单片机原理及其应用课件

1、单片机原理与应用,金尚泰 北京交通大学先进控制系统研究所 Tel: 51684105(office) Add:9楼西401室 Email：,教学安排,讲课： 32学时（其中课程设计16学时） 地点： 多媒体教室 SX203 (周3第4节，周5第4节) 教材： 单片机原理与应用戴胜华等编著 交大出版社，2005.3 参考资料：单片机中级教程北航出版社 考试： 笔试+课程设计,教 学 要 求,1. 了解单片机的基本概念及应用； 2. 熟练掌握单片机的软、硬件知识； 3. 能应用单片机实验平台完成课程设计。,有关本课程学习的几点建议,本课程的前期基础课程是数字电路与微机原理这方面知识掌握得不够好的请自己补上 本课程是一门实践性、应用性很强的学科 仅仅听懂还不够,重在培养动手能力 硬件和软件同样重要、不可偏废 硬件是骨架，软件是灵魂 预习、听课、复习、作业、课程设计每个环节都很重要 用科学的方法学习,第一章 概述,单片机的基本概念 单片机的历史和发展概况 单片机的发展趋势 单片机的特点和应用 常用单片机生产厂商和机型 教学参考书和网络资源,单片机的基本概念,单片机：在单块集成电路芯片上集成了微

2、处理器(CPU)，存储器(RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口。 具有三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高)。 由于单片机特别适用于控制领域，因此单片机又称为微控制器（Micro Controller),单片机的分类,按用途可分为通用型和专用型两大类 通用型：可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。 专用型：专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑。,1. 单片机的历史和发展概况,第一阶段(1974年1978年)：单片机初级阶段。以MCS-48为代表，片内集成了8位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器、RAM等，无串行I/O接口，寻址范围不大于4KB。 第二阶段（1978年1988年）：高性能单片机阶段，以MCS-51系列为代表，增加了串行I/O接口、多级中断处理系统、定时/计数器变成了16位，片内的RAM和ROM容量相对增大。 第三阶段(1988年现在)：8位单片机巩固、完善及16位单片机推出阶段。以M

3、CS-96位代表，CPU变成16位，片内RAM和ROM容量进一步增大，片内带有高速输入输出部件，多通道位转换器，具有级中断等。位单片机也已进入实用阶段。,单片机主要技术指标,运算速度：时钟频率、主频、每秒运算次数 6MHz、12MHz、24MHz、100MHz、300MHz 内存容量：单位：1K=210=1024，1M=220 8K、64K、16M、64M。 字长：8位机、16位机、32位机。 内存存取周期： 50nS 、70nS 、200nS,1.2 单片机的发展趋势,发展趋势：高性能、大容量、外围电路内装化等。 CPU的改进 存储器的发展 片内I/O口的改进 集成更多的外围电路 引脚的多功能 低功耗 专用型单片机发展加快,1.2 单片机的发展趋势,CPU的改进:运算速度和精度的提高 采用双CPU结构，提高处理能力 增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线或32位数据总线，其数据处理能力优于一般的位单片机。 采用流水线结构。指令以队列方式出现在CPU中，具有很快的运算速度。 采用精简指令集计算机体系结构（，reduced instruction set computer）,1.2 单

4、片机的发展趋势,存储器的发展 加大片内存储器的容量 片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器：使用E2PROM之后，无需紫外线擦除，只需重新写入。 程序保密化：一般的EPROM中的程序很容易被复制。为防止复制，单片机设有对信息的读取保护。,1.2 单片机的发展趋势,片内I/O口的改进 增加并行口的驱动能力：减少了外部驱动芯片 增加I/O口的逻辑控制功能：中高档单片机的微处理系统能够对I/O口按位寻址及位运算，大大加强了I/O口控制的灵活性。 特殊的串行接口：比如飞利浦公司开发的总线，用两条串行总线代替现行的位并行总线，从而大大减少了单片机的引线，降低了单片机的成本，为单片机的扩展和通信提供了方便。 通信和网络功能增强：某些单片机含有局部网络控制模块，此类单片机十分容易构成网络。,1.2 单片机的发展趋势,集成更多的外围电路 器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内系统的单片化（System on Chip）。除了必须具有的、定时计数器、中断系统外，随着单片机档次提高，为适应检测、控制功能更高的要求，片内集成的部件还有转换器、转换器、控制器、实时时钟、控制器、

