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1、1,51单片机及其应用,2,1.1 电子计算机的发展概述,1.1.1 电子计算机的问世及其经典结构,1946年2月15日,第一台电子数字计算机问世,这标志着计算机时代的到来。(CALCULATOR)ENIAC(“埃尼阿克”),3,与现代的计算机相比,有许多不足,但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元,对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响 。,ENIAC是电子管计算机,时钟频率仅有100 KHz,但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。,4,匈牙利籍数学家冯诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月,他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想,进一步构建了计算机由运算器、控制器
2、、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。(EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER),5,电子计算机技术的发展,相继经历了五个时代:,电子管计算机;晶体管计算机;集成电路计算机;大规模集成电路计算机;超大规模集成电路计算机。,计算机的结构仍然没有突破冯诺依曼提出的计算机的经典结构框架。,6,二、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
3、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。,7,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,8,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。,9,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。 三种应用形态的比较 :,单板机,单片机,系统机(多板机),10,系
4、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。,11,1.2 单片机的发展过程及产品近况,1.2.1 单片机的发展过程,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
5、小(不大于4K),无串行接口,指令系统功能不强。,12,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 。,13,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。
6、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。,14,1.2.2 单片机产品近况,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ADC8xx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
7、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:,15,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 。,16,1.3 单片机的特点及应用领域,1.3.1 单片机的特点,近期推出的单片机产品,内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件,并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式(如在系统编程ISP)等方面都有了进一步的增强。,控制性能和
8、可靠性高 实时控制功能特别强,其CPU可以对I/O端口直接进行操作,位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外,由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内,各部件间的连接紧凑,数据在传送时受干扰的影响较小,且不易受环境条件的影响,所以单片机的可靠性非常高。,17,体积小、价格低、易于产品化 单片机芯片即是一台完整的微型计算机,对于批量大的专用场合,一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择;同时还可以专门进行芯片设计,使芯片的功能与应用具有良好的对应关系;在单片机产品的引脚封装方面,有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。,18,1.3.2 单
9、片机的应用领域,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。,19,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。,20,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
10、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。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等 。,21,分布式系统的前端模块,在较复杂的工业系统中,经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中,采用单片机作为分布式系统的前端采集模块,系统具有运行可靠,数据采集方便灵活,成本低廉等一系列优点。,22,家用电器,家用电器是单片机的又一重要应用领域,前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。,另外,在交通领域中,汽车、火车、飞机、航天器等均有单
11、片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等 。,23,2.1 80C51系列概述,2.1.1 MCS-51系列 (1)MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种,如:,8051/8751/8031; 8052/8752/8032; 80C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C32等 。,24,(2)该系列生产工艺有两种:,CHMOS是CMOS和HMOS的结合,既保持了HMOS高速度和高密度的特点,还具有CMOS的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片,CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容,又与
