单片机速-成.doc

单片机技术速成 哈尔滨理工大学测通学院目 录1 前 言 （ 1 ）2 单片机概述 （ 3 ）3 51单片机基本结构及功能 （ 4 ）4 AT89系列单片机及最小系统 （ 6 ）5 单片机应用实例 （ 7 ）5 1 恒温水浴智能控制6 编 后 （11）1 前 言随着科学技术的不断进步，单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的应用普及和不断更新大大促进了现代计算机技术的飞速发展。由于其性价比高，控制能力强，开发手段成熟，应用灵活等优点，现已广泛应用于机电一体化、仪器仪表、工业控制、 通信设备、办公自动化、家用电器以及儿童玩具中，成为现代电子系统中最简单、最重要的智能化内核，嵌入到人类的工作、学习、生活的方方面面。因此学习、掌握、应用单片机技术已是理工科电类专业学生必备的基本技能。随着单片机应用向各个领域的渗透，理工科高校非电类专业进行单片机及其相关内容的教学符合新时期的需要，既能扩大学生就业领域，提高就业机率，又可以拓宽专业口径，强化多学科综合及创新意识，为国家的建设和发展培养高层次应用型、复合型工程技术人才。将单片机植入到测量控制系统，可使其自动化程度、智能化水平、数据处理能力及综合性能指标等得以大大提升。如智能仪器，自动测试系统，专家诊断系统，人工智能系统、功能模块等都是单片机技术与测控技术有机融合的成果。“安全检测技术”是检测技术在安全科学领域的延拓和更专业、更具体的应用，学习单片机应用技术，研究单片机在安全检测中的应用对增加测试功能、提高测量准确度、实现测量自动化、智能化具有实际意义。安全工程专业同哈尔滨理工大学其他非电类专业一样，没有设置单片机及其相关内容的教学。但在专业课（安全检测技术、电气测量等）的教学实践及今后的实际工作（环境监测、工业生产监控、工矿事故监测等）中都会遇到面向前端的单片机应用。为了便于学生更好的掌握应用技能，使专业知识多样化、综合化，我们在近几年安全检测技术的教学中，根据教材（安全检测技术天津大学出版社1999年版、化工出版社2006年版）的内容和“安全工程”的专业特点，增加了一章 “单片机及其在安全检测中的应用”，以专题讲座的形式讲授：1 单片机概述、2 MCS 51单片机基本结构及功能、3 AT89C2051单片机最小应用系统、4 单片机安全测控系统应用举例。让学生对单片机有初步的了解，教师把单片机开放器及应用单片机的产品带到课堂，进行实物教学，给学生以感性认识，激发学生的学习兴趣，调动学习的积极性，让学生在脑海里对单片机形成一定的概念。同时介绍一些单片机应用开发的必备知识，利用课余时间进行简单的编程实践，深受广大同学欢迎。总结多年来单片机应用技术的教学经验，梳理相关的教学资料。针对理工科大专院校非电类专业学生以及电子爱好者学习，我们独辟蹊径，没有从深奥的单片机结构及复杂的指令时序入手，而是借助一种简单的学习型编程器，从零起步，由实验、实践切入，可使从没学习、接触过单片机的学生在短时间（三天）内，初步掌握单片机硬件结构、软件编程及应用产品的开发技术。轻松实现单片机应用技术的入门。再由浅入深、循序渐进，详实学习掌握单片机的原理、基本功能单元、应用系统设计及软硬件开发技巧，顺利踏上深造的阶梯。在教和学的互动、讲与练的结合中，以学生为学习的主体，使学生在反复的学习与实践中提高动手能力，增加实践经验、体检学习的乐趣，发挥聪明才智，把离散的实践积累起来，与理论有机结合升华到知识的程度。我们力图以一种新的教学方法做到单片机应用技术的快速入门，积极推行素质教育，落实高校教育改革，加强对高层次应用型、复合型工程人才的培养。但这些仍需在教学实践中不断改进完善，希望能得到广大教师、学生和读者的支持和建议。2 单片计算机概述单片微型计算机具有性价比高，控制能力强，开发手段成熟，应用灵活等优点，现已广泛应用于机电一体化、仪器仪表、工业控制、通信设备、办公自动化、家用电器以及儿童玩具中，成为现代电子系统中最简单、最重要的智能化内核，嵌入到人类的工作、学习、生活的方方面面。学习、掌握、应用单片机技术已是科技人员必备的基本技能。随着单片机应用向各个领域的渗透，理工科高校非电类专业进行单片机及其相关内容的教学符合新时期的需要，既可以拓宽专业口径，强化多学科综合及创新意识，培养新技术条件下应用型、复合型工程技术人才；又能对扩大毕业生就业领域，提高就业、创业机率有着积极作用。