單片機(jī)原理與應(yīng)用教程

單片機(jī)原理與應(yīng)用

PrinciplesandApplicationofMicrocontroller課號(hào)及課序號(hào)：12024002-100講授：栗華

山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院課程的重要性：實(shí)踐性很強(qiáng)的課程重要的硬件課程：就業(yè)、保研學(xué)好可大大提高實(shí)踐能力課程安排講課學(xué)時(shí)：實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)=36：18自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)要求：認(rèn)真做好實(shí)驗(yàn)主動(dòng)尋找實(shí)踐時(shí)機(jī)學(xué)習(xí)方法：動(dòng)手實(shí)踐Practiceisabestwaytolearning.作業(yè)、考核實(shí)驗(yàn)報(bào)告全部上交考核分筆試和實(shí)驗(yàn)兩種形式筆試成績(jī)占60%實(shí)驗(yàn)及平時(shí)成績(jī)占40%學(xué)時(shí)安排〔共32學(xué)時(shí)〕第1章單片機(jī)簡(jiǎn)介……2學(xué)時(shí)第2章MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)………4學(xué)時(shí)第3章MCS-51的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)………6學(xué)時(shí)第4章定時(shí)器、串行口及中斷系統(tǒng)…5學(xué)時(shí)第5章系統(tǒng)擴(kuò)展……4學(xué)時(shí)第6章人機(jī)交互接口………………5學(xué)時(shí)第7章信號(hào)的輸入輸出技術(shù)…………4學(xué)時(shí)第8章MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)…2學(xué)時(shí)1.1什么是單片機(jī)1.2單片機(jī)的歷史1.3單片機(jī)的開(kāi)展趨勢(shì)1.4單片機(jī)的應(yīng)用1.5單片機(jī)的主要廠商及產(chǎn)品系列第一章單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)，是將計(jì)算機(jī)主機(jī)(CPU、內(nèi)存和I/O接口和幾種根本外設(shè))集成在一小塊硅片上的微型機(jī)1.1什么是單片機(jī)單片機(jī)的特點(diǎn)：集成度高、體積小可靠性高控制功能強(qiáng)低功耗可擴(kuò)展性好性價(jià)比高第一章 單片機(jī)簡(jiǎn)介1.1什么是單片機(jī)1.2單片機(jī)的歷史1.3單片機(jī)的開(kāi)展趨勢(shì)1.4單片機(jī)的應(yīng)用1.5單片機(jī)的主要廠商及產(chǎn)品系列計(jì)算機(jī)的開(kāi)展概況1946-1958:第一代電子管計(jì)算機(jī)。磁鼓存儲(chǔ)器，機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言編程。世界上第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC。1958-1964:第二代晶體管計(jì)算機(jī)。磁芯作主存儲(chǔ)器,磁盤(pán)作外存儲(chǔ)器，開(kāi)始使用高級(jí)語(yǔ)言編程。1964-1971:第三代集成電路計(jì)算機(jī)。使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，出現(xiàn)多終端計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。1971-:第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。出現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)，外部設(shè)備多樣化。1981-:第五代人工智能計(jì)算機(jī)。模擬人的智能和交流方式。1.2單片機(jī)的開(kāi)展歷史1946年，由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制“埃尼阿克〞ENIAC〔ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator〕，運(yùn)算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，重達(dá)30噸。造價(jià)48萬(wàn)美元。計(jì)算機(jī)開(kāi)展趨勢(shì)微型化─

便攜式、低功耗巨型化─

尖端科技領(lǐng)域的信息處理，需要超大容量、高速度智能化─

模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力系列化、標(biāo)準(zhǔn)化─

便于各種計(jì)算機(jī)硬、軟件兼容和升級(jí)網(wǎng)絡(luò)化─

網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和信息高速公路多機(jī)系統(tǒng)─大型設(shè)備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨(dú)立控制、 故障分散、資源共享)微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用形態(tài)從應(yīng)用形態(tài)上，微型計(jì)算機(jī)可以分成三種：〔1〕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〕上，再通過(guò)系統(tǒng)總線和其它多塊外設(shè)適配板卡連接鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)、軟/硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器及光驅(qū)等設(shè)備。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(pán)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)。〔2〕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(pán)、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)圖片

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。3〕單片機(jī)在一片集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：系統(tǒng)機(jī)〔多板機(jī)〕單板機(jī)單片機(jī)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(chē)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)用需求具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)的開(kāi)展過(guò)程：

(1)第一階段(1976一1978)

