单片机原理及其应用期末考试.必考重点资料库重点资料库分析情况分析总结.doc
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1、单片机概述:单片机概述: 单片机是微单片微型计算机的简称,微型计算机的一种。 它把中央处理器(CPU),随机存储器(RAM) ,只读存储器(ROM),定时器计数器以及 IO 接口,串并通信等接口电路的功能集成与一块电路芯片的微型计算机。 字长字长:在计算机中有一组二进制编码表示一个信息,这组编码称为计算机的字,组成字的 位数称为“字长”,字长标志着精度,MCS-51 是 8 位的微型计算机。 89c51 是 8 位(字长)单片机 (51 系列为 8 位) 单片机硬件系统仍然依照体系结构:包括 CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储器)、 ROM(程序存储器) 、输入设备和输出设备、内部总线
2、等。 由于一块尺寸有限的电路芯片实现多种功能,所以制作上要求单片机的高性能,结构简单, 工作可靠稳定。 单片机软件系统包括监控程序,中断、控制、初始化等用户程序。 一般编程语言有汇编语言和 C 语言,都是通过编译以后得到机器语言(二进制代码) 。 1.1 单片机的半导体工艺单片机的半导体工艺 一种是 HMOS 工艺,高密度短沟道 MOS 工艺具有高速度、高密度的特点; 另一种是 CHMOS 工艺,互补金属氧化物的 HMOS 工艺,它兼有 HMOS 工艺的特点还具 有 CMOS 的低功耗的特点。例如:8051 的功耗是 630mW,80C51 的功耗只有 110mW 左右。1.2 开发步开发步
3、5 骤:骤: 1.设计单片机系统的电路 2.利用软件开发工具(如:Keil c51)编辑程序,通过编译得到.hex 的机器语言。 3.利用单片机仿真系统(例如:Protus)对单片机最小系统以及设计的外围电路,进行模拟 的硬软件联合调试。 4.借助单片机开发工具软件(如:STC_ISP 下载软件)读写设备将仿真中调试好的.hex 程 序拷到单片机的程序存储器里面。 5.根据设计实物搭建单片机系统。 2.1MCS-51 单片机的组成:单片机的组成:(有两个定时器有两个定时器) CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储器)、ROM(程序存储器) 、I/O 口(串口、并口) 、内 部总线 和中断系
4、统等。 工作过程框图如下:运算器运算器 组成:8 位算术逻辑运算单元 ALU(Arithmetic Logic Unit) 、8 位累加器 A(Accumulator) 、 8 位寄存器 B、程序状态字寄存器 PSW(Program Status Word) 、8 位暂存寄存器 TMP1 和 TMP2 等。功能:完成算术运算和逻辑运算 控制器控制器 组成:程序计数器 PC、指令寄存器 IR、指令译码器 ID、堆栈指针 SP、数据指针 DPTR、 定时控制逻辑和振荡器 OSC 等电路。 功能:CPU 根据 PC 中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出,存放在 IR 中,ID 对 IR 中的指
5、令码进行译码,定时控制逻辑在 OSC 配合下对 ID 译码后的信号进行分时,以 产生执行本条指令所需的全部信号。 2.2 存储器存储器 MCS-51 的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又有片内和片外之分。 (1)程序存储器)程序存储器 一般将只读存储器(ROM)用做程序存储器。可寻址空间为 64KB,用于存放用户程序、 数据和表格等信息。MCS-51 单片机按程序存储器可分为内部无 ROM 型(如 8031)和内 部有 ROM 型(如 8051)两种, 连接时 引脚有区别。程序存储器结构如图所示:(2)数据存储器)数据存储器一般将随机存储器(RAM)用做数据存储器。可寻址空间为 64KB。
