单片机2011-2年讲稿ppt课件

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1、1,单片机原理与应用,鲁昌华 博士 教授 博导 (中科院、合工大) J 电话: 2901404.逸夫楼610,2,课程安排,理论课:讲述基本原理和软硬件设计方法 实验课:根据实验指导书的要求完成实验本课程是实践性较强的课程。 通过课程的学习，掌握软件编程和硬件电路设计的方法，能够进行单片机系统的设计、调试工作 教学合计40 学时:讲课28学时，实验 12 学时,3,课程要求,考核:理论课+实验课=课程成绩 教材： 单片机原理及应用 王琼编 合工大 单片机原理及应用实验教程 王琼编 合工大 参考书: MCS-51单片机应用系统设计 何立民编 北航 MCS-51单片机应用系统设计 李建中编 西电,

2、4,涉及内容,MCS-51的基本硬件结构 程序设计 定时/计数器 中断系统 串行口 存储器 接口设计,5,第一章单片机概述, 单片机的概念 嵌入式系统与单片机 单片机的应用特点 常用单片机系列产品综述 单片机的发展趋势,6,1.1 单片机发展简介,信息技术 1. 测量技术-传感器 2. 计算技术-计算机 3. 通信技术-标准总线,7,1.1 单片机发展简介,8,1.1 单片机发展简介,电子计算机是科技发展的产物 电子计算机的飞速发展归功于电子元件技术的发展 计算机发展.ppt 单片机发展简介,9,1.1 单片机发展简介,1什么叫单片机 中央处理器CPU、随机存取存储器(数据)RAM、只读存储器

3、(程序)ROM、并行接口PIO、串行接口SIO 、定时器/计数器CTC 、模数转换A/D 、数模转换D/A 等集成在一块芯片中(即:组成微型计算机的各功能部件) ，构成一个完整的微型计算机。,2.单片机的发展 第一阶段（1971-1974年）：1971年11月美国Fairchild F8+3851两片集成芯片,虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。,10,1.1 单片机发展简介,第二阶段（1974-1978年）：初级单片机阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。这个系列单片机内集成有8位CPU、并行I/O接口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4K，且无串行口。 第三阶段（197

4、8-1983年）：在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器。片内RAM、ROM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器接口。这类单片机有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。这类单片机的应用领域极其广泛，这个系列的各类产品仍然是目前国内外产品的主流。其中MCS-51系列产品，以其优良的性能价格比，成为我国广大科技人员的首选。,11,1.1 单片机发展简介,第四阶段（1983年-现在）： 16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96(98)系列，数据宽度增加了一倍，集成度达到了1

5、2万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统,12,1.1 单片机发展简介,世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。,13,1.2 MCS-51单片机性能特点,（1）集成度高 （2）系统结构简单 （3）可靠性高:军用品、工业

6、品和商用品。 （4）处理功能强，速度快 （5）容易产品化,14,产品等级的概念,一、民用级产品 主要是用于机房、办公环境，其工作环境温度为070； 二、军用级产品 工作环境有求较高，其工作环境温度要求在-65+125 ； 三、工业级产品 工作环境在-4085 ，在生产流程上具有： 1、采用密封式封装； 2、在规定的温度范围内进行电气特性测试； 3、产品经过125 温度下44小时老化； 4、老化后100%进行电气特性测试及最终质量检查。,15,1.2 MCS-51单片机,MCS-51单片机系列产品,16,微型计算机与单片机在硬件结构上的比较,微型计算机 单片机,数据RAM,CPU,并行I/O,程

7、序ROM,定时/计数器,串型端口,中断控制器,扩展I/O端口,系统总线（DB、AB、CB）,微型计算机的组成框图 （由多个IC芯片组装在一个主电路板上）,MCS-51单片机,所有单元都组装 在一个IC芯片上,返回,17,嵌入式系统与单片机,什么是嵌入式系统,Embedded system 个人电脑嵌入式系统 简单的讲，嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。 广义的讲，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统,18,19,嵌入式系统的定义,以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统

