單片機(jī)原理與應(yīng)用-學(xué)林單片機(jī)

1、1,51單片機(jī)及其應(yīng)用,,2,1.1 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展概述,1.1.1 電子計(jì)算機(jī)的問世及其經(jīng)典結(jié)構(gòu),1946年2月15日，第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)問世，這標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。（CALCULATOR）ENIAC（“埃尼阿克”）,3,◆與現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)相比，有許多不足，但它的問世開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的新紀(jì)元，對(duì)人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響 。,◆ENIAC是電子管計(jì)算機(jī)，時(shí)鐘頻率僅有100 KHz，但能在1秒鐘的時(shí)間內(nèi)完成

2、5000次加法運(yùn)算。?,4,匈牙利籍?dāng)?shù)學(xué)家馮·諾依曼在方案的設(shè)計(jì)上做出了重要的貢獻(xiàn)。1946年6月，他又提出了“程序存儲(chǔ)”和“二進(jìn)制運(yùn)算”的思想，進(jìn)一步構(gòu)建了計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成這一計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。（EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER）,,5,電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了五個(gè)時(shí)代：,﹡電子管計(jì)算機(jī)；﹡晶體

3、管計(jì)算機(jī)；﹡集成電路計(jì)算機(jī)；﹡大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)；﹡超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。,計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)仍然沒有突破馮·諾依曼提出的計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架。,6,二、微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用形態(tài) 從應(yīng)用形態(tài)上，微機(jī)可以分成三種：,◆多板機(jī)（系統(tǒng)機(jī)） 將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機(jī)板（即微機(jī)主板）。各種適配板卡插在主機(jī)板的擴(kuò)展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)動(dòng)器及光驅(qū)等裝在同一機(jī)箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了

4、一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)機(jī)）。工業(yè)PC機(jī) 也屬于多板機(jī)。,7,◆單板機(jī) 將CPU芯片、存儲(chǔ)器芯片、I/O接口芯片和簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備（小鍵盤、LED顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在ROM中），就構(gòu)成了一臺(tái)單板微型計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱單板機(jī)）。,單板機(jī),,8,單板機(jī)的I/O設(shè)備簡(jiǎn)單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計(jì)算機(jī)原理的教學(xué)及簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)，現(xiàn)在已很少使用。,9,◆單片機(jī) 在一片集

5、成電路芯片上集成微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路，從而構(gòu)成了單芯片微型計(jì)算機(jī)，即單片機(jī)。 三種應(yīng)用形態(tài)的比較 ：,,單板機(jī),單片機(jī),系統(tǒng)機(jī)（多板機(jī)）,10,系統(tǒng)機(jī)（桌面應(yīng)用）屬于通用計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動(dòng)化及輔助設(shè)計(jì)。,單片機(jī)（嵌入式應(yīng)用）屬于專用計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設(shè)備、汽車及軍事電子設(shè)備等應(yīng)用系統(tǒng)。,單片機(jī)體積小、價(jià)格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對(duì)于滿足嵌入式應(yīng)用

6、需求具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。,11,1.2 單片機(jī)的發(fā)展過程及產(chǎn)品近況,1.2.1 單片機(jī)的發(fā)展過程,,,單片機(jī)技術(shù)發(fā)展過程可分為三個(gè)主要階段： ◆單芯片微機(jī)形成階段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機(jī) 。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。,特點(diǎn)是：存儲(chǔ)器容量較小，尋址范圍?。ú淮笥?K），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強(qiáng)。,12,◆性能完善提高階段

7、 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機(jī)：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。?,特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點(diǎn)進(jìn)一步突出?，F(xiàn)在，MCS-51已成為公認(rèn)的單片機(jī)經(jīng)典機(jī)種 。,13,◆微控制器化階段,,,特點(diǎn)是：片內(nèi)面向測(cè)控系統(tǒng)外圍電路增強(qiáng)，使單片機(jī)可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)

8、及設(shè)備?！拔⒖刂破鳌钡姆Q謂更能反應(yīng)單片機(jī)的本質(zhì)。,1982年，Intel推出MCS-96系列單片機(jī)。 芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I/O部件等。,14,1.2.2 單片機(jī)產(chǎn)品近況,,,﹡ATMEL公司融入Flash存儲(chǔ)器技術(shù)的AT89系列； ﹡Philips公司的80C51、80

9、C552系列； ﹡華邦公司的W78C51、W77C51高速低價(jià)系列； ﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列； ﹡LG公司的GMS90/97低壓高速系列； ﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列； ﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC單片機(jī)。,◆ 80C51系列單片機(jī)產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成，近年來推出的與80C51兼容的主要產(chǎn)品有：,15,◆非80C51結(jié)構(gòu)單片機(jī)新品不斷推出，

