《简易机器人制作.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简易机器人制作.ppt（233页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、简易机器人制作,课标关于简易机器人制作的大纲要点,基于计算机技术的学习平台，将机械、电子和单片机的应用有机组合起来。通过本课程的学习，学生应该知道单片机和机械传动的基本知识，能设计与制作由单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器或简单的自动控制系统。课程由“单片机及其控制程序”、“单片机与控制电路”、“单片机与传动机械”三个主题构成。给学生提供了运用当代先进技术和先进思想方法进行设计、制作，以解决实际问题的机会。,一、概述,机器人的定义能力评价标准组成发展特点分类阿西莫夫机器人三定律简易机器人的结构与应用,机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的
2、程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。,1、机器人的定义,目前世界上有关机器人的定义没有统一的答案。日本机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等七个特征的柔性机器。法国机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法为研究对象。,国际标准化组织工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。中国机器人是一种自动化的机器，它具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种高度灵活的自动化机
3、器。,2.能力评价标准,机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、可靠性、联用性和寿命等。因此，可以说机器人就是具有生物功能的实际空间运行工具，可以代替人类完成一些危险或难以进行的劳作、任务等。,3.组成机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为 关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐
4、标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。,驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。,检测装置是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器
5、，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，,向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。,控制系统有两种方式一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机
6、器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。,4.发展特点如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以
7、小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明。,5.分类诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。,目前，国
8、际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和中国的分类是一致的。空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。,6.阿西莫夫机器人三定律科幻小说家艾萨克 阿西莫夫在小说中所订立的“机器人三定律”。阿西莫夫为机器人提出的三条“定律”，程序上规定所有机器人必须遵守：一：机器人不得伤害人类，或袖手旁观坐视人类受到伤害；二：除
9、非违背第一法则，机器人必须服从人类的命令；三：在不违背第一及第二法则下，机器人必须保护自己。,7.简易机器人的结构与应用,简易机器人结构相对简单，价格便宜。一般分为控制与机械两大部分。机械包括机体结构、动力装置、传动机构和执行机构等；控制包括单片机（或嵌入式）系统及其软件、传感器及其电路、控制驱动电路等。,简易机器人的基本结构框图,对“简易”的理解,与在现实生活各个领域服役的机器人比较，“简易机器人”有如下不同：,二、教材涉及的知识,1、简易机器人的控制核心：单片机的基本知识。2、单片机硬件结构3、简易机器人的控制电路。4.简易机器人的机械传动。,21,单片机概述目录1.1 什么是单片机1.2
