word第4章 单片机系统的设计4.1 引言 用V/F变换器作A/D转换时，通常由一些硬件电路如振荡器、二分频器、计数器和门电路组成，而由计数器计得的计数值即A/D转换结果再通过接口电路送入微计算机进展处理，较为复杂和不便，或者采用F/BCD变换电路将V/F变换器输出的频率信号变为BCD码再通过接口电路送入微计算机，也较为复杂，而且还要对BCD码进展变换这些方法本钱都较高本设计介绍一种以单片机直接与V/F变换器接口进展A/D转换的方法，不须额外的硬件电路，完全利用单片机部的硬件资源，简单方便，本钱最低，大提高了V/F变换器作为A/D转换电路的可行性当前，单片机特别是Intel公司的MCS-51系列单片机已在智能仪器仪表和过程控制等方面得到广泛应用，大有取代Z80之势，因此A/D转换电路与单片机的接口方法也是人们所关注的下面将主要介绍MCS-51系列的单片机8031为主控器件的硬件电路4.2 主控器Intel 8031简介图4-1 8031引脚图Fig.4-1 8031 cite-feet figure根据应用系统功能要求,考虑低本钱、小体积等因素,本设计采用Intel8031单片微计算机。
Intel 8031是MCS-51系列单片机目前使用最多的一种根本产品，在它的部包括一个8位的CPU，128个字节的RAM，21个特殊功能存放器(SFR)，4个8位并行I/O口，1个全双工的串行口，2个16位的定时器、计数器但Intel 8031片无程序存储器，因此，必须外扩EOPROM芯片存放用户程序Intel 8031的引脚配置如图4-1所示，40条引脚按功能来分，可分为三局部4.2.1Intel 8031的引脚4.2.1.1 电源与时钟引脚 包括电源引脚VCC、VSS，时钟引脚XTAL1、XTAL2电源引脚接入单片机的工作电源VCC(40脚)：接＋5 V电源；VSS(20脚)：接地时钟引脚外接晶体时与片的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的是时钟控制信号时钟引脚也可外接晶体振荡器XTAL1(19脚)：接外部晶体的一个引脚在单片机部，它是一个反相放大器的输入端当采用外接晶体振荡器时，此引脚外接地XTAL2(18脚)：接外部晶体的另一端在单片机部接至反相放大器的输出端假如采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到部时钟发生器的输入端4.2.1.2 控制引脚 包括RESET〔即RST〕、ALE、、,此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复杂功能。
1)RST/VPD(9脚) 当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位〔RST〕复位后应使此引脚电平为≤0.5 V的低电平，以保证单片机正常工作掉电期间，此引脚可接上备用电源(VPD)，以保值部RAM中的数据不流失当VCC下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压围〔5±0.5V〕时，VPD就向部RAM提供备用电源2)ALE/(30脚) 当单片机访问外部存储器时，ALE〔地址锁促允许〕输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位即使不访问外部存储器，ALE端有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲ALE端可以驱动8个TTL负载对于片具有EPROM型的单片机8751，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲3)(29脚) 此输出为单片访问外部程序存储器的读选通信号在从外部程序存储器取指令〔或常数〕期间，每个机器周期信号将不出现同样可以驱动8个TTL负载.(4) /VPP(31脚) 当端保持高电平时，单片机访问部程序存储器，但在PC〔程序计数器〕值超过OFFFH时，将自动转向执行外部程序存储器的程序。
当端保持低电平时，如此只访问外部程序存储器，不管是否有部程序存储器对8031来说，因其无部程序存储器，所以该脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器4.2.1.3输入/输出引脚 输入/输出〔I/O〕口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口1)P0口〔P0.0～P0.7〕 双向8位三态I/O口，此口为地址总线低8位与数据总线分时复用口，可带8个LS TTL负载2)P1口〔P1.0～P1.7〕8位准双向I/O口〔作为输入时，口锁存器置1〕，可带4个LS TTL负载3)P2口〔P2.0～P2.7〕8位准双向I/O口，与地址总线高8位复用，可驱动4个LS TTL负载4)P3口〔P3.0～P3.7〕8位准双向I/O口，为双功能复用口，可带4个LS TTL负载4.2.2 Intel 8031的部结构单片机8031部总体结构如图4-2所示按功能划分，它由8个局部组成，即微处理器〔CPU〕、程序存储器(ROM/EPROM)、特殊功能存放器〔SFR〕、I/O口、〔P0口、P1口、P2口、P3口〕、串行口、定时器/计数器与中断系统，它们是通过片单一总线连接起来的由于本设计选用的单片机为8031，所以它的片无程序存储器。
