第一課--緒論單片機及其應(yīng)用

1、1,51單片機及其應(yīng)用,2,1.1 電子計算機的發(fā)展概述,1.1.1 電子計算機的問世及其經(jīng)典結(jié)構(gòu),1946年2月15日，第一臺電子數(shù)字計算機問世，這標志著計算機時代的到來。 （CALCULATOR） ENIAC （“埃尼阿克”）,3,與現(xiàn)代的計算機相比，有許多不足，但它的問世開創(chuàng)了計算機科學(xué)技術(shù)的新紀元，對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響 。,ENIAC是電子管計算機，時鐘頻率僅有100 KHz，但能在1秒鐘的時間內(nèi)完成5000次加法運算。,4,匈牙利籍數(shù)學(xué)家馮諾依曼在方案的設(shè)計上做出了重要的貢獻。1946年6月，他又提出了“程序存儲”和“二進制運算”的思想，進一步構(gòu)建了計算機由運算器、

2、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成這一計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。 （EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER）,5,電子計算機技術(shù)的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了五個時代：,電子管計算機； 晶體管計算機； 集成電路計算機； 大規(guī)模集成電路計算機； 超大規(guī)模集成電路計算機。,計算機的結(jié)構(gòu)仍然沒有突破馮諾依曼提出的計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)框架。,6,二、微型計算機的應(yīng)用形態(tài) 從應(yīng)用形態(tài)上，微機可以分成三種：,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）。各種適配板卡插在主機板的擴展槽上并與電源、軟/硬盤驅(qū)動器及

3、光驅(qū)等裝在同一機箱內(nèi)，再配上系統(tǒng)軟件，就構(gòu)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。,7,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(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)成了一臺單板微型計算機（簡稱單板機）。,單板機,8,單板機的I/O設(shè)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(xué)及簡單的測控系統(tǒng)，現(xiàn)在已很少使用。,9,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(gòu)成了單芯片微型計算機，即單片機。 三種應(yīng)用形態(tài)的比較 ：,單板機,單片機,系統(tǒng)機（

4、多板機）,10,系統(tǒng)機（桌面應(yīng)用）屬于通用計算機，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動化及輔助設(shè)計。,單片機（嵌入式應(yīng)用）屬于專用計算機，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)。,單片機體積小、價格低、可靠性高，其非凡的嵌入式應(yīng)用形態(tài)對于滿足嵌入式應(yīng)用需求具有獨特的優(yōu)勢。,11,1.2 單片機的發(fā)展過程及產(chǎn)品近況,1.2.1 單片機的發(fā)展過程,單片機技術(shù)發(fā)展過程可分為三個主要階段： 單芯片微機形成階段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機 。8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數(shù)器。,特點是：存儲器

5、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。,12,性能完善提高階段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。,特點是：結(jié)構(gòu)體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出?，F(xiàn)在，MCS-51已成為公認的單片機經(jīng)典機種 。,13,微控制器化階段,特點是：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)外圍電路增強，使單片機可以方便靈活地用于復(fù)雜的自動測控系統(tǒng)及設(shè)備。 “微控制器”的稱謂更能反應(yīng)單片機的本質(zhì)。,1982年，Intel推出MCS

6、-96系列單片機。 芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(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 單片機產(chǎn)品近況,ATMEL公司融入Flash存儲器技術(shù)的AT89系列； Philips公司的80C51、80C552系列； 華邦公司的W78C51、W77C51高速低價系列； ADI公司的ADC8xx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

7、片機。, 80C51系列單片機產(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)單片機新品不斷推出，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 ； Microchip的PIC系列RISC單片機 ； TI的MSP430F系列16位低功耗單片機 。,16,1.3 單片機的特點及應(yīng)用領(lǐng)域,1.3.1 單片機的特點,近期推出的單片機產(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、串行擴展總線、控制網(wǎng)絡(luò)總線和開發(fā)方式（如在系統(tǒng)編程ISP）等方面都有了進一

8、步的增強。,控制性能和可靠性高 實時控制功能特別強，其CPU可以對I/O端口直接進行操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。另外，由于CPU、存儲器及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，所以單片機的可靠性非常高。,17,體積小、價格低、易于產(chǎn)品化 單片機芯片即是一臺完整的微型計算機，對于批量大的專用場合，一方面可以在眾多的單片機品種間進行匹配選擇；同時還可以專門進行芯片設(shè)計，使芯片的功能與應(yīng)用具有良好的對應(yīng)關(guān)系；在單片機產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到8個或更少。 從而使應(yīng)用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡單方便