初級(jí)8位單片機(jī)以Intel公司首先推出的MCS-48系列單片機(jī)為代表。它以體積小、功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了廣泛的應(yīng)用，成為單片機(jī)開(kāi)展過(guò)程中的一個(gè)重要階段。(2)第二階段(1978—1982)高檔8位單片機(jī)Intel公司推出了完善、典型的MCS-51單片機(jī)系列。

①M(fèi)CS-51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有多機(jī)通信功能的串行通信接口。

②CPU外圍功能單元的集中管理模式。

③表達(dá)工控特性的位地址空間及位操作方式。

④指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，增加了許多突出控制功能的指令。IntelMCS-51系列：51子系列：8031/8051/875152子系列：8032/8052/8752低功耗型80C31高性能型80C252廉價(jià)型89C2051/1051(3)第三階段(1982—1990)16位單片機(jī)，也是單片機(jī)向微控制器開(kāi)展的階段。

隨著MCS—5l系列的廣泛應(yīng)用，許多電氣廠商競(jìng)相使用80C51的內(nèi)核技術(shù)，將許多測(cè)控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多通道A／D轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等應(yīng)用到單片機(jī)中，強(qiáng)化了智能控制器的特征。16位單片機(jī)IntelMCS-96系列8098/8096、80C198/80C196(4)第四階段(1990之后)

高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的8位／16位／32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價(jià)的專用型單片機(jī)。

16位單片機(jī)凌陽(yáng)系列32位單片機(jī)ARM7

、ARM9、ARM10

80960、…….單片機(jī)的種類很多，到目前為止，世界各國(guó)廠商已研制出大約50個(gè)系列、30多個(gè)品種的單片機(jī)的產(chǎn)品。

最具典型代表的應(yīng)屬I(mǎi)ntel公司的MCS-51系列單片機(jī)。

直到現(xiàn)在MCS-51仍不失為單片機(jī)中的主流機(jī)型。這主要由于在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器、IC卡等諸多應(yīng)用領(lǐng)域，8位單片機(jī)系列在性能、價(jià)格兩方面都做到了較好的兼顧。

估計(jì)在未來(lái)十年內(nèi)，8位單片機(jī)仍將是單片機(jī)中的主流機(jī)型。第一章 單片機(jī)簡(jiǎn)介1.1什么是單片機(jī)1.2單片機(jī)的歷史1.3單片機(jī)的開(kāi)展趨勢(shì)1.4單片機(jī)的應(yīng)用1.5單片機(jī)的主要廠商及產(chǎn)品系列開(kāi)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面

1．多功能

在單片機(jī)中盡可能多地把應(yīng)用所需的存儲(chǔ)器、各種功能的I/O口都集成在一塊芯片內(nèi)，使單片機(jī)的功能更加強(qiáng)大。如把LED、LCD或VFD顯示驅(qū)動(dòng)器也開(kāi)始集成在8位單片機(jī)中。增加了各種總線接口1.3單片機(jī)的開(kāi)展趨勢(shì)2．高性能

加快運(yùn)算速度和提高系統(tǒng)可靠性，采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC〔ReducedInstructionSetComputer〕結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，大幅度提高運(yùn)行速度?，F(xiàn)指令速度高者已達(dá)100MIPS(MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒)，并加強(qiáng)了位處理功能、中斷和定時(shí)控制功能。集成度進(jìn)—步提高，有的單片機(jī)的尋址能力已突破64KB的限制，8位、16位的單片機(jī)有的尋址能力已到達(dá)1MB和16MB。片內(nèi)ROM的容量可達(dá)64KB，RAM的容量可達(dá)2KB。3．低電壓、低功耗

允許使用的電壓范圍越來(lái)越寬，一般在3-6V范圍內(nèi)工作，有的已能在1.2V或0.9V電壓下工作。幾乎所有的單片機(jī)都具有省電運(yùn)行方式。單片機(jī)的功耗已從mA級(jí)降到μA級(jí)，甚至1μA以下，在一粒鈕扣電池下就可長(zhǎng)期工作。低功耗化同時(shí)帶來(lái)了產(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。

