單片機原理與應用教程

單片機原理與應用

PrinciplesandApplicationofMicrocontroller課號及課序號：12024002-100講授：栗華

山東大學信息科學與工程學院課程的重要性：實踐性很強的課程重要的硬件課程：就業(yè)、保研學好可大大提高實踐能力課程安排講課學時：實驗學時=36：18自主學習、創(chuàng)新實驗學習要求：認真做好實驗主動尋找實踐時機學習方法：動手實踐Practiceisabestwaytolearning.作業(yè)、考核實驗報告全部上交考核分筆試和實驗兩種形式筆試成績占60%實驗及平時成績占40%學時安排〔共32學時〕第1章單片機簡介……2學時第2章MCS-51單片機硬件結構………4學時第3章MCS-51的軟件系統(tǒng)設計………6學時第4章定時器、串行口及中斷系統(tǒng)…5學時第5章系統(tǒng)擴展……4學時第6章人機交互接口………………5學時第7章信號的輸入輸出技術…………4學時第8章MCS-51單片機應用系統(tǒng)設計…2學時1.1什么是單片機1.2單片機的歷史1.3單片機的開展趨勢1.4單片機的應用1.5單片機的主要廠商及產品系列第一章單片機簡介單片機即單片微型計算機，是將計算機主機(CPU、內存和I/O接口和幾種根本外設)集成在一小塊硅片上的微型機1.1什么是單片機單片機的特點：集成度高、體積小可靠性高控制功能強低功耗可擴展性好性價比高第一章 單片機簡介1.1什么是單片機1.2單片機的歷史1.3單片機的開展趨勢1.4單片機的應用1.5單片機的主要廠商及產品系列計算機的開展概況1946-1958:第一代電子管計算機。磁鼓存儲器，機器語言匯編語言編程。世界上第一臺數(shù)字計算機ENIAC。1958-1964:第二代晶體管計算機。磁芯作主存儲器,磁盤作外存儲器，開始使用高級語言編程。1964-1971:第三代集成電路計算機。使用半導體存儲器，出現(xiàn)多終端計算機和計算機網絡。1971-:第四代大規(guī)模集成電路計算機。出現(xiàn)微型計算機、單片微型計算機，外部設備多樣化。1981-:第五代人工智能計算機。模擬人的智能和交流方式。1.2單片機的開展歷史1946年，由美國賓夕法尼亞大學研制“埃尼阿克〞ENIAC〔ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator〕，運算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，重達30噸。造價48萬美元。計算機開展趨勢微型化─

便攜式、低功耗巨型化─

尖端科技領域的信息處理，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、標準化─

便于各種計算機硬、軟件兼容和升級網絡化─

網絡計算機和信息高速公路多機系統(tǒng)─大型設備、生產流水線集中管理(獨立控制、 故障分散、資源共享)微型計算機的應用形態(tài)從應用形態(tài)上，微型計算機可以分成三種：〔1〕多板機〔系統(tǒng)機〕將CPU、存儲器、I/O接口電路和總線接口等組裝在一塊主機板〔即微機主板〕上，再通過系統(tǒng)總線和其它多塊外設適配板卡連接鍵盤、顯示器、打印機、軟/硬盤驅動器及光驅等設備。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上并與電源、軟/硬盤驅動器及光驅等裝在同一機箱內，再配上系統(tǒng)軟件，就構成了一臺完整的微型計算機系統(tǒng)〔簡稱系統(tǒng)機〕。工業(yè)PC機也屬于多板機?！?〕單板機將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片和簡單的I/O設備〔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〕，就構成了一臺單板微型計算機〔簡稱單板機〕。單板機圖片

單板機的I/O設備簡單，軟件資源少，使用不方便。早期主要用于微型計算機原理的教學及簡單的測控系統(tǒng)，現(xiàn)在已很少使用。3〕單片機在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O接口電路，從而構成了單芯片微型計算機，即單片機。三種應用形態(tài)的比較：系統(tǒng)機〔多板機〕單板機單片機系統(tǒng)機〔桌面應用〕屬于通用計算機，主要應用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動化及輔助設計。單片機〔嵌入式應用〕屬于專用計算機，主要應用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設備、汽車及軍事電子設備等應用系統(tǒng)。

單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應用形態(tài)對于滿足嵌入式應用需求具有獨特的優(yōu)勢。單片機的開展過程：

(1)第一階段(1976一1978)

初級8位單片機以Intel公司首先推出的MCS-48系列單片機為代表。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應用，成為單片機開展過程中的一個重要階段。(2)第二階段(1978—1982)高檔8位單片機Intel公司推出了完善、典型的MCS-51單片機系列。

