單片機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用

1、單片機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用1單片機(jī)概述(1)單片機(jī)的概念與特點(diǎn)單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，又稱微控制器(Microcontroller Unit)或嵌埋式控制器(Embeded Controller)，是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化，使之集成一塊芯片上的微機(jī)。片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。單片機(jī)具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高、易于推廣應(yīng)用等明顯優(yōu)點(diǎn)。新型單片機(jī)可承擔(dān)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析、信號(hào)處理、機(jī)器人智能控制，以及圖象處理等復(fù)雜任務(wù)。目前，單片機(jī)已在自動(dòng)化裝置、智能化儀表、過

2、程控制和家用電器等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。(2)單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展單片機(jī)在近二十多年中得到了迅速發(fā)展。70年代中期，從微機(jī)家族中派生出新的一員，形成了一個(gè)新的分支：?jiǎn)纹⑿陀?jì)算機(jī)。它以價(jià)格低廉、功能完善、面向?qū)崟r(shí)控制為特征，以不求規(guī)模大、力爭(zhēng)小而全為宗旨，在一塊芯片上集成了構(gòu)成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的主要部件。1976年9月，美國(guó)Intel公司的MCS-48型單片機(jī)問世，成為單片機(jī)劃時(shí)代的里程碑。接著，美國(guó)Mostek和仙童公司共同研制和生產(chǎn)了3870系列單片機(jī)，Motorola公司推出了MC6801系列單片機(jī)。這階段單片機(jī)的特點(diǎn)是：片內(nèi)配置的存儲(chǔ)器(RAM/ROM)容量及提供的尋址空間較小(內(nèi)部ROM容量

3、不超過2k字節(jié)，RAM不超過128字節(jié)，尋址空間不超過4k字節(jié)，只有并行I/O接口，運(yùn)算指令功能較弱。1980年Intel公司在總結(jié)了MCS-48系列機(jī)的基礎(chǔ)上推出了8位高檔MCS-51系列單片機(jī)。它與MCS-48系列相比，硅片的面積擴(kuò)大為原來(lái)的1.4倍，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(ROM/EPROM)容量為原來(lái)的4倍，RAM容量增加了1倍，工作寄存器組擴(kuò)大了1倍，設(shè)有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；并行I/O接口增至4個(gè)口共32線，增設(shè)有全雙工串行I/O接口；擴(kuò)充了指令功能，進(jìn)步了執(zhí)行速度；存儲(chǔ)器尋址空間分別為擴(kuò)大到64kB等。可見其功能有了很大進(jìn)步。在此期間，各家公司相繼推出新的高檔8倍單片機(jī)。例如：Mot

4、orola公司推出了MC6801系列單片機(jī)；Zilog公司推出了Z-8系列單片機(jī)；Rokwel公司推出了6501/6502單片機(jī)；NEC公司推出了COM-78××系列單片機(jī)；TI公司推出了TMS-7000系列單片機(jī)。這階段的單片機(jī)的特點(diǎn)是：片內(nèi)ROM/EPROM容量達(dá)4k8k字節(jié)，RAM達(dá)128256字節(jié)，存儲(chǔ)器尋址空間(ROM/RAM)分別達(dá)64k字節(jié)，增設(shè)全雙工串行接口，擴(kuò)充了中斷源和優(yōu)先級(jí)，部分單片機(jī)還設(shè)置了A/D轉(zhuǎn)換接口等。指令功能進(jìn)一步增強(qiáng)，除增設(shè)乘、除、比較等運(yùn)算指令外，有的固化了BASIC、FORTH高級(jí)語(yǔ)言，有的可通過微程序化指令為用戶提供設(shè)計(jì)部分所需的指令

5、，使軟件更靈活與方便。設(shè)有位處理功能，進(jìn)步了運(yùn)算速度。后繼產(chǎn)品還擴(kuò)充了DMA、顯示接口、網(wǎng)絡(luò)控制等功能。這類單片機(jī)大大拓展了應(yīng)用領(lǐng)域，適用于復(fù)雜自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)、單機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用場(chǎng)合。這類產(chǎn)品屬8位高擋單片機(jī)。1983年Intel公司推出了MCS-96系列16位單片機(jī)。在一塊芯片上集成了13萬(wàn)以上個(gè)管子。片內(nèi)設(shè)有字長(zhǎng)16位的CPU，沒有累加器，而是采用寄存器寄存器結(jié)構(gòu)，8k字節(jié)的ROM，232字節(jié)的RAM，5個(gè)8位的I/O端口，一個(gè)全雙工I/O端口，專門的波特率發(fā)生器，具有高速的I/O系統(tǒng)，4或8通道的的10位A/D轉(zhuǎn)換器，8個(gè)中斷源。此外，設(shè)有脈寬調(diào)制輸出裝置，16位監(jiān)視定時(shí)器，4

6、個(gè)16位的軟件定時(shí)器和2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。可實(shí)現(xiàn)位、字節(jié)、字(16位)、雙字(32位)操縱，設(shè)有16×16位或32÷16位的乘、除法運(yùn)算。另外還可配置面向控制的PL/M和FORTH語(yǔ)言。緊接著，其他公司也都先后推出16位的單片機(jī)系列。例如：Motorola公司采用新的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，生產(chǎn)出MC68HC16Z1 16位單片機(jī)，它由內(nèi)部模塊總線(IMB)、CPU16系統(tǒng)集成模塊(SIM)、靜態(tài)RAM、通用定時(shí)器模塊