单片机系统的设计 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020第4章 单片机系统的设计引言用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行处理，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 码进行变换。

这些方法成本都较高。

本设计介绍一种以单片机直接与V/F 变换器接口进行A/D 转换的方法，不须额外的硬件电路，完全利用单片机内部的硬件资源，简单方便，成本最低，大大地提高了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。

主控器Intel 8031简介P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL 1XTAL 2V SS RST/VPD RXD TXD T0T10INT P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.01INT WRRD EA /V P PALEV CCPSEN403938373635343332313029282726252423222120191817161514131211109876543218031P1.0图4-1 8031引脚图 8031 cite-feet figure根据应用系统功能要求,考虑低成本、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基本产品，在它的内部包括一个8位的CPU，128个字节的RAM，21个特殊功能寄存器(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片内无程序存储器，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，可分为三部分。

Intel 8031的引脚电源及时钟引脚包括电源引脚V CC、V SS，时钟引脚XTAL1、XTAL2。

电源引脚接入单片机的工作电源。

V CC(40脚)：接＋5 V电源；V SS(20脚)：接地。

时钟引脚外接晶体时与片内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。

在单片机内部，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内部接至反相放大器的输出端。

若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

控制引脚包括RESET（即RST）、ALE、PSEN、EA,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≤ 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)，以保值内部RAM中的数据不流失。

当V CC下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（5±）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。

(2)ALE/PROG(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。

对于片内具有EPROM型的单片机8751，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲PROG。

(3)PSEN(29脚) 此输出为单片内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PSEN信号将不出现。

PSEN同样可以驱动8个TTL负载.(4)EA /V PP(31脚) 当EA端保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，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内的程序。

当EA端保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。

对8031来说，因其无内部程序存储器，所以该脚必须接地，这样只能选择外部程序存储器。

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（～）双向8位三态I/O口，此口为地址总线低8位及数据总线分时复用口，可带8个LS TTL负载。

(2)P1口（～）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（～）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（～）8位准双向I/O口，为双功能复用口，可带4个LS TTL负载。

Intel 8031的内部结构单片机8031内部总体结构如图4-2所示。

按功能划分，它由8个部分组成，即微处理器（CPU）、程序存储器(ROM/EPROM)、特殊功能寄存器（SFR）、I/O口、（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定时器/计数器及中断系统，它们是通过片内单一总线连接起来的。

由于本设计选用的单片机为8031，所以它的片内无程序存储器。

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。

XTAL1XTAL2CCSS图4-2 8031单片机内部总体结构Collectivity structure of SCM 8031Intel 8031的时钟和复位电路(1)8031的时钟可以由内部方式或外部方式产生。

内部方式的时钟电路如图4-3(a)所示，利用8031内部的振荡电路，并在XTAL1和XTAL2两引脚间外接晶体以及电容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～10kΩ的上拉电阻。

外部振（a）（b）图4-3 8031时钟电路Clock circuit of SCM 8031(a)内部方式时钟电路；(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。

(a)(b)图4-4复位电路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R S 取200Ω，R K取1 KΩ。

在实际的应用系统中，若有外部扩展的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。

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内部无程序存储器，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 空间内，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片内无程序存储器，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，由独立的编程器进行编程（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。

A 10 Q 7Q 3CS A 8 A 9 OE ～V CC V PP A 7～A 0 Q 0 ～Q 2 GND图4-5 芯片2716的引脚图 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 EPROM①EPROM 的读出时间按型号而定，一般在100-300 ns 间，表中列出的为典型值。

图4-5中涉及的端子符号的意义如下： (1)A 0～A i 地址输入线，i =10～11；(2)Q 0～Q 7 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)CE 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)OE 读选通信号输入线，“0”有效。

(6)V PP 编程电源输入线，V PP 值因芯片型号和制造厂商而异。

(7)V CC电源输入线，V CC一般为+5 V。

(8)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。