单片机原理与应用162

第0章概述第1章从数字电路到单片机第2章PIC16F877A单片机硬件系统第3章指令系统第4章输入/输出端口第5章中断系统第6章定时/计数器0第7章定时/计数器1第8章定时器2第9章CCP模块第10章模数转换器ADC第11章

通用同步/异步收发器USART第12章SPI第13章I2C第14章实验本课程《微机原理与接口技术》，主要学习某种型号的微处理器及其接口电路的结构、工作原理、设计应用。本课程选择microchip公司的PIC16F877A单片机为学习对象。CPU与存储器/寄存器关系是哈佛架构、2级流水线。接口电路丰富。8位CPU，适合入门学习。单片机设计软件、硬件开发套件等易得，理论学习和实践学习两不误。先修课程：数字电路、C语言程序设计单元0：什么是单片机本课程《微机原理与接口技术》，主要学习某种型号的微处理器及其接口电路的结构、工作原理、设计应用。本课程选择microchip公司的PIC16F877A单片机为学习对象。CPU与存储器/寄存器关系是哈佛架构、2级流水线。接口电路丰富。8位CPU，适合入门学习。单片机设计软件、硬件开发套件等易得，理论学习和实践学习两不误。什么是单片机1.1.1CPU内部的主要部件1.1.2-3CPU和ROM、RAM的关系1.2单片机简单工作原理第1章从数字电路到单片机●单片机（Microcontrollers）诞生于1971年●学习单片机需要的基础理论知识包括模拟电路、数字电路和C语言知识

单片机属于数字电路，其概念、术语、硬件结构和原理都源自数字电路，如果数字电路基础扎实，对复杂的单片机硬件结构和原理就容易理解，能轻松地迈开学习的第一步1.1与单片机有关的数字电路基础知识在数字电路中我们学习了：与、或、非，加法运算、计数器、移位寄存器；记忆单元（触发器、锁存器）、译码器、数据选择器等基本电路。利用这些简单的数字电路，可以组成中央处理器CPU、寄存器/存储器、接口电路，从而形成一个微型计算机系统。CPU与ROM的关系是：通过CPU内部的地址指针PC，寻找ROM单元地址，把其中的内容读入CPU的指令译码器。CPU与RAM的关系是：通过CPU当前执行的指令代码对应的寻址方式，对RAM进行寻址和读、写数据。以学校校长及核心团队为例：1.校长-->CPU2.核心团队（秘书）-->寄存器/存储器

