TP-2339单片机电子教案ppt.ppt
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1、,第1章 单片机概述,第2章 单片机的硬件结构,第3章 MCS-51单片机指令系统,第4章 MCS-51单片机程序设计,第5章 中断与定时,第6章 存储器与存储器的扩展,第7章 单片机I/O接口的扩展,单片机原理与应用电子教案,第8章 单片机与输入输出设备的接口,第9章 单片机的串行通信,第10章 单片机与A/D及D/A 转换器的接口,第11章 单片机应用系统设计,第1章 单片机概述,第2章 单片机的硬件结构,第3章 MCS-51单片机指令系统,第4章 MCS-51单片机程序设计,第5章 中断与定时,第6章 存储器与存储器的扩展,第7章 单片机I/O接口的扩展,第8章单片机与输入输出设备的接口
2、,第9章 单片机的串行通信,第10章单片机与A/D及D/A 转换器的接口,第11章 单片机应用系统设计,1什么叫单片机 它是把组成微型计算机的各功能部件:中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中,构成一个完整的微型计算机。 单片机是单片微型计算机的简称。 单片机主要应用于控制领域,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称为微控制器(Micro Controller Unit)。在国际上,“微控制器”的叫法更通用些,在我国比较习惯“单片机”这一名称。,由于单片机在应用时通常是被控系统的核心并融入其中
3、,即以嵌入的方式工作,为了强调其“嵌入”的特点,也常常将单片机称为嵌入式微控制器。,1单片机的发展 单片机出现的历史并不长,它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步,经历了4个阶段: 第一阶段(19711974年):1971年11月美国Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004,并且配有随机存取存储器RAM、只读存储器ROM和移位寄存器等芯片,构成第一台MCS-4微型计算机。1972年4月Intel公司又研制成功了处理能力较强的8位微处理器Intel 8008。这些微处理器虽说还不是单片机,但从此拉开了研制单片机的序幕。,第二阶段(197419
4、78年):初级单片机阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。这个系列单片机内集成有8位CPU、并行I/O接口、8位定时器/计数器,寻址范围不大于4K,且无串行口。,第三阶段(19781983年):在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口,有多级中断处理系统、16位定时器/计数器。片内RAM、ROM容量加大,且寻址范围可达64KB,有的片内还带有A/D转换器接口。这类单片机有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。这类单片机的应用领域极其广泛,这个系列的各类产品仍然是目前国内外产品的主流。其中MCS-51系列产品,以其优良的性能价格比,成为我国广大科
5、技人员的首选。 第四阶段(1983年现在):8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机;另一方面不断完善高档8位单片机,改善其结构,以满足不同的用户需要。,1单片机的应用特性(1)集成度高 MCS-51系列单片机代表产品为8051,8051内部包含4KB的ROM、128B的RAM、四个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/计数器以及一个处理功能强大的中央处理器。(2)系统结构简单 MCS-51系列单片机芯片内部采用模块化结构,增加或更换一个模块就能获得指令系统和引脚兼容的新产品。另一方面,MCS-51系列单片机具有64KB的外部程序存
6、储器寻址能力和64KB的外部RAM和I/O口寻址能力。Intel公司标准的I/O接口电路和存储器电路都可以直接连到MCS-51系列单片机上以扩展系统功能,应用非常灵活。,(3)可靠性高 单片机产品和其他产品一样,出厂指标有军用品、工业品和商用品之分。其中军用品要求绝对可靠,在任何恶劣的环境下都能可靠工作,主要用于武器系统、航空器等方面。单片机属于工业品,能在常温下工作,不需要在温度恒定的机房内工作。由于单片机总线大多在芯片内部不易受干扰,而且单片机应用系统体积小,易于屏蔽,所以单片机的可靠性较高。(4)处理功能强,速度快 MCS-51系列单片机指令系统中具有加、减、乘、除指令,各种逻辑运算和转