6、MCS-51 数据存储器 可分为片内和片外两部分。片外 RAM:最大范围:0000HFFFFH,64KB;用指令 MOVX 访问。片内 RAM:最大范围:00HFFH,256B;用指令 MOV 访问。又分为两部 分:低 128B(007FH)为真正的 RAM 区,高 128B(80FFH)为特殊功能寄存器 (SFR)区。如图所示。 2.3 定时器定时器/计数器(计数器(TL0, TH0, TL1 和和 TH1) MCS-51 单片机中有两个 16 位的定时器/计数器 T0 和 T1,它们由 4 个 8 位寄存器(TL0, TH0, TL1 和 TH1)组成,2 个 16 位定时器/计数器是完全
7、独立的。可以单独对这 4 个寄存 器进行寻址,但不能把 T0 和 T1 当做 16 位寄存器来使用。 8051 内部有两个内部有两个 16 位可编程序的定时器位可编程序的定时器/计数器计数器,均为二进制加 1 计数器,分别命名为 T0 和 T1。T0 和 T1 均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器模式下,T0 和 T1 的计数脉 冲可以由单片机时钟脉冲经 12 分频后提供。在计数器模式下,T0 和 T1 的计数脉冲可以从 P3.4 和 P3.5 引脚上输入。对 T0 和 T1 的控制由定时器方式选择寄存器 TMOD 和定时器控 制寄存器 TCON 完成 2.4 中断系统中断系统 中断:指
8、CPU 暂停原程序执行,转而为外部设备服务(执行中断服务程序) ,并在服务完 后返回到原程序执行的过程。 中断系统:指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。 中断源:指能产生中断请求信号的源泉。EA8051 可处理可处理 5 个中断源(个中断源(2 个外部,个外部,3 个内部)发出的中断请求个内部)发出的中断请求,并可对其进行优先权处 理。外部中断的请求信号可以从 P3.2, P3.3(即 和 )引脚上输入,有电 平或边沿两种触发方式;内部中断源有 3 个,2 个定时器/计数器中断源和 1 个串行口中断 源。8051 的中断系统主要由中断允许控制器 IE 和中断优先级控制器 IP 等电路组成。
9、 2.5MCS-51 单片机外部引脚单片机外部引脚 8051 单片机有 40 个引脚,分为端口线、电源线和控制线三类。电源线 GND:接地引脚 20。VCC:正电源引脚 40。接5V 电源 2.6MCS-51 单片机的工作方式:单片机的工作方式: MCS-51 系列单片机的工作方式可分为系列单片机的工作方式可分为:复位方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电 保护方式、节电工作方式和 EPROM 编程/校验方式。 复位电路有两种:上电自动复位和上电/按键手动复位,如图所示。 程序执行方式是单片机基本工作方式,可分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。 节电工作方式是一种低功耗的工作方式,可分为空
10、闲(等待)方式和掉电(停机)方式。 是针对 CHMOS 类芯片而设计的,HMOS 型单片机不能工作在节电方式,但它有一种掉电 保护功能。 1HMOS 单片机的掉电保护当 VCC 突然掉电时,单片机通过中断将必须保护的数据送入内部 RAM,备用电源 VPD 可以维持内部 RAM 中的数据不丢失。2CHMOS 单片机的节电方式CHMOS 型单片机是一种低功耗器件,正常工作时电流为 1122mA,空闲状态时 为 1.75mA,掉电方式为 550A。因此,CHMOS 型单片机特别适用于低功耗应用场合, 它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器 PCON 中相应的位来控制。 3.空闲工作方式:将 ID
11、L 位置为 1(用指令 MOV PCON, #01H) ,则进入空闲工作方式, 其内部控制电路如右图所示。此时,CPU 进入空闲待机状态,中断系统、串行口、定时器/ 计数器,仍有时钟信号,仍继续工作。退出空闲状态有两种方法:一是中断退出,二是硬 件复位退出。 4. 掉电工作方式:将 PD 置为 1(用指令 MOV PCON, #02H) ,可使单片机进入掉电工 作方式。此时振荡器停振,只有片内的 RAM 和 SFR 中的数据保持不变,而包括中断系统 在内的全部电路都将处于停止工作状态。退出掉电工作方式,只能采用硬件复位的方法。 欲使 8051 从掉电方式退出后继续执行掉电前的程序,则必须在掉电
