机电系统控制电路设计2015-2

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1、机电系统控制电路设计教师：黄学功电话：15996266901 E-mail：南京理工大学机械工程学院2015-102 AVR单片机单片机系统 2.1 AVR单片机的硬件结构 2.2 AVR单片机的的I/O口 2.3 中断系统 2.4 定时/计数器 2.5 A/D转换器与模拟比较器 2.6 串口通信技术单片机的概念CPU存储器（硬盘，内存）输入输出接口 单片机的定义单片机就是单片微型 计算机, 是将计算机的 中央处理器(CPU)、存 储器（ROM,RAM）、 输入/输出（I/O）接口 等集成在一小块硅片 上的微型机。时钟电路CPUROMRAM输入/输出接口单片机电源模块开关 输入音乐 输出LED

2、 显示数码管显示红外 遥控继电器 控制串行 模块成于大气 信达天下单 片 机 的 特 点控制能力强集成度 高体积小 有很高的可靠性优异的性能价格比单单片机产产品近况ATMEL公司融入Flash存储储器技术术的AT89系列；Philips公司的80C51、80C552系列；华华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；ADI公司的ADC8xx高精度ADC系列；LG公司的GMS90/97低压压高速系列；Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单单片机。宏晶科技的STC增强型8051内核单单片机 1） 51系列单单片机51系列单单片

3、机产产品繁多，近年来推出的与51兼容 的主要产产品有：2）非51系列单片机非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间 ，近年来推出的非80C51系列的主要产品有： Intel的MCS-96系列16位单片机 ； Microchip的PIC系列RISC单片机 ； ATMEL公司AVR单片机 TI的MSP430F系列16位低功耗单片机 。单片机的发展趋势 1. CPU的改进 （1）采用双CPU结构，提高处理能力（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。 （3）串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（Inter Icbus）。用两根信号线代替现行的8位数据总线。 2存储器的

4、发展 （1）加大存储容量。（2）片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器（3）程序保密化。3片内I/O的改进（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和 高电压。（2）增加I/O口的逻辑控制功能。（3）设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布式 、网络化系统 。4外围电路内装化器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集 成在片内系统的单片化。5低功耗化 CMOS化CHMOS工艺。 总之，向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化方向发展。6、特殊单片机的出现1）神经元单片机主要应用于工业控制网络中的节点部件，典型产 品：Motorola公司 Newral Chip3

5、150（3 CPU）2）模糊单片机模糊单片机是一种能执行模糊逻辑推理功能的单 片机，可执行模糊化、模糊推理、反模糊化等操作 而无需软件，典型产品：Neuralogix公司NLX230单片机的应用单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入 到各个领域。使用温度：民品： 0C +70C 工业品： -40C +85C 军品： -65C +125C。单片机的应用工业方面工业方面民用方面民用方面仪表方面仪表方面电讯方面电讯方面数据处理方面数据处理方面汽车方面汽车方面 单片机应用智能控制单片机的应用 单片机应用消费电子产品单片机的应用 单片机应用军事技术单片机的应用 单片机应用工业控制单片机的应用单片机的

6、应用单片机的应用2.1 AVR单片机及其硬件结构AVR单片机特点AVR单片机有如下一些显著特点： 1、速度快 AVR单片机有如下一些显著特点： 2、片上资源丰富 AVR单片机特点3、保密性好 AVR单片机具有高度保密性。程序存储器Flash具有多重密码保护锁死 （lock）功能，不可能解密。4、可重复擦写在系统编程 ISP（In-System Programming）AVR单片机的程序存储空间采用Flash技术，可重复擦写1000次以上（ 新的AVR单片机可重复擦写10000次以上）。而且设计者不必将单片机从系统上拆下来拿到编程器上烧写，可直接在电路板上进行在线下载，以实现 程序修改、烧录等操

7、作，方便产品升级。AVR单片机特点AVR单片机特点AVR单片机特点8. 采用精简指令集RISC （CISC和RISC）CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）l具有大量的指令和寻址方式l用最少的语言完成所需的计算任务。RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)l指令数少：通常指令数在100条左右，并且大部分指令结构简 单，设置少量支持操作系统和高级语言实现的指令。l减少指令系统的寻址方式的种类，一般不超过2种，并且全部 指令都具有相同长度，指令执行效率高。l大部分指令在一个机器周期完成。l扩大通用寄存

8、器的个数。一般不少于32个，以尽量减少存储器 操作。因为寄存器速度极快 l优化设计编译程序，以简单有效的方式支持高级语言的实现。 指令寄存器控制器数据通道 输入输出中央处理器存储器程序指令0 指令1 指令2 指令3 指令4数据数据0 数据1 数据29. 采用哈佛体系结构（冯诺依曼体系结构模型）冯诺依曼体系的特点1）数据与指令都存储在存储器中2）被大多数计算机所采用3）8086冯诺依曼体系哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道 输入输出中央处理器程序存储器指令0 指令1 指令2数据存储器数据0 数据1 数据2地址指令地址数据哈佛体系结构的特点1）程序存储器与数据存储器分开2）提供了较大的数据存储器