7、移指令,还具有位操作功能。CPU时钟频率高达12MHz,单字节乘法和除法仅需要4s,而且具有特殊的多机通信功能,可作为多机系统中的子系统。,2. 单片机的制造工艺 制造单片机的工艺只有两种:HMOS工艺和CHMOS工艺。 早期的MCS-51系列芯片都采用HMOS工艺,即高密度、短沟道MOS工艺。8051、8751、8031、8951等产品均属于HMOS工艺制造的产品。 CHMOS工艺是CMOS和HMOS的结合,除保持了HMOS工艺的高密度、高速度之外,还具有CMOS工艺低功耗的特点。例如HMOS工艺制造的8051芯片的功耗为630mW,而用CHMOS工艺制造的80C51芯片的功耗为120mW,
8、这么低的功耗用一粒钮扣电池就可以工作。单片机型号中包含有“C”的产品就是指它的制造工艺是CHMOS工艺。 例如80C51,就是指用CHMOS工艺制造的8051。,3. MCS-51单片机系列产品 MCS-51是一个单片机系列产品,具有多种芯片型号。具体说,按其内部资源配置的不同,MCS-51可分为两个子系列和四种类型,见表1.1。,表1.1 MCS-51系列单片机,MCS-51子系列包含4个产品,这4个产品具有不同的应用特性。8051:单片机8051内部包含了4KB的ROM、128B的RAM、21个特殊功能寄存器、4个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/计数器以及一个处理功能很强的
9、中央处理器,是一台完整的微型计算机8751:是以4KB的EPROM代替4KB ROM的8051。8951:是以4KB的E2PROM(或Flash ROM)代替4KB ROM的8051。8031:是内部无ROM的8051。单片机8031不构成完整计算机,必须外接EPROM作为程序存储器。 52子系列也包含4个产品,分别是51子系列的增强型。由于资源数量的增加,芯片的功能有所增强。片内ROM容量从4KB增加到8KB;RAM容量从128B增加到256B;定时器数目从2个增加到3个;中断源从5个增加到6个等。,4. 80C51单片机系列 80C51单片机系列是在MCS-51系列的基础上发展起来的。 最
10、早推出80C51系列芯片的是Intel公司,并且作为MCS-51系列的一部分,按原MCS-51系列芯片的规则命名,例如80C51、80C31、87C51等(至于89C51,我们把它归入89系列单片机,将在下一节介绍)。 后来越来越多的公司生产80C51芯片,而且型号的命名已面目全非,功能上也做了不同程度的改进,如增加了A/D转换、高速I/O口等。有些还在总线结构上做了重大改进,出现了廉价的非总线型单片机芯片。但是万变不离其宗: CHMOS工艺芯片80C51/80C31/87C51/89C51的基本特征是低功耗、允许的电源电压波动范围较大(为5V20%),并有三种功耗控制方式(增加了待机和掉电保
11、护两种方式)。 习惯上,我们仍然把80C51系列作为MCS-51的子系列。,AT89系列单片机是ATMEL公司的8位Flash单片机系列。 这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器,而其他方面和MCS-51没有太大的区别。该系列有着十分广泛的用途,特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。,AT89系列单片机的特点(1)内含有Flash存储器 由于片内含有Flash存储器,因此在系统开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。同时,在系统工作过程中,能有效地保存数据信息,即使外界电源损坏也不影响信息的保存。(2)和AT80C51插座兼容 AT89系列单片机的引脚和M
12、CS-51系列单片机的引脚是一样的。只要用相同引脚的AT89系列单片机就可以取代MCS-51系列单片机。(3)静态时钟方式 AT89系列单片机采用静态时钟方式,节省电能,这对于降低便携式产品的功耗十分有用。,2. AT89系列单片机的概况 AT89系列单片机共有7种型号,分别为AT89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52、AT89C2051、AT89C1051、AT89S8252。 其中AT89LV51、AT89LV52分别是AT89C51、AT89C52的低电压产品。最低电压可以低至2.7V。而AT89C2051、AT89C1051则是低档型的低电压产品。它们只有20条