10、 单片机的发展历史1.3 单片机的特点1.4 单片机的应用1.5 单片机的发展趋势1.6 MCS-51系列与AT89C5x系列单片机 1.6.1 MCS-51系列单片机 1.6.2 AT89C5x（AT89S5x）系列单片机1.7 其它的51单片机 1.7.1 ADC812单片机,1.7.2 C8051Fxxx单片机 1.7.3 台湾华邦公司W78系列和W77系列单片机 1.8 AVR系列单片机与PIC系列单片机 1.8.1 AVR系列单片机 1.8.2 PIC系列单片机 1.9 各类嵌入式处理器简介 1.9.1 嵌入式微控制器（单片机）1.9.2 嵌入式DSP处理器(DSP)1.9.3 嵌入
11、式微处理器 1.9.4 嵌入式片上系统SOC(System On Chip),介绍单片机基础知识、发展历史、应用领域及发展趋势。8位单片机的主流机型，较大市场份额的MCS-51系列单片机及其兼容的单片机（统称为51系列单片机）对目前流行的51单片机的代表性机型：美国ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列单片机及代表性产品AT89S51详细介绍。简要介绍其它类型的单片机。初步了解嵌入式处理器：单片机，数字信号处理器（DSP）、嵌入式微处理器,内容概要,24,20世纪70年代问世，广泛地应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各个方面。什么是
12、单片机？1.1 什么是单片机一片半导体硅片集成：中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。具有微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。,25,主要应用于测控领域。单片机使用时，通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中，所以国际上通常把单片机称为嵌入式控制器（EMCU，Embedded MicroController Unit），或微控制器（MCU，MicroController Unit）。我国习惯于使用“单片机”这一名称。单片机是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，标志着计算机正式形成
13、了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机体积小、成本低，嵌入到工业控制单元、机器人、智能仪器仪表、汽车电子系统、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、玩具、个人信息终端及通讯产品中。,26,按照其用途可分为通用型和专用型两大类。（1）通用型单片机就是其内部可开发的资源（如存储器、I/O等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外围接口电路及其它外围设备，并编写相应的软件来满足各种不同需要的测控系统。通常所说的和本书介绍的是指通用型单片机。（2）专用型单片机是专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。,例如，各种家用电器中
14、的控制器等。由于用于特定用途，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产“专用”的单片机芯片。由于在设计中，已经对“专用”单片机的系统结构最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的综合考虑，所以“专用”单片机具有十分明显的综合优势。无论“专用”单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的。,27,1.2 单片机的发展历史单片机按其处理的二进制位数主要分为：4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。发展大致分为4个阶段。第一阶段（1974年1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。1974年12月，仙童公司推出了8
15、位的F8单片机，实际上只包括了8位CPU、64B RAM和2个并行口。第二阶段（1976年1978年）：低性能单片机阶段。1976年 Intel的MCS-48单片机（8位）极大地促进了单片机的变革,28,和发展，1977年GI公司推出了PIC1650，但这个阶段仍处于低性能阶段。第三阶段（1978年1983年）：高性能单片机阶段。1978年，Zilog公司推出Z8单片机，1980年，Intel公司在MCS-48系列基础上推出MCS-51系列，Mortorola推出6801单片机。使单片机的性能及应用跃上新的台阶。此后，各公司的8位单片机迅速发展。推出的单片机普遍带有串行I/O口、多级中断系统、
16、16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。由于这类单片机的性能价格比高，所以被广泛应用，是目前应用数量最多的单片机。,29,第四阶段（1983年现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。16位典型产品Intel公司的MCS-96系列单片机。而32位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比16位单片机提高许多，性能比8位、16位单片机更加优越。20世纪90年代单片机制造业大发展时期，Mortorola、Intel、ATMEL、德州仪器（TI）、三菱、日立、飞利浦、LG等公司开发一大批性能优越的单片机，极大推动
