19基于單片機(jī)的數(shù)控車(chē)床XY工作臺(tái)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),19,基于,單片機(jī),數(shù)控車(chē)床,xy,工作臺(tái),控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 單片機(jī)單片機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)，是把中央處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、輸入輸出接口都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。與應(yīng)用在個(gè)人電腦中的通用型微處理器相比，它更強(qiáng)調(diào)自供應(yīng)（不用外接硬件）和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，但存儲(chǔ)量小，輸入輸出接口簡(jiǎn)單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機(jī)的定義已不能滿足，所以在很多應(yīng)用場(chǎng)合被稱(chēng)為范圍更廣的微控制器，但是目前在中國(guó)大陸仍多沿用“單片機(jī)”的稱(chēng)呼。絕大多數(shù)現(xiàn)在的單片機(jī)都是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個(gè)基本部分：一個(gè)中央處理器核心，程序存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器或者閃存） 、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器） ，一個(gè)或者更多的定時(shí)/計(jì)時(shí)器，還有用來(lái)與外圍設(shè)備以及擴(kuò)展資源進(jìn)行通信的輸入/ 輸出端口——所有這些都被集成在單個(gè)集成電路芯片上。說(shuō)單片機(jī)與通用型中央處理單元芯片不同是因?yàn)榍罢咭话愫苋菀着浜献钚⌒偷耐獠恐С中酒瞥晒ぷ饔?jì)算機(jī)。這樣就可以很容易的把單片機(jī)系統(tǒng)植入裝置內(nèi)部來(lái)控制裝置了。近年來(lái)為了在指令和數(shù)據(jù)上使用不同的字寬，并提高處理器流水線速度，哈佛結(jié)構(gòu)在微控制器和 DSP 也逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。 傳統(tǒng)的微處理器是不允許這么做的。它要完成單片機(jī)的工作，就必須連接一些其他芯片。比如說(shuō)，因?yàn)槠蠜](méi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，就必須要添加一些 RAM的存儲(chǔ)芯片，雖然所添加存儲(chǔ)器的容量很靈活，但是至少還是要添加，另外還需要添加很多連線來(lái)傳遞芯片之間的數(shù)據(jù)。 比如，一個(gè)典型的微控制器只需要一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和很少的 RAM 和 ROM(或者 EPROM, E2PROM)就可以在軟件和晶振下工作了。同時(shí)，微控制器具有豐富的輸入輸出設(shè)備，像是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)，定時(shí)器，串口或者其他串行通訊接口(比如 I2C，串行外圍接口(SPI),控制器局域網(wǎng))。通常，這些繼承在內(nèi)部的設(shè)備可以通過(guò)特殊的指令來(lái)操作。 一些現(xiàn)代的微控制器支持一些內(nèi)建的高級(jí)編程語(yǔ)言，比如 BASIC 語(yǔ)言。早期的單片機(jī)都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開(kāi)始出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢(xún)r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90 年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大的提高。隨著 INTEL i960 系列特別是后來(lái)的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用，32 位單片機(jī)迅速取代 16 位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的 8 位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80 年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過(guò) 300MHz，性能直追 90 年代中期的專(zhuān)用處理器，而普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至 1 美元，最高端的型號(hào)也只有 10 美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開(kāi)發(fā)和使用，大量專(zhuān)用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專(zhuān)用的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。單片機(jī)比專(zhuān)用處理器最適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類(lèi)生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 1-2 部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車(chē)上一般配備 40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過(guò) PC 機(jī)和其他計(jì)算的綜合，甚至比人類(lèi)的數(shù)量還要多。