12、前预先把 SFR 中的内 容保存到片内 RAM 中,并在掉电方式退出后恢复 SFR 掉电前的内容。0INT1INT2.7 单片机的时序单片机的时序 时序:CPU 在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。时序是用定时单位来描述的, MCS-51 的时序单位有四个,分别是时钟周期(节拍) 、状态、机器周期和指令周期。 MCS-51 的时序单位:的时序单位: 1. 时钟周期:又称为振荡周期、节拍(用 P 表示) ,定义为单片机提供时钟信号的振荡源 (OSC)的周期。它是时序中的最小单位。 2. 状态(用 S 表示):单片机振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的状态。 一个状态有两个节拍,
13、前半周期对应的节拍定义为 P1,后半周期对应的节拍定义为 P2。 3. 机器周期:通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。 MCS-51 中规定一个机 器周期包含 12 个时钟周期,即有 6 个状态,分别表示为 S1S6。若晶振为 6MHz,则机 器周期为 2s,若晶振为 12MHz,则机器周期为 1s。 4. 指令周期:执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是时序中的最大单位。一个指 令周期通常含有 14 个机器周期。指令所包含的机器周期数决定了指令的运算速度,机器 周期数越少的指令,其执行速度越快。 以机器周期为单位,指令可分为单周期、双周期和 四周期指令。 3.1 单片机系统的工
14、程设计单片机系统的工程设计 设计要求:设计要求: 一、可靠性和稳定性是衡量单片机系统工程设计指标。 提高系统可靠性的几种基本方法包括:1.系统采用双机系统 2.采用集散式控制系统 3.进行 软硬件滤波:几种常用的数字滤波方法包括:(1)中值滤波 (2)算术平均值滤波 (3)防脉冲干 扰平均值滤波 4.提高元器件的可靠性 5.提高印制电路板的质量:设计是布线及接地要合理 6.对供电电源采用抗干扰措施 7.加强输入输出通道的抗干扰性 二、系统自诊断功能 当系统正常运行的时候,定时对各工作模块进行监控,并对外界的情况作出快速应变处理。 应能自己及时切换到后备装置投入运行或及时发出信号,以便手动操作。
15、 三、操作维修方便 尽量降低对操作人员的专业知识要求,于,控制开关尽量少,操作顺序简便,数据输入与 输出显示采用十进制表示,能有效地定位故障,以便进行维修和系统的推广。 四、性能/价格比 设计的时候尽量考虑花钱少,能用软件实现的应该采用软件实现。 设计方法:设计方法: 一、总体设计:1.掌握工作原理 2.机器和元器件的选择 3.软硬件功能的划分:硬-提高工作 速度,减少工作量,花钱多;软-花钱少,增加软件复杂性,降低系统工作速度 二、硬件设计任务 1.掌握工作原理 三、软件设计 1.系统定义 2.软件结构 3.程序设计 4.1 模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成 模拟量输入通道一
16、般由信号预处理、多路转换器、前置放大器、采样保持器、模/数转换器 和接口逻辑电路等组成。其核心是模/数转换器。变变 送送 器器信信号号 预预处处 理理多多路路 转转换换 器器前前置置 放放大大 器器A/D 转转换换 器器接接口口 逻逻辑辑 电电路路PC 总总 线线模模拟拟输输入入通通道道采采样样 保保持持 器器过过 程程 参参 数数4.2AD 转换器及技术指标:转换器及技术指标:A/D 转换器的作用是将模拟量转换为数字量,它是模拟量输 入通道的核心部件,是模拟系统和计算机之间的接口。 分辨率分辨率:通常用数字量的位数 n(字长)来表示,若 n8,满量程输入为 5.12V,则 LSB对应于模拟电
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