17、单片机的应用。近年，又有不少新型的高集成度的单片机产品涌现出来，出现了产品丰富多彩的局面。目前，除8位单片机得到广泛应用外，16位单片机、32位单片机也得到广大用户青睐。,30,1.3 单片机的特点单片机是集成电路技术与微型计算机技术高速发展的产物。体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，因此，给工业自动化等领域带来了一场重大革命和技术进步。由于体积小，很容易地嵌入到系统之中，以实现各种方式的检测、计算或控制，这一点，一般微机根本做不到。由于单片机本身就是一个微型计算机，因此只要在单片机的外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用系统，如工业自动检测监视系统、数据采集系统、自动控
18、制系统、智能仪器仪表等。,31,为什么应用广泛？具有以下优点：（1）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。（2）简单方便，易于普及。单片机技术是易掌握技术。应用系统设计、组装、调试已经是一件容易的事情，工程技术人员通过学习可很快掌握其应用设计技术。（3）发展迅速，前景广阔。短短几十年，单片机经过4位机、8位机、16位机、32位机等几大发展阶段。尤其是集成度高、功能日臻完善的单片机不断问世，使单片机在工业控制及工业自动化领域获得长足发展和大量应用。目前，单片机内部结构愈加完美，片内外围功能部件越来越完善，向更高层次和更大规模的发展奠定坚实的基础。,32,（4）嵌入容易，用途广泛，体积小、性能价格比高
19、，应用灵活性强等特点在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。单片机出现前，制作一套测控系统，大量的模拟电路、数字电路、分立元件完成，以实现计算、判断和控制功能。系统的体积庞大，线路复杂，连接点多，易出现故障。单片机出现后，测控功能的绝大部分由单片机的软件程序实现，其它电子线路则由片内的外围功能部件来替代。1.4 单片机的应用软硬件结合、体积小，容易嵌入到各种应用系统中。得到广泛应用。,33,1工业检测与控制主要应用：工业过程控制、智能控制、设备控制、数据采集和传输、测试、测量、监控等。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（
20、如机器人技术）中，单片机发挥着非常重要的作用。2仪器仪表目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积而易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。,34,3消费类电子产品例如，洗衣机、电冰箱、空调机、电风扇、电视机、微波炉、加湿机、消毒柜等。嵌入了单片机后，功能和性能大大提高，并实现智能化、最优化控制。4通讯在调制解调器、各类手机、传真机、程控电话交换机、信息网络及各种通讯设备中，单片机也已经得到广泛应用。5武器装备在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单
21、片机嵌入其中。,35,6各种终端及计算机外部设备计算机网络终端（如银行终端）以及计算机外部设备（如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等）中都使用了单片机作为控制器。7汽车电子设备已经广泛地应用在各种汽车电子设备中，如汽车安全系统、汽车信息系统、智能自动驾驶系统、卫星汽车导航系统、汽车紧急请求服务系统、汽车防撞监控系统、汽车自动诊断系统以及汽车黑匣子等。8分布式多机系统在较复杂多节点的测控系统中，常采用分布式多机系统。,36,一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。在这种系统中，单片机往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息
22、进行实时的测量和控制。从工业自动化、自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等方面，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。,1.5 单片机的发展趋势单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。为满足不同用户的要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。1CPU的改进（1）增加CPU数据总线宽度。例如，各种16位单片机和32位单片机，数据处理能力要优于8位单片机。另外，8位单片机内部采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机。（2）采用双CPU结构，以提高数据处理能力。,38,2存储器的发展（1）片内程序存储器普遍采用闪烁（Flash）存储器。可不用