13、引脚,最低电压也为2.7V,见表1.2。,表1.2 AT89系列单片机概况,1.单片机的应用 由于单片机具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点,因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用。例如:(1)智能仪器仪表 用单片机改造原有的测量、控制仪表,能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展,如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表等。通过采用单片机软件编程技术,使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。(2)实时工业测控系统 用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。如温室人工气候控制、
14、水闸自动控制、电镀生产线自动控制等。,(3)机电一体化产品 单片机与传统的机械产品结合,使传统机械产品结构简化、控制智能化。例如电传打字机的设计中由于采用了单片机,取代了近千个机械部件。(4)家用电器 全自动洗衣机、智能冰箱、各类小家电都无一例外地采用了单片机。,2.单片机的应用特点:(1)控制系统在线应用控制系统在线应用由于控制对象和单片机联系密切,所以对设计者提出了很高的要求。他们不但要熟练掌握单片机,还要了解控制对象,懂得传感技术,具有一定的控制理论知识等。(2)软硬件结合单片机应用系统的设计需要软、硬件统筹考虑。设计者不但要熟练掌握汇编语言的编程技术,而且还必须精通单片机硬件系统和指令
15、系统。,(3)应用现场环境恶劣 应用现场的环境一般是比较恶劣的。电磁干扰、电源波动、高低温等因素都会影响系统工作的稳定。设计者必须根据特定的环境采取正确的办法才能解决。(4)微控制技术 由于单片机具有高可靠性、超小型、低价格、容易产品化等特点,因而在需要嵌入式的控制系统里得到了广泛的应用,而且过去必须由模拟和数字电路来实现的大部分功能,现在可以通过软件(编程序)方法实现了。这种超小型的以软件取代硬件,并能提高系统性能的控制系统“软化”技术,称之为微控制技术。微控制技术是一种全新的概念,是对传统技术的一次革命。随着单片机应用的推广普及,微控制技术的发展必将带动产品的升级换代及产业升级。,习 题1
16、. 什么叫单片机?除了“单片机”之外,单片机还可以称为什么?2. 单片机主要使用汇编语言,而编写汇编语言程序要求设计人员除了熟练掌握指令系统外,还必须精通什么?3. 8051、8751、8031单片机的主要区别是什么?4. 与8051比较,80C51的最大特点是什么?5. AT89系列单片机的最大优点是什么?6. 单片机发展方向是什么?,2.1.1 MCS-51单片机的内部结构,MCS-51结构框图如图2.1所示。它主要由9个部件和一条内部总线组成。现分别对各部件的情况介绍如下:,1. 8位中央处理器(CPU) 中央处理器简称CPU,是单片机的核心,完成运算和控制操作。中央处理器包括运算器和控
17、制器两部分电路。(1)运算器电路 运算器电路是单片机的运算部件,用于实现算术和逻辑运算。图2.1中的ALU(算术逻辑单元)、ACC(累加器)、B寄存器、程序状态字和两个暂存寄存器等属于运算器电路。运算器电路以ALU为核心,基本的算术运算和逻辑运算均在其中进行,包括加、减、乘、除、增量、减量、十进制调整、比较等算术运算,与、或、非等逻辑运算,左、右移位和半字节交换等操作。运算和操作结果的状态由状态寄存器(PSW)保存。,(2)控制电路 控制电路是单片机的指挥控制部件,保证各部分能自动而协调地工作。图2.1中的PC(程序计数器)、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、定时和控制电路等均属于控制电
18、路。,单片机执行指令是在控制电路的控制下进行的。首先从程序存储器中读出指令,送指令寄存器保存,然后送指令译码器进行译码,译码结果送定时控制逻辑电路,由定时控制逻辑电路产生各种定时信号和控制信号,再送到系统的各个部件进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程。,2. 内部程序存储器内部程序存储器在图2.1中包括4KB/8KB的存储器(ROM或EPROM),对于8051、80C51内部共有4KB的掩膜ROM,用于存放程序和原始数据。,3. 内部数据存储器 内部数据存储器在图2.1中包括128B/256B的RAM和RAM地址锁存器等。实际上8051或80C51内部共有256个RAM单元,但后128单
19、元被特殊功能寄存器SFR(也称专用寄存器)占用,供用户使用的只是前128个单元,用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器是指前128单元,简称“内部RAM”。,4. 并行的I/O口 MCS-51中共有4个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3)以实现并行的输入输出。在图2.1中分别标出了4个并行的I/O口。,5. 定时器/计数器 出于控制应用的需要,MCS-51有2个(对8031/8051是2个)或3个(对8032/8052是3个)16位定时器/计数器,以实现定时或计数功能,并以定时或计数的结果对单片机进行控制。图2.1中定时器/计数器和中断、串行端口在一起。,6. 串行口MCS-5
