单片机功率接口技术(哈尔滨工业大学)

1、单片机功率接口技术单片机功率接口技术哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二一一年十月二一一年十月课程简介课程简介n内容内容单片机应用基础单片机应用基础开关型功率接口：开关型功率接口：LED、LCD、晶闸管、继电器、晶闸管、继电器电机控制：步进电机、直流电机电机控制：步进电机、直流电机n参考书参考书单片机应用系统的功率接口技术，余永权，北航出版社单片机应用系统的功率接口技术，余永权，北航出版社 n基于单片机的电动机控制技术，张强，中国电力出版社基于单片机的电动机控制技术，张强，中国电力出版社n电动机的单片机控制，王晓明，北航出版社电动机的单片机控制，王晓明，北航出版社MCS-51单片机应用设计，张毅刚，

2、哈工大出版社单片机应用设计，张毅刚，哈工大出版社 第一章第一章单片机基础单片机基础1.1 概述概述n什么是单片机？什么是单片机？1单片机应用简介单片机应用简介单片机是指一个集成在一单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系块芯片上的完整计算机系统。具有一个完整计算机统。具有一个完整计算机所需要的大部分部件。所需要的大部分部件。Single Chip Microcomputer Micro Controller Unit 单片机（单片微型计算机）单片机（单片微型计算机）中央处理器（中央处理器（CPU）程序存储器（程序存储器（ROM）数据存储器（数据存储器（RAM）定时器定时器/计数器计数器I/

3、O口口A/DD/A1.2 单片机的产生与发展单片机的产生与发展 1971年美国年美国Intel公司首先推出公司首先推出4位微处理器以位微处理器以来，单片机的发展大致可分为以下几个阶段：来，单片机的发展大致可分为以下几个阶段： n第第1阶段（阶段（19711976）：双片或多片的形式，）：双片或多片的形式，且功能比较简单，且功能比较简单，Intel公司公司4004和仙童公司和仙童公司F8。Intel 4004微处理器是世界上第一款商用计算机微处理器 ，4004的最高频率740kHz，能执行4位运算，支持8位指令集及12位地址集。 Intel还开发出4001（动态内存）、4002（只读存储器）、4

4、003（Register），三者再加上4004，就可以组成一台微型计算机系统。 F8（3850 ）单片机：8位CPU64字节RAM、2个并行口与3851（1K ROM、定时/计数器、2个并行IO）一起组成一台完整的计算机n第第2阶段（阶段（19761980）：）：1976年年Intel公司推出的公司推出的MCS-48系列为代表，采用将系列为代表，采用将8位位CPU、 8位并行位并行I/O接口、接口、 8位定时位定时/计数器、计数器、 RAM和和ROM等集成等集成于一块半导体芯片上的单片结构，无串行口。于一块半导体芯片上的单片结构，无串行口。n第第3阶段（阶段（19801983）：这一阶段推出的

5、高）：这一阶段推出的高性能性能8位单片机普遍带有串行口，有多级中断位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个处理系统，多个16位定时器位定时器/计数器。片内计数器。片内RAM、 ROM的容量加大，且寻址范围可达的容量加大，且寻址范围可达64 KB，个别片内还带有，个别片内还带有A/D转换接口。转换接口。Intel公司公司MCS-51系列、系列、Mortorrola公司公司6801系列。系列。n第第4阶段（阶段（198380年代末）：年代末）：16位单片机阶位单片机阶段。段。1983年年Intel公司推出了高性能的公司推出了高性能的16位单片位单片机机MCS-96系列。系列。 n第第5阶段

6、（阶段（1990年代以后）：单片机在集成度、年代以后）：单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。高水平发展。小型化六脚低功耗高速化功能多样化，更多外围电路内置专用化带有可编程逻辑DSPFPGAXilinx, Altera, etc 在一个应用系统中在一个应用系统中, 只使用只使用1片单片机称为单机应用片单片机称为单机应用, 这这是目前应用最多的一种方式。是目前应用最多的一种方式。n测控系统：测控系统：工业控制系统、 自适应控制系统、 数据采集系统等，达到测量与控制的目的。 n智能仪表：智能仪表：仪表数字化、智能化、多功能化、综

7、合化、柔性化。 n机电一体化产品：机电一体化产品：机械产品结构简化，控制智能化。 n智能接口：智能接口：在计算机控制系统，特别是在较大型的工业测 控系统中，用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机的并行工作，大大提高了系统的运行速度。n智能民用产品智能民用产品1.3.1单机应用单机应用1.3 单片机应用单片机应用 单片机的多机应用系统可分为功能集散系单片机的多机应用系统可分为功能集散系统并行多机处理及局部网络系统。统并行多机处理及局部网络系统。 n功能集散系统。功能集散系统。 多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。 n并行多机控制系统。并行多机控制系统。 并行多