随着计算机技术的迅猛发展和现代检测技术的需求，单片计算机已成为检测、控制过程中不可缺少的组成部分。将单片机植入到测量控制系统，可使其自动化程度、智能化水平、数据处理能力及综合性能指标等方面得以大大提升。如智能仪器，自动测试系统，专家诊断系统，人工智能系统、功能模块等都是单片机技术与测控技术有机融合的成果。在工程技术领域内，安全检测的工作内容很多，可以在常规的测控系统和测量仪器中引入了单片机技术，增加其检测功能，适应安全检测的实际需求。第一片微处理器是1971年问世的，它是单片机的前身。三十年来，由1位机发展到8位机，到现在的16位机、32位机，其品种繁多，功能各异，并有许多在原基础上改进、增强、派生的型号。家族之大，很少有人说的清楚（对使用者而言）。3 51单片机基本结构及功能51系列单片机是1980年Intel公司率先推出的，是目前使用最多，应用最广的主流单片机系列。51（52）单片机资源：* 4（8）KB字节程序存储器（ROM）(可扩展到64KB寻址空间）；* 128（256）字节数据存储器（RAM）(可扩展到64KB寻址空间)；* 32根双向可编程 I / O口线 （P0 P3），（其中P3为双功能 I / O口线）；* 5（6）个中断源 （可分2级中断优权）；* 2（3）个16 位定时/计数器；* 一个双全工串行口；* 系统时钟振荡器（可达32MHz）；* 8位CPU 具有加，减，乘，除等指令系统。且大部分是单周期，其执行时间只有1us（12 MHz时钟振荡器）。图3-1 51（52）单片机内部结构框图总线扩展控制信号（产生片外程序存储器(ROM)控制信号）：ALE（O） 低8位地址锁存信号（下跳沿有效），实现数据与低位地址在总线上分时传送；EA （O） L：只能访问片外程序储存器；H：可从片内到片外连续访问程序储存器；PSEN（O） L：片外程序储存器读选通信号。双功能可编程I / O口（P3）的第二功能：P30 RXD 串行数据接受P31 TXD 串行数据发送P32 INT0外部中断0输入P33 INT1外部中断1输入P34 T0 定时/计数器0外计数信号输入P35 T1 定时/计数器1外计数信号输入P36 WR 片外数据储存器（RAM）写选通P37 RD 片外数据储存器（RAM）读选通1992年由北京集成电路设计中心与美国ATMEL公司合作研制生产了AT89系列单片机，是将闪烁电擦写（Flash）存储器集成在单片机中，构成真正意义上的廉价单片机（Flash存储器可擦写1000次，数据保存10年）。4 AT89C2051单片机最小应用系统由于单片机的应用有70%以上是在测控领域，常用到的功能是输入、输出、条件判断、定时、计数、中断。所以，我们用AT89系列中89C2051做例子来对单片机进行介绍。图4-1 89C2051引脚及最小系统图89C2051的指令系统与51系列单片机的完全一致（兼容），硬件资源与89C51单片机的差异仅是在可编程I / O口线的数量上（由32根减少到15根）。* 它保留了P1口和P3口的15根可编程 I /O线，并具有20mA的驱动能力。可直接点燃LED显示器（89C51 / 52只能带4 8标准TTL（0.8 mA）负载）。* P3.6 因封装限制不能引出，但可以对它进行软件读和（访问），再根据其状态进行相应的控制。* 增加一个模拟比较器，更利于对各种模拟输入进行比较和控制（1位模/数转换）* 2KB Flash程序存储器（可擦除1000次以上，保存10年）* 24 MHz时钟* 2.7V 6V供电（89C51/52 4V 6V供电）* 20 脚封装89C2051具有高频率、宽电压、模拟比较器及小型封装，可以说是为测控应用而专门设计。5 单片机应用举例5 1 恒温水浴智能控制应用单片机可以实现温度检测，加热控制，工作状态指示，故障检测及报警。其组成原理如图5-1所示。 图5-1 单片机控温系统组成框图为了突出单片机的测控功能，选用89C2051单片机完成恒温水浴的智能控制。 图5-2 89C2051单片机恒温水浴智能控制系统1 硬件说明：89C2051 最小系统（加复位、晶振电路的单片机）J1 全功率加热继电器J2 半功率（0.45功率）加热继电器PN PN结测温传感器（或AD590）IC 霍尔电流检测传感器（3510M 无电流时输出为L）W 调节控温点电位器（可带有刻度盘便于观察）P 故障报警器（声、光、语音）R 红色发光管（全功率加热指示）G 绿色发光管（半功率加热指示）RT 加热器（电热管）T1、T2 晶体三极管（电流放大）D 调功二极管（半波整流Ud = 0.45 Uac）2 恒温控制过程描述：简单的温度控制是两位的（通，断），由于加热系统的热惯性，将使被控对象的温度出现过冲波动。