plc运料小车课程设计.doc

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1、课程设计题目：计数、显示系统设计专业：机电一体化班级：07151学号：20193015131姓名：李辰LED显示器的计数值的计数、显示系统设计目录一、单片机的发展与发展方向二、8031最小系统的简介三、单片机引脚功能介绍四、计数、显示系统的总体设计五 、计数、显示系统的硬件原理图六、系统程序设计七、结论八、参考文献一、单片机的发展与发展方向单片机的发展单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。2、单片机发展简史 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

2、的控索阶段。以Intel公司的MCS48为代表。MCS48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MCS48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS51。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

3、。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MCS96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MCS51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

4、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。1.2.2单片机的发展趋势 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。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS

5、电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。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，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

6、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，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

7、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（MillionInstructionPerSeconds，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

8、着集成度的不断提高，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片机应用的主流结构。随着低价位OTP（OneTimeProgramble）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IC、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

9、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MCS51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

10、标准MCU芯片。单片机的组成及特点 单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。1.单片机的组成图1-1为单片机的典型组成框图。由图可见，它通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线

11、等。单片机中的CPU、存储器等部件将在后面章节陆续介绍。2.单片机的特点由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要发如下特点：（1）有优异的性能价格比。（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。（3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速

12、度均高于同一档次的微机。（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。（5）外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。单片机的分类 单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。1.通用型/专用型这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；

13、专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。2.总线型/非总线型这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。3.控制型/家电型这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，

14、外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。单片机的应用 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：1.单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。2.单片机在机电一体化中的应用机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产

15、品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。3.单片机在实时控制中的应用单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。4.单片机在分布式多机系统中的应用在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时

16、的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。5.单片机在人类生活中的应用自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。计算机系统

17、的发展已明显地朝三个方向发展；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。二、仿8031最小系统设计8K8的程序存储器2764A与单片机的扩展电路，该电路也称为8031的最小系统。我们仿照的单片机最小系统的设计方法，将8031芯片与程序存储器27C64进行扩展，这是我们是通过一个锁在器，然后扩展

18、一个EPROM27128。下面是关于27128与8031接口电路的介绍三、单片机引脚功能介绍单片机引脚功能介绍1VCC（40）：电源+5V。2VSS（20）：接地，也就是GND。3XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。 单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号（详细的内容将在以后的课程中专门介绍）。4PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效。5ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲

19、输入端。6RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。什么是复位信号，为什么要加复位信号？当然也暂时不去管它。7EA/VPP（31）：内/外部ROM选择端。在30、9脚的功能上不知大家注意没有，都有一个/，什么意思呢？这是引脚的第二功能，也就是说，该引脚既可以作前面的功能，也可以作后面的功能，至于它是如何工作的，我们暂时也别去研究 。 8P0口（39-32）：双向I/O口。9P1口（1-8）：准双向通用I/0口。10 P2口（21-28）：准双向I/0口。11P3口（10-17）：多用途口。I/O就是英文IN/OUT的缩写，这些引脚的功能想必大家也都明白了，（就是输入/输出的意思），

20、这32个I/O口就是留给我们作连接外围电路用的，那么它们之间有些什么不同呢？这个问题稍微有点复杂。 四、计数、显示系统的总体设计计数、显示系统和总体设计的方案是：1、一个8031芯片：2、一个74LS373锁在器：74LS373与8031的连接线图 74ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片， (1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)

21、、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态); (2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态. 锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0Q7 状态与输入端

22、D1D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0D7 数据锁入Q0Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。 74ls373与单片机接口： 1D8D为8个输入端。 1Q8Q为8个输出端。 G是数据锁存控制端；当G=1时，锁存器输出端同输入端；当G由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。 OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。 在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端1D8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输

23、出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。3、一个27128程序存储器： 程序是控制计算机动作的一系列命令，单片机只认识由“0”和“1”代码构成的机器指令。如前述用助记符编写的命令MOV A，20H，换成机器认识的代码74H、20H：（写成二进制就是01110100B和00100000B）。在单片机处理问题之前必须事先将编好的程序、表格、常数汇编成机器代码后存入单片机的存储器中，该存储器称为程序存储器。程序存储器可以放在片内或片外，亦可片内片外同时设置。由于PC程序计数器为16位，使得程序存储器可用16位二进制地址，因此，内外存储器的地址最大可从0000H到FFFFH。8051内部有4k字节的

24、ROM，就占用了由0000H0FFFH的最低4k个字节，这时片外扩充的程序存储器地址编号应由1000H开始，如果将8051当做8031使用，不想利用片内4kROM，全用片外存储器，则地址编号仍可由0000H开始。不过，这时应使8051的第31脚（即EA脚）保持低电平。当EA为高电平时，用户在0000H至0FFFH范围内使用内部ROM，大于0FFFH后，单片机CPU自动访问外部程序存储器。1. 单片机的8051主要品种中8051、8751片内有4K ROM或EPROM，8031片内无程序存储器，因此必须扩展程序存储器用以存放 程序，当系统程序运行过程中需要存放的数据较多时，片内的128字节RAM

25、通常是不够用的，也需要扩充一部份数据存储器。A12 A8 VCC VPP PGMA7 CE GNDA0D0D7 27128OE1D G 1Q8D 8Q 74LS373 P2.4 P2.0ALEP0.0P0.7 8031PSEN 2.分析单片机最小系统的工作过程： +5V 5 8 8 地 SA 8当ALE高电平时，低8位地址信息从P0口输出，当ALE由高变低时，该下降沿使低8位地址锁存。高8位地址信息从P2口直接输出。当PSEN低电平有效时，选中的地址单元的内容从P0口读入8031 CPU内。P0口是复用口，分时输出低8位地址和输入数据，因此必须硬件上采取措施，将地址信息与数据信息隔开，这是单片

26、机构成应用系统必须考虑的问题，也是单片机必须要扩展的重要原因。二.扩展总线的形成： 计算机系统有三种总线：数据总线、地址总线、控制总线，计算机系统中的所有部件均以一定方式通过三总线连接在一起，构成计算机系统。如下图：P2口ALEP0口 8031 PSENWRRD A15 A8高8位地址 16位地址总线地 址锁 存 A7A0 低8位地址 D0D7 8位数据总线 控制总线4、八个LED灯： LED 是英文 light emitting diode （发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗

27、震性能好。50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于 1960 年。 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称为 p-n 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED 。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。五 、计数、显示系统的硬件原理图六、系统程序设计七、结论 八 参考文献单片机外围器件 实用手册（存储器分册）窦振中 编著MXS-51单片机原理及应用 杜会兵 主编单片机控制实训 指导 及综合 应用实例 张大明 编著单片机 原理及应用 （第3版）张毅刚 刘杰 主编MCS-51单片机原理与应用 李维祥 主编单片机 程序设计实例 先锋工作室 编著第 12 页