磨损及换向火化等问题；交流电动机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单。工作也比直流电动机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，他们的速度不能方便而又经济的调节。交流电动机采用正弦脉宽调制方式进行变额调速是比
26、较理想的，但若要用普通的模拟电路或数字电路完成这任务，电器相当复杂用微机控制就简单多了。若要进一步调节精度及动态性能，可采用矢量控制方案，它的调速性能将与直流电动机相当。但矢量控制比较复杂，用传统的模拟电路或数字电路根难做到，而应用微机控制。则能方便的实现。目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统，其中电动机都是由微机控制的。为了提高性能在先进的数控交流伺服系统中，已采用高速数字信号处理芯片(Digital Signal Processor简称DSP)，指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令。复杂的电机微机控制主要用于以下两个方而：1、发电机励磁系统的控制。用
27、以保证正常工作时发电机电压稳定，发生故障后尽可能保持稳定，达到优化控制的目的。2、电动机调速及其位置伺服控制。用于鼓风机或水泵的调速节能、数控机床、微型计算机磁盘驱动器、机器人等控制系统。在电机微机控制系统中，微机主要完成下列工作：1、实时控制。根据给定的要求驶控制规律，对发电机的电压，电动机的转速等物理量实现在线实时控制。2、监控。完成事故报警、事故处理、系统诊断及管理等。3、数据处理 完成必要的数据采集、分析处理、计算、显不、记录等。1.2 课题研究的意义和目的随着电子科技的不断发展, 各种智能控制系统进入人们的生活。自动门控制系统成为地铁、超市等人流密集地疏导人流、控制出入的首选。自动门
28、能实现入门授权的自动识别控制和防挤压等功能。为了使地铁自动门能够更好的为地铁服务, 得到一种电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高的地铁自动门系统，本文研究一种双翼对开式自动门控制系统, 实现了入门授权的识别控制和防挤压等功能。该系统以8051作为控制核心，直流电机、红外传感器、磁开关相结合的系统。充分发挥了单片机的性能。具有一定的使用和参考价值。第二章 自动门系统方案2.1 设计思想和整体框图本设计主要应用单片机程序对直流伺服电机的正转、反转进行控制，从而对门进行开、关的控制。在门的两侧各有一个感应器，分别感应从里面出去和从外面进来的人。感应探测器探测到有人靠近时，将脉冲信号传给主
29、控器单片机，主控器判断后通知电机运行，同时监控电机的转数，以便通知电机在一定时候加力和进入慢行运行。直流电动机采用H桥驱动。检测人进出的传感器采用红外传感器。下图2-1是自动门系统整体框图。单片机位置给定PWM功率接口电动机负载传感器接口电流反馈信号正/负位置反馈脉冲绝对零位脉冲图2-1 自动门系统整体框图2.2 器件选型单片机AT89C51各个引脚的作用VCC/GND：供电电源。P0口：可以被定义为数据/地址的低八位，能够用于外部程序/数据存储器。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：标准输入输出I/O，P1口管脚写
30、入1后，被内部上拉为高，可用作输入。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：既可用于标准输入输出I/O，也可用于外部程序存储器或数据存储器访问时的高八位地址。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：既可以作标准输入输出I/O，也可作为AT89C51的一些特殊功能口， 管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器
31、读选通）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内
32、部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。8051单片机最早由Intel公司推出，其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛，有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。凌阳单片机系列芯片中相同的片内硬件功能模块具有相同的资源特点；不同型号的芯片只是对片内资源进行删减。其最大的特点就是超强抗干扰. 广泛应用于家用电器、工业控制、仪器仪表、安防报警、计