校长一天的工作计划（程序代码）存储在存储器中，按照计划好的步骤，校长一步一步处理，称为执行程序。某些工作不能一步完成，需要分小步骤，就需要核心团队协助。3.各职能部门-->接口电路一天中由全校上报的需要校长处理的问题、处理结果下达等。CPU：从拟好的工作计划表中，逐条取出工作计划来处理。寄存器与存储器的区别:1.寻址方式不同2.数据读写功能不同3.寻址结果不同由于单片机的功能/接口电路众多，从本课程第4章开始分别介绍这些电路的内部结构、工作原理、与CPU的关系，此处略过。1.2单片机简单工作原理说明CPU与ROM和RAM的关系，以及简单的运行原理；说明一次程序代码下载ROM中、单片机复位、运行的全过程。1.3PIC单片机简介PIC单片机系列是美国微芯公司(MiCrochip)的产品，CPU采用RISC（ReducedInstructionSetComputing）结构，属精简指令集。哈佛（Haryard）双总线架构，运行速度快。在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令。具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。共分三个级别，即基本级、中级、高级。其中以PICl6F877(A)作为入门学习，用的最多。第2章PIC16F877A单片机硬件系统2.0概述2.1内部结构简介2.2.1通用寄存器2.2.2特殊功能寄存器2.2.3寻址方式2.3堆栈和程序存储器2.4单片机的复位、2.5晶体振荡电路第2章PIC16F877A单片机硬件系统拓展：1.为什么汇编语言程序对应的机器代码是14为二进制数？CPU与ROM的关系是：通过CPU内部的地址指针PC，寻找ROM单元地址，把其中的内容读入CPU的指令译码器。13位ROM地址总线8K的ROM单元14位ROM数据总线8X10248位CPU9位RAM地址368个RAM单元3689位RAM地址：CPU对RAM单元的寻址需要分2次进行，第一次寻址高2位（体bank），第2次寻址低7位（体内地址）8位RAM数据总线拓展：2.指令执行时的两级流水线操作二级流水线操作MOVLW7;指令代码是3007H把数据7存入工作寄存器W中MOVWF20H;指令代码是00A0H11000000000111B00000010100000B图2-4文件寄存器RAM布局图单元5：2.2.1通用寄存器RAM:368*8单元6：2.2.2特殊功能寄存器2.2.3寻址方式拓展单元：2.2.3寻址方式的间接寻址方式2.3堆栈和程序存储器图2-5PIC16F87X单片机程序存储器和堆栈2.4单片机的复位复位功能包含：人工复位、上电复位、看门狗复位、欠压复位图2-3PIC16F877A单片机的引脚图2.5晶体振荡电路第3章指令系统3.1指令时序、3.2指令系统慨览3.3面向字节操作类指令3.4面向位操作类指令3.5面向常数操作和控制操作类指令3.6指令功能分类3.7指令在单片机内部结构框图的执行过程：从寻址方式说明3.8汇编语言程序设计3.1指令时序3.2指令系统慨览PIC16F87X系列单片机共有35条指令，均是长度14bit的单字节指令。按操作对象的不同分为：面向字节操作类17条；面向位操作类4条；常数操作和控制操作类14条。面向字节操作类：MOVWF0X20，把W→F，其中0X20就是F的低7bit地址，指令的14bit代码是00A0H=00000010100000B面向位操作类：指令BCF0X0a,0X4，把F为0AH的单元的bit4清0，指令的14bit代码是120AH=01001000001010B常数操作：MOVLW7，把常数7→W，指令的14bit代码是3007H=11000000000111B。