单片机应用技术概述

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1、单片机应用技术,电气自动化技术专业,有关本课程学习的几点建议,本课程是一门实践性、应用性很强的学科 仅仅听懂还不够,重在培养动手能力,硬件/软件同样重要、不可偏废 硬件是骨架，软件是皮肉器脏及思想,本课程的前期基础课程是电子技术 这方面知识掌握得不够好的请自己补上,预习、听课、复习、作业、实训环环都重要 用科学的方法学习,有关本课程学习的几点建议 四要,要培养三商,要建立第二课堂,要“软硬兼施”,要做好三次答辩,有关本课程学习的几点建议 切忌,切忌“吃软饭”,切忌“吃苞米”,切忌“打字员”,教学与答疑,答疑 平时任何一天，同学们有问题均可到机电系自动化办公室寻求解答。,项目式教学 课程采用项目

2、式教学。项目教学通过实施一个完整的项目而进行的教学活动。在教学课时内，23人组成一个学习小组根据项目要求指定项目实施计划，经老师确认后，进行项目教学实施。通过项目的实践操作积极调动学生的学习积极性，挖掘学生潜力，锻炼实际操作能力，进而使学生对知识有更深层的理解。,（一）什么是单片机？,单片机就是单片微型计算机（SCMC，Single Chip Micro Computer） 微控制器（Micro-Controller UnitMCU）,项目一：认识单片机,微型计算机系统的硬件部分 通常由五部分组成:,运算器,输出设备,控制器,存储器,输入设备,个人计算机系统通常由多块印刷电路板制成：,单 硅

3、晶 片,内部基本结构： 运算器电路、控制器电路、存储器 中断系统、定时/计数器、输入输 出接口电路等。,（二）单片机的历史,1、单片机探索阶段（1976-1978） 2、单片机完善阶段（1978-1982） 代表：MCS-51单片机 3、单片机向微控制器发展阶段 4、微控制器全面发展阶段,（三）单片机的发展趋势,1、CMOS（金属栅氧化物）化 2、低功耗化、低电压 3、低噪声、高可靠性 4、大容量化 5、高性能化：精简指令集与流水线技术 6、小容量、低价格化 7、外围电路内装化 8、串行扩展技术,（四）单片机系统及应用,1、单片机 2、系统硬件电路 3、应用软件,基本系统电路 前向通道接口电路

4、 后向通道接口电路 人机交互通道接口电路 数据通信接口电路,应用：单片机能做什么？,单片机无所不能！ 所谓“微电脑控制”场合的核心就是单片机 涵盖日常生活、工业生产、军事设备、科研仪表仪器等所有智能化应用场合,智能洗衣机,定时完成洗衣、脱水等功能 可以判断衣服的干净程度，实现“洗净即停”的功能 蒸汽熨烫的功能 刷卡、投币洗衣 更加智能：LG公司“iPod洗衣机”一边洗衣一边听歌,LED显示屏,LED发光二极管构成显示屏的像素点 单片机负责逐点或逐行扫描，并与电脑通信获取图片信息,仪表仪器,用于环境监测、工矿企业、科学研究、水产养殖场等场合的pH值的测定 读取pH传感器的模拟信号，内部处理后显示

5、在LCD上,智能小车,巡线 避障 电视机遥控器遥控 LCD显示,各种数码产品,（五）AVR系列单片机,融入了先进的EEPROM电擦除技术和Flash ROM闪速存储器技术 精简指令集RISC(Reduced Instruction Set CPU)结构 关键技术：流水线操作(Pipelining)、等长指令体系结构 快速存取寄存器组：32个通用工作寄存器组,AVR单片机优点:,AVR的性价比远高于51： FlashROM(长度单元16位（字） 高速、RISC：主频最高达20MHz Harvard（哈佛）结构 数据总线和程序总线分离 超功能精简指令：32个通用工作寄存器,IO口驱动能力强：推拉电

