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1、电机微机测控及功率接口(一),主讲教师 胡慧慧 2015年3月,课程介绍,我校电气专业目前主要有两个研究方向： 电力电子与电气传动； 电力系统自动化；,前者主要研究对象为大功率执行部件，如电机等。而针对电机的自动控制主要采用单片机应用系统。为了将单片机和大功率被控对象的接口技术结合起来。从08年开设此系列课程，本学期讲述第（一）部分，以研究单片机的基本原理和构造为主。下学期第（二）部分以介绍实际应用的接口技术为主。,主要内容,第一章 单片机基础 第二章 MCS-51单片机的硬件结构与原理 第三章 MCS-51指令系统 第四章 汇编语言程序设计 第五章 定时器/计数器与中断系统 第六章 单片机系
2、统扩展 第七章 MCS-51单片机系统配置及接口技术 第八章 串行通信技术,参考书目,1、单片机原理与应用技术 清华大学出版社 2、单片机原理及应用 哈尔滨工业大学出版社 3、单片机原理及接口技术 北京航空航天大学出版社 4、MCS-51单片机及应用系统设计 北京航空航天大学出版社,课程导学,1、重视实践环节，本课程有12学时实验环节，结合实验仪器，做到活学活用。 2、强调平时作业和考勤。 3、注重答疑。,联系方式： 474675860 18254265787 基础B211,第一章 单片机基础, 单片机的内部结构 单片机的结构特点 单片机的发展概况 单片机的主要技术发展方向 单片机的应用领域,
3、什么是单片机？,单片机（Single-chip-Microcomputer）又称单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、定时器/计数器、中断系统等全部集成在一个半导体芯片上，也称嵌入式微控制器。,嵌入式微控制器大多工作在为特定用户群专用设计的系统中，可将许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，还具有高效率和高可靠性的优点。,一、单片机的内部结构,（1）运算部件 由算术逻辑运算单元、暂存寄存器、累加 器、寄存器和程序状态寄存器等组成，用于完成算术运算和逻辑运算功能。,（2）控制部件 由程序计数器PC、
4、指令寄存器、指令译码器、振荡器以及定时电路等组成，用于完成控制功能。,2、存储器,（1）程序存储器ROM 用于存放编制好的程序和表格常数。,（2）数据存储器RAM 用于存放程序运行中采集的数据和所 需要的变量。,扩充： 只读存储器ROM（read only memory）, 掩膜只读存储器ROM：这种ROM中的信息是在芯片制造时由厂家用“掩膜”工艺写入（固化）的，用户在使用过程中无法改变其中的内容。, 可编程只读存储器PROM：用户可用专门设备将存储信息写入芯片中。一旦写入即不能更改，且只能写一次。, 紫外线擦除可编程只读存储器EPROM：用户可多次用紫外线照射的方式擦除已写入的信息，并允许再
5、重新写入。, 电擦除可编程只读存储器EEPROM：允许用户写入信息，并可用外加电压擦除已写入的信息，并允许再重新写入。, 闪存可编程/擦除只读存储器FPEROM：简称闪存（Flash Memory），信息在闪电式的一瞬间被存储，之后即使除去电源，存储器中信息仍可保留。闪存也是电擦除可重复编程存储器，体积小、功耗低、不易受物理破坏，存储密度高。,3、I/O接口,I/O接口用以实现对外控制或信息的传递。 （1）并行接口：在单片机和存储器或外围设备之间并行传送8位数据信息。 （2）串行接口：在单片机之间或单片机与外围设备之间实现串行通信。,单片机内部具有特殊功能的两个部件，利用它们可实现对外事件的定
6、时和计数控制功能。,4、定时/计数器,通过外接石英晶体产生频率固定的时钟脉冲，为单片机提供时钟脉冲序列，用以协调指挥整个单片机的有序工作。,5、时钟电路,（1）集成度高、体积小、重量轻； （2）抗扰能力强，可靠性高； （3）运行速度快、控制功能强； （4）开发使用方便，易于产品化； （5）具有优异的性能价格比 。,二、单片机的结构特点,三、单片机的发展概况,第二阶段（1978-1982年）：高性能单片机阶段。这类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线（可以寻址的范围达到64K字节）、控制总线以及较丰富的指令系统等。其应用范围较广，并在不断的改进和发展。,单片机的发展历史可划分为四阶段
7、： 第一阶段（1974-1978年）：低性能单片机的探索阶段。以 公司的MCS-48为代表，采用单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。主要用于工业领域。,第三阶段（1982-1990年）：16位单片机阶段。16位单片机除CPU为16位外，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如Intel公司的MCS-96主振频率为12M，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。 第四阶段（1990年至今）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的
8、同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。,四、单片机的主要技术发展方向,（1）多功能：尽可能将存储器、各种功能的I/O口都集成在一块芯片中，即外围器件内装化。 （2）高性能：使用RISC体系结构、并行流水线操作和DSP等的设计技术使单片机的指令运行速度大大提高，电磁兼容性能也更优越。 （3）全盘CMOS化：从第三代开始，淘汰非CMOS工艺。此举会带来本质低功耗和低功耗管理技术的快速发展。 （4）推行串行扩展总线：可以显著减少芯片的引脚数量，简化系统结构。 （5）闪存Flash ROM的推广。,五、单片机的应用领域,1、在智能仪表上的应用 单片机广泛应用于仪器仪表中，结合不同类