23、外扩展程序存储器，简化系统结构。（2）加大存储容量。目前有的单片机片内程序存储器容量可达128KB甚至更多。3片内I/O的改进（1）增加并行口驱动能力，以减少外部驱动芯片。有的单片机可以直接输出大电流和高电压，以便能直接驱动LED和VFD（荧光显示器）。（2）有些单片机设置了一些特殊的串行I/O功能，为构成分布式、网络化系统提供方便条件。,39,4低功耗化CMOS化，功耗小，配置有等待状态、睡眠状态、关闭状态等工作方式。消耗电流仅在A或nA量级，适于电池供电的便携式、手持式的仪器仪表以及其它消费类电子产品。5外围电路内装化众多外围电路全部装入片内，即系统的单片化是目前发展趋势之一。例如，美国C
24、ygnal公司的C8051F020 8位单片机，内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS。片上集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测、,40,看门狗、多种类型的串行接口（两个UART、SPI）等。一片芯片就是一个“测控”系统。综上所述，单片机正在向多功能、高性能、高速度（时钟达40MHz）、低电压（2.7V即可工作）、低功耗、低价格（几元钱）、外围电路内装化以及片内程序存储器和数据存储器容量不断增大的方向发展。,41,1.6 MCS-51系列与AT89C5x系列单片机
25、20世纪80年代以来，发展迅速，世界一些著名厂商投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种，Intel公司的MCS-48、MCS-51，Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z8系列，Rockwell公司的6501、6502等。此外，荷兰的Philips公司、日本的NEC公司、日立公司等也相继推出了各自的产品。尽管机型很多，但是在20世纪80年代以及90年代，在我国使用最多的8位单片机还是Intel公司的MCS-51系列单片机以及与其兼容的单片机（称为51系列单片机）。,42,1.6.1 MCS-51系列单片机MCS是Intel公司单片机的系列符号，如MCS-48、MCS-5
26、1、MCS-96系列单片机。MCS-51系列是在MCS-48系列基础上于20世纪80年代初发展起来的，是最早进入我国，并在我国得到广泛应用的单片机主流品种。MCS-51系列单片机主要包括基本型：8031/8051/8751（低功耗型80C31/80C51/87C51）增强型：8032/8052/8752。已为我国广大技术人员所熟悉和掌握。在上世纪80年代和90年代，MCS-51系列是在我国应用最为广泛的单片机机型之一。MCS-51系列品种丰富，经常使用的是基本型和增强型。,43,（1）基本型典型产品：8031/8051/8751。8031内部包括1个8位CPU、128B RAM，21个特殊功能
27、寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，5个中断源，但片内无程序存储器，需外扩程序存储器芯片。8051是在8031的基础上，片内又集成有4KB ROM作为程序存储器。所以8051是一个程序不超过4KB的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的。8751与8051相比，片内集成的4KB EPROM取代了8051的4KB ROM来作为程序存储器。,44,（2）增强型 Intel公司在基本型基础上，推出增强型-52子系列，典型产品：8032/8052/8752。内部RAM增到256B，8052、片内程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器
28、增至3个，6个中断源，串行口通信速率提高5倍。表1-1列出了基本型和增强型的MCS-51系列单片机片内的基本硬件资源。1.6.2 AT89C5x（AT89S5x）系列单片机 20世纪80年代中期以后，Intel精力集中在高档CPU芯片的开发、研制上，淡出单片机芯片的开发和生产。,45,47,MCS-51系列设计上的成功，以及较高的市场占有率，已成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象。Intel公司以专利形式把8051内核技术转让给ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DALLAS等公司。生产的兼容机与8051兼容，采用CMOS工艺，因而常用80C51系
29、列单片机来称呼所有这些具有8051指令系统的单片机，这些兼容机的各种衍生品种统称为51系列单片机或简称为51单片机，是在8051的基础上又增加一些功能模块（称其为增强型、扩展型子系列单片机）。,48,近年来，世界上单片机芯片生产厂商推出的与8051（80C51）兼容的主要产品如表1-2所示。,在众多的衍生机型中，ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列，尤其是AT89C51/AT89S51和AT89C52/AT89S52在8位单片机市场中占有较大的市场份额。ATMEL公司1994年以E2PROM技术与Intel公司的80C51内核的使用权进行交换。ATMEL公司的技术优势是闪烁（Fl