9、。,18,1.3.2 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域,智能儀器儀表,單片機用于各種儀器儀表，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，同時還簡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)品的升級換代。如各種智能電氣測量儀表、智能傳感器等。,19,機電一體化產(chǎn)品,機電一體化產(chǎn)品是集機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的各種機電產(chǎn)品。單片機在機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)中可以發(fā)揮巨大的作用。典型產(chǎn)品如機器人、數(shù)控機床、自動包裝機、點鈔機、醫(yī)療設(shè)備、打印機、傳真機、復(fù)印機等。,20,實時工業(yè)控制,單片機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

10、參數(shù)的采集和控制均可以利用單片機方便地實現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，利用單片機作為系統(tǒng)控制器，可以根據(jù)被控對象的不同特征采用不同的智能算法，實現(xiàn)期望的控制指標，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。典型應(yīng)用如電機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、自動生產(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，采用單片機作為分布式系統(tǒng)的前端采集模塊，系統(tǒng)具有運行可靠，數(shù)據(jù)采集方便靈活，成本低廉等一系列優(yōu)點。,22,家用電器,家用電器是單片機的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，前景十分廣闊。如空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、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

11、車、飛機、航天器等均有單片機的廣泛應(yīng)用。如汽車自動駕駛系統(tǒng)、航天測控系統(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)的一個單片機系列名稱。屬于這一系列的單片機有多種，如：,8051/8751/8031； 8052/8752/8032； 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，還具有CMOS的低功耗的特點。在產(chǎn)品型號中凡帶有字母“C”的即為CHMOS芯片，CHMOS芯片的電平

12、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（互補金屬氧化物的HMOS工藝）。,25,（3）在功能上，該系列單片機有基本型和增強型兩大類：,增強型： 8052/8752/8032 80C52/87C52/80C32,基本型： 8051/8751/8031 80C51/87C51/80C31,26,（4）在片內(nèi)程序存儲器的配置上，該系列單片機有三種形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(無片內(nèi)程序存儲器)。如：,80C51有4K字節(jié)的掩膜ROM； 87C51有4K字節(jié)的EPROM ； 80C31在芯片內(nèi)無程序存儲器。,27,2

13、.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工藝的一個典型品種 ；其它廠商以8051為基核開發(fā)出的CMOS工藝單片機產(chǎn)品統(tǒng)稱為80C51系列。當前常用的80C51系列單片機主要產(chǎn)品有：,28,2.1.3 80C51典型產(chǎn)品資源配置,29,學(xué)單片機需要具備的條件,與以前所學(xué)的知識關(guān)聯(lián)很少； 對器件的概念基本上是從0開始； 如果要用C語言

14、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,#include unsigned char Flag = 0 x3f; main( ) P1 = 0 x55; While(1) if(Flag = 0) Flag = 0 x3f; P1 = P1; ,31,org 0000h jmp main org 0100h main: mov p1,#55h amain: mov r0,#3fh loop: djnz r0,loop cpl a mov p1,a jmp amain end,32,8位CPU 4kbytes 程序存儲器(ROM) (52為8K) 256bytes的數(shù)

15、據(jù)存儲器(RAM) （52有384bytes的RAM） 32條I/O口線 111條指令，大部分為單字節(jié)指令 21個專用寄存器,2.2.2單片機的主要功能,33,2個可編程定時/計數(shù)器 5個中斷源，2個優(yōu)先級 （52有6個） 一個全雙工串行通信口 外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB 外部程序存儲器尋址空間為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：由運算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(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)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的

16、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8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出； T/C：兩個定時/記數(shù)器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式；,37,五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)； 一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信； 片內(nèi)振蕩器和時鐘產(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,單片機最小系統(tǒng),39,P0P3：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

17、/VPD：復(fù)位端，平時為低電平； ALE/PROG：地址鎖存允許信號端； EA/Vpp：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端；,40,2.2.4 控制器,1. 時鐘電路,（a）內(nèi)部時鐘電路；（b） HMOS型外部振蕩源 (C) CHMOS型外部振蕩源,41,單片機工作的基本時序,. 機器周期和指令周期 （1） 振蕩周期: 也稱時鐘周期, 是指為單片機提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期。 （2） 狀態(tài)周期: 每個狀態(tài)周期為時鐘周期的 2 倍, 是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。 （3） 機器周期: 一個機器周期包含 6 個狀態(tài)周期S1S6, 也就是 12 個時鐘周期。 在一個機器周期內(nèi), CP

18、U可以完成一個獨立的操作。 （4） 指令周期: 它是指CPU完成一條操作所需的全部時間。 每條指令執(zhí)行時間都是有一個或幾個機器周期組成。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.時鐘電路引腳： XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在單片機內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入端。當采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(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。當采用外部振蕩器時，此引腳應(yīng)懸空。,43,2.控制信號引腳： RST/VPD:RST是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持2個機器周期的高電平時，就可以完成復(fù)位操作。RST引腳的第二功能是備用電源的輸入端。,上電復(fù)位