9、型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、等各种物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。,目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：,2、在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3、在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片
10、机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子称量设备，五花八门，无所不在。,4、在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。,5、单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。,6、在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模
11、块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。,7、单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。,此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。,单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，
12、称之为微控制技术，这标志着一种全新概念的建立。,结论,MCS-51单片机（Micro Controllor System）,MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称。,51系列单片机源于Intel公司的MCS51系列，在Intel公司将MCS51系列单片机实行技术开放政策之后，许多公司，如Philips、Siemens、Atmel、 Dallas、华邦、LG等都以MCS51中的基础结构8051为基核推出了许多各具特色、具有优异性能的单片机。这样，把这些厂家以8051为基核推出的各种型号的兼容型单片机统称为51系列单片机。,这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，
13、8751，8032，8052，8752等， 其中8051是最早最典型的产品， 该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的， 所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。,8051：内部包含4KB的ROM（片内掩膜）、128B的RAM、21个特殊功能寄存器、4个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/计数器以及一个处理功能很强的中央处理器。 8751：是以4KB的EPROM代替4KB ROM的8051。 8951：是以4KB的E2PROM或Flash ROM代替4KB ROM的8051。 8031：是内部无ROM的8051。 8031单片机必须外接ROM
14、作为程序存储器。,MCS-51子系列,52子系列也包含4个产品，分别是51子系列的增强型。由于资源数量的增加，芯片的功能有所增强。片内ROM容量和RAM容量增加了一倍；定时器数目从2个增加到3个；中断源从5个增加到6个等。 80C31/87C51/80C51：采用CMOS工艺适于电池供电或其它要求低功耗的场合。, MCS-51单片机的结构与工作原理 中央处理单元与时序 存储器配置 并行I/O端口 复位及复位电路,第二章 MCS-51单片机的硬件结构与原理,一、内部结构,第一节 MCS-51单片机的结构与工作原理,由上图可见，8051内部集成有如下功能部件：,1）8位中央处理器CPU 2）4KB
15、程序存储器ROM（8031内部无ROM） 3）256B数据存储器RAM 4）21个特殊功能寄存器 5）4个8位并行I/O端口（P0P3） 6）1个可编程串行I/O端口 7）2个16位定时/计数器（T0，T1） 8）时钟振荡器和时钟电路,二、工作原理,以ADD A，R0 指令为例说明其工作原理,执行指令的过程是：取指令译码执行,取指令：CPU把PC的值送入程序地址寄存器，并向ROM发出读指令，PC值加1。,译码：把读出的指令代码送入指令寄存器IR，再送入指令译 码器ID，译码结果送到定时与控制电路。,执行：根据译码的结果对数据进行运算。,程序的执行是指令一条接一条执行的过程，每执行一条指令， P
16、C值自动加1，指向下一条指令。,三、引脚及功能,MCS-51单片机是40个引脚的双列直插式封装形式。,控制引脚,I/O口引脚,逻辑图,时钟引脚,电源 引脚,第二功能,1、电源引脚Vcc和Vss Vcc（40脚）：电源端，接5V电源 Vss （20脚）：接地端 2、外接晶体引脚XTAL1，XTAL2 XTAL1（19脚）：片内反向放大器输入端 XTAL2（18脚） ：片内反向放大器输出端 采用内部时钟时，2个引脚各接外部晶体和微调电容的一端； 采用外部时钟时，XTAL2脚输入外部时钟脉冲，XTAL1脚接地。,各个引脚的功能说明如下：,3、 控制信号引脚, RST/VPD（9脚）：RST复位信号；VPD备用电源输入端。,ALE信号说明： 1.当CPU访问外部存储器时，ALE端作为锁存低8位地址的控制信号，下降沿有效。 2.当CPU不访问外部存储器时，ALE端以1/6的振荡频率