30、ash）存储器技术，将Flash技术与80C51内核相结合，形成了片内带有Flash存储器的AT89C5x/AT89S5x系列单片机。,49,AT89C5x/AT89S5x系列与MCS-51系列在原有功能、引脚以及指令系统方面完全兼容。此外，某些品种又增加了一些新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP（在系统编程也称在线编程）及SPI串行接口技术等。片内Flash存储器允许在线（+5V）电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。另外，AT89C5x/AT89S5x单片机还支持由软件选择的两种节电工作方式，非常适于低功耗的场合。与MCS-51系列的87C51单片机相比，AT89C51/AT89S51
31、单片机片内的4KB Flash存储器取代了87C51片内的4KB EPROM。AT89S51片内的Flash存储器可在线编程或使用编程器,50,重复编程，且价格较低。因此AT89C51/AT89S51单片机作为代表性产品受到用户欢迎，AT89C5x/AT89S5x单片机是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。本书重点介绍AT89S51单片机的原理及应用系统设计。AT89S5x的“S”档系列机型是ATMEL公司继AT89C5x系列之后推出的新机型，代表性产品为AT89S51和AT89S52。基本型的AT89C51与AT89S51以及增强型的AT89C52与AT89S52的硬件结构和指令系
32、统完全相同。,使用AT89C51的系统，在保留原来软硬件的条件下，完全可以用AT89S51直接代换。与AT89C5x系列相比，AT89S5x系列的时钟频率以及运算速度有了较大的提高，例如，AT89S51工作频率的上限为24MHz，而AT89S51则为33MHz。AT89S51片内集成有双数据指针DPTR，看门狗定时器、具有低功耗空闲工作方式和掉电工作方式。目前，AT89S5x系列已逐渐取代AT89C5x系列。表1-3为ATMEL公司AT89C5x/AT89S5x系列单片机主要产品片内硬件资源。由于种类多，要依据实际需求来选择合适的型号。,52,53,表1-3 AT89C1051与AT89C20
33、51为低档机型，均为20只引脚。当低档机满足设计需求时，就不要采用较高档次的机型。例如，当系统设计时，仅仅需要一个定时器和几位数字量输出，那么选择AT89C1051或AT89C2051即可，不需选择AT89S51或AT89S52，因为后者要比前者的价格高，且前者体积也小。如对程序存储器和数据存储器的容量要求较高，还要单片机运行速度尽量要快，可考虑选择AT89S51/AT89S52，因为它们的最高工作时钟频率为33MHz。当程序需要多于8KB以上的空间可考虑选用片内Flash容量20KB的AT89C55。,54,表1-3中，“LV”代表低电压，它与AT89S51的主要差别是其工作时钟频率为12M
34、Hz，工作电压为2.76V，编程电压VPP为12V。AT89LV51的低电压电源工作条件可使其在便携式、袖珍式、无交流电源供电的环境中应用，特别适于电池供电的仪器仪表和各种野外操作的设备中。尽管AT89C5x/AT89S5x系列单片机有多种机型，但掌握好基本型AT89S51单片机十分重要，因为它们是具有8051内核的各种型号单片机的基础，最具典型性和代表性，同时也是各种增强型、扩展型等衍生品种的基础。本书以AT89S51作为51单片机的代表性机型来介绍单片机的原理及应用。,55,在我国，除8位单片机得到广泛应用外，16位单片机也得到了广大用户的青睐，例如，美国TI公司的16位单片机MSP430
35、和台湾的凌阳16位单片机。本身带有A/D转换器，一片芯片就构成了一个数据采集系统。设计使用非常方便。尽管这样，16位单片机还远远没有8位单片机应用的那样广泛和普及，因为目前的主要应用中，8位单片机的性能已能够满足大部分的实际需求，况且8位单片机的性能价格比也较好。在众多厂家生产的各种不同的8位单片机中，与MCS-51系列单片机兼容的各种51单片机，目前仍然是8位单片机的主流品种，若干年内仍是自动化、机电一体化、仪器仪表、工业检测控制应用的主角。,56,1.7 其它的51单片机世界各半导体器件厂家推出的以8051为内核的，各种集成度高、功能强的的增强型单片机。这些单片机目前也得到广大设计工程师的
36、青睐。1.7.1 ADC812单片机美国ADI(Analog Devicelnc)公司生产的高性能单片机，内部包含高精度的自校准8通道12位模数转换器，2通道12位数模转换器以及可编程的8位的与8051单片机兼容的MCU内核，指令系统与MCS-51系列兼容。片内有8KB Flash程序存储器、640B Flash数据存储器、256B数据SRAM(支持可编程)。,57,片内集成看门狗定时器、电源监视器以及ADCDMA功能。为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O线、包含有与I2C兼容的串行接口、SPI串行接口和标准UART串行接口I/O。ADC812的MCU内核和模数转换器均设有正常
37、、空闲和掉电工作模式，软件可控制从正常模式到空闲模式，也可切换到更省电的掉电模式。掉电模式，消耗总电流约5A。1.7.2 C8051Fxxx单片机美国Cygnal公司产品，集成度高，8051内核。典型产品为C8051F020。内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟周期，峰值处理能力为25MIPS。,58,片内资源：1个8位ADC、1个12位ADC、1个双12位DAC；64kB片内Flash程序存储器，256B RAM，128B SFR；8个IO端口共64根IO口线；5个16位通用定时器；5个捕捉比较模块的可编程计数定时器阵列（PCA），1个UART串行口、1个SMBus/I2C
