单片机原理及应用 Chapter1 概论.ppt

单片机技术与应用 王巍TEL mail geo wangwei 课程内容介绍 课程安排 学时 46 讲授 10 实验 教材 单片机技术及应用 汪文主编华中科技大学出版社参考书及资料 单片机原理及应用 黄勤主编清华大学出版社 The8051Microcontroller4th MacKenzie The8051Microcontroller Architecture Programming andApplications KennethJ Ayala IntelMCS51USER SMANUAL 各种视频教程 学习要求 熟悉布尔代数 逻辑门 寄存器等熟悉组合逻辑电路和时序逻辑电路熟悉C语言 可选 最好自己能够制作或者买一块开发板 建议自己制作 主动学习 自主学习 培养能力 下载相关软件 KeilC51 Proteus pr utju s tius AltiumDesigner等 作业和答疑 每人准备两个作业本 可用其他课程没有用完的 认真对待作业 可作为考试前的复习资料 每次上完课都可以答疑 平时可到教二楼509 也可以发邮件答疑 geo wangwei 学习单片机应该注意什么 数字电路中由13片IC组成的数字钟 数字电路中由13片IC组成的数字钟 数字电路中由13片IC组成的数字钟 单片IC 单片机 电子钟 另一个数字钟 另一个数字钟 第一章单片机概论 1 1什么是单片机 首先 单片机属于一种计算机系统 考虑这样一个问题 一台计算机由哪些部件组成 CPU Motherboard memory harddrives videocard keyboard mouse monitor 1 1什么是单片机 单片机是怎么组成的 CPU 存储器 控制电路 定时器 时钟电路 I O口 1 1什么是单片机 将中央处理器 CPU 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 输入 输出端口 I O 等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机称为单片微型计算机 singlechipmicrocomputer 简称单片机 随着单片机技术的不断发展 单片机 已无法确切表达其内涵 目前 国际上统一采用微控制器 MCU MicroControllerUnit 来称呼 1 1什么是单片机 单片机系统按照所选择的单片机 以及单片机的技术要求和嵌入对象对单片机的资源要求构成单片机系统 按照单片机要求在外部配置单片机运行所需要的时钟电路 复位电路等 构成了单片机的最小系统 当单片机中CPU外围电路不能满足嵌入对象功能要求时 可在单片机外部扩展CPU外围电路 如存储器 定时器 计数器 中断源等 形成能满足具体嵌入应用的一个计算机系统 单片机最小系统 1 1什么是单片机 单片机应用系统单片机应用系统是满足嵌入式对象要求的全部电路系统 它在单片机系统的基础上配置了面向对象的接口电路 在单片机应用系统中 面向对象的接口电路有以下几种 前向通道接口电路后向通道接口电路人机界面接口电路串行通信接口单片机应用系统是目标系统 要形成最终产品 除硬件电路外 还须嵌入系统应用程序 1 2单片机的发展过程和应用领域 1 2 1单片机的发展过程 1 2单片机的发展过程和应用领域 1 2单片机的发展过程和应用领域 单片机的应用领域 1 2单片机的发展过程和应用领域 单片机的应用领域网络和通信设备网络和通信产品的自动化和智能化程度很高 这当然离不开单片机的参与 例如交换机 路由器 机顶盒 移动电话 卫星 移动基站等 都有单片机在其中发挥作用 1 2单片机的发展过程和应用领域 单片机的应用领域消费类电子产品在洗衣机 电冰箱 空调 数码相机等消费类电子产品的控制中 提高电子产品的智能化程度 增加了其功能 使这种产品更受人们的喜爱 因此 单片机使人类生活更加舒适 方便 丰富多彩 1 2单片机的发展过程和应用领域 单片机的应用领域工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制 电流 电压 温度 液位 流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现 在这类系统中 利用单片机作为系统控制器 可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法 实现期望的控制指标 从而提高生产效率和产品质量 典型应用如电机转速控制 温度控制 自动生产线等 1 2单片机的发展过程和应用领域 单片机的应用领域自动化机电一体化产品是指集机械技术 微电子技术 计算机技术为一体 具有智能化特征的产品 如微机控制的车床 钻床等 将单片机作为产品中的控制器 能充分发挥其体积小 可靠性高 功能强的优点 可以使产品数字化 智能化 增加产品的附加值 提高产品的档次 甚至改变产品的组成与结构 实现产品的更新换代 