20、1有一个全双工UART(通用异步接收发器)的串行口,以实现单片机和其他数据设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强,既可作为全双工UART异步通信收发器使用,又可以作为同步移位器使用。在图2.1中串行端口和定时器/计数器中断在一起。,8. 时钟电路 MCS-51单片机芯片内部有时钟电路,但石英晶体振荡器和微调电容需外接。在图2.1中,画出了外接的石英晶体振荡器和微调电容以及片内的反向放大器振荡电路。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列,典型的晶振频率为6MHz或12MHz。,9. 位处理器单片机主要用于控制,需要有较强的位处理能力。位处理器又称布尔处理器。位处理器以状态寄存器中的进位标志C为累加位
21、,可进行置位、复位、取反、等于“0”转移、等于“1”转移以及C与可寻址位之间的传送、逻辑与、逻辑或等位操作。位操作是通过运算器实现的,在图2.1中没有画出。,10. 总线 上述9个部件都通过片内单一总线连接。系统的地址信号、数据信号、控制信号都是通过总线传送的。总线结构减少了单片机的连线和引脚,提高了集成度和可靠性。,2.1.2 MCS-51单片机的信号引脚,HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的双列直插封装(DIP方式),CHMOS制造工艺的80C51/80C31芯片除采用DIP方式外,还采用方形封装工艺。如图2.2所示。图2.2(a)、图2.2(b)分别是DIP方式和方形封装
22、的引脚图,其中方形封装CHMOS芯片有44脚,但其中4只脚(标有NC的引脚1、12、23、34)是不使用的。,下面将这40条引脚按功能分为四部分叙述其功能。1. 主电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚):接+5V电压 Vss(20脚):接地2. 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1(19脚):接外部晶体的一个引脚。在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时,对HMOS单片机,此引脚应接地;对CHMOS单片机,此引脚作为驱动端。 XTAL2(18脚):接外部晶体管的另一个引脚。在单片机内部,接至上述振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部振
23、荡器时,对于HMOS单片机,此引脚应接外部振荡器的信号,即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端;对于CHMOS单片机,此引脚应悬浮。,3. 控制或其他电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/VPP,RST/VPD(9脚):振荡器运行时,在此引脚上出现两个机器周期的高电平使单片机复位。建议在此引脚与Vss之间连接一个约8.2k的下拉电阻,与Vcc引脚之间连接一个约10F的电容,以保证可靠的复位(详见复位电路内容)。Vcc掉电期间,此引脚可接上备用电源,以保持内部RAM的数据不丢失。,ALE/ PROG(30脚):当访问外部存储器时,ALE(允许地址锁存)的输出用
24、于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器,ALE端仍然以不变的频率周期性地出现正脉冲信号,此频率为振荡器的1/6。因此,它可以用作对外输出的时钟,或用于定时。,对于EPROM型的单片机(如8751),在EPROM编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。,PSEN(29脚):此引脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令(或常数)期间,每个机器周期它二次有效。但在此期间,每当访问外部数据存储器时,这二次有效信号将不出现。它同样可以驱动(吸收或输出电流)8个LS型的TTL输入电路。,EA/VPP(31脚):当这引脚保持高电平时,访问内部程序存储器,但在PC(程序计数器)值超过0FF
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