38、串口、1个SPI串行口；2路电压比较器，VDD监视器(电源监测)，内置温度传感器。C8051Fxxx单片机最突出的改进是引入了数字交叉开关。数字交叉开关，改变以往内部功能与外部引脚的固定对应关系。它是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统,59,资源分配给端口I/O引脚。与具有标准复用数字I/O的单片机不同，该结构可支持所有功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出及单片机内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。允许用户根据自己的特定应用，选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。1.7.3 台湾华邦公司W78系列和W7
39、7系列单片机台湾华邦公司(Winbond)W78系列单片机与AT89C5x系列完全兼容，W77系列为增强型。W77系列对8051的时序作了改进：每个指令周期只需要4个,时钟周期，速度提高了三倍，工作频率最高可达40MHz。W77系列增加看门狗WatchDog、两组UART、两组DPTR数据指针（编写程序非常便利）、ISP（在系统可编程）等功能。片内集成了USB接口，语音处理等功能，具有6组外部中断源。华邦公司的W741系列的4位单片机带液晶驱动，在线烧录，保密性高，低工作电压(1.2V-1.8V)。,61,1.8 AVR系列单片机与PIC系列单片机除了51单片机外，目前某些非51单片机也得到了
40、较为广泛的应用，目前应用较广泛是AVR系列与PIC系列单片机，它们博采众长，具独特技术，受到广大设计工程师的关注。1.8.1 AVR系列单片机AVR系列是1997年ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生共同研发出的精简指令集(RISCReduced Instruction Set Computer)的高速8位单片机，简称AVR。特点如下：（1）高速、高可靠性、功能强、低功耗和低价位。,62,早期单片机采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使指令周期长，执行速度慢。以后的单片机虽采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(例如51单片机)。虽有某些精简指令集单片机
41、问世，但依旧沿袭对时钟分频的作法。AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法。采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将操作数与操,63,作码安排在一字之中，指令长度固定、指令格式与种类相对较少、寻址方式也相对较少，绝大部分指令都为单周期指令。取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种“高速度”是以高可靠性来保障的。（2）采用片内Flash存储器给用户的开发带来方便。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。,（3）丰
42、富的片内外设。定时器/计数器、看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源(自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位)，可设置的启动后延时运行程序，增强了单片机应用系统的可靠性。多种串口：如通用的异步串行口（UART），面向字节的高速硬件串行接口TWI（与I2C接口兼容）、SPI。此外还有ADC、PWM等部件。,65,（4）I/O口功能强、驱动能力大。AVR的工业级产品，具有大电流(最大可达40mA)，驱动能力强，可省去功率驱动器件，直接驱动可控硅SSR或继电器。AVR单片机的I/O口能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。I/O口的输入可设定为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，以便于满
43、足各种多功能I/O口应用的需要，具备10mA-20mA灌电流的能力。（5）低功耗。具有省电功能(Power Down)及休眠功能(Idle)的低功耗的工作方式。一般耗电在12.5 mA；典型功耗，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电。,66,有的器件最低1.8V即可工作。（6）支持程序的在系统编程（ISPIn System Program）即在线编程，开发门槛较低。只需一条ISP并口下载线，就可以把程序写入AVR单片机，所以使用AVR门槛低、花钱少。其中MEGA系列还支持在线应用编程（IAP，可在线升级或销毁应用程序）。（7）程序保密性好，不可破解的位加密锁Lock Bit技术，且具有多