8、机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题, 以便构成大型实时工程应用系统。n局部网络系统局部网络系统。 1.3.2多机应用多机应用1.4 单片机分类单片机分类n按位数按位数n按存储器按存储器n按功能：按功能：AD、DA、PWMn按级别：商业级（按级别：商业级（C）、工业级（）、工业级（I）、）、汽车级（汽车级（A）、军品级）、军品级/宇航级宇航级n。n目前世界上单片机生产厂商很多，如：目前世界上单片机生产厂商很多，如：Intel、Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、 ADM、 Zilog等公司，其主流产品有几十个系列，几百个品种。等公司，其主流产品有几十个系列，几

9、百个品种。 尽管其各具特色，名称各异，但作为集尽管其各具特色，名称各异，但作为集CPU、 RAM、 ROM（或（或EPROM）、）、 I/O接口、接口、 定时器定时器/计数器、计数器、 中中断系统为一体的单片机，其原理大同小异。断系统为一体的单片机，其原理大同小异。nIntel公司从其生产单片机开始，发展到现在，大体上可公司从其生产单片机开始，发展到现在，大体上可分为分为3大系列：大系列：MCS48系列、系列、 MCS51系列、系列、 MCS96系列系列。1.5 单片机系列简介单片机系列简介Intel单片机系列性能简介单片机系列性能简介 n MCS-51系列可分为两大系列系列可分为两大系列:

10、MCS-51子系列与子系列与MCS-52子系列。子系列。 n MCS-51子系列中主要有子系列中主要有8031、 8051、 8751 三种三种类型。类型。 MCS-52子系列也有子系列也有3种类型种类型8032、 8052、 8752。 MCS51系列单片机配置一览表 另外另外, 对于制造工艺为对于制造工艺为CHMOS的单片机的单片机, 由于采用由于采用CMOS技技术制造术制造, 因此具有低功耗的特点，如因此具有低功耗的特点，如8051功耗约为功耗约为630 mW，80C51的功耗只有的功耗只有120 mW。2.1 概述概述n什么是计算机？什么是计算机？n为什么计算机能做很多事？为什么计算机

11、能做很多事？n数据数据如何变得有意义？如何变得有意义？2单片机应用基础单片机应用基础n单片机与其他器件、设备之间的联系单片机与其他器件、设备之间的联系总线（接口）总线（接口）数据数据地址地址控制控制 MCS51系列单片机内部结构框图系列单片机内部结构框图 2.2 MCS51系列单片机基本结构系列单片机基本结构MCS51系列单片机内部结构及功能部件系列单片机内部结构及功能部件n一个一个8位中央处理机位中央处理机CPU。 n128个字节（个字节（MCS-52子系列为子系列为256字节）的片内数据存储器字节）的片内数据存储器RAM。n4 KB（MCS-52子系列为子系列为8 KB）的片内程序只读存储

12、器）的片内程序只读存储器ROM或或EPROM（8031和和8032无）。无）。n18个（个（MCS-52子系列为子系列为21个）特殊功能寄存器个）特殊功能寄存器SFR。 n4个个8位并行输入输出位并行输入输出I/O接口接口: P0口、口、 P1口、口、 P2口、口、 P3口（共口（共32线）线）, 用于并行输入或输出数据。用于并行输入或输出数据。n1个串行接口。个串行接口。 n2个（个（MCS-52子系列为子系列为3个）个）16位定时器位定时器/计数器。计数器。n具有具有5个（个（MCS-52子系列为子系列为6个或个或7个）中断源个）中断源, 可编程为可编程为2个优个优先级的中断系统。先级的中

13、断系统。 它可以接收外部中断申请它可以接收外部中断申请, 定时器定时器/计数器中断计数器中断申请和串行口中断申请申请和串行口中断申请12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(RXD)P3.0(TXD)P3.1(T0)P3.4(T1)P3.5XTAL2XTAL1GND(INT0)P3.2(INT1)P3.3(RD)P3.7(WR)P3.6VccP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(A

14、D4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPALE/PROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8) 8051(8031)51单片机外部引脚单片机外部引脚MCS51系列单片机引脚及总线结构系列单片机引脚及总线结构 (a) 管脚图；管脚图； (b) 引脚功能分类引脚功能分类 2.3 MCS51单片机存储器及存储空间单片机存储器及存储空间 nMCS51单片机存储器分类及配置单片机存储器分类及配置片内 片外程序存储器（8031和8032没有片内程序存储器）片内 片外