8、,20,嵌入式系统的基本组成,嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”,21,嵌入式系统的组成要素（4个）,嵌入式处理器及其硬件平台 嵌入式软件系统 嵌入式操作系统（可选嵌入式系统的组成要素（4个） ）-实时操作系统RTOS I/O接口系统,22,嵌入式系统的组成要素（4个）,23,嵌入式微处理器的分类,嵌入式微处理器的分类,24,1、智能仪器仪表上,数字式测角仪,交直流电压电流表,位移传感器,单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现

9、诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。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。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。,1.3 单片机的应用领域,25,2、工业控制,数控车床,数控线切割机床,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。,1.3 单片机的应用领域,26,3、家用电器,1. 智能冰箱,2智能饭煲,3智能食品配料机,可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭

10、褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。,1.3 单片机的应用领域,27,4、计算机网络和通信领域,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，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。,手机 电话机 程控交换机 楼宇自动通信呼叫系统 列车无线通信 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。,1.3 单片机的应用领域,28,5、医用设备,医用呼吸机 各种分析仪 监护仪 超声诊断设备 病床呼叫系统等等,电池分析仪,医用呼吸机,麻醉信息管理系统,1.3

11、单片机的应用领域,29,1.4 单片机的发展趋势,1、低功耗CMOS化 2、微型单片化 3、主流与多品种共存,30,第二章.MCS-51单片机的内部结构,a.40脚的双列直插DIP封装； b.44脚的PLCC。,31,MCS-51单片机内部方框图,时钟电路,4KROM 程序存储器,256BRAM 数据存储器,2X16位 定时/计数器,CPU 处理器,64KB总线 扩展控制器,可编程I/O 端口P0-3,可编程 串行口,32,第二章.MCS-51单片机的内部结构,33,第二章.MCS-51单片机的内部结构,(1) 8位中央处理器（CPU） 运算器+控制器=中央处理器 中央处理器简称CPU，是单片

12、机的核心，完成运算和控制操作。中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。 （1）运算器电路 运算器电路是单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。图2.1中的ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、程序状态字和两个暂存寄存器等属于运算器电路。运算器电路以ALU为核心，基本的算术运算和逻辑运算均在其中进行，包括加、减、乘、除、增量、减量、十进制调整、比较等算术运算，与、或、非等逻辑运算，左、右移位和半字节交换等操作。运算和操作结果的状态由状态寄存器（PSW）保存。,34,第二章.MCS-51单片机的内部结构,（2）控制电路 控制电路是单片机的指挥控制部件，保证各部分能自动而协调地工作。

13、图2.1中的PC（程序计数器）、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时和控制电路等均属于控制电路。,(2) 内部程序存储器 内部程序存储器中包括4KB/8KB的存储器（ROM或EPROM），对于8051、80C51内部共有4KB的掩膜ROM，用于存放程序和原始数据。,35,第二章.MCS-51单片机的内部结构,(3) 内部数据存储器,(4) 并行的I/O口,(5) 定时器/计数器,(6) 串行口,(7) 时钟电路,(8) 位处理器,(9) 总线,36,第二章.MCS-51单片机的内部结构,下面将这40条引脚按功能分为四部分叙述其功能。 1. 主电源引脚Vcc和Vss Vcc（40脚）：接

14、+5V电压 Vss（20脚）：接地 2. 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2,37,第二章.MCS-51单片机的内部结构,时钟信号的产生,C1、C2 30pF左右，晶体振荡器的频率范围通常是1.212MHz。,38,3. 控制或其他电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP,RST/VPD（9脚）：振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平使单片机复位。建议在此引脚与Vss之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与Vcc引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠的复位（详见复位电路内容）。Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。,39,在复

15、位状态下：所有SFR的内容全变为“0”,端口输出“1”。RAM内容不变。,MCS-51 RST,Vcc,MCS-51 RST,Vcc,1K,10,t,V,T,延长上电复位时间的电路 和RST端上电电压曲线,具有手动复位功能 的复位电路,R,C,40,8 4 6 3 5 2 1,Vo,Vcc,触发,触发信号 Vo Vc,8 4 6 3 5 2 1,VoRST,Vcc,P1.0,Vcc P1.0 Vo,V备用,使用555电路构成的掉电保护电路,由555构成的单稳态电路、波形 单稳态单路构成的掉电保护电路、波形,41,ALE/ PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍然以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器的1/6。因此，它可以用作对外输出的时钟，或用于定时。 对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。,42,PSEN（29脚）：此引脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期它二次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这二次有效信号