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单片机技术及其应用资料
单片机技术及其应用
1单片机概述
(1)单片机的概念与特点
单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)简称单
片机,又称微控制器
(MicrocontrollerUnit)或嵌埋式控制器(Embeded
Controller),是将计算机的基本部件微型化,使之集成一
块芯片上的微机。
片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串
行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。
单片机具有体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等明显优点。
新型单片机可承担数据与数值
分析、信号处理、机器人智能控制,以及图象处理等复杂任务。
目前,单片机已在自动化装置、智能化仪表、过程控制和家用电器等领域得到日益广泛的应用。
(2)单片机技术的发展
单片机在近二十多年中得到了迅速发展。
70年代中期,
从微机家族中派生出新的一员,形成了一个新的分支:
单
片微型计算机。
它以价格低廉、功能完善、面向实时控制
为特征,以不求规模大、力争小而全为宗旨,在一块芯片
上集成了构成一台计算机的主要部件。
1976年9月,美国
Intel公司的MCS-48型单片机问世,成为单片机划时代的
里程碑。
接着,美国Mostek和仙童公司共同研制和生产了
3870系列单片机,Motorola公司推出了MC6801系列单片
机。
这阶段单片机的特点是:
片内配置的存储器(RAM/ROM)
容量及提供的寻址空间较小(内部ROM容量不超过2k字节,
RAM不超过128字节,寻址空间不超过4k字节,只有并行
I/O接口,运算指令功能较弱。
1980年Intel公司在总结了MCS-48系列机的基础上推
出了8位高档MCS-51系列单片机。
它与MCS-48系列相比,
硅片的面积扩大为原来的1.4倍,片内程序存储器
(ROM/EPROM)容量为原来的4倍,RAM容量增加了1倍,工作
寄存器组扩大了1倍,设有两个16位定时器/计数器;并行
I/O接口增至4个口共32线,增设有全双工串行I/O接口;
扩充了指令功能,进步了执行速度;存储器寻址空间分别
为扩大到64kB等。
可见其功能有了很大进步。
在此期间,
各家公司相继推出新的高档8倍单片机。
例如:
Motorola
公司推出了MC6801系列单片机;Zilog公司推出了Z-8系
列单片机;Rokwel公司推出了6501/6502单片机;NEC公司
推出了μCOM78-××系列单片机;TI公司推出了TMS-7000
系列单片机。
这阶段的单片机的特点是:
片内ROM/EPROM
容量达4k~8k字节,RAM达128~256字节,存储器寻址空
间(ROM/RAM)分别达64k字节,增设全双工串行接口,扩充了中断源和优先级,部分单片机还设置了A/D转换接口等。
指令功能进一步增强,除增设乘、除、比较等运算指令外,有的固化了BASIC、FORTH高级语言,有的可通过微程序化指令为用户提供设计部分所需的指令,使软件更灵活与方便。
设有位处理功能,进步了运算速度。
后继产品还扩充
了DMA、显示接口、网络控制等功能。
这类单片机大大拓展了应用领域,适用于复杂自动测控系统、智能化系统、单机局部网络等应用场合。
这类产品属8位高挡单片机。
1983年Intel公司推出了MCS-96系列16位单片机。
在一块芯片上集成了13万以上个管子。
片内设有字长16位的
CPU,没有累加器,而是采用寄存器——寄存器结构,8k
字节的ROM,232字节的RAM,5个8位的I/O端口,一个全双工I/O端口,专门的波特率发生器,具有高速的I/O系统,4或8通道的的10位A/D转换器,8个中断源。
此外,设有脉宽调制输出装置,16位监视定时器,4个16位的软件定时器和2个16位的定时器/计数器。
可实现位、字节、字(16
位)、双字(32位)操纵,设有16×16位或32÷16位的乘、除法运算。
另外还可配置面向控制的PL/M和FORTH语言。
紧接着,其他公司也都先后推出16位的单片机系列。
例如:
Motorola公司采用新的模块化设计技术,生产出MC68HC16Z116位单片机,它由内部模块总线(IMB)、CPU16系统集成模块(SIM)、静态RAM、通用定时器模块(GPT)、队列串行模块(QSM)、模数转换模块(ADC)等组成。
CPU16
