基于80c51单片机的电动智能小车硬件设计（论文-文库吧

【正文】 ： 80C51 单片机的发展背景及用途； 第三章： 方案设计与论证； 第四章： 智能小车的硬件设计。 基于 80C51 单片机的电动智能小车硬件设计 3 第二章 80C51 单片机的发展背景及用途 单片机 介绍及产生背景 单 片 微 型计 算 机简 称 单片 机 ，是 典 型的 嵌 入 式 微控制器（ Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由 芯片 内仅有 CPU 的专用 处理器 发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使 计算机系统 更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便 分道扬镳 。 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。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。 90 年代后随着 消费电子产品 大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着 INTELi960 系列特别是后来的 ARM系列的广泛应用， 32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前， 高端的 32 位单片机 主频 已经超过300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1 美元，最高端的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的 嵌入式操作系统 被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系统 。单片机比专用处理器更适合应用于 嵌入式系统 ，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的 计算机 。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手 机、电话、 计算器 、家用电器、电子玩具、掌上电脑 以及鼠标等电脑配件中都配有 12 部单片机。而 个人电脑 中也会有为数不少的单片机在工作。 汽车 上一般配备 40 多部单片机，复杂的基于 80C51 单片机的电动智能小车硬件设计 工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个 计算机系统集成 到一个芯片上。相当于一个微型的 计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。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。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。 图 单片机芯片 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。一个不是很复杂的功能要是用美国 50年代 开发的 74系列，或者 60年代的 CD4000系列这些纯 硬件 来搞定的话， 电路 一定是一块大 PCB 板！但是如果要是用美国 70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的基于 80C51 单片机的电动智能小车硬件设计 程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 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。一样的道理，如果把巨型计算机上的 操作系统 和应用软件拿到家用 PC 上来运行，家用PC 的也是承受不 了的。可以说，二十世纪跨越了三个 ”电 ”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指 个人计算机 ，简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的 最小系统 只用了 一片 集成电路 ，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的 ”肚子 ”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如 智能仪表 、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效， 常在产品名称前冠以形容词—— ” 智能型 ” ，如智能型 洗衣机 等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它 可编程逻辑器件 上。 单片机的发展过程 1971 年 intel 公司 研制出世界上第一个 4 位的微处理器； Intel 公司的霍夫 研制成功世界上第一块 4 位微处理器芯片 Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和 微机 时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国 《经济学家》杂志列为 ” 以来最有影响力的 7 位科学家 ” 之一 。 1971基于 80C51 单片机的电动智能小车硬件设计 年 11 月， Intel 推出 MCS4 微型计算机系统 （包括 4001 ROM 芯片、 4002 RAM 芯片、 4003 移位寄存器 芯片和 4004 微处理器 ）其中 4004（下图）包含 2300 个 晶体管 ，尺寸规格为 3mm4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为 200 美元。 1972 年 4 月，霍夫等人开发出第一个 8 位微处理器 Intel 8008。由于8008 采用的是 P 沟道 MOS 微处理器，因此仍属第一代微处理器。 1973年 intel 公司研制出 8 位的微处理器 8080； 1973 年 8 月，霍夫等人研制出8 位微处理器 Intel 8080，以 N 沟道 MOS 电路 取代了 P 沟道，第二代微处理器就此诞生 。 频 2MHz 的 8080 芯片运算速度比 8008 快 10 倍，可存取 64KB 存储器，使用了基于 6 微米技术的 6000 个晶体管，处理速度为（ Million Instructions Per Second ）。 1975 年 4 月， MITS 发布第一个通用型 Altair 8800，售价 375 美元，带有 1KB 存储器。这是世界上第一台微型计算机。 1976 年 Intel 公司研制出 MCS48 系列 8 位的单片机，这也 是单片机的问世。 Zilog 公司于 1976年开发的 Z80 微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、 Motorola 和 Intel 在微处理器领域三足鼎立。 20 世纪 80 年代初， Intel 公司在 MCS48 系列单片机的基础上，推出了 MCS51 系列 8 位高档单片机。 MCS51 系列单片机无论是片内 RAM容量， I/O 口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。起初模型 ： 即 单片微型计算机 （ Single Chip Microputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳 体系结构 。 ”创新模式 ”获得成功，奠定了 SCM 与 通用计算机 完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上， Intel 公司功不可没。 MCU 即微控制器（ Micro Controller Unit） 阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 MCU 的重任不可避免地落在电气、 电子技术 厂家。从这一角度来看， Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素。在发展 MCU 方面，最著名的厂家当数 Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨基于 80C51 单片机的电动智能小车硬件设计 大优势，将 MCS51从单片微型计算机迅 速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 Intel 和 Philips 的历史功绩。 单片机的应用举例 （ 1）在智能仪表中的应用 单片机应用 最多最活跃的领域之一。在各类 仪器仪表 中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试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）在 机电一体化 中的应用 机电一体化产品是指集机械技术， 微电子技术 ，计算机技术于一体，使其产品具有智能化特征的 电子产品 。它是 机械工业 发展的方向。 （ 3）在实时控制系统中的应用 单片机广泛用于各种实时 过程控制 系统中，例如工业过程控制、过程监测、 航空航天 、间断武器、机器人系统等各种实时控制系统。用单片机进行实时系统 数据处理 和控制，保证系统工作在最佳状态，有利于提高系统的工作效率和产品的质量。 （ 4）在人们生活中的应用 目前国内外各种家具已经普遍用单片机代替传 统的控制电路，例如，洗衣机 、电冰箱、 空调机 、 微波炉 、电饭煲、 收音机 、音像、电风扇及许多高级 电子玩具 都配上了单片机。 （ 5）在其他方面的应用 单片机还广泛应用于 办公自动化 领域、商业营销领域、安全防卫、汽车及通信系统、计算机外部设备、 模糊控制 等领域。此处 51单片机 只是单片机其中的一种。 80C51 单片机引脚图以及各引脚功能介绍 基于 80C51 单片机的电动智能小车硬件设计 图 80C51 单片机管脚图 Vss(20脚 )：接地 VCC（ 40脚）： 主电源 +5V XTAL1（ 19脚）：接外部晶体的一端。在片 内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该端引脚必须接地；对于 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（ 18脚）： 接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于 HMOS 单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于 CHMOS 单片机，此引脚应悬浮。 RST（ 9脚）： 单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入 24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（ RESET） PSEN（ 29脚）： 在 访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。 CPU 在向片外存储器取指令期间， PSEN 信号在 12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效 PSEN基于 80C51 单片机的电动智能小车硬件设计 信号不出现。 PSEN 端同样可驱动 8个 LSTTL 负载。我们根据 PSEN、 ALE和 XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别 80C51是否在工作。 ALE/PROG（ 30脚）：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。 CPU 在向片外存储器取指令期间， PSEN 信号在 12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这 两次有效PSEN 信号不出现。 PSEN 端同样可驱动 8个 LSTTL 负载。我们根据 PSEN、ALE 和 XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别 80C51是否在工作。 EA/VPP（ 31脚）： 当 EA 端输入高电平时， CPU 从片内程序存储器地址 0000H 单元开始执行程序。当地址超出 4KB 时，将自动执行片外程序存储器的程序。当 EA 输入低电平时， CPU 仅访问片外程序存储器。在对87C51EPROM 编程时，此引脚用于施加编程电压 VPP。 输入 /输出引脚： （ 1） — (39脚 — 32脚 ) （ 2） — （ 1脚 — 8脚） （ 3） — （ 26脚 — 21脚） （ 4） — （ 10脚 — 17脚） 基于 80C51 单片机的电动智能小车硬件