2009届机械电子工程专业毕业设计
第5章 硬件电路设计
硬件电路由主控芯片，电机驱动电路，反馈电路三大部分组成，图5.1为电路原理图。
图5.1 电路原理图
5.1控制器芯片介绍
电子差速的控制部分，采用我们比较熟悉和常用的单片机来实现，选择89C51作为主控芯片。
5.1.1 89C51单片机芯片内部逻辑结构介绍
89C51单片机是由中央处理器(CPU)、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、串行接口、并行I/O接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成的如图5.2所示
[12]
。89C51单片机的内部结构框架示意图
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张森：汽车电子差速及其控制方法设计
图5.2 89C51系列单片机内部结构框图
单片机的性能都反应在单片机所物有的结构和资源上。这里首先介绍89C51单片机基本结构的主要组成部分。 1.中央处理器(CPU)
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件。89C51单片机是8们数据宽度的处理器，它能处理8们二进制数据或代码。CPU主要由算术逻辑部件、控制器和专用寄存器三部分电路组成。它负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 2 .程序存储器(ROM)
89C51单片机共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序、原始数据或表格。由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。 3 .数据存储器(RAM)
89C51单片机内部有128处8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的。专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据。所以，用户能使用的RAM只有128个。这些单元可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
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4 .定时/计数器
89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数。它也可以产生中断，从而控制程序转向。 5 .并行输入输出(I/O)口
单片机需要和外部设备进行通信，以便于处理外部的输入法和将运算结果反馈到外部设备。89C51共有4组8位I/O口(P0、P1、P2和P3)，用于对数据的读入和输出。 6 .全双工串行口
89C51内置一个全双工串行通信口，用于与其他设备间的串行数据传送。该串行口既可以用做异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 7 .中断系统
89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断。这些功能可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。 8 .时钟电路
89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，可以外置振荡晶振和电容，便可以产生整个单片机运行的脉冲时序。设计人员也可以采用外部的时钟源作为工作时钟。
由上可见，89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，它是单片机技术上的突破，也是MCS-51单片机在设计上的精美之处[12]。 5.1.2 89C51单片机引脚排列及功能
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图5.3给给出了89C51的芯片引脚结构。
图5.3 89C51的芯片引脚结构 89C51的内部资源为：
8位CPU，4KB掩膜ROM程序存储器。 128字节内部RAM数据存储器。 2个16位的定时/计数器。 1个双工的异步串行口。
5个中断源、两级中断优先级的中断控制器
时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz~12MHz的时钟频率。 89C51各引脚的功能见表5.1
表5.1 89C51引脚功能
引脚号 1~8 39~32 21~28 10~17 40 20 引脚名 P1.0~P1.7 P0.0~P0.7 P2.0~P2.7 P3.0~P3.7 VCC VSS 功能 8位准双向I/O口 双向8位三态I/O口 8位准双向I/O口 8位准双向I/O口 接+5V电源 接地 28
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19 18 9 30 29 31 XTAL1 XTAL2 RESET ALE PSEN EA/VPP 接外部晶体的一个引脚 接外部晶体的另一个引脚 复位信号输入端 为地址锁存信号 程序存储器允许输出控制器 内/外程序存储器选择控制器 5.1.3时钟电路的设计
单片机内部是基于数字逻辑电路来运行的。这些数字逻辑电路需要量在一个统一的时钟步调下运行。振荡器和时钟电路用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号。89C51单片机采用CMOS工艺，内部包含一个振荡器，可以用于CPU的时钟源；也允许采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供CPU运行使用[12]。
本设计采用内部时钟模式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1引脚和XTAL2引脚上连接一个晶体振荡器或者陶瓷振荡器，并接两个电容后接地即可，如图5.3所示。使用时，对于电容的选择在一定的要求。
XTAL130pF12MHzXTAL230pF 80C51GND 图5.4 时钟模式电路图
当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=30±10pF； 当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=40±10pF。
在设计电路时，应该注意尽量保证外接的振荡器和电容尽可能靠近单片机的XTAL1和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。
本设计采外接晶体振荡器和电容组成的并联谐振回路。选择频率为12MHz振荡晶体。两个电容的大小均为30pF。
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