是一个真正的16位高速CPU,它与8位的MC68HC11CPU向上兼容,具有两个16位的通用累加器和三个16位的变址寄存器,支持8位、16位、32位的存、储和算术运算。
它可寻址1M字节的数据存储空间和1M的程序存储空间。
它具有适合控制要求的灵敏字信号处理(DSP)功能。
它支持高级语言,答应使用高级语言(C语言)来编写控制源程序,从而大大缩短软件设计时间。
其他公司,如Mostek公司推出了6820016位单片机;TI公司推出了TMS-9900系列16位单片机;日本三菱公司研制出第一台16位CMOS工艺的单片机。
近几年来,Intel和Motorola等公司先后推出更高挡
的32位单片机,其功能极强,主要用于复杂的高层次系统。
今后一段时期内,单片机发展的总趋势将是不断推出
高档和高性能的机型;重点进步8位单片机的性能;采用新
工艺,实现低功耗、宽电压、高速度、高可靠性;以及日
趋单片化等。
(3)单片机在产业测控领域中的应用概况
单片机具有全电脑功能,且体积小、可靠性高、价格
便宜、简单易学和开发应用方便,深受广大科技职员的欢
迎。
单片机具有众多的I/O口线,丰富的操纵指令,较强
的逻辑能力,特别适用于各类产业测控系统。
在此领域,
单片机的应用主要有以下方面:
①过程控制:
如电镀工艺加工过程控制,塑料注射成
型加工过程控制等。
②数据采集:
产业生产过程需要各类采集系统,如电厂运行数据采集系统和轧钢机运行数据采集系统等,借此实现智能化丈量和自动控制。
③智能化仪器仪表:
如发动机油耗测试仪和液压系统参数测试仪等。
④机电设备的现代化改进:
如将普通机床改为数控机床和将原生产线改为全自动生产线等。
将单片机应用于产业测控系统,有利于进步测控精度和智能水平,有利于进步设备的自动化水平及可靠性,有利于降低生产本钱。
(4)单片机技术的学习方法
在学习单片机技术的过程中,以下几点值得留意:
①努力把握微机技术的有关基本概念及其在单片机上的具体应用,要通过对单片机与其他微机的联系及区别的考察,加深对它的熟悉。
②努力把握单片机所采用的汇编语言。
弄清各类指令的表达方式及含义,弄清指令的应用范围、作用及有关限定。
弄清指令与计算机结构的关系。
③适当补充一些有关电子技术的基础知识,尤其留意把握好数字与逻辑电路的基础知识。
④在学习有关教科书的同时查阅相关的技术论文,以帮助理解并由此学习他人的成功经验。
为了便于理解有关概念,应配一本计算机技术词典。
⑤在学习书本知识的同时积极参与设计、编程和仿真
调试等实践活动。
实践是技术学科学习的关键环节。
(5)第一讲思考题
①什么是单片机?
它有哪些特点及突出优点?
②单片机在各个发展阶段各有哪些功能特征?
③您所熟悉的机电装置,哪些地方可采用单片机技术
予以改进?
2MCS-51单片机的结构与工作原理
(1)概述
尽管单片机不断向纵深发展,但目前乃至今后若干年,
8位机仍然是实际应用中的主导产品。
MCS-51系列是目前8
位单片机的主流机型,在实时控制、智能化仪表等方面应
用最广。
因此,本讲座将主要介绍MCS-51系列单片机。
MCS-51系列单片机以片内有无程序存储器及存储的形
式,分为3种基本产品:
8051,8751和8031。
8051单片机片内含有掩膜ROM型程序存储器。
由于这
种只读存储器中的程序要由单片机生产厂制作芯片时为用
户固化于片内,所以只适用于批量极大、程序要永久性保
存且不会修改的场合。
8751片内含有EPROM型程序存储器,用户可以把程序
固化在EPROM中,需要修改时,可用紫外线光照擦除,然
后又可写进新的用户程序,但该芯片价格较高。
8031片内没有程序存储器,外部扩展一片或多片含用
户程序的EPROM后,就相当于一片8751,因而使用方便灵
活,加之价格低廉,目前是应用最广的机型。
MCS-51系列增强性产品有8052、8752和8032,它们与
8051、8751和8031相比分别增加了一个定时器/计数器、一
个中断源、128字节片内RAM以及4k字节程序存储器(仅对8052、8752)。
采用CHMOSⅡ-E工艺制造的80C51、87C51
和80C31,除具有运行时的低功耗外(16mA,5V),还具备空
闲(IDLE)操纵和掉电(POWERDOWN)操纵两种既节电又能保存片内信息的工作方式。
此外,87C51还具备二级程序存储器加密电路和智能编程算法。
MCS-51系列单片机主要产品及特点见下表。
表MCS-51系列单片机主要产品类型及特点
片内ROM形式
片
I/O特性
子
内
片内
中
寻址
串
系
ROMRAM
计数
并行
断
无
ROMEPROM
范围
行
列
容
容量
器
口
源
口
量
8031
80518751
4KB
128B
2×64KB
2×16
4×8
