第四章：硬件电路图设计
第一节：控制方案选择确定：
早期的控制系统是由模拟式自动化仪表组成的自动控制系统，称为仪表式自动控制系统。系统实现自控，是通过具体的模拟硬件，依据控制原理，对各种输入量进行模拟转换，最终实现调节输出量，实现自动控制。
随着大规模集成电路的发展，组成微型计算机的各种功能部件：中央处理器，存储器，串/并输入输出接口，定时器/记数器，中断控制器，以及许多特殊功能单元，如：A/D，D/A转换器，告诉输入输出部件，DMA，浮点运算等已集成在一块半导体晶体芯片上，构成一完整的微型计算机---单片机。计算机的发展正迅速渗透各行各业，其迅猛和普及之势是始料不及的，微机技术的发展又以网络化，模块化和微机化为特征，为其应用开辟了广阔的前景。
由于单片机具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于工业控制或与控制有关的数据处理系统，愈来愈广泛地应用于自动控制，智能仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域。
单片机的发展是源自于1971年11月Intel公司首先设计出集成度为200只晶体管/片的4位微处理机Intel4004，并配有RAM，ROM和移位寄存器，而后又推出8位微处理器，Intel8008，以后各大公司相继推出自己的8位微处理器，从此拉开了研制单片机的序幕。1976年~1983年，是低性能单片机阶段，以Intel公司推出的MCS-48系列为代表，采用8位CPU，8位并行I/O接口，8位定时/记数器，RAM/ROM等集成于一块半导体芯片上的单片机结构，寻址范围4KB，无串行I/O，RAM和ROM容量小，中断系统也较简单，功能可满足一般工业控制和智能化仪器，仪表等的需要。1980年~1983年，是高性能单片机阶段，高性能8位单片机普遍带有串行口，有多种中断处理系统，多个16位定时记数器，片内ROM，ROM的容量加大，寻址范围可达64KB，个别片内还带有A/D转换接口。其典型为1980年Intel公司推出的MCS-51系列单片机，这类单片机拓宽了其应用范围，使之能用于智能终端，局部网络的接口等。1983年~80年代末是16位单片机阶段。1983年Intel公司推出的高性能16位单片机MCS-96系列，采用了最新的制造工艺，使芯片集成度高达12万只晶体管/片。CPU16位，支持16位算术逻辑运算，并具有32位除16位的除法运算功能，片内RAM，ROM容量更进一步增大，除两个16位定时/记数器外，还可设定4个软件定时器，具有8个中断源，片内带有多通道高精度A/D转换器和高速输入，输出部件（HSIO），运算速度和控制功能也大幅度提高，具有很强的实时处理能力。90年代至今，单片机在集成，功能，速度，可靠性，应用领域等全方位向更高水平发展。如：CPU位数有8位，16位，32位，而结构上更进一步采用双CPU结构或内部流
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水线结构，以提高处理能力和运算速度，时钟频率高达20MHZ，使指令执行速度相对加快，提供新型的串行总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础，增加了新的特殊功能部件（如：PWM输出，监视定时器WDT，可编程记数器阵列PCA，DMA传输，调制解调器，通信控制器，浮点运算单元等），半导体制造工艺的不断改进，使芯片向高集成化，低功耗方向发展等等。以上这些方面的发展，使单片机在大量数据的实时处理，高级通信系统，数字信号处理，复杂工业控制，高级机器人以及局域网络等方面得到大量应用。
结合上面的综述，针对我们的控制系统比较简单，实现功能，采集工作不太复杂，我们选用AT89C51单片机以及8255A接口芯片，作为控制芯片。 A T 89C51 是由北京集成电路设计中心在MCS- 51 单片机的基础上精心设计, 由美国生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机。 1 特点:
·A T 89C51 与MCS251 系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容; ·片内有4k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器; ·全静态工作, 工作范围: 0Hz～ 24MHz; ·三级程序存储器加密; ·128×8 位内部RAM ; ·32 位双向输入输出线; ·两个十六位定时器?计数器; ·五个中断源, 两级中断优先级; ·一个全双工的异步串行口; ·间歇和掉电工作方式。 2 功能描述:
A T 89C51 是一种低损耗、高性能、CMO S八位微处理器, 片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器, 能重复写入?擦除解1000 次, 数据保存时间为十年。它与MCA 251系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容, 不仅可完全代替MCS251 系列单片机, 而且能系统具有许多MCS251 系列产品没有的功能。A T 89C51 可构成真正单片机最小应用系统,缩小系统体积, 增加系统的可靠性, 降低了系统成本。只要程序长度小于4k, 四个I/O 口全部提供给用户。可用5V 电压编程, 而且擦写时间仅需10 毫秒, 仅为8751 的擦除时间的百分之一, 与8751 的12V 电压擦写相比, 不易损坏器件, 没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制域。工作电压范围宽2.7V～6V ,全静态工作,工作频率宽,在0Hz～24MHz 内, 比8751等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性,系统,能快能慢。A T 89C51芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制,另外,AT89C51还具MCS251系列单片
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机的所有优点.128×8位内部RAM,32位双向输入输出线,两个十六位定时?计时器,5个中断源,两级中断优先级,一个全双工异步串行口及时钟发生器等。 3 管脚功能:
AT89C51单片机为40引脚芯片如下图所示：
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I/O 口线: P0、P1、P2、P3 共四个八位口：P0 口是三态双向口, 通称数据总线口, 因为只有该口能直接用于对外部存储器的读写操作。P0 口也用以输出外部存储器的低8 位地由于是分时输出, 故应在外部加锁存器将此地址数据锁存, 地址锁存信号用AL E。P1 口是专门供用户使用的I/O 口, 是准双向口。P2 口是从系统扩展时作高8 位地址线用。不扩展外部存储器时, P 2口也可以作为用户I/O 口线使用, P2 口也是准双向口。P3 口是双功能口, 该口的每一位均可独立地定义为第一I/O 功能或第二I/O 功能。作为第一功能使用时操作同P1 口。P3 口的第二功能如表1.
表1:
P3. 0 P3. 1 P3. 2 P3. 3 第二功能 RXD: 串行输入口 TXD: 串行输出口 INT0: 外部中断0 输入 INT1: 外部中断1 输入 13
P3. 4 P3. 5 P3. 6 P3. 7
T0: 定时?计数器0 外部输入 T1: 定时?计数器1 外部输入 WD: 外部数据存储器写选通 RD: 外部数据存储器读选通 2) 控制口线: PSEN(片外取控制)、AL E(地址锁存控制)、EA (片外储
器选择)、RE2SET(复位控制)；
3) 电源及时钟: CCC、VSS; XTA.1, XTA.2
4 操作方法
1) 程序存储器加密:AT89C51芯片程序存储器有三级硬件加密,能够有
效地保证系统不被仿制和软件不被复制, 加密等级设置如表2。U:(unprogrammed) P :(programmed).
表 2
程序存储器加密位LB1 LB2 LB3 加 密 类 型 1 U U U 程序存储器不加密 2 U U U MOVC指令可以执行外部程序存储器代码,但禁止从内部存储器读出代码,禁止再次刷新 3 U U U MOVC 指令可以执行外部程序存储器代码,但禁止从内部存储器读出代码,禁止再次刷新, 而且禁止校验 4 U U U MOVC 指令可以执行外部程存储器代码,但禁止从内部存储器读出代码,禁止再次刷新,而且禁止校验,禁止执行外部指令 2) 工作模式
AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU 可根据工作情况适时地进
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入睡眠状态, 内部RAM 和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压于电源下限,振荡器停振，CPU停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变，直到掉电模式被终止。只有V CC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后, 通过硬件复位掉电模式可被止。
第二节：系统功能框图如图一：
图一：
第三节：8255接口电路设计及工作原理描述
我们所做的提升机绞车综合后备保护仪要求能够适时显示提升绞车的运行
速度和位置值，显示设计选用的是BS202 (共阴极) LED 数码显示器。由于LED数码显示器数字存在段码和位控信号，如果直接用单片机直接作输出显示端接口，单片机口I/O端口显得有些不足，故我们选用8255进行了I/O口扩展。
8255A可编程并行输入/输出接口芯片是Inter公司生产的标准外围接口电
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