10、給用戶提供了更為廣泛的選擇空間 ，近年來推出的非80C51系列的主要產(chǎn)品有：,,﹡Intel的MCS-96系列16位單片機(jī) ； ﹡Microchip的PIC系列RISC單片機(jī) ；?﹡TI的MSP430F系列16位低功耗單片機(jī) 。,16,1.3 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域,1.3.1 單片機(jī)的特點(diǎn),,,近期推出的單片機(jī)產(chǎn)品，內(nèi)部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴(kuò)展總線、控制網(wǎng)絡(luò)總線

11、和開發(fā)方式（如在系統(tǒng)編程ISP）等方面都有了進(jìn)一步的增強(qiáng)。?,◆控制性能和可靠性高 實(shí)時(shí)控制功能特別強(qiáng)，其CPU可以對(duì)I/O端口直接進(jìn)行操作，位操作能力更是其它計(jì)算機(jī)無法比擬的。另外，由于CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，各部件間的連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時(shí)受干擾的影響較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機(jī)的可靠性非常高。,17,◆體積小、價(jià)格低、易于產(chǎn)品化 單片機(jī)芯片即是一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)，對(duì)于批量大的專用場(chǎng)合，一方

12、面可以在眾多的單片機(jī)品種間進(jìn)行匹配選擇；同時(shí)還可以專門進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，使芯片的功能與應(yīng)用具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；在單片機(jī)產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機(jī)引腳已減少到8個(gè)或更少。從而使應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡(jiǎn)單方便。,18,1.3.2 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域,◆智能儀器儀表,單片機(jī)用于各種儀器儀表，一方面提高了儀器儀表的使用功能和精度，使儀器儀表智能化，同時(shí)還簡(jiǎn)化了儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，從而可以方便地完成儀器儀表產(chǎn)品的升級(jí)換代。如各種

13、智能電氣測(cè)量?jī)x表、智能傳感器等。,19,◆機(jī)電一體化產(chǎn)品,,,機(jī)電一體化產(chǎn)品是集機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機(jī)電產(chǎn)品。單片機(jī)在機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)包裝機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等。,20,◆實(shí)時(shí)工業(yè)控制,,單片機(jī)還可以用于各種物理量的采集與控制。電流、電壓、溫度、液位、流量等物理參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)。

14、在這類系統(tǒng)中，利用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對(duì)象的不同特征采用不同的智能算法，實(shí)現(xiàn)期望的控制指標(biāo)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動(dòng)生產(chǎn)線等 。,21,◆分布式系統(tǒng)的前端模塊,,,在較復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常要采用分布式測(cè)控系統(tǒng)完成大量的分布參數(shù)的采集。在這類系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)。,22,◆家用電器,,家用電器是單片

15、機(jī)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、高檔洗浴設(shè)備、高檔玩具等。,另外，在交通領(lǐng)域中，汽車、火車、飛機(jī)、航天器等均有單片機(jī)的廣泛應(yīng)用。如汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、航天測(cè)控系統(tǒng)、黑匣子等 。,23,2.1 80C51系列概述,2.1.1 MCS-51系列 （1）MCS-51是Intel公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)系列名稱。屬于這一系列的單片機(jī)有多種，如：,﹡8051/8751/8031； ﹡8052/875

16、2/8032； ﹡80C51/87C51/80C31 ﹡80C52/87C52/80C32等 。,24,（2）該系列生產(chǎn)工藝有兩種：,,CHMOS是CMOS和HMOS的結(jié)合，既保持了HMOS高速度和高密度的特點(diǎn)，還具有CMOS的低功耗的特點(diǎn)。在產(chǎn)品型號(hào)中凡帶有字母“C”的即為CHMOS芯片，CHMOS芯片的電平既與TTL電平兼容，又與CMOS電平兼容。?,一是HMOS工藝（高密度短溝道MOS工藝）。二是CHMOS工藝（互

17、補(bǔ)金屬氧化物的HMOS工藝）。,25,（3）在功能上，該系列單片機(jī)有基本型和增強(qiáng)型兩大類：,增強(qiáng)型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32,基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C31,26,（4）在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的配置上，該系列單片機(jī)有三種形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(無片內(nèi)程序存儲(chǔ)器)。如：,﹡80C51有4K字節(jié)的掩膜ROM；﹡87C51有4K字節(jié)的EP

18、ROM ；﹡80C31在芯片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器。,27,2.1.2 80C51系列,﹡ Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等； ﹡ ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等； ﹡ Philips、華邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的許多產(chǎn)品 。,80C51是MCS-51系列中CHMOS工藝的一個(gè)典型品種 ；其它廠商以8051為基