4．在線調(diào)試有些新型單片機(jī)具備使用JTAG接口的在線調(diào)試功能，方便了用戶的開(kāi)發(fā)。

5.低價(jià)格第一章 單片機(jī)簡(jiǎn)介1.1什么是單片機(jī)1.2單片機(jī)的歷史1.3單片機(jī)的開(kāi)展趨勢(shì)1.4單片機(jī)的應(yīng)用1.5單片機(jī)的主要廠商及產(chǎn)品系列單片機(jī)為工業(yè)測(cè)控而設(shè)計(jì)，又稱微控制器。具有三高優(yōu)勢(shì)(集成度高、可靠性高、性價(jià)比高)。主要應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)與控制、計(jì)算機(jī)外設(shè)、智能儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等。特別適合于嵌入式微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。分為單機(jī)應(yīng)用和多機(jī)應(yīng)用兩類1.4單片機(jī)的應(yīng)用單機(jī)應(yīng)用民用電子產(chǎn)品：家用電器、、高檔電子玩具計(jì)算機(jī)系統(tǒng)鍵盤(pán)、打印機(jī)、CRT、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)智能儀表儀表的數(shù)字化、智能化、多功能化工業(yè)測(cè)控機(jī)床、汽車(chē)〔點(diǎn)火控制、防滑、變速、排氣控制〕、鍋爐、自動(dòng)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)和通信的智能接口軍工領(lǐng)域?qū)椏刂?、魚(yú)雷制導(dǎo)控制多機(jī)應(yīng)用功能集散系統(tǒng)庫(kù)房溫濕度集散測(cè)控系統(tǒng)并行多機(jī)處理系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)樓宇自動(dòng)化的自動(dòng)抄表系統(tǒng)研究說(shuō)明：一個(gè)消費(fèi)者一天接觸到的物品中，就包括100個(gè)嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)：從微波爐、吹風(fēng)機(jī)、無(wú)繩、冰箱、洗衣機(jī)到汽車(chē)、微機(jī)、中央空調(diào)系統(tǒng)、智能門(mén)禁、安防系統(tǒng)等眾多產(chǎn)品，都參加了嵌入式單片機(jī)來(lái)增強(qiáng)可靠性、改善能效、保證平安、提高產(chǎn)品靈活性。單片機(jī)市場(chǎng)每年銷(xiāo)售量超過(guò)50億片，比制造商每年銷(xiāo)售5億部多得多。市場(chǎng)前景是非常廣闊的。單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用遍布國(guó)民經(jīng)濟(jì)與人民生活的各個(gè)領(lǐng)域第一章 單片機(jī)簡(jiǎn)介1.1什么是單片機(jī)1.2單片機(jī)的歷史1.3單片機(jī)的開(kāi)展趨勢(shì)1.4單片機(jī)的應(yīng)用1.5單片機(jī)的主要廠商及產(chǎn)品系列Intel:MCS-48系列，MCS-51系列〔8031、8051、8751〕，MCS-52系列〔8032、8052、8752〕，MCS-96系列等。1.5單片機(jī)的主要廠商及產(chǎn)品系列Atmel ：89C/S系列：1051/2051/4051/51/52/58AT89S51/52和AT89C相比新增加了以下功能：

◆支持在系統(tǒng)編程ISP生產(chǎn)及維護(hù)更方便

◆增加了片內(nèi)看門(mén)狗使用戶的應(yīng)用系統(tǒng)更鞏固

◆雙數(shù)據(jù)指針使數(shù)據(jù)操作更加快捷方便

◆速度更高最高可使用33MHZ的晶振AVR系列：ATmega8/16/128等，其特點(diǎn)是：RISC架構(gòu)具備了1MIPS/MHz〔百萬(wàn)條指令每秒/兆赫茲〕的高速處理能力；采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)；具備JTAG仿真和下載功能；都含有片內(nèi)看門(mén)狗電路、片內(nèi)程序Flash、同步串行接口SPI；多數(shù)AVR單片機(jī)還內(nèi)嵌了AD轉(zhuǎn)換器、EEPROM、摸擬比較器、PWM定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能；AVR片機(jī)的I/O接口具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，灌電流可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、LED等器件，從而省去驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)約系統(tǒng)本錢(qián)。Philips P87LPC系列：760/761/762/764/769…… P89C系列：51RA/RB/RC/RD……P87LPC系列：OTP型,20腳，2個(gè)精確模擬比較器,外加RC組成4路8位ADC,PWM，I2C+URAT串口,10個(gè)中斷源，4級(jí)優(yōu)先級(jí)，口線20mA驅(qū)動(dòng)能力……P89C系列：51RA/RB/RC/RD分別含8K—64K字節(jié)ROM，512—1K字節(jié)RAM，ISP/IAP,20MHz/1TM=6TC，7中斷源4優(yōu)先級(jí)……TI：MSP430系列是一款16位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，在1996年問(wèn)世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開(kāi)發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。MSP430系列單片機(jī)的特點(diǎn)：◆超低功耗：MSP430單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷骸?.8~3.6V〕及靈活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式〔AM〕和五種低功耗模式〔LPM0~LPM4〕。在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在200~400uA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1uA。◆高速：RISC架構(gòu)，單周