33、算机外围等领域。其主要优势在语音方面。8051作为系统的控制器，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法，并且具有功耗低，体积小，技术成熟，成本低廉，在各个领域应用广泛。而且我们也比较熟悉这款芯片，因此采用8051构成系统控制部分。直流电机采用H桥驱动：单片机的一个引脚分别产生两种占空比不同的PWM（脉冲宽度调制）波形作为驱动信号，实现不同的转速和制动；另外由一个引脚产生转向控制信号，在门的中间及其两边设置磁开关，作为中断信号产生源，来判断电机是否应该转换速度或停止；有无人进出采用红外线来探测，有人时则产生中断，执行开门动作；转速测量采用在电机的转轴上设置一个带有
34、相差180度且位于同一半径上的两小孔的圆盘，用红外线照射转动的圆孔，光透过小孔被光敏三极管接收，从而产生脉冲经整形电路后送到单片机内部定时计数测出频率。在感应器的选择方面是很灵活的，在高档酒店、写字向中央处理器提出申请楼，可以选择高灵敏度的感应器；在人行道边上的银行、商店等经常有人路过的地方，可以选择特定区域有效的感应器；在医院手术室门前可以采用压力感应器；而车库的门可以采用固定光照感应器。而现在被广泛应用的感应器主要有微波感应器和红外感应器。微波感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动，雷达
35、便不再反应，自动门就会关闭，有可能出现夹人现象。红外感应器，对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，它都会反应。红外感应器的反应速度比微波感应器慢。本系统首先要求的是安全，所以选用红外线传感器。第三章 自动门系统的硬件设计3.1 系统硬件整体逻辑设计 数字控制伺服系统由计算机控制器、PWM功率驱动接口、传感器接口和电机本体四部分组成。计算机的作用是：完成位置信号的设置，根据传感器接口给出的绝对零位脉冲和电流反馈控制，产生PWM脉宽调制信号，最后由PWM功率开关接口对电动机进行最终的功率驱动。在这个系统中，由于反馈控制是通过软件实现的，故可以根据负载的性质改变系统的参
36、数，求得最佳匹配。信号滤波也可以通过软件实现，更有可能通过计算机补偿技术使传感器精度得以补偿提高。计算机控制在可靠性、小型化、联网群控制等方面的优点都是经典模拟伺服系统无法比拟的。3.2 控制器单元的硬件设计控制器单元硬件电路图如图3-1所示：图3-1 控制器最小系统一片MCS-51单片机芯片内包含一个8位CPU、振荡器和时钟电路、至少128字节的内部数据存储器，可寻址外部程序存储器和数据存储器个64k字节，21个特殊功能寄存器，4个并行I/O接口，2个16位定时/计数器,至少5个中断源，提供两级中断优先级，可实现两级中断服务程序嵌套。具有有位寻址功能，有较强的布尔处理能力。各功能单元（包括I
37、O端口和定时器/计数器等）都由特殊功能寄存器（SFR）集中管理。MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间：1、片内程序存储器2、片外程序存储器3、片内数据存储器4、片外数据存储器程序内存ROM的寻址范围：0000H FFFFH容量64KB。EA = 1,寻址内部ROM；EA = 0,寻址外部ROM。地址长度：16位。作用：存放程序及程序运行时所需的常数。七个具有特殊含义的单元是：0000H系统复位，PC指向此处；0003H外部中断0入口000BH T0溢出中断入口0013H外中断1入口001BH T1溢出中断入口0023H串口中断入口002BH T2溢出中断入口内部数据存储器RAM物理上分
38、为两大区：00H 7FH即128B内RAM和 SFR区。作用：作数据缓冲器用。一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器(ROM)。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序。数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机，它的程序存储器必须外接，空间地址为64kB,此时单片
39、机的端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机，正常运行时，则需接高电平，使CPU先从内部的程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。8051片内有4kB的程序存储单元，其地址为0000H0FFFH,单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H,所以系统将从0000H单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意。其中一组特殊是0000H0002H单元，系统复位后，PC为0000H,单片机从0000H单元开始执行程序，如果程序不是从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移