19、核開發(fā)出的CMOS工藝單片機(jī)產(chǎn)品統(tǒng)稱為80C51系列。當(dāng)前常用的80C51系列單片機(jī)主要產(chǎn)品有：,28,2.1.3 80C51典型產(chǎn)品資源配置,29,學(xué)單片機(jī)需要具備的條件,與以前所學(xué)的知識(shí)關(guān)聯(lián)很少；對(duì)器件的概念基本上是從0開始；如果要用C語言編程，需具備一定的C語言基礎(chǔ)；所有人都站在了同一起跑線上；,30,#includeunsigned char Flag = 0x3f;main( ){ P1 = 0x55;

20、While(1){if(Flag – – == 0){Flag = 0x3f;P1 = ~P1;}}},31,org0000h jmpmain org0100hmain:movp1,#55hamain:mov r0,#3fhloop:djnzr0,loop cpla m

21、ovp1,a jmpamain end,32,·8位CPU    ·4kbytes 程序存儲(chǔ)器(ROM)(52為8K)     ·256bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM) （52有384bytes的RAM）     

22、3;32條I/O口線    ·111條指令，大部分為單字節(jié)指令    ·21個(gè)專用寄存器,2.2.2單片機(jī)的主要功能,33,·2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器    ·5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)（52有6個(gè)）    ·一個(gè)全雙工串

23、行通信口    ·外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kB    ·外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kB    ·邏輯操作位尋址功能    ·雙列直插40PinDIP封裝    ·單一+5V電

24、源供電,34,2.3.2 80C51的引腳封裝,,總線型,非總線型,35,36,CPU：由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時(shí)還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)；ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；I/O口：四個(gè)8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出；T/C：兩個(gè)定時(shí)/記數(shù)器，既可以工作在定時(shí)模式，也可以工作在記數(shù)模式；,37,五個(gè)中斷源的中斷控制

25、系統(tǒng)；一個(gè)全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高振蕩頻率為12M。,38,單片機(jī)最小系統(tǒng),39,P0~P3：通用I/O口；VCC：電源端，一般接5V；GND：電源地；XTAL1，XTAL2：外接晶體振蕩器，不能超過24M；需加微調(diào)電容，一般為30pF；RST/VPD：復(fù)位端，平時(shí)為低電平；ALE/PROG

26、：地址鎖存允許信號(hào)端；EA/Vpp：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端；,,,40,2.2.4 控制器,1. 時(shí)鐘電路,（a）內(nèi)部時(shí)鐘電路；（b） HMOS型外部振蕩源 (C) CHMOS型外部振蕩源,41,單片機(jī)工作的基本時(shí)序,. 機(jī)器周期和指令周期 （1） 振蕩周期: 也稱時(shí)鐘周期, 是指為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)的振蕩源的周期。  （2） 狀態(tài)周期: 每個(gè)狀態(tài)周期為時(shí)鐘周期的 2 倍,

27、 是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。  （3） 機(jī)器周期: 一個(gè)機(jī)器周期包含 6 個(gè)狀態(tài)周期S1~S6, 也就是 12 個(gè)時(shí)鐘周期。 在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi), CPU可以完成一個(gè)獨(dú)立的操作。  （4） 指令周期: 它是指CPU完成一條操作所需的全部時(shí)間。 每條指令執(zhí)行時(shí)間都是有一個(gè)或幾個(gè)機(jī)器周期組成。MCS - 51 系統(tǒng)中, 有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。,42,1.時(shí)鐘電路引腳：XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電

28、容的一端，在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部振蕩器的輸入端。 XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸出端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)懸空。,43,2.控制信號(hào)引腳：RST/VPD:RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)此輸入端保持2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。RST引腳的第

29、二功能是備用電源的輸入端。,上電復(fù)位,按鍵復(fù)位,44,ALE/PROG:(Address Latch Enable/ Programming)當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正弦脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。CPU訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE作為鎖存低8位地址的控制信號(hào)。此引腳的第二功能PROG作為8751編程脈沖輸入端使用。,45,PSEN：(Program Store Enable)在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，此端定時(shí)輸出

30、負(fù)脈沖作為片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。EA/VPP：(Enable Address/Voltage Pulse Of Programming)當(dāng)EA接高電平時(shí)，CPU訪問片內(nèi)ROM，并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令，但當(dāng)PC（程序計(jì)數(shù)器）的值超過4K時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)EA腳接低電平時(shí)，CPU只訪問片外ROM并執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。VPP是對(duì)8751片內(nèi)ROM固化程序時(shí)，作為施加較高編程電壓