12、CMOS电平兼容。,一是HMOS工艺(高密度短沟道MOS工艺)。二是CHMOS工艺(互补金属氧化物的HMOS工艺)。,25,(3)在功能上,该系列单片机有基本型和增强型两大类:,增强型:8052/8752/803280C52/87C52/80C32,基本型:8051/8751/803180C51/87C51/80C31,26,(4)在片内程序存储器的配置上,该系列单片机有三种形式,即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(无片内程序存储器)。如:,80C51有4K字节的掩膜ROM;87C51有4K字节的EPROM ;80C31在芯片内无程序存储器。,27,2.1.2 80C51系列, Inte
13、l的:80C31、80C51、87C51,80C32、80C52、87C52等; ATMEL的:89C51、89C52、89C2051等; Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品 。,80C51是MCS-51系列中CHMOS工艺的一个典型品种 ;其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有:,28,2.1.3 80C51典型产品资源配置,29,学单片机需要具备的条件,与以前所学的知识关联很少;对器件的概念基本上是从0开始;如果要用C语言编程,需具备一定的C语言基础;所有人都站
14、在了同一起跑线上;,30,#includeunsigned char Flag = 0 x3f;main( ) P1 = 0 x55;While(1)if(Flag = 0)Flag = 0 x3f;P1 = P1;,31,org0000h jmpmain org0100hmain:movp1,#55hamain:mov r0,#3fhloop:djnzr0,loop cpla movp1,a jmpamain end,32,8位CPU 4kbytes 程序存储器(ROM)(52为8K) 256bytes的数据存储器(RAM) (52有384bytes的RAM) 32条I/O口线111条指令,
15、大部分为单字节指令21个专用寄存器,2.2.2单片机的主要功能,33,2个可编程定时/计数器5个中断源,2个优先级(52有6个)一个全双工串行通信口外部数据存储器寻址空间为64kB外部程序存储器寻址空间为64kB逻辑操作位寻址功能双列直插40PinDIP封装单一+5V电源供电,34,2.3.2 80C51的引脚封装,总线型,非总线型,35,36,CPU:由运算和控制逻辑组成,同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器;RAM:用以存放可以读写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据;ROM:用以存放程序、一些原始数据和表格;I/O口:四个8位并行I/O口,既可用作输入,也可用作输出;
16、T/C:两个定时/记数器,既可以工作在定时模式,也可以工作在记数模式;,37,五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信;片内振荡器和时钟产生电路,石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。,38,单片机最小系统,39,P0P3:通用I/O口;VCC:电源端,一般接5V;GND:电源地;XTAL1,XTAL2:外接晶体振荡器,不能超过24M;需加微调电容,一般为30pF;RST/VPD:复位端,平时为低电平;ALE/PROG:地址锁存允许信号端;EA/Vpp:外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压
17、输入端;,40,2.2.4 控制器,1. 时钟电路,(a)内部时钟电路;(b) HMOS型外部振荡源 (C) CHMOS型外部振荡源,41,单片机工作的基本时序,. 机器周期和指令周期 (1) 振荡周期: 也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 (2) 状态周期: 每个状态周期为时钟周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。 (3) 机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期S1S6, 也就是 12 个时钟周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。 (4) 指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期
18、组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。,42,1.时钟电路引脚:XTAL1:接外部晶振和微调电容的一端,在单片机内部,它是构成片内振荡器的反向放大器的输入端。当采用外部振荡器时,该引脚接收振荡器的信号,即把此信号直接接到内部振荡器的输入端。 XTAL2:接外部晶振和微调电容的另一端,在单片机内部,它是构成片内振荡器的反向放大器的输出端。当采用外部振荡器时,此引脚应悬空。,43,2.控制信号引脚:RST/VPD:RST是复位信号输入端,高电平有效。当此输入端保持2个机器周期的高电平时,就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是备用电源的输入端。,上电复位,按键复
19、位,44,ALE/PROG:(Address Latch Enable/ Programming)当单片机上电正常工作后,ALE引脚不断向外输出正弦脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。CPU访问外部存储器时,ALE作为锁存低8位地址的控制信号。此引脚的第二功能PROG作为8751编程脉冲输入端使用。,45,PSEN:(Program Store Enable)在访问片外存储器时,此端定时输出负脉冲作为片外存储器的选通信号。EA/VPP:(Enable Address/Voltage Pulse Of Programming)当EA接高电平时,CPU访问片内ROM,并执行内部程序存储器中的指令
20、,但当PC(程序计数器)的值超过4K时,将自动转去执行片外存储器内的程序。当EA脚接低电平时,CPU只访问片外ROM并执行外部程序存储器中的指令,而不管是否有片内程序存储器。VPP是对8751片内ROM固化程序时,作为施加较高编程电压(12V21V)的输入端。,46,3.输入输出引脚: P0P3:4个8位双向输入输出端口,每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个端口都可以做输入输出口使用,其中,P0和P2通常用于对外部存储器的访问。在这种方式下,把P0口作为地址/数据总线使用,分时输出外部存储器的地址和传送8位数据。当扩充外部存储器的地址为16位时,P2口作为地址总线的高8位地址使用。,