单片机基础知识1章-单片机基础知识

微机原理与接口技术

第一章单片机基础知识

第一节单片机概况

关于课程名称：

《微机原理及应用》或《微机原理及接口技术》,《单片机基础》讲述有关计算机的概念。

计算机有:

微型计算机小型机大型机

按尺寸大小来分，现在界线已模糊。

或按功能强弱来分（尺寸小不等于是差的计算机）

在工业控制或其他应用领域:适用的就是最好的

当一个设备上应用了计算机就可以称做智能设备。

计算机---功能决定了智能化程序。

主要由产品的要求决定。

计算机包括软件和硬件，

硬件构成：五部分=CPU（运算器，控制器），存储器，输入，输出

计算机硬件

控制器C

P

U

存

储

器

输

入

输

出

运算器只要在硬件结构上包含上述5项，即可称为计算机。

计算机的功能魅力: 例1

例 2 开关

与门

计算机软件：应用型软件，系统软件（对于通用计算机，这一点区分较清楚）

从结构上讲：

应用软件单片机系统侧重

是一种有特定功能的计算机

操作系统

底层BIOS-basic I/O system

硬件

本课程将侧重于：对于一个测/控目标，如何建立一个基于单片机的计算机系统。因此须了解：

单片机硬件结构

单片机功能

单片机的特性

语言

开发方法

参考书和杂志:

1.张迎新等.《单片机初级教程--单片机基础》北京航空航天大学出版社

2.何立民著《单片机应用系统设计》北京航空航天大学出版社

3.李朝青著.《单片机原理及接口技术》(简明修定版).北京航空航天大学出版社,1999

4.单片机与嵌入式系统应用

5.石文华.单片机原理及应用（面向21世纪高等教育规划教材）,中国电力出版社.2005.2

一、单片机

1.什么叫单片机?

将CPU、存储器、定时器/计数器、存储器、多种I/O接口等电路集成在一块芯片上所构成的计算机称为单片机。

Single Chip Microcomputer(SCM) Micro Controller Unit(MCU)

5

+

振荡器 定时

程序存储器 4KROM/EPROM 8051/8751

数据存储器 RAM 128 字节

2*16 位 定时/计数器

CPU 8031/8051 8751

64KB 总线 扩展控制器

可编程 I/O

可编程串行口 全双工 UART 中断

同步移位器

图 1-1 单片机结构框图

单片机的生产与发展是基于工业控制、计算机外部设备控制以及智能化仪器仪表的需要的一 种高性能、高集成化、高可靠性且廉价的专用控制器。

MCU-----(microcomputer unit) MPU-----(microprocess unit) CPU + ROM/RAM + I/O

TIMER/COUNTER 单片机

二、单片机的发展概况

第一代：以INTEL公司1976年推出的MCS-48系列为代表：1KROM，64BRAM，8位定时器1978年推出的加强型8049：2KROM，128B RAM

第二代：MCS-51为代表：片内4KROM（8051），两个16位定时器，128BRAM，在功能上比上代大大加强。（如增加了减法、乘除法指令，扩充了位处理能力、I/O能力、通讯能力以及

中断能力等，在外部程序存储空间、数据存储空间上扩大到4K）。

第三代：MCS-96为代表：16位单片机。增加了高速数据通道、16位监视定时器，具有自复位的抗干扰能力，更适用高速、高性能的控制系统。

发展:

数据位长11632位

CPU处理能力和速度不断提高。

增大片内RAM和ROM容量。

增加片内I/O口和功能模块种类和数量。

扩大对外部RAM/IO口和程序存储器寻址能力。

缩小体积，降低功耗。

MCS48系列已被MCS51完全取代，而MCS51并没有因MCS96系列出现而停止发展，相反，近年来不断推出新品种:

如8052、8752、8032在原片8051、8751、8031的基础上作扩充，加大片内存储器

（256BYTE RAM）并增加了一个定时器和中断。

再如带8位A/D的8XC51GA，带高速输出、脉冲调宽输出、监视定时器的8XC252

等。

华邦（WINBOND）的W77E58,内存储器有32K，保密功能，CPU的速度提高到

24MHZ*3（内部指令3倍速）。

ATMEL的89C2051小型化20脚

兼容产品：华邦（WINBOND）的W78E51等。

ATMEL的89C51等，以FLASH作为内部程序存储器，可以电擦除后重新编程。

PHILIPS推出的P87LPC762/764

指令与51系列兼容，20个引脚，OPT程序存储器2K/4K，Vdd=2～6V，

内含WDT

有电源监测，保证CPU可靠复位

全双工串行通讯口和 I C 通讯接口

改进：提高 CPU 的速度，存储器，保密功能，低功耗，WDT 等等。串行 I C 总线。

内含 2 个精确比较器，可构成 2 路 A/D 2 个 16 位定时器

2

所有口线 20mA 驱动能力

有空闲/掉电省电模式（掉电电流 1uA ）

目前国内市场上有不少类型 8 位 16 位单片机，如 MOTOROLA 的 68 系列和 ZILOG 的 Z8 系列， 目前应用最广的是 8 位 MCS51 系列单片机。

用于工业现场以测﹑控为主要目的的单片机和用于通用计算机系统

以大量数据处理为主要目的的通用微处理机不同。其对数据处理速 度已退居控制功能之后。8 位单片机仍会稳定一个相当长的时期。

2

三、单片机应用

智能产品(包括日用电器)：单片机与传统机械产品相结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代机电一体化产品。如：单片机控制缝纫机，实现了多功能自动操作、自动调速、控制缝纫花样等。再如电脑洗衣机。

智能产品不仅局限于家电、办公设备，目前已发展到机床、纺织机械、工业设备等。

智能仪表：使仪表数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化。如老式的记录仪表采用纸、笔的机械记录方式，日常维护工作量大、运行费用高、可靠性差。引入单片机后，采用液晶显示，无纸无笔记录，性能上大大提高，并增加了不少新功能，如报警、累积、追忆、多通道显示、PID控制等，集数据采集、处理、控制功能于一体。

测控系统/数控系统：由单片机构成各种工业控制系统、数据采集系统等。如生产线的自动控制等。数控系统使控制机与伺服控制分开，可减轻控制机的负担

智能接口：计算机外围设备管理。如键盘管理、打印机、绘图机的控制、硬盘驱动控制等。

多机应用系统：每个子功能由一个独立计算机管理，由一个主计算机负责协调，构成一个多功能的多机系统。再如网络系统、集散控制系统等。

实例:转速测量

1.当转速很高时可以采用测量频率

法

1秒

n=7转/秒

2.当转速很低时可以采用测量周期法:

1个周期中包含的脉冲个数N(设:脉冲周期1us)

周期T=N(us)转速

3.提高测量精度:

A.实例1：高压开关(起着电力系统的控制和保护作用)机械性能（时

间，速度）测试：

s

动触头静触头

对断路器动触头希望其运动速度越大越好：

1)速度大，可使分闸，合闸时间缩短。

2)合闸时，动静触头击穿后的电弧燃烧时间短，提高产品的关合能力。

动触头运动速度不能无限制的提高，受其机械强度的限制。

动触头运动满足一定规律：S-V曲线，其开断和关合特性最佳。

A.需测量：

1)分闸，合闸时间。

2)分闸，合闸的速度曲线：S-V

B.分合闸速度V的测量方法：

电磁振动法：动触头上联接一块记录板，记录板与动触头一起运动，而记录

笔以一定频率振动，见图：

随动触头一块运

振动频率f(周期T)动的记录板

Si

该Si段的平均速度

Vi=Si/T

缺点：在速高时，只能得平均

速度，瞬时速度不能得到。

鼓轮记录法：动触头上联接一记录笔，鼓轮为记录板以一定速

度转动。

动

触

头Si

Vi=Si/T

S=S1+S2+…Sn

时间t可数有几个周期得到

2. 计数器长度（8 位 2 ）

1) 光栅测量法：

测得每个 Si 中的时间 Ti ，既可得到速度：

Vi=S/Ti

只要 S 足够小，可得到每 S 内的平均速度。

C. 分合闸时间 t 的测量方法：

t

动触头

t=T1+T2+T3….Tn

D. 微机的实现： +5v

有光时，输入为 0 无光时，输入为 1

静触头 微机

S

只要测量每个周期的时间 Ti

Vi=S/Ti

在微机中有计数器，在下降沿时微机开始计数。测量没个周期的时间 Ti

测量方法： 时标

时标 计数器

门控

测量精度： 1. 时标

8

门控

浙江科技学院四、单片机应用系统的开发方法

单片机其本身无开发能力，必须借助开发工具来开发应用软件以及对硬件系统进行诊断。在研制一个完整的单片机产品时，必须完成下列几步工作：

*硬件电路设计、组装、调试。单片机

单片机系统

*应用软件的编制、调试。

*应用软件的链接调试、固化、脱机运行。

开发工具（ICE:In-Circuit-Emulator）的主要作用：

----------------替代CPU的各种功能，一个好的开发工具可以帮助我们更容易找到毛病，缩短开发周期。

*应用系统硬件电路的诊断与检查

*程序的输入与修改

*程序的运行、调试，具有单步运行、设置断点运行、状态查询等功能

*固化EPROM

其次还应有：

*齐全的开发用的软件工具：汇编输入、自动生成目标文件、反汇编，以及可供用户使用的子程序库。

*占用单片机的硬件资源最少，且有全速跟踪调试、运行能力。

*软件转存、大印功能。

例如：有些ICE带有模拟LCD显示，可以在没有LCD情况下，编制程序。

应用系统

仿真头开发工具

计算机

1. 与门 (F=A·B)

B

F

(原电子部标准)

五、硬件设计、软件设计

系统设计应考虑：

前向通道：

与现场采集对象相接，是干扰串入的主要通道，防干扰。

根据对象：有开关量、模拟量、频率量，因此对应有形式多样的信号变换电 路：如放大、I/F 、V/F 、A/D 、整形、调节等。 后向通道：

系统输出通道，大多需驱动。

靠近伺服现场，大功率负载易从后向通道进入现场，隔离。

根据对象：有模拟、数字、开关，有电流输出、电压输出、开关量输出等。 人机通道：

大多单片机系统都是小规模系统，人机对话通道及设备都是小规模的。如：微 型打印机、功能键、拨码盘、LED/LCD 显示器等。 相互通道：

解决计算机之间相互通讯的接口。

硬﹑软件设计时应考虑的因素：

了解实际应用对象、现场环境。如：抗干扰、要求响应速度等。

测控接口及功能电路配置在很大程度决定系统的技术性能。如：A/D 精度、速度等。 研制人员不只了解计算机系统的扩展与配置，还需了解数字电路、模拟电路以及新器 件，以获得最佳的模拟、数字计算机系统。

系统中用软件、硬件实现功能的分工。用软件实现具有成本低、电路简单，但响应速 度慢，占用 CPU 时间。合理分配。 成本、功耗、体积等。 通讯 六、逻辑部件

可参考《标准集成电路手册-TTL 》

A B &

F (国家标准)

74LS08 四与门 14 13 12 11 10 9 8

A B F (国际通用符号)

A

1 2 3 4 5 6 7

A B F

0 0 0 1 0 0 0 1 0 1

1

1

2. 或门 (F=A+B)

B

F

B

F

1

A

≧1

(国家标准)

74LS32 四或门

A B F (国际通用符号)

A

+

(原电子部标准)

3. 非 (F= A )

A

F (国家标准)

74LS04 非门

A

F (国际通用符号)

A

F (原电子部标准)

A B F 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1

1

A F 0 1 1

*表示无关

浙江科技学院

4. 异或 (F=A ⊕ B)

A B =1

F (国家标准)

74LS86 四 2 异或门 A B

A

B

⊕

F (国际通用符号)

F (原电子部标准)

例:

F= A

可以利用非门实现，也可以用异或

5. 组合：

与非

或非

异或非

6. 触发器（如 74LS74）

D S Q CP R Q

A B

A B

&

D S Q

CP R Q

F (国家标准)

F (国际通用符号)

D CP Q vcc

D S Q CP R

Q

S R CP D Q Q 0 1 * * 1 0 1 0 * * 0 1 0 0 *

* 不定

1 1 1 1 0 1 1 0

1

1

1

1/0 * 保持不变

A B F 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1

1

7.三态门

一般逻辑门：处于高，低电平。三态门除高，低电平外，还有高阻状态（相当于断开）。

作用：用于在同一根线上传递不同信号源的信息。

A Y C=0：Y=A

C=1：Y与A无关

例：总线(74HC240,74HC244)

双向总线(74HC245)