9、带宽3）适合于数字信号处理4）大多数DSP都是哈佛结构5）ARM9是哈佛结构指令的执行周期T1）取指令（Instruction Fetch)：TF2）指令译码（Instruction Decode）：TD3）执行指令（Instruction Execute）：TE4）存储（Storage）：TS每条指令的执行周期：T= TF+TD+TE+TSAVR CPU的工作是由系统时钟CLKCPU（）直接驱动 的，在片内不再进行分频。图示为Harvard结构和快速 访问寄存器组的并行指令存取和指令执行时序。CPU在 启动后第一个时钟周期T1取出第一条指令，在T2周期便 执行取出的指令，并同时又取出第二条指

10、令，依次进行 。这种基于流水线形式的取指方式，使AVR可以以非常 高的速度执行指令，获得高达1MIPSMHz的效率。AVR单片机CPU的工作时序图示为ALU与寄存器堆操作单周期指令（ 如加法指令）的执行时序。在单一时钟周 期内，由2个寄存器提供操作数，ALU执 行相应的操作，最后将操作结果回送到目 的寄存器中。l与其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特点是： 哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力； 超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克 服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象； 快速的存取寄存器组、单周期指令系统

11、，大大优化了目标代码 的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用 高级语言进行开发； 作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出） ，作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备 10mA-20mA灌电流的能力； 片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动 延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠； 大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI ，UART，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等； AVR 8-Bit MCU的最大特点AVR单片机的选型l AVR单片机的选型 I/O口 存储器大

12、小 EEPROM大小 功能模块 最高工作频率 定时计数器 工作电压 AVR单片机型号的选择AVR系列单片机有以下三个档次： 1、低挡ATiny系列AVR单片机，主要有ATiny11/12/13/15/26/28等。 2、中档AT90S系列单片机，主要有AT90S1200/2313/8515/8535等。 3、高档ATmega系列AVR单片机，主要有ATmega8/16/32/128，以及ATmega8515/8535等。3个 AVR 系列存储器 大小性能( 1KB - 2KB )( 1KB- 8KB )( 16KB - 128KB)完全兼容ATtiny系列单片机特点 ： AVR单片机型号的选择

13、ATtiny10/11/12特点 ： AVR单片机型号的选择ATtiny10/11/12特点 ： AVR单片机型号的选择ATtiny10/11/12特点 ： AVR单片机型号的选择ATtiny10/11/12特点 ： AVR单片机型号的选择AT90S1200单片机特点 ： AVR单片机型号的选择AT90S1200单片机特点 ： AVR单片机型号的选择ATmega8单片机特点 ： AVR单片机型号的选择AVR 芯片型号的解释， 以 ATmega48V-10AI 为例ATmega48 代表产品. V 代表低/宽电压版本。新出的AVR(M48/88/168, Tiny13/2313)产品系列来说,

14、-V 是1.8-5.5V 工作范围。 不带“V“是2.7-5.5V 工作范围 。 老的系列以L表示, 2.7-5.5V 工作范围 ， 不带“L“是4.5-5.5V 工作范围 。 -10, 表示最高工作频率, 10MHz A, 表示封装 。AVR芯片有四种封装： 1. A: TQFP（扁平薄片方形封装） 2. P: PDIP（双列直插 封装）3. S: SOIC（小型封装）4. M: MLF （微引脚 封装）5 PLCC（塑封J引线封装） I, 表示温度范围, 将来还表示 ROHS 1.I, 工业级 2.C, 商业级 3. A, 汽车级 4.E, 扩展级 (-40-105C) 5.U, 符合RO

15、HS,工业级 三种封装：PDIP, TQFP, 脚MLF20脚PDIP40脚PDIP44脚TQFP64脚TQFP44脚MLF2.1 AT90S8535单片机的硬件结构l AT90S8535单片机 I/O口（32） 存储器大小(8k flash 512B SRAM 512B EEPROM) 工作电压（2.76V；4.06V） 功能模块 最高工作频率（8MHz） 定时计数器 16个中断源 l AT90S8535单片机2.1 AT90S8535单片机的硬件结构l AT90S8535单片机2.1 AT90S8535单片机的硬件结构AVR单片机的CPU AVR RISC结构102423 中央处理器简称CPU，是单片机的核心， 完成运算和控制操作。 按其功能，CPU包括运算器和控制器两部 分电路。 运算器电路：一个8位的运算器用于实现算 术和逻辑运算。ALU（算术逻辑单元）、 32个通用寄存器等属于运算电路。 控制器电路：控制电路是单片机的指挥控 制部件，保证单片机各部分能自动协调的 工作。程序计数器PC、指令寄存器IR、指 令译码器ID等均属于控制电路。 MCU工作原理：单片机执行命令是在控制电路的控制下进 行的。首先从程序存储器（FLASH）中读 出指令，送指令寄存器保存，然后送指令 译码器进行译码，译码结果送定时控制逻 辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信 号和控制信号，再