44、重密码保护锁死(Lock)功能，使得用户编写的应用程序不被读出。,AVR单片机系列全，3个档次，适于各种不同要求：（1）低档Tiny系列:Tiny11/12/13/15/26/28等；（2）中档AT90S系列:AT90S1200/2313/8515/8535等；（3）高档ATmega系列:有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128 KB）以及ATmega8515/8535等。1.8.2 PIC系列单片机美国Microchip公司的产品。特性如下：（1）最大的特点是从实际出发，重视性能价格比，已经开发出多种型号来满足应用需求。例如，一个摩托车的点火器需要一
45、个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性,68,较高的小型单片机，若用40脚功能强的单片机，投资大，使用也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界最小的单片机。有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定时器、一根输入线、5根I/O线，价格非常便宜。用在摩托车点火器非常适合。PIC的高档型，如PIC16C74（尚不是最高档型号）有40个引脚，其内部资源为ROM共4K、192字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、3个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。可以和其它品牌的高档型号媲美。,69,（2）精简指令集使
46、执行效率大为提高。PIC系列8位单片机采用精简指令集（RISC），数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，指令单字长，且允许指令代码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用复杂指令结构（CISC）结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。（3）优越的开发环境。51单片机的开发系统大都采用高档型仿真低档型，实时性不理想。PIC推出一款新型号单片机的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。,70,（4）其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便
47、。（5）保密性好。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。（6）片内集成了看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。,（7）设有休眠和省电工作方式。可大大降低系统功耗并可采用电池供电。PIC单片机分低档型、中档型和高档型：（1）低档8位单片机PIC12C5XXX16C5X系列。PIC16C5X系列最早在市场上得到发展，价格低，有较完善的开发手段，因此在国内应用最为广泛；而PIC12C5XX是世界第一个8脚低价位单片机可用于简单的智能控制等要求体积小的场合，前景广阔。,72,（2）中档8位单片机P
48、IC12C6XX/PIC16CXXX系列。PIC中档产品是Microchip公司近年来重点发展的系列产品，品种最为丰富，其性能比低档产品有所提高，增加了中断功能，指令周期可达到200ns，带AD，内部E2PROM数据存储器，双时钟工作，比较输出，捕捉输入，PWM输出，I2C和SPI接口，异步串行接口（UART），模拟电压比较器及LCD驱动等等，其封装从8脚到68脚，可用于高、中、低档的电子产品设计中，价格适中，广泛应用在各类电子产品中。,73,（3）高档8位单片机PIC17CXX系列。适合高级复杂系统开发的产品，在中档位单片机的基础上增加了硬件乘法器，指令周期可达成160ns，它是目前世界上8
49、位单片机中性价比最高的机种，可用于高、中档产品的开发，如电机控制等。1.9 各类嵌入式处理器简介随着集成电路技术及电子技术的飞速发展，各种体系结构的处理器品种繁多，且都嵌入到系统中实现数据处理、数据传输和控制功能，各类嵌入式处理器为核心的嵌入式系统的应用，是当今电子信息技术应用的一大热点。,具有各种不同体系结构的处理器，构成了嵌入式处理器家族，是嵌入式系统的核心。全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，按体系结构主要分为如下几类：嵌入式微控制器（单片机）、嵌入式数字信号处理器（简称DSP）、嵌入式微处理器以及片上系统（SOC）等。,75,1.9.1 嵌入式微控制器（单片机）将用于测控
50、目的的计算机小系统集成到一块芯片中。一般以某一种微处理器内核为核心，片内集成 ROM/EPROM、RAM、总线及总线控制逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash存储器等各种必要的功能部件和外设。一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。使单片机与需求相匹配，减少功耗和成本。单片机最大特点是单片化，价廉，功耗和成本下降、可靠性提高。是目前嵌入式系统工业的主流。,76,1.9.2 嵌入式DSP处理器(DSP)DSP（Digital Signal Processor)，非常擅长于高速实