考虑到本设计的需要下面仅对8031的时钟和复位电路、存储器的扩展作详细的介绍图4-2 8031单片机部总体结构Fig.4-2 Collectivity structure of SCM 80314.2.3 Intel 8031的时钟和复位电路(1)8031的时钟可以由部方式或外部方式产生部方式的时钟电路如图4-3(a)所示，利用8031部的振荡电路，并在XTAL1和XTAL2两引脚间外接晶体以与电容CX1和CX2可以在20～100pF之间选择，电容的大小对振荡频率有微小影响，可起频率微调作用外部方式的时钟电路如图4-3(b)所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器外部振荡器的振荡信号应为低于12MHz的方波信号为保证XTAL1的电平为TTL逻辑，故外接一个4.7～10kΩ的上拉电阻〔a〕 〔b〕图4-3 8031时钟电路Fig.4-3 Clock circuit of SCM 8031(a)部方式时钟电路；(b)外部方式时钟电路(a) Inside mode clock circuit；(b) Exterior mode clock circuit (2)8031的复位方式通常有上电自动复位和按钮复位两种，上电复位电路原理如图4-4(a)所示，而图4-4(b)为兼有上电复位和按钮复位的复位电路。
图4-4 复位电路Fig.4-4 Replacement circuit上电复位的工作原理是：通电瞬间，RC电路充电，RST端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效复位当振荡频率选用6MHz时，C取22 μF，R取1 KΩ在需要人工复位大的情况下，按动按钮，RST端出现高电平，便能可靠的实现复位此时RS取200Ω，RK取1 KΩ在实际的应用系统中，假如有外部扩展的I/O接口电路也需要初始复位，如果它们的复位端与8031的复位端相连，复位电路中的R、C参数要受到影响，此时需要重新调整R、C参数以保证可靠的复位如果8031的复位与外部I/O口的复位不要求同步，外围I/O接口的复位端可以不和8031的复位端相连，外围I/O接口电路可采用独立的上电复位电路4.3 Intel 8031存储器的扩展8031单片机的程序存储器空间，数据存储器空间是相互独立的8031部无程序存储器，外部程序存储空间最大可扩展至64 KB外部数据存储器〔简称外部RAM〕的地址空间最大也可扩至64 KB由于8031的数据存储器和I/O地址空间是统一编址的，在64 KB的外部RAM空间，可划出一定的区间作为外部扩展接口的地址空间。
程序存储器的扩展：由于选用的单片机Intel 8031片无程序存储器，所以必须接在单片机Intel 8031的外部扩展一片程序存储器作为程序的存储单元在本设计中，选用EPROM作为单片机Intel 8031的外部扩展程序存储器EPROM是可擦除、可编程只读存储器，由独立的编程器进展编程〔烧程序〕EPROM可重新改写程序，但通常要把EPROM芯片从系统中折下来，放到紫外线下照射才能擦除，然后才能重写常用的EPROM程序存储器的芯片有：2716( 2 K×8)、2732〔4 K×8〕、2764〔8 K×8〕、27128〔16 K×8〕、27256〔32 K×8〕、27512〔64 K×8〕图4-5和表4-1给出了2716芯片的端子图和常见的EPROM芯片的主要技术指标图4-5 芯片2716的引脚图Fig.4-5 Cite-feet of 2713 CMOS chip表4-1 常见的EPROM芯片的主要技术指标Table4-1 Mostly technique guideline of familiar chip EPROM型号271627322764271282725627512容量〔字节〕2K4K8K16K32K64K端子数242428282828读出时间/ns350－450200①200①200①200①170①最大工作电流/mA10010075100100125最大维持电流/mA353535404040①EPROM的读出时间按型号而定，一般在100-300ns间，表中列出的为典型值。
图4-5中涉与的端子符号的意义如下：(1)A0～Ai地址输入线，=10～11；(2)Q0～Q7 三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线维持或编程禁止时呈高阻态3) 选片信号输入线，“0〞(即TTL低电平)有效4)PGM 编程脉冲输入线5) 读选通信号输入线，“0〞有效6)VPP 编程电源输入线，VPP值因芯片型号和制造厂商而异7)VCC 电源输入线，VCC一般为+5 V8)GND 线路地程序存储器的扩展时，除必须有EPROM芯片，还必须有锁存器芯片常见的锁存器芯片有三态缓冲输出的入口锁存器74LS373和带去除端的入口锁存器74LS373与74LS373的功能表4-2表4-274LS373的功能表Table4-2 Function table of 74LS373G功能01直通〔i=i〕00保持〔i保持不便〕1×输出高阻图4-6 锁存器74LS373的引脚图Fig.4-6 Cite-feet 74LS373 flip-latch如图4-6所示为74LS373的外部引脚结构当为低电平时，芯片处于导通状态G称为数据输入线，当为低电平时，如果G输入端为高电平，锁存器输出端〔Q1～Q8〕和输入端〔D1～D8〕状态一样；如果G端从高电平返回到低电平〔下降沿〕，输入端〔D1～D8〕的数据锁入Q1～Q8的8位锁存器中。
74LS373的锁存控制端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进展地址锁存本设计选用2 KB EPROM 2716作为单片机Intel 8031的外部扩展程序存储器，它与单片机的连接图,如图4-7所示图4-7 EPROM 2716与单片机8031的连接图Fig.4-7 Connecting figure of EPROM2716 and SCM 8031数据存储器的扩展：单片机8031的片包含有128个字节的RAM,CPU对部RAM有丰富的操作指令在实际应用中，仅靠片RAM往往不够，必须扩展。