6、流能力均达20mA，40MA(吸收)，可以直接驱动蜂鸣器、继电器等 片内资源丰富：外部中断、定时/计数器、UART、SPI、IIC、ADC、模拟比较器 低功耗，宽电压：2.7V6.0V，最低全速运行功耗300uA 型号齐全，而且40脚以下的AVR均具有DIP的封装形式,精彩的AVR世界,8脚系列：ATtiny13、25、45、85； 14脚系列：ATtiny24 20脚系列：AtTiny26，2313 ； 28脚系列：ATmega8，48，88，168 ； 32脚系列：AT90PWM3 ； 40脚系列：ATmega16，32，162，163，169，8515，8535 ； 以上几个系列均有DI

7、P双列直插封装 64脚系列：ATmega64，128 ； 100脚系列：ATmega1280，2560 ；,精彩的AVR世界,AVR单片机基本结构,AVR单片机基本结构,从单片机的基本组成可以看出，在一片（单片机）芯片中，集成了构成一个计算机系统的最基本的单元：如CPU、程序（指令）存储器、数据存储器、各种类型的输入/输出接口等。CPU同各基本单元通过芯片内的内部总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）连接。 一般情况下，内部总线中的数据总线宽度(或指CPU的字长)也是标定该单片机等级的一个重要指标。内部数据总线宽度越宽，单片机的处理速度也相应的提高，功能也越强。如：ATmega16为8位机。

8、,单片机基本单元与作用,1）MCU单元(Microcontroller Unit) CPU、时钟系统、复位、总线控制逻辑等电路 2）片内存储器 ：Harvard（哈佛）结构 3）程序存储器：在线下载ISP技术 4）数据存储器 ：随机存储器RAM和电可擦除存储器EEPROM。 5）输入/输出（I/O）端口 并行总线输入/输出端口。通用数字I/O端口。片内功能单元的输入/输出端口。串行I/O通信口。其它专用接口。 6）操作管理寄存器。,1、ATmega16结构性能,ATmega16是基于增强AVR RISC结构的高性能、低功耗8 位CMOS微控制器。 131条机器指令，且大多数指令的执行时间为单个

9、系统时钟周期； 配备只需要2个时钟周期的硬件乘法器。 32个8位通用工作寄存器； 采用Harvard结构，程序和数据总线分离，具有预取指功能，即CPU在执行一条指令的同时去取下一条指令，这种模式使得指令在一个时钟完成。片内集成硬件乘法器（执行速度为2个时钟周期）。 ATmega16 数据吞吐率高达1MIPS/MHz，16MHz时有16MIPS的性能； 非易失性程序和数据存储器 JTAG 接口,从ATmega16开始学习单片机,AVR CPU部分 16K程序存储器Flash 数据存储器1K-SRAM和512-EEPROM 各种功能的外围接口，IO口，以及与他们相关的数据、控制、状态寄存器等,主要

10、构成：,内部结构框图,Flash 程序存储器 ATmega16具有16K字节的在线编程Flash，用于存放程序指令代码。因为所有的AVR指令为16 位或32 位，故而Flash 组织成8K x 16 位的形式。 Flash存储器至少可以擦写10,000次。ATmega16的程序计数器(PC)为13位，因此可以寻址8K 字的程序存储器空间。 用SPI 或JTAG 接口实现对Flash 的串行下载。,程序存储器映像,SRAM 数据存储器 前1120 个数据存储器包括了寄存器文件、I/O 存储器及内部数据SRAM。起始的96 个地址为寄存器文件与64 个I/O 存储器，接着是1024 字节的内部数据

11、SRAM。 数据存储器的寻址方式分为5 种：直接寻址、带偏移量的间接寻址、间接寻址、带预减量的间接寻址和带后增量的间接寻址。 ATmega16的全部32个通用寄存器、64个I/O寄存器及1024个字节的内部数据SRAM可以通过所有上述的寻址模式进行访问。,时钟源 ATmega16芯片有如下几种通过Flash熔丝位进行选择的时钟源。时钟输入到AVR时钟发生器，再分配到相应的模块。 缺省时钟 器件出厂时缺省设置的时钟源是1 MHz 的内部RC振荡器，启动时间为最长。这种设置保证用户可以通过ISP 或并行编程器得到所需的时钟源。 晶体振荡 XTAL1 与XTAL2 分别为用作片内振荡器的反向放大器的