指令GOTO0X7FA，程序转移到ROM的页内地址是07FAH处执行，指令的14bit代码是2FFAH=10111111111010B控制操作：如睡眠指令SLEEP，指令的14bit代码是0063H3.3面向字节操作类指令单元6：3.4面向位操作类指令拓展视频：面向位操作指令执行间接寻址的分析3.5面向常数操作和控制操作类指令单元4：3.8汇编语言程序设计做汇编语言程序设计时可能会遇到：RAM的体选寻址、程序的跨页跳转等问题【例3-1】把RAM地址为030H和031H的2个有符号数相加,和放在032H单元内。分析：●8位有符号数最高位是符号位，低7位是数值位。●关键是判断两个有符号数符号位，只要它们的符号位是1，就求补码，然后两数相加●根据和的符号位决定是否需要再次求补如执行（-85）+（-22）的运算（030H）=D5H（031H）=96H和（032H）=EBH即-107拓展：仿真说明有符号数的加法、减法指令的执行过程第4章输入/输出端口4.1RA端口4.2RB端口4.3RC端口4.4RD端口、4.5RE端口4.6输入/输出端口的应用：字符型液晶模块1602LCD简介4.6输入/输出端口的应用：PIC16F877A驱动1602LCD应用举例输入\输出端口分别是RA、RB、RC、RD、RE4.1RA端口图4-1RA0-3、5端口内部结构图4-2RA4端口内部结构拓展：用汇编指令在RA端口电路上说明电路工作原理4.2RB端口图4-3RB0-3端口内部结构拓展视频：用汇编指令在RB端口电路上说明电路工作原理拓展：用C指令在RB端口电路上说明电路工作原理图4-4RB4-7端口内部结构4.3RC端口图4-5RC0-2、5-7端口内部结构图4-6RC3、4端口内部结构4.4RD端口图4-7RD端口内部结构4.5RE端口图4-8RE端口内部结构4.6输入/输出端口的应用：字符型液晶模块1602LCD简介第1脚：GND接地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线第15～16脚：背光灯电源正负极RS=0,RW=0,D7～D1都为低电平电平，D0=1时，清屏RS=0,RW=0,D7～D0是00111000时，8位2行5x7点阵RS=0,RW=0,D7～D0是00001111时，显示器开、光标开、闪烁开RS=0,RW=0,D7～D0是00000110时，文字不动，光标自动右移RS=0,RW=0,D7～D0是10000000时，光标指向第1行的位置【例4-1】用PORTC做LCD数据接口，PORTE做LCD控制接口，都定义为输出口，在proteus软件中，1602LCD的符号是LM016L，电路图如图4-10所示，分别在第一行和第二行显示3个英文字符。4.6输入/输出端口的应用：PIC16F877A驱动1602LCD应用举例拓展：用仿真软件说明1602LCD数据显示原理及数据在任意位置显示的方法第5章中断系统5.1中断逻辑 、5.2与中断逻辑有关的寄存器5.3端口RB做中断信号输入时的工作原理：外部中断输入端RB0/INT5.3端口RB做中断信号输入时的工作原理：电平变化中断输入端RB4-75.4外部、电平变化中断区别、5.5中断应用设计5.6单片机的睡眠及中断唤醒中断电路及其相应的中断处理程序统称为中断系统中断系统是单片机的重要组成部分，中断功能的强弱已经成为衡量一种微处理器和微控制器功能是否强大的重要指标之一。5.1中断逻辑