①MCS-51設置了經典的8位單片機的總線結構，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廉價型89C2051/1051(3)第三階段(1982—1990)16位單片機，也是單片機向微控制器開展的階段。

隨著MCS—5l系列的廣泛應用，許多電氣廠商競相使用80C51的內核技術，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術、接口技術、多通道A／D轉換部件、可靠性技術等應用到單片機中，強化了智能控制器的特征。16位單片機IntelMCS-96系列8098/8096、80C198/80C196(4)第四階段(1990之后)

高速、大尋址范圍、強運算能力的8位／16位／32位通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。

16位單片機凌陽系列32位單片機ARM7

、ARM9、ARM10

80960、…….單片機的種類很多，到目前為止，世界各國廠商已研制出大約50個系列、30多個品種的單片機的產品。

最具典型代表的應屬Intel公司的MCS-51系列單片機。

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

估計在未來十年內，8位單片機仍將是單片機中的主流機型。第一章 單片機簡介1.1什么是單片機1.2單片機的歷史1.3單片機的開展趨勢1.4單片機的應用1.5單片機的主要廠商及產品系列開展趨勢主要有以下幾個方面

1．多功能

在單片機中盡可能多地把應用所需的存儲器、各種功能的I/O口都集成在一塊芯片內，使單片機的功能更加強大。如把LED、LCD或VFD顯示驅動器也開始集成在8位單片機中。增加了各種總線接口1.3單片機的開展趨勢2．高性能

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

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

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

5.低價格第一章 單片機簡介1.1什么是單片機1.2單片機的歷史1.3單片機的開展趨勢1.4單片機的應用1.5單片機的主要廠商及產品系列單片機為工業(yè)測控而設計，又稱微控制器。具有三高優(yōu)勢(集成度高、可靠性高、性價比高)。主要應用于工業(yè)檢測與控制、計算機外設、智能儀器儀表、通訊設備、家用電器等。特別適合于嵌入式微型機應用系統(tǒng)。分為單機應用和多機應用兩類1.4單片機的應用單機應用民用電子產品：家用電器、、高檔電子玩具計算機系統(tǒng)鍵盤、打印機、CRT、硬盤驅動智能儀表儀表的數(shù)字化、智能化、多功能化工業(yè)測控機床、汽車〔點火控制、防滑、變速、排氣控制〕、鍋爐、自動報警網絡和通信的智能接口軍工領域導彈控制、魚雷制導控制多機應用功能集散系統(tǒng)庫房溫濕度集散測控系統(tǒng)并行多機處理系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)局域網絡系統(tǒng)樓宇自動化的自動抄表系統(tǒng)研究說明：一個消費者一天接觸到的物品中，就包括100個嵌入式單片機系統(tǒng)：從微波爐、吹風機、無繩、冰箱、洗衣機到汽車、微機、中央空調系統(tǒng)、智能門禁、安防系統(tǒng)等眾多產品，都參加了嵌入式單片機來增強可靠性、改善能效、保證平安、提高產品靈活性。單片機市場每年銷售量超過50億片，比制造商每年銷售5億部多得多。市場前景是非常廣闊的。單片機技術的應用遍布國民經濟與人民生活的各個領域第一章 單片機簡介1.1什么是單片機1.2單片機的歷史1.3單片機的開展趨勢1.4單片機的應用1.5單片機的主要廠商及產品系列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單片機的主要廠商及產品系列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生產及維護更方便

◆增加了片內看門狗使用戶的應用系統(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，其特點是：RISC架構具備了1MIPS/MHz〔百萬條指令每秒/兆赫茲〕的高速處理能力；采用Harvard雙總線結構；具備JTAG仿真和下載功能；都含有片內看門狗電路、片內程序Flash、同步串行接口SPI；多數(shù)AVR單片機還內嵌了AD轉換器、EEPROM、摸擬比較器、PWM定時計數(shù)器等多種功能；AVR片機的I/O接口具有很強的驅動能力，灌電流可直接驅動繼電器、LED等器件，從而省去驅動電路，節(jié)約系統(tǒng)本錢。Philips P87LPC系列：760/761/762/764/769…… P89C系列：51RA/RB/RC/RD……P87LPC系列：OTP型,20腳，2個精確模擬比較器,外加RC組成4路8位ADC,PWM，I2C+URAT串口,10個中斷源，4級優(yōu)先級，口線20mA驅動能力……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……TI：MSP430系列是一款16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，在1996年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。MSP430系列單片機的特點：◆超低功耗：MSP430單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓〔1.8~3.6V〕及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。在系統(tǒng)中共有一種活動模式〔AM〕和五種低功耗模式〔LPM0~LPM4〕。在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在200~400uA左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有0.1uA。◆高速：RISC架構，單周