课题一 单片机应用基础知识

课题一单片机应用基础知识单片机应用系统的构成、应用特点；发展趋势和主流技术；典型单片机型号。认识单片机AT89S51的引脚、结构及功能。熟悉AT89S51单片机内部数据存储器、程序存储器的结构特点；AT89S51单片机的时钟和时序；复位电路的设计；I/O接口电路的原理。熟悉AT89S51最小系统电路；了解单片机外围基本功能电路的组成。熟悉单片机实验电路板原理。同学们：我们在前面学习了微机原理，了解了微型计算机的知识。现在你们又开始学习单片机与嵌入式系统，那么同学们一定会问：什么是单片机？我怎么没有见过单片机呢？没买过，也很少看见卖过。是的，我们日常生活中确实（很少）没有见过单独的单片机。商店中只有计算机、微电脑之类的产品，很少看见出售单片机的商店，甚至连“单片机”这个招牌都很少见。引例：点亮LED灯电路原理：然而，我说你们是见过单片机的，甚至在日常生活中单片机与我们也有很多联系。最明显的例子，是城市中间十字街头交通信号灯的交错定时显示。比如：绿灯亮，放行25秒。接着黄灯亮，警告5秒（催促快行），最后红灯亮，禁止通行。这样周而复始地交错定时显示，就使得十字街头的交通秩序井然，有序通行了。这些交通灯的亮灭就主要是由单片机来控制的。其他如水塔水位控制器，作息时间控制钟，数字式热敏电阻温度计，步进电机的控制，以及家用电器中全自动洗衣机、电风扇、空调、电饭锅的控制电路中，很多都由单片机来代替了过去的机械的或电子的控制电路了。由此可见，单片机的应用很广泛。只不过这时的单片机不是单独的单片机，而是上述各个控制电路的组成部分（核心），因此它也就不叫单片机了，而叫上述各种名称了。这样一来，只是有点埋没了单片机的芳名，它真是一个无名英雄。单片机的全称是单片微型计算机。那么，究竟什么是单片机呢？（Single-ChipMicrocomputer）;MCU(MicroControlUnit)1.1单片机是什么?1、单片机是微型计算机的一种（一个分支）。()()28638648658648.51.96,6811)InterMotorolaMCSMHC公司高速度、高性能的高档机、、、、奔腾机等小而廉、稳定可靠的单片机等微型计算机CPUROMRAM定时器计数器时钟并行I/O口串行口外设外设微机系统主机板单片机芯片CPUROMRAM定时/计数器时钟并行I/O口串行口它是一块芯片，故为“单片”，又有计算机的基本功能，故为“单片机”。全称：单片微型计算机（微控制器MCU：MicrocontrollerUnit微电脑)2、单片机的结构同学们学了微机原理，很多同学一定打开主机箱看过。主机箱里除了硬盘和电源部份外，最主要的是一块主机板。那上面有中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、定时器/计数器能各种输入、输出接口（I/O接口）及地址、信号、控制线等。而单片机，实验上是将微型计算机主机板上的这几个基本元件高密度地集成在一块芯片上，它具有微型计算机的主要的基本功能。我们说单片机是“机”，实际上已经不是什么“机”了，它只是一块芯片，故称“单片”，又因为它由微机“浓缩”而成（浓缩了的是“精华”），且具有微机的功能，故称为“单片机”如果考虑单片机的用途主要用于在线实时系统，它在所有的控制电路中起着核心控制作用，所以称它为“微控制器”更恰当些，或者说单片机才是名符其实的“微电脑”。3、微型计算机的应用形态从应用形态上，微机可以分成三种：◆多板机（系统机）将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。工业PC机也属于多板机。这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成：多板机主板内存条CPU◆单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单板机CPUCPU芯片内存条存储器芯片输入输出接口芯片定时计数器芯片A/D、D/A芯片单板机印刷电路板单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。◆单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。单硅晶片CPU存储器控制电路定时器时钟电路I/O口单片机三种应用形态的比较：单板机单片机系统机（多板机）系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。1.2单片机的发展过程及产品近况1.2.1单片机的发展过程1、1971年.Intel公司80044位机试验阶段2、1976年.Intel公司MCS-488位机进入实用阶段RockwellR65008位机功能简单3、1978~MotorolaM68008位机高性能1980年IntelMCS-518位机当前主流机4、1982年MostekMk6820016位机更高性能IntelMCS-9616位机推广阶段5.在单片机的发展历史中，Intel公司代表了时代渐流，当前MCS-51是主流主品，因此，我们的课程以MCS-51为基本内容，举一反三、触类旁通，其他的单片机也基本了解了。