中断请求是中断系统的信号来源。比如你正在看电视，这是执行主程序；电话铃声响起，这就是中断请求；如果你接了电话，就是响应中断；打断你看电视这个过程，改为通话过程，就是执行中断程序；接完电话，继续看原来的电视，就是中断返回，执行主程序；如果不接电话，本次中断请求无效。图5-1PIC16F87X中断逻辑图5.2与中断逻辑有关的寄存器5.2.1中断控制寄存器INTCON5.2.2选项寄存器OPTION-REGINTEDG，这是与上述的外部中断有关的控制位。1=选择RB0/INT上升沿触发；0=选择RB0/INT下降沿触发。5.3端口RB做中断信号输入时的工作原理5.3.1外部中断输入端RB0/INT【例5-1】利用单片机外部中断功能，设计一个生产线计件系统，每计件24个，产生一个打包输出信号，高电平有效，设计件有效信号是上跳变信号。设计思路：●利用外部中断系统，每个计件单元经过时产生的上跳变信号都能申请中断。●利用某个RAM单元做内部计数器，起始值是0，每次中断都对该单元内容自加一。●如果某次中断时该单元经自加一后当前值是23，说明可以输出打包有效信号。●当前值是24的这次中断，可以把该单元值清0，为下一轮计数做准备。程序设计思路：●主函数初始化：定义RB0、RC0分别为输入、输出端口，启用RB0内部弱上拉功能。定义RC0初值为0，打包信号无效。定义变量X作为计数器，初值为0。使能全局中断GIE和外部中断INTE有效，清外部中断请求信号INTF。●主函数主循环：本部分没有设计内容。比如你没有在看电视，无所事事。●中断程序：变量X自加一，判断X是否等于24，若等于24则RC0置1，输出打包有效信号，同时X清0，否则，RC0仍为0。清中断标志位INTF。比如你每次接到同一个号码的电话，都把上述事情做一遍，最后挂断电话。5.3.2电平变化中断输入端RB4-7图5-5RB4-7端口内部结构5.4外部、电平变化中断区别【例5-2】利用单片机电平变化中断功能，设计一个生产线计件系统，每计件24个，产生一个打包输出信号，高电平有效，设计件有效信号是电平变化信号。设计思路与【例5-1】相似，把图5-3中RB0与外接信号源的连线改为RB4即可5.5中断应用设计当两个或以上的中断源都使能时：两个或以上的中断源同时申请中断时，中断服务程序还必须体现执行的优先顺序，即中断源的优先权，先执行的优先权高。大多数的单片机能通过初始化做优先权设定，PIC16F87X单片机的14个中断源只能通过中断服务程序的编写来设定。【例5-3】利用外部、电平变化中断设计一个四路抢答器，其中外部中断RB0外接按键：主持人，电平变化中断RB4-7分别外接四个按键：A、B、C、D抢答队伍。每次主持人出题后，开放抢答，每题只有一次抢答机会，如无人抢答，主持人可以继续出题。电路如图5-6所示，主持人有一个开放抢答指示灯，灯亮才能抢答，每个队伍都有一个抢答指示灯，灯亮表示抢答有效，每次有效的按键动作，都会从sounder发出提示音。拓展：从例5-3的中断程序学习单片机在中断时调子程序，PC指针的变化过程。5.6单片机的睡眠及中断唤醒PICC中用SLEEP();函数表示汇编语句SLEEP。睡眠指令一般添加在程序的主循环部分进入睡眠模式的目的是降低单片机的功耗，特别是用电池供电的应用场合利用中断请求唤醒单片机。第6章定时器/计数器TMR0定时/计数器模块是单片机普遍配置的常用外围设备当我们只关注CLK的信号的上跳变个数时--计数器当我们关注“周期稳定”的CLK的信号的上跳变个数时--定时器单片机中定时/计数器模块功能比计数芯片强大，因此电路结构复杂。6.1从数字电路中的定时计数器学习单片机计数脉冲输入Q3-Q0分别是CLK的16、8、4、2分频输出端当前选择2分频，74153的9、10脚相通，9脚输出的是CLK的2分频信号前分频器，不能修改计数器的模后分频器，可以修改计数器的模拓展：6.1从数字电路中的定时计数器学习单片机第6章定时器/计数器TMR0计数器：外部计数脉冲输入定时器：内部计数脉冲输入2选1选择器：选择定时或计数功能前分频器2选1选择器：选择要不要前分配电路后分频器：从初值开始计数至溢出6.2TMR0模块电路结构和工作原理拓展：6.2TMR0模块电路结构和工作原理_设计及仿真【例6-1】利用TMR0模块设计一个波形产生电路，从RC0引脚输出周期是320微秒的对称方波，设单片机的fosc=4MHZ。6.3TMR0模块设计举例-车辆里程表已知：1.车轮直径43CM2.行走1千米740圈3.磁敏传感器检测车轮转数设计：1.车轮转数的计数---TMR0，每计数740溢出一次2.里程表显示，如要求最大显示600000千米3.当前的公里数掉电后不丢失TMR0CPU显示里程计数RA4EEPROMRAMCPU:1.定义变量累加TMR0的溢出次数，预计占用RAM3个单元（600000＝927C0H），变量定义为long型即可2.将计数结果从二进制转换为十进制3.显示管理4.EEPROM管理显示：由于最大显示600000千米，本设计考虑采用液晶显示