單片機(jī)學(xué)習(xí)應(yīng)中的五大重要部分：一、總線：我們知道，一個(gè)電路總是由元器件通過(guò)電線連接而成的，在模擬電路中，連線并不成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楦髌骷g一般是串行關(guān)系，各器件之間的連線并不很多，但計(jì)算機(jī)電路卻不一樣，它是以微處理器為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協(xié)調(diào)，所以就需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨(dú)連線，則線的數(shù)量將多得驚人，所以在微處理機(jī)中引入了總線的概念，各個(gè)器件共同享用連線，所有器件的 8 根數(shù)據(jù)線全部接到 8 根公用的線上，即相當(dāng)于各個(gè)器件并聯(lián)起來(lái)，但僅這樣還不行，如果有兩個(gè)器件同時(shí)送出數(shù)據(jù)，一個(gè)為 0，一個(gè)為1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是不允許的，所以要通過(guò)控制線進(jìn)行控制，使器件分時(shí)工作，任何時(shí)候只能有一個(gè)器件發(fā)送數(shù)據(jù)（可以有多個(gè)器件同時(shí)接收）。器件的數(shù)據(jù)線也就被稱(chēng)為數(shù)據(jù)總線，器件所有的控制線被稱(chēng)為控制總線。在單片機(jī)內(nèi)部或者外部存儲(chǔ)器及其它器件中有存儲(chǔ)單元，這些存儲(chǔ)單元要被分配地址，才能使用，分配地址當(dāng)然也是以電信號(hào)的形式給出的，由于存儲(chǔ)單元比較多，所以，用于地址分配的線也較多，這些線被稱(chēng)為地址總線。二、數(shù)據(jù)、地址、指令：之所以將這三者放在一起，是因?yàn)檫@三者的本質(zhì)都是一樣的——數(shù)字，或者說(shuō)都是一串‘0’和‘1’組成的序列。換言之，地址、指令也都是數(shù)據(jù)。指令：由單片機(jī)芯片的設(shè)計(jì)者規(guī)定的一種數(shù)字，它與我們常用的指令助記符有著嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，不可以由單片機(jī)的開(kāi)發(fā)者更改。地址：是尋找單片機(jī)內(nèi)部、外部的存儲(chǔ)單元、輸入輸出口的依據(jù)，內(nèi)部單元的地址值已由芯片設(shè)計(jì)者規(guī)定好，不可更改，外部的單元可以由單片機(jī)開(kāi)發(fā)者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的（詳見(jiàn)程序的執(zhí)行過(guò)程）。數(shù)據(jù)：這是由微處理機(jī)處理的對(duì)象，在各種不同的應(yīng)用電路中各不相同，一般而言，被處理的數(shù)據(jù)可能有這么幾種情況： 1、地址（如 MOV DPTR，#1000H），即地址 1000H 送入 DPTR。 2、方式字或控制字（如 MOV TMOD，#3 ），3 即是控制字。 3、常數(shù)（如 MOV TH0，#10H）10H 即定時(shí)常數(shù)。 4、實(shí)際輸出值（如 P1 口接彩燈，要燈全亮，則執(zhí)行指令：MOV P1， #0FFH，要燈全暗，則執(zhí)行指令：MOV P1，#00H）這里 0FFH 和 00H都是實(shí)際輸出值。又如用于 LED 的字形碼，也是實(shí)際輸出的值。 理解了地址、指令的本質(zhì)，就不難理解程序運(yùn)行過(guò)程中為什么會(huì)跑飛，會(huì)把數(shù)據(jù)當(dāng)成指令來(lái)執(zhí)行了。三、P0 口、P2 口和 P3 的第二功能用法：初學(xué)時(shí)往往對(duì) P0 口、P2 口和 P3口的第二功能用法迷惑不解，認(rèn)為第二功能和原功能之間要有一個(gè)切換的過(guò)程，或者說(shuō)要有一條指令，事實(shí)上，各端口的第二功能完全是自動(dòng)的，不需要用指令來(lái)轉(zhuǎn)換。如 P3.6、P3.7 分別是 WR、RD 信號(hào)，當(dāng)微片理機(jī)外接 RAM 或有外部 I/O 口時(shí)，它們被用作第二功能，不能作為通用 I/O 口使用，只要一微處理機(jī)一執(zhí)行到 MOVX 指令，就會(huì)有相應(yīng)的信號(hào)從 P3.6 或 P3.7 送出，不需要事先用指令說(shuō)明。事實(shí)上‘不能作為通用 I/O 口使用’也并不是‘不能’而是（使用者）‘不會(huì)’將其作為通用 I/O 口使用。你完全可以在指令中按排一條 SETB P3.7 的指令，并且當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行到這條指令時(shí)，也會(huì)使 P3.7 變?yōu)楦唠娖?，但使用者不?huì)這么去做，因?yàn)檫@通常這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。四、程序的執(zhí)行過(guò)程： 單片機(jī)在通電復(fù)位后 8051 內(nèi)的程序計(jì)數(shù)器（PC ）中的值為‘0000’ ，所以程序總是從‘0000’ 單元開(kāi)始執(zhí)行，也就是說(shuō)：在系統(tǒng)的ROM 中一定要存在‘0000’這個(gè)單元，并且在‘0000’單元中存放的一定是一條指令。五、堆棧：堆棧是一個(gè)區(qū)域，是用來(lái)存放數(shù)據(jù)的，這個(gè)區(qū)域本身沒(méi)有任何特殊之處，就是內(nèi)部 RAM 的一部份，特殊的是它存放和取用數(shù)據(jù)的方式，即所謂的‘ 先進(jìn)后出，后進(jìn)先出’，并且堆棧有特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令，即‘PUSH’和‘POP’，有一個(gè)特殊的專(zhuān)為其服務(wù)的單元，即堆棧指針 SP，每當(dāng)執(zhí)一次 PUSH指令時(shí)，SP 就（在原值的基礎(chǔ)上）自動(dòng)加 1，每當(dāng)執(zhí)行一次 POP 指令，SP 就（在原值的基礎(chǔ)上）自動(dòng)減 1。由于 SP 中的值可以用指令加以改變，所以只要在程序開(kāi)始階段更改了 SP 的值，就可以把堆棧設(shè)置在規(guī)定的內(nèi)存單元中，如在程序開(kāi)始時(shí)，用一條 MOV SP，#5FH 指令，就時(shí)把堆棧設(shè)置在從內(nèi)存單元60H 開(kāi)始的單元中。一般程序的開(kāi)頭總有這么一條設(shè)置堆棧指針的指令，因?yàn)殚_(kāi)機(jī)時(shí)，SP 的初始值為 07H，這樣就使堆棧從 08H 單元開(kāi)始往后，而 08H 到1FH 這個(gè)區(qū)域正是 8031 的第二、三、四工作寄存器區(qū)，經(jīng)常要被使用，這會(huì)造成數(shù)據(jù)的混亂。不同作者編寫(xiě)程序時(shí)，初始化堆棧指令也不完全相同，這是作者的習(xí)慣問(wèn)題。當(dāng)設(shè)置好堆棧區(qū)后，并不意味著該區(qū)域成為一種專(zhuān)用內(nèi)存，它還是可以象普通內(nèi)存區(qū)域一樣使用，只是一般情況下編程者不會(huì)把它當(dāng)成普通內(nèi)存用。