12、输入和输出，这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。, 2个带有分别独立、可设置预分频器的8位定时器/计数器； 1个带有可设置预分频器、具有比较、捕捉功能的16位定时器/计数器； 片内含独立振荡器的实时时钟RTC； 4路PWM通道； 8路10位ADC 面向字节的两线接口TWI（兼容I2C硬件接口）； 1个可编程的增强型全双工的，支持同步/异步通信的串行接口USART； 1个可工作于主机/从机模式的SPI串行接口（支持ISP程序下载）； 片内模拟比较器； 内含可编程的，具有独立片内振荡器的看门狗定时器WDT；,2、ATmega16单片机内部资源,3、ATmega16单片机的外部引脚功能

13、,Vcc, GND 2 XTAL1, XTAL2 2 RESET 1 AVCC，GND 2 AREF 1 PA0PA7 8 PB0PB7 8 PC0PC7 8 PD0PD7 8,DIP封装40脚,单片机的引脚（电源端）,Vcc, GND: 正电源端与接地端 （2.75.5V, 4.55.5V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。 AVcc, GND: 为端口 A 和片内 ADC 模拟电路电源输入引脚。不使用 ADC 时，直接连接到电源正极；使用 ADC 时，应通过一个低通电源滤波器与 Vcc 连接。 AREF：使用 ADC 时，可作为外部 ADC 参考源的输入引

14、脚。,单片机的引脚（晶振端）,XTAL1：片内反相振荡放大器和内部时钟操作电路的输入端。 XTAL2：片内反相振荡放大器的输出端。,112MHz（MCS-51） 024MHz（Atmel-89C）,也可以由 XTAL1端接入外部时钟，此时应将 XTAL2接地：,XTAL2,XTAL1,外部时钟,单片机的引脚（晶振端）,XTAL1：片内反相振荡放大器和内部时钟操作电路的输入端。 XTAL2：片内反相振荡放大器的输出端。,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：,振荡周期/时钟周期： =晶振频率fosc（或外加频率）的倒数 指令周期: 执行一条指令所需的机器周期数,ATmega16单片机： 机器周

15、期震荡周期 多数指令为单机器周期指令,RESET: RESET 为芯片复位输入引脚。在该引脚上施加（拉低）一个最小脉冲宽度为 1.5us的低电平,将引起芯片的硬件复位（外部复位）。,单片机的引脚（复位端）,复位使单片机进入某种确定的初始状态： PC值归零（0000H）； 各个寄存器被赋予初始值： 退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程序进程、退出程序的死循环，从头开始。,+5V,10uF,47K,Vcc,/RST,GND,上电复位,10uF,47K,手动&上电复位,1K,单片机的引脚（复位端）,1.5us的低电平,+5V,Vcc,/RST,GND,ATmega16有A、B、C、D四个并行（

16、8位字长）数字输入输出端口。 每个I/0口都有第二功能,单片机的引脚（IO口）,IO口基本功能演示,ATmega16,单片机的开发工具,编程器（烧写器）：将编译出来的目标代码固化到单片机的ROM内 下载线：作用与编程器相同，但可以在线下载 仿真器：对单片机的程序进行单步调试、设置断点等，便于查找程序中的错误。其中Jtag仿真器可以在线仿真调试。,AVR单片机的开发工具,软件开发环境 编辑与编译软件：GCCAVR 仿真调试软件： AVR Studio 硬件开发环境 仿真调试工具：JtagICE 下载线工具：STK500 实训箱：ATmega16实训箱 技术手册 AVR官方中文版技术手册 校本教材 ,