EEPROM设计：1.读：EEPROM_READ(address)；2.写：EEPROM_WRITE(address,value)3.串写：__EEPROM_DATA(a,b,c,d,e,f,g,h)拓展1：6.3TMR0模块设计举例-车辆里程表

把里程变量count从二进制转换为十进制二-十进制转换的计算方法是根据count的最大表示范围，即小于600000，以当前count为927BFH=599999，分别做以下运算：拓展2：6.3TMR0模块设计举例-车辆里程表

添加1602LCD显示里程值包含两个部分：LCD初始化，添加在程序的初始化部分，LCD数据显示，添加在主循环部分staticvolatilechartable[10]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};单元3拓展3：6.3TMR0模块设计举例-车辆里程表

添加EEPROM里程值掉电不丢失功能EEPROM设计：1.读：EEPROM_READ(address)；2.写：EEPROM_WRITE(address,value)3.串写：__EEPROM_DATA(a,b,c,d,e,f,g,h)单片机的每个EEPROM单元是8位数据，要把long型的count变量值存入EEPROM，可以利用EEPROM写入、读出函数，但是每次的读写动作只能做8位数据。6.4利用外部中断设计车辆里程表外部中断源RB0/INT可以利用输入信号的上跳变或下跳变申请中断，进入中断服务程序后，对某变量count_temp自加一，每当该变量自加一到740时，count自加一，同样能实现车辆里程计数。6.5具有车辆里程及速度测量功能的里程表设计通过6.4的设计，把TMR0模块从车辆里程表中释放出来，利用外部中断和TMR0的计时功能，可以在里程表基础上增加车辆速度计数功能。设该速度计数器可以测量的速度范围是200-0公里/小时，车轮的直径是43厘米，周长是135.1厘米。拓展：6.5具有车辆里程及速度测量功能的里程表设计_中断程序分析及仿真调试第7章定时/计数器1图7-1TMR1模块内部结构TMR1是16位宽，预分频器3位宽，最大模:8×65536，具有更宽的计数范围自带低频时基振荡器，用来记录和计算真实的年、月、日、时、分、秒计数模式可以选择工作在单片机睡眠状态下与TMR0启动后不能停止相比，TMR1的定时或计数功能可以被停止与TMR1有关的引脚是RC0、RC1第8章定时器2图8-1TMR2模块内部结构TMR2是8位宽，预、后分频器4位宽，最大模:16×256×16，定时范围与TMR0相当具有PR2周期寄存器没有与TMR2模块有关的引脚TMR2的定时功能可以被停止第9章CCP（输入捕捉／输出比较／脉宽调制）捕捉方式是指检测引脚上输入信号的状态，当信号的状态符合设定的条件时（信号上升沿或下降沿出现时）产生中断，并记录当时的TMR1定时器／计数器值比较方式是指将事先设定好的值与TMR1定时器方式或同步计数方式下的值相互比较，当两个值相等时，产生中断并驱动事先设定好的动作脉宽调制功能适用于从引脚上输出脉冲宽度随时可调的PWM信号，来实现直流电机的调速、D/A转换和步进电机的步进控制等，与之配合的是TMR2定时器图9-1CCP模块输入捕捉电路结构9.2CCP模块输入捕捉工作模式图9-2【例9-1】流程图图9-3【例9-1】设计电路图9.3CCP模块输出比较工作模式图9-13CCP模块输出比较电路结构9.4CCP模块的脉宽调制PWM图9-19CCP模块脉宽调制电路结构【例9-6】PIC16系列的单片机种类丰富，本例选择PIC16F690完成上述波形的设计，fosc=4MHZ。第10章模数转换器ADC10.1A/D转换的基本概念图10-1一般测控系统框图A/D转换器和D/A转换器必须有足够的转换精度A/D转换器和D/A转换器还必须有足够快的转换速度10.1.1A/D转换过程图10-2A/D转换步骤采样定理：必须满足条件fs≧2fi(max)采样频率通常取fs=(3~5)fi(max)已能满足要求10.1.2A/D转换器的分类图10-6A/D转换器的分类本章ADC模块属逐次逼近型图10-7逐次逼近法的A/D转换器转换原理10.2ADC模块结构ADC模块转换一位二进制结果至少需要1.6µs，不能大于8µs【例10-1】利用ADC模块的通道AN2，对直流模拟量进行A/D转换，模拟量范围是0-1V，转换结果10位，写出各相关寄存器初始化结果，设单片机的fosc=4MHZ。通道CHS2-CHS0=010B，选择AN2，即RA2，因此TRISA2=1，做输入用选择AN3做基准电源正极输入端，即RA3，因此TRISA3=1，做输入用A/D转换的每位时间要求必须大于1.6µs，因为fosc=4MHZ，fosc/8=0.5MHZ，所以选择8分频后的时钟是2µs，ADCS1-ADCS0=01B模拟量变化范围0-1V，为提高转换精度，选择外接参考转换电源的方法，PCFG3-PCFG0=0011B转换结果要求是10位二进制，按照习惯的bit0存最低位，选择结果右对齐，因此ADFM=1。综上所述，ADCON0=01010000B，ADCON1=10000011B图10-13【例10-2】电路图【例10-2】利用ADC模块的通道AN2，对直流模拟量进行A/D转换，模拟量范围是0-1V，转换结果10位，以16进制数显示在LCD1602上，设单片机的fosc=4MHZ。做直流模拟量转换，可以不必考虑采样定理问题，但是仍然需要设计一个定时器做采样周期用，定时启动A/D转换设用TMR2模块做采样周期定时器，预、后分频比都是1:8，则T2CON=01111011B，周期寄存器PR2=255，因此采样周期是16×256×16µs，远大于一次A/D转换所需要的12×1.6µs的要求00/10/10/1111起始位数据位校验位停止位空闲位第11章