40、指令，让CPU直接去执行用户指定的程序。另一组特殊单元是0003H002AH,这40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，它们的定义如下：0003H000AH外部中断0中断地址区。000BH0012H定时/计数器0中断地址区。0013H001AH外部中断1中断地址区。001BH0022H定时/计数器1中断地址区。0023H002AH串行中断地址区。可见以上的40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元，中断响应后，按中断的类型，自动转到各自的中断区去执行程序。从上面可以看出，每个中断服务程序只有8个字节单元，用8个字节来存放一个中断服务程序显然是不可能的。因此以上地址单元不能用于存放程序的其
41、他内容，只能存放中断服务程序。但是通常情况下，我们是在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令，指向程序存储器的其它真正存放中断服务程序的空间去执行，这样中断响应后，CPU读到这条转移指令，便转向其他地方去继续执行中断服务程序。0000H-0002H,只有三个存储单元，3个存储单元在我们的程序存放时是存放不了实际意义的程序的，通常我们在实际编写程序时是在这里安排一条ORG指令，通过ORG指令跳转到从0033H开始的用户ROM区域，再来安排我们的程序语言。从0033开始的用户ROM区域用户可以通过ORG指令任意安排，但在应用中应注意，不要超过了实际的存储空间，不然程序就会找不到。数据存储器数据存储
42、器也称为随机存取数据存储器。数据存储器分为内部数据存储和外部数据存储。片内数据存储器为8位地址，所以最大可寻址的范围为256个单元地址，对片外数据存储器采用间接寻址方式，R0、R1和DPTR都可以做为间接寻址寄存器，R0、R1是8位的寄存器，即R0、R1的寻址范围最大为256个单元，而DPTR是16位地址指针，寻址范围就可达到64KB。也就是说在寻址片外数据存储器时，寻址范围超过了256B,就不能用R0、R1做为间接寻址寄存器，而必须用DPTR寄存器做为间接寻址寄存器。8051单片机片内RAM共有256个单元(00H-FFH),这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H7FH单元(共128
43、个字节)为用户数据RAM。从80HFFH地址单元(也是128个字节)为特殊寄存器(SFR)单元。MCS-51系列单片机有四个双向的8位并行口P0P3，每个口各有一个8位的口锁存器，复位后它们的初态全为1。P1口为准双向口，P1口的每一位都能独立地定义为输出线或输入线。作为输入线的位，口锁存器的相应位必须为1状态。P3口是一个双功能口，作为第一功能使用时，其功能和P1口相同。作为第二功能使用时，其口锁存器状态必须为1。P3口的每一位可独立地定义为第一功能的输入输出和第二功能的输入输入。P2口也是准双向口，并且是双功能口，它既可作为第一功能的输入输出口使用，也可作为第二功能的系统扩展地址总线口，输
44、出高8位地址AB8AB15。P0口也是双功能口，既可可作为第一功能的输入输出口使用，也可作为第二功能的系统扩展地址/数据总线口，分时输出低8位地址AB0AB7和收发数据信息D0D7。P1、P2、P3都能驱动3个TTL门，且不需要外加电阻就能直接驱动MOS电路。P0作为I/O时需外接上拉电阻才能驱动MOS电路。如果MCS-51本身的I/O口数量和种类或存储器容量不能满足用户需求时，可扩展I/O接口或外数据存储器，外部数据存储器和外部扩展接口统一编址，CPU对它们的操作指令也相同。在外部64k的数据空间（存储类型XDATA）内，可以各划出一个区域作为扩展I/O地址空间和外部数据存储器地址空间。MC
45、S-51系列单片机至少有5个中断请求源，提供2个中断优先级，可实现2级中断服务程序嵌套。每个中断源可程控为高优先级中断或低优先级中断。和中断系统相关的特殊功能寄存器有中断优先级控制寄存器IP，中断使能控制寄存器IE，以及定时/计数器控制寄存器TCON、串行通信口控制寄存器SCON的相关位。MCS-51系列单片机的5个中断请求源中，有通过P3.2、P3.3输入的二个外部中断源INT0(_)和INT1(_)，片内两个定时器/计数器 (T/C0、T/C1) 的溢出中断请求源TF0和TF1，还有一个片内串行通信口发送或接收中断请求源TI或RI。这些中断请求源分别由特殊功能寄存器TCON和SCON的相应
46、位所锁存。1、 定时器/计数器（T/C）控制寄存器TCONTCON的高4位控制定时/计数器，低4位控制外部中断。其格式如表3-1所示。表3-1 定时器/计数器控制寄存器TCOND7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0定时/计数器控制外部中断控制IT0、IT1：外部中断0、1触发方式选择位，由软件设置。置1为下降沿触发 (即当外部中断请求源信号有从1电平到0电平的变化时，外部中断请求标志IE0或IE1才会置1 )，设置0 为低电平触发 (即只要外部中断请求源信号为0时，外部中断请求标志IE0或IE1就置1 )。IE0、IE1：外部中断0、1请求标志位。产生中断请求时，硬件置位，CPU响应中断后，硬件清零。TF0、TF1：T/C0、T/C1计数溢出中断请求标志位。产生中断时，硬件置位，CPU响应中断后，硬件清零。TR0、TR1：T/C0、T/C1启动标志位。其操作方法将在定时器/计数器章节中介绍。2、 串行通信控