大大提高机器的自动化 智能化的程度 典型产品如机器人 数控机床 自动包装机 点钞机 医疗设备 打印机 传真机 复印机等 1 2单片机的发展过程和应用领域 单片机的应用领域智能仪器仪表单片机用于各种仪器仪表 一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度 使仪器仪表智能化 同时还简化了仪器仪表的硬件结构 从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代 使仪器仪表数字化 智能化 微型化 且功能大大提高 如各种智能电气测量仪表 智能传感器等 1 2单片机的发展过程和应用领域 单片机的应用领域军事装备国防现代化离不开计算机 在现代化的飞机 军舰 坦克 大炮 导弹火箭和雷达等各种军用装备上 电子系统的集中显示系统 动力监测控制系统 自动驾驭系统 通讯系统以及运行监视器 黑匣子 都会用到单片机技术 1 3单片机的结构和工作原理 1 3 1单片机的结构单片机一般是由以下几个部分构成 CPU数据存储器程序存储器并行I O串行I O特殊功能模块 1 3单片机的结构和工作原理 1 3 2单片机的工作原理单片机是通过执行程序来工作的 执行不同的程序便能完成不同的任务 指令与程序 指令是规定单片机执行某种操作的二进制代码 CPU根据指令来指挥和控制单片机各部分协调动作 完成规定的操作 根据任务要求有序地编排的指令集和称为程序 1 3单片机的结构和工作原理 1 3 2单片机的工作原理CPU是执行程序的关键 CPU由运算器 控制器 寄存器和内总线组成 控制器通过对指令译码统一指挥和控制单片机的部件进行工作 运算器对数据进行算术 逻辑运算及位操作处理等工作 寄存器主要存放参加运算的操作数和运算结果 1 3单片机的结构和工作原理 1 3 2单片机的工作原理单片机执行程序的过程取指令阶段 根据程序计数器PC ProgramCounter 中的值 从程序存储器中读出一条指令 送到指令寄存器 分析指令阶段 将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码 分析指令性质 执行指令阶段 取出操作数 然后按照操作码的性质对操作数进行操作 单片机执行程序的过程实际上就是重复执行上述3个阶段的操作过程 1 4MCS 51系列单片机的结构特点 MCS 51单片机 带有Watchdog支持ISP在线编程 1 4MCS 51系列单片机的结构特点 MCS 51单片机结构 1 4MCS 51系列单片机的结构特点 MCS 51单片机的特点 8051 89x51 8位CPU4kbytes程序存储器 ROM 52为8K 256bytes的数据存储器 RAM SFR 52有384bytes的RAM SFR 32条I O口线 4个8位并行口 111条指令 大部分为单字节指令21个专用寄存器2个可编程定时 计数器5个中断源 2个优先级 52有6个 1 4MCS 51系列单片机的结构特点 MCS 51单片机的特点一个全双工串行通信口 UART 外部数据存储器寻址空间为64kB外部程序存储器寻址空间为64kB逻辑操作位寻址功能双列直插40PinDIP封装单一 5V电源供电 1 5单片机类型及其发展趋势 常用单片机系列 1 5单片机类型及其发展趋势 Intel8051系列单片机Intel公司于1980年推出8位的高性能8051单片机 在工业控制领域引起不小的轰动 并迅速确立了其不可动摇的地位 之后 Intel公司彻底开放了8051单片机的技术 引来世界上很多半导体厂商加入了开发和改造8051单片机的行列中 形成目前各具特色8051单片机系列等 Intel8051系列单片机 1 5单片机类型及其发展趋势 Winbond的单片机华邦公司的W77 W78系列8位单片机的脚位和指令集与8051兼容 多数单片机每个指令周期只需要4个时钟周期 速度提高了三倍 SST公司SST89系列单片机SST89系列是美国SST公司推出的低价格 高可靠 小扇区结构的Flash单片机 特别是所有产品均带有IAP 在应用可编程 和ISP 在系统可编程 功能 不占用用户资源 通过串行口即可在系统仿真和编程 无须专用仿真开发设备 3V 5V工作电压 NXP公司P87 P89系列单片机NXP 原Philips半导体 8位8051单片机系列提供完整的产品类型 包括Flash OTP 一次性编程 ROM和无ROM器件 这些80C51器件性能稳定可靠 可以广泛应用于汽车电子 消费类产品 计算机外设 自动化系统等各种领域 1 5单片机类型及其发展趋势 CygnalC8051F单片机Cygnal是一家专门从事混合信号系统芯片设计与制造的公司 C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统芯片 具有丰富的模拟和数字资源 作为后起之秀 是目前功能最全 速度最快的品种之一 得到越来越广泛的应用 Motorola的单片机Motorola是世界上最早开发单片机的著名厂商 