通用异步同步收发器USART11.1异步通信：UART1.异步发送例如：

传送一个字符

“E”

，（ASCⅡ码为：1000101B=45H）

2.异步接收：11.2同步串行通信：USRT

在异步通信中，每一个字符要用起始位和停止位标志字符传输的开始与结束，占用了时间。

在同步传输中，去掉这些控制位，把字符顺序地连接起来，组成一个数据块，这样的数据块称为一个纪录。

在纪录的开始加同步字符，在纪录的末尾加出错校验字符，形成帧。~~~~同步字符同步字符数据数据数据校验码校验码同步字符的格式和个数根据需要而定。

在同步方式中，接收器接收数据时，首先搜索同步字符，在得到同步字符后，才开始装配数据。测试同步通信输出波形SPI模式允许同时、同步发送和接收8位数据。支持SPI的所有四种模式。用以下三个引脚来完成通信：•串行数据输出(SDO)•串行数据输入(SDI)•串行时钟(SCK)当工作在从动模式时，可能还需要第4个引脚：•从动选择(SS)SPI模式下SSP模块的框图SPI有关寄存器第12章SPI图12-7【例12-1】电路图PIC16F877A内部没有D/A转换模块，Microchip公司的MCP492X为2.7–5.5V的低功耗低DNL12位数模转换器（Digital-to-AnalogConverter，DAC），具有可选2倍增益缓冲器输出和SPI接口。图12-13【例12-3】电路图I2C(Inter－IntegratedCircuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用IIC模块I2C总线特点

I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。IIC模块*PIC单片机的MSSP模块工作在I2C模式时，可以完成所有的主控和从动功能(包括全局呼叫支持)*硬件上提供启动位和停止位的中断来判断总线何时空闲(多主机方式)*SSP模块实现标准模式规范，以及7位和10位寻址。*当SCL和SDA引脚作为输入时，引脚上有窄脉冲滤波器，该滤波器可以工作在100KHz和400KHz两种模式下。在100KHz模式下，*当这些引脚作为输出时，引脚上附有与器件频率无关的压摆率控制特性。*有两个引脚用于数据传送。它们是时钟引脚SCL和数据引脚SDA当使能I2C模式时，这两个引脚自动配置。通过置位SSP使能位SSPEN(SSPCON<5>)可使能SSP模块功能。SSP模块有6个寄存器用于I2C操作，它们是：•SSP控制寄存器(SSPCON)•SSP控制寄存器2(SSPCON2)•SSP状态寄存器(SSPSTAT)•串行接收/发送缓冲器(SSPBUF)主控，从动•SSP移位寄存器(SSPSR)—不可直接访问•SSP地址寄存器(SSPADD)SSPCON寄存器用于控制I2C的工作模式。可通过设置(SSPCON<3:0>)选择以下几种I2C模式：•I2C从动模式(7位地址)•I2C从动模式(10位地址)•I2C主控模式，时钟=FOSC/4(SSPADD+1)举例1：pic单片机与IIC的D/A芯片*在选择I2C工作模式前，必须通过置位相应的TRIS位，将SCL和SDA引脚定