引入单片机技术会使系统在温度恒定期内进行半功率加热，从而减少波动幅度，改善控温精度。另外，利用单片机配合故障诊断传感器对加热回路的控制元件（J1、J2）和加热元件（RT）进行监测，发现故障立即报警（没有温度显示容易出现事故，影响实验和生产）。tUpn（UP10）P 3.6为L调节W设置控温点电压（UP11），当水浴内温度上升，PN结两端电压Upn（UP10）将以-2.2mv/的灵敏度下降，当UP10 UP11时比较器翻转，P 3.6为L，由单片机访问、判断，然后执行控制程序。3 资源规划（I /O功能定义）：P1.0 ( I ) IN+ 测温输入P1.1 ( I ) IN- 控温输入P3.6 ( O ) 温度状态输出（只读）P1.3 ( I ) 故障诊断输入（工作回路无电流P1.3为L）P1.7 ( O ) 智能控制输出（开始加热时采用全功率加热）P1.6 ( O ) 智能控制输出（恒温工作时采用半功率加热）P1.5 ( O ) 状态输出 全功加热指示（红色）P1.4 ( O ) 状态输出 半功加热指示（绿色）P1.2 ( O ) 报警输出 加热回路出现故障时声光报警4 软件设计1） 控制程序流程图 图5-3 控制程序流程图2） 控制程序根据流程图，采用CBASIC语言编写的控制程序如下：序 号 标号 程 序 注 释0001 P10 = 1 （P10设置为输入，测温电压）0002 P11 = 1 （P11设置为输入，控温电压）0003 P13 = 1 （P13设置为输入，故障检测）0004 P12 = 0 （P12设置为输出，声、光报警）0005 P14 = 0 （P14设置为输出半功率加热工作状态指示G）0006 P15 = 0 （P15设置为输出全功率加热工作状态指示R） 0007 P16 = 0 （P16设置为输出半功率加热控制）0008 P17 = 0 （P17设置为输出全功率加热控制）0009 P36 = 0 （P36设置为输出温度状态输出）0010 P17 = 1 （全功率加热）0011 P15 = 1 （点亮全功率加热指示R）0012 P13 = 0,A3（检测P13,出现故障跳转到A3报警,否则继续）0013 A1 P36 = 1,A1（检测P36,温度不够跳转A1继续加热，否则停止加热）0014 P17 = 0 （停止全功率加热）0015 P15 = 0 （熄灭全功率加热指示）0016 P16 = 0 （停止半功率加热）0017 P14 = 0 （熄灭半功率加热指示）0018 A2 P36 = 0,A2（检测P36,温度仍高跳转到A2继续不加热，否则半功率加热）0019 P16 = 1 （半功率加热）0020 P14 = 1 （点亮半功率加热指示G）0021 P13 = 0,A3 （检测P13,出现故障跳转到A3报警，否则继续）0022 LJ,A1 （跳转到A1，继续控温）0023 A3 P12 = 1 （声、光报警）0024 P16 = 0 （停止半功率加热）0025 P17 = 0 （停止全功率加热）0026 END （程序结束）程序说明：第 1 条 第 9 条： 初始化；第10条 第12条： 全功率加热控制；第13条： 判断温度状态；第14条 第17条： 停止加热；第18条： 判断温度状态；第19条 第21条： 半功率加热控制；第23条 第25条： 故障报警控制；第26条： 结束。这是一个充分应用单片机测控功能的简单系统，其恒温加热的测控是由软件实现，通过变更软件，即可改变控制操作流程，具有很大的灵活性。例如，改为恒温制冷控制，则可以不变接线，只改判断语句就能实现。思考题：用剩余资源（P3口）完善测控功能。（提示：超温测控；继电器故障监测；用时间参数进行控制）6 编 后就我个人认为对单片计算机的学习应以实践动手为主。理论学习有学过的微机原理及应用来做基础就足够了。经过上述对单片机的介绍，若能再用二天左右是时间，使用学习型单片机编程器进行编程实践和运行实验，就可掌握其硬件结构和软件编程。但这只是初级阶段的学习。若要