1
5
51
80C3180C5187C51
4KB
128B
2×64KB
2×16
4×8
1
5
8032
80528752
8KB
256B
2×64KB
3×16
4×8
1
6
52
80C3280C5287C52
8KB
256B
2×64KB
3×16
4×8
1
6
(2)MCS-51系列单片机的内部组成及信号引脚
①MCS-51的基本组成
MCS-51单片机(此处以8051为例)芯片的基本组成如图1所
示:
图18051芯片的内部组成框图
现扼要介绍图中各组成部分。
a.中心处理器(CPU)。
它是单片机的核心,包括运算器
和控制器两个主要组成部分,用于实现运算和控制功能。
运算器主要包括算术逻辑运算部件(ALU)、位处理器、累加
器A、寄存器B、缓存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器
PSW以及十进制调整电路等。
其主要功能是实现数据的算
术运算、逻辑运算、位操纵及数据传送等。
控制器主要由
时钟和时序电路以及一些控制寄存器组成。
其主要功能是
协调整个单片机的工作,产生时序脉冲和提供控制信号等。
b.数据存储器。
MCS-51系列单片机芯片数据存储器共
有128个存储单元,用于存放可读写的数据。
为了与外部扩
展的数据存储器相区别,通常称芯片内部的数据存储器为
内部数据存储器,简称内部RAM。
c.程序存储器。
8051芯片内部有4KB掩膜ROM,8751
芯片内部有4KBEPROM,用来存放程序和原始数据。
通常称
之为内部程序存储器或内部ROM。
d.定时器/计数器。
MCS-51共有两个16位的定时器/计
数器,以实现定时和计数功能。
e.并行I/O口。
MCS-51共有四个8位的I/O口(即P0、P1、P2和P3),用以完成数据的并行输进/输出。
f.串行I/O口。
MCS-51有一个全双工串行口,以实现单片机和其他计算机或设备之间的串行数据传送。
g.中断控制系统。
MCS-51共有5个中断源,分高和低两
个优先级别。
②MCS-51的信号引脚
MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路,其引脚
排列及逻辑符号如图2所示。
(a)引脚排列(b)逻辑符号
图2MCS-51单片机引脚和逻辑符号图
现扼要介绍各引脚的功能。
a.主电源引脚
Vss-(20脚):
地线
Vcc-(40脚):
+5V电源
b.外接晶振或外部振荡器引脚
XTAL1-(19脚):
当采用芯片内部时钟信号时,接外部
晶振的一个引脚;当采用外部时钟信
号时,此脚应接地。
XTAL1-(18脚):
当采用芯片内部时钟信号时,接外部
晶振的一个引脚;当采用外部时钟信
号时,外部信号由此脚输进。
c.控制、选通或电源复用引脚
RST/Vp0-(9脚):
复位信号输进;Vcc掉电后,此脚可
接上备用电源,在低功耗条件下保持
内部RAM中的数据。
ALE/PROG-(30脚):
ALE即答应地址锁存信号输出,当
单片机访问外部存储器时该脚的输出
信号用于锁存P0的低8位地址,其输出的频率为时钟振荡
频率的1/6。
PROG为编程脉冲输进端,
当选用8751单片机时,由此脚输进编程脉冲。
-(29脚):
访问外部程序存储器选通讯号,低
电平有效,用于实现外部程序存储器的
读操纵。
/Vpp-(31脚):
EA为访问内部或外部程序存储器
选择信号,EA=0,单片机只访问外部程
序存储器,故对8031此脚只能接地;EA=1,单片机访问内
部程序存储器,固对8051和8751此脚
应接高电平,但若程序指针PC值超过4KB(OFFFH)范围,单
片机将自动访问外部程序存储器。
d.多功能I/O引脚
P0口-(32~39脚):
P0数据/地址复用总线端口。
P1口-(1~8脚):
P1静态通用端口。
P2口-(21~28脚):
P2动态端口。
P3口-(10~17脚):
P3双功能静态端口。
除作I/O端口
外,它还提供特殊的第二功能,其具
体含义为:
P3.0-(10脚)RXD:
串行数据接收端。
P3.1-(11脚)TXD:
串行数据发送端。
P3.2-(12脚)INT0:
外部中断0请求端,低电平有效。
P3.3-(13脚)INT1:
外部中断1请求端,低电平有效。
P3.4-(14脚)T0:
定时器/计数器0计数输进端。
P3.5-(15脚)T1:
定时器/计数器1计数输进端。
P3.6-(16脚)WR:
外部数据存储器写选通,低电平有效。
P3.7-(17脚)RD:
外部数据存储器读选通,低电平有效。
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