5、看门狗电路等。 引脚的多功能 内部功能的增加，必然导致单片机所需引脚数量的增加。为减少引脚数量，提高应用灵活性，单片机普遍采用一脚多用的设计方案。,1.2 单片机的发展趋势,低功耗设计 采用工艺，芯片的单片机具有功耗小的优点。 通常有空闲和掉电两种工作方式。采用工艺的系列单片机正常运行（、）时，工作电流为；空闲方式（、）时工作电流为，掉电（）时工作电流为。,1.3 单片机的特点和应用,单片机的特点 体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。 面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。 抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。 可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。,1.3 单片机的特点和应用,单片机的应用 家用电器领域：国内各种家用电器已普遍采用单片机控制取代传统的控制电路，做成单片机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。 办公自动化领域：比如一台PC机可

6、能嵌入了10个单片微机，如控制键盘、鼠标、显示器、CD-ROM、声卡、打印机、软/硬盘驱动器、调制解调器等。现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如绘图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。,1.3 单片机的特点和应用,单片机的应用 工业自动化领域的在线应用：如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。而其中每一个小系统都是由单片微机进行控制的。 智能仪器仪表与集成智能传感器领域：应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行“ 更新换代” ，提供了非常理想的的条件。目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音功能等。,1. 常用的生产厂商和机型,常用的生产厂商 Intel MCS-51及其增强型 Philips 及系列 Motorola 系列和系列 Atmel 与MCS-51系列兼容的系列 Fairchild 系列和系列 R

7、ockwell 系列 TI 系列 NS 系列 Hitachi 、等 Microchip 系列 Zilog 系列及,1. 常用的生产厂商和机型,MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类 基本型：8031/8051/8751 增强型：8032/8052/8752，内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。 低功耗型：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺，适于电池供电或其它要求低功耗的场合。 专用型：8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZU SR-2100单片机USB接口。,1. 常用的生产厂商和机型,MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类： 超8位型：PHILIPS公司80C552/87C552/83C552系列单片机。将MCS-96系列（16位单片机）I/O部件如：高速输入/输出（HSI/HSO）、A/D转换器、脉冲宽度调制（PWM）、看门狗定时器（WDT）等移植进来构成新一代MCS-51产品。功能介于MCS-51和MCS-96之间。目前已得到了较广泛

8、的使用。 片内闪烁存储器型：美国ATMEL公司的AT89C51单片机，受到应用设计者的欢迎。,MCS-51系列芯片主要性能,型号,片内 ROM,片内 RAM,寻 址 范 围,I/0特性,计数器,并行口,串行口,中断源,8031,8051,8751,80C31,80C51,87C51,无 128B 2X64KB 2 X16 4X8 1 5,4KB 128B 2X64KB 2X16 4X8 1 5,4KB 128B 2X64KB 2X16 4X8 1 5,无 128B 2X64KB 2X16 4X8 1 5,4KB 128B 2X64KB 2X16 4X8 1 5,4KB 128B 2X64KB 2X16 4X8 1 5,注：1）8031/51、8751为HMOS工艺，80C31/51、87C51为CHMOS工艺。 2）8751/87C51片内为4KB EPROM;8051/80C51片内为4KB 掩膜ROM。,8051单片机的主要功能方框图,MCS-96系列芯片主要性能,型号,片内 ROM/ EPROM,寄存 器,内部 RAM,定时器/ 计时器,A/D 通道,I/O 引脚,高速输 入/输出,串行 口,PWM,速度 MHz,寻址 空间,8098 8K 232 0 2 4 32 HSIO 1 1 12 64K,80C196KB 无 232 0 2 8 48 HSIO 1 1 12,16 64K,83C196KB 8K 232 0 2 8 48 HSIO 1 1 12,16 64K,87C196KB 8K 232 0 2 8 48 HSIO 1 1 12,16 64K,8XC196KC 16K 488 0 2 8 48 HSIO 1 3 16,20 64K,8XC196KD 32K 1000 0 2 8 48 HSIO 1 3 16,20 64K,注：8X9X芯片已停止生产 80C196 片内无ROM 83C196 片内有8KB ROM 87C196 片内有8KB EPROM,教学参考书和网络资源,教学参考书： 戴胜华、蒋大明、杨世武、赵俊慧编著，单片机原理与应用，清华大学出版社，北京交通大学

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