单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：◆单芯片微机形成阶段1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。◆性能完善提高阶段1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。◆微控制器化阶段特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。一、单片机的发展趋势：1.CPU的发展：准16位（外部总线8位，内部总线16位）①提高字长：8——16——32位频率：6MHZ——12MHZ——20MHZ1.2.2单片机的发展趋势和产品近况②提高数据处理能力，8位机中算逻部件（ALV）用16位③双CPU2、片内存储器的发展。①、扩大存储器容量ROM：1KB——2KB——4KB——8KBRAM：64B——128B——256B②、片内EPROM开始E2PROM化EPROM——可擦试只读存储器（高压编程，紫外线擦除）E2PROM——电擦除可编程只读存储器（常压读写，断电保护）③、片内程序的保密措施（加锁技术）3、加强片内I/O接口功能：把很多经前的外围设备的电路，通过高集成技术“集成”到单片机芯片上去，从而提高了单片机的功能，简化了系统的总体结构。4.工艺上的提高：①、制造工艺：PMOS——NMOS——HMOS——CMOS——CHMOS②、扩展工作电源：4.5V~5.5V——4~6.5V③、增加引脚,改进封装5、片内ROM中固化应用软件和系统软件6、单片机硬件系统的三个层次：②、单片机系统——当单片机内的计算机外围功能单元（除CPU外的ROM，RAM，I/O口，定/计等）不能满足对象要求，而通过系统扩展，在外部并行总线上扩展相应的计算机外围功能单元后所形成的系统。单片机扩展的外围功能单元都属于CPU的外围器件，故称之为单片机系统（能完成计算机的主要功能）①、单片机——单片机芯片本身③、单片机应用系统——通过系统配置，给单片机系统按控制对象、环境要求，配置相应的外部接口电路，如数据采集的传感器接口，控制系统的伺服驱动接口单元及满足人、机对话，多机通讯接口后就构成了能满足对象全部要求的单片机硬件环境，这就是单片机应用系统，实际上它就是具有某一具体功能的电器产品。单片机、单片机系统及单片机应用系统是单片机硬件系统的三个层次。系统扩展是构成单片机系统的手段。系统配置是构成单片机应用系统的手段。但在实际应用中，由于环境、对象的不同，这三个层次的区分有时并不明显。随着微电子技术超大规模集成电路的发展，单片机本身会向单片机系统甚至向单片机应用系统扩展其功能，下一代单片机往往就是上一代单片机系统的扩展。这种膨胀式的扩展是不均匀的，从而在新一代单片机中出现了形形色色的具有不同功能的单片机，如带A/D、D/A转换、PWM可带大量I/O口，带PCA，带增强型通讯接口，可具有完善总线可不带外部总线，用户可以从容选择。单片机Ⅰ单片机Ⅲ单片机ⅡI/ORAMI/OA/DROMD/A﹡ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；﹡华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；﹡LG公司的GMS90/97低压高速系列；﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。◆80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：二、单片机产品近况◆非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：﹡Intel的MCS-96系列16位单片机；﹡Microchip的PIC系列RISC单片机；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗单片机。特点(优点)：集成度高、体积小、功能强、价格低、速度快、功耗低、使用方便、性能稳定、抗干扰能力强（可靠性高）、控制性能好、可编程1.3单片机的特点及应用领域1.3.1单片机的特点单片机温度适应范围：民用级：0℃~70℃工业级：-40℃~+80℃军用级：-65℃~+125℃最主要的特点：可编程—逐步取代模拟控制（不可编程）单片机控制电路：一机多用（改变程序，可不改变硬件）模拟(数字)控制电路：一机一用（改变功能必须改变硬件）功能：实时在线控制功能离线控制——利用计算机实现对控制系统的分析、设计、仿真、建模等工作，也可由控制系统辅助设计CAD。（常用微机、小型机）1.3.2单片机的应用领域在线控制——以计算机代替常规的模拟数字电路，使其成为控制系统电路中的一部份，能及时分析、处理、控制系统的工作（非单片机莫属）。◆智能仪器仪表单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。◆机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。◆实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转