15、数据存储器n从寻址空间可分为从寻址空间可分为: 3大部分大部分程序存储器内部数据存储器 外部数据存储器n从功能上可分为从功能上可分为: 5大部分大部分程序存储器 内部数据存储器、外部数据存储器特殊功能寄存器位地址空间MCS51单片机存储器空间结构图单片机存储器空间结构图（a） 程序存储器程序存储器; （b） 内部数据存储器内部数据存储器; （c） 外部数据存储器外部数据存储器 (a)(b)(c)2.4 MSC-51单片机单片机I/O引脚引脚2.4.1 P0口口2.4.2 P1口口2.4.3 P2口口2.4.4 P3口口n P1口为准双向口，从功能上来看口为准双向口，从功能上来看P1只有一种功只

16、有一种功能，即通用输入输出能，即通用输入输出I/O接口，具有输入、输出功接口，具有输入、输出功能。能。n 每一位口线能独立地用作输入或输出线。每一位口线能独立地用作输入或输出线。2.4.1 P1口口2.4.1.1 P 1口口引脚结构引脚结构 P0.xD QClk Q读锁存器读锁存器读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部内部 CPU 总线总线M1P1.XP1.X TB1TB2Vcc 内部上拉电内部上拉电阻阻(L1) P2.x P3.x2.4.1.2 输出引脚输出引脚 P1.X 写写 “1” D QClk QVcc内部上拉内部上拉电阻电阻(L1)读锁存器读锁存器读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部内部 CP

17、U 总线总线M1P1.XP1.X 2. 输出为高1. 向引脚写 110输出 1TB1TB22.4.1.3 输出引脚输出引脚 P1.X 写写 “0” D QClk QVcc内部上拉内部上拉电阻电阻(L1)读锁存器读锁存器读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部内部 CPU 总线总线M1P1.XP1.X 2. 输出为低1. 向引脚写 001输出 0TB1TB22.4.1.4 输入引脚读输入引脚读 “高高”D QClk QVcc内部上拉电内部上拉电阻阻(L1)读锁存器读锁存器读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部内部 CPU 总线总线M1P1.XP1.X 2. MOV A,P1 外部引脚为高1.向引脚写 1 MO

18、V P1,#0FFH103. 读引脚=1 读锁存器=0 写锁存器=11TB1TB22.4.1.5 输入引脚读输入引脚读 “低低”D QClk QVcc内部上拉电内部上拉电阻阻(L1)读锁存器读锁存器读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部内部 CPU 总线总线M1P1.XP1.X 2. MOV A,P1外部引脚为低1.向引脚写 1 MOV P1,#0FFH103. 读引脚=1 读锁存器=0 写锁存器=10TB1TB2nP0口是一个三态双向口口是一个三态双向口n可作为地址可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用数据分时复用口，也可作为通用I/O接口接口n当当P0口作为通用口作为通用I/O接口时，要注意：

19、接口时，要注意：在输出数据时，输出级是漏极开路电路，必须外接在输出数据时，输出级是漏极开路电路，必须外接上拉电阻上拉电阻 P0口作为通用口作为通用I/O使用时是一准双向口使用时是一准双向口具有输入，输出，端口操作三种工作方式具有输入，输出，端口操作三种工作方式2.4.2 P0口口P 0 引脚结构引脚结构 P1.xD QClk Q读锁存器读锁存器读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部内部 CPU 总线总线M1P0.XP0.X TB1TB2M2Vcc地址地址/数据数据控制控制nP2口也是一准双向口 n它具有通用I/O接口或高8位地址总线输出两种功能 2.4.3 P2口口P 2 引脚结构引脚结构 P1.x

20、D QClk Q读锁存器读锁存器读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部内部 CPU 总线总线M1P2.XP2.X TB1TB2Vcc 内部上拉电内部上拉电阻阻(L1)地址地址控制控制nP3口除了作为通用准双向I/O接口外, 每1根线还具有第二功能。 2.4.4 P3口口P 3 引脚结构引脚结构 P1.xD QClk Q读锁存器读锁存器读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部内部 CPU 总线总线M1P3.XP3.X TB1TB2Vcc 内部上拉电内部上拉电阻阻(L1)第二功能第二功能输出输出TB3第二功能输入第二功能输入 计算机在执行指令时，通常将一条指令分解为若干基计算机在执行指令时，通常将一条指令分解为若干基本的操作，这些操作所对应的脉冲信号在时间上的先