是目前全球最大的8位单片机生产商 主要有68HC08 68HC05等30多个系列 Motorola单片机的功能一般都很强 进入我国的时间也很早 但由于其开发工具价格较高 影响了普及率 1 5单片机类型及其发展趋势 Atmel公司AT89 AVR系列单片机AT89系列单片机 在国内应用最为广泛 AVR系列单片机是Atmel公司的增强型8位RISC微控制器 有Attiny AT90和Atmega等系列 Microchip公司的PIC单片机PIC单片机采用哈佛RSIC架构 近几年Microchip不断推出颇具特色的各型单片机 常见的单片机主要有以下3个系列 PIC16C 系列 PIC17C 系列和PIC1400系列 1 5单片机类型及其发展趋势 TI公司的MSP430单片机TI公司是闻名全球的DSP制造商 但其前几年才推出的MSP430系列16位单片机同样在业界掀起不小的波澜 MSP430系列单片机突出的特点是低电压供电 超低功耗 处理能力强和内部外设较多 非常适合应用于便携式采用电池长时间工作的场合 宏晶公司的STC系列单片机51兼容单片机 便宜 1 5单片机类型及其发展趋势 单片机的选择应该根据项目的实际需求选择合适的单片机 在单片机选型过程中 有一些基本问题需要考虑 如处理速度 总线宽度 寻址能力 存储空间 片上外设资源 I O数量 电源管理 时钟系统 功耗特性 工作温度 抗干扰能力 开发工具支持 调试接口 应用情况 封装 价格 货源和技术支持等 1 5单片机类型及其发展趋势 单片机的发展趋势是向着大容量化 高性能化 多功能化 和低功耗化等几个方面发展 大容量化新型单片机片内程序存储器可达64KB 片内数据存储器可达2MB 单片机的寻址已突破64KB的限制 8位和16位单片机寻址可达1MB和16MB 目前 51系列单片机内ROM最大可达64KB RAM可达2KB 高性能化主要是指进一步改进CPU性能 增加数据总线宽度 加快指令运行速度 加强位处理功能 中断和定时控制功能 采用流水线技术 加快指令运算速度和提高系统控制可靠性 多功能化除了一般必须具有的ROM RAM 定时器 计数器 中断系统外 随着单片机档次的提高 适应检测 控制功能更高的要求 片内集成的部件还有A D转换器 D A转换器 DMA转换器 中断控制器 锁相环 频率合成器 字符发生器 声音发生器 CRT控制器 译码控制器等 1 5单片机类型及其发展趋势 低功耗化8位单片机中有二分之一的产品已CMOS化 CMOS芯片的单片机具有功耗小的优点 而且为了充分发挥低功耗的特点 这类单片机普遍配置有Wait和Stop两种工作方式 待机电流最小可达 A级 供电电压范围较宽 为3 6V 低电压供电的单片机可在1 2V电压下工作 外部总线化有的单片机机型增加了SPI I2C Microwire 1 Wire 等串行总线方式 进一步缩小了体积 简化了结构 纵观单片机十年的发展历程 单片机将向多功能 高性能 高速度 低电压 低功耗 低价格 外围电路内装化以及片内存储器容量增加和Flash存储器化方向化发展 1 6单片机应用系统的开发过程 一个实用单片机应用系统包括正确无误的硬件设计和良好的软件功能设计 其开发过程如下 根据应用系统设计目标 功能和性能指标 确定待开发的系统所要完成的任务 从应用系统总体设计方案出发 确定应用系统的结构 电路板划分原则 以上述工作为基础 写出设计任务书 画出总体原理图框图 作为系统设计的依据 注意合理分配系统硬件和软件的功能 1 6单片机应用系统的开发过程 硬件系统设计 调试根据应用系统所要完成的任务确定需要扩展到电路 如I O接口 存储器 A D及D A转换器等 按照选定的单片机和扩展到电路芯片的引脚功能和时序 确定单片机同各种待扩展电路芯片间的连接关系 并画出电路原理图 schematic 使用EDA软件进行PCB PrintedCircuitBoard 设计 在电路板 PCB 焊接元器件并使用各种仪器 万用表 示波器 信号发生器 逻辑分析仪等 调试硬件电路 1 6单片机应用系统的开发过程 应用程序设计 调试按任务模块划分的应用程序设计中 无论是模块程序 还是子程序都要在编辑软件的支持下 先编写好源程序 并且在汇编软件支持下 通过汇编来检查源程序中的编写错误 在硬件系统测试合格 应用程序通过汇编检查合格后 方能进入仿真调试 仿真调试是在开发装置在线仿真环境下进行 可利用在线仿真器的程序跟踪调试和内部资源的监控功能缩短系统的开发周期 1 6单片机应用系统的开发过程 系统脱机运行检查系统应用程序调试合格后 利用编程器或者在线下载工具将应用程序固化到单片机的程序存储器中 然后将应用系统脱离仿真器进行上电运行检查 由于单片机实际运行环境和仿真调试环境的差别 脱机运行情况可能会和仿真时不同 1 6单片机应用系统的开发过程 设计1个单片机控制发光管闪烁的电路和程序 闪烁频率为2Hz 利用软件延时 通过实例 使大家初步了解单片机应用设计过程 建立学好单片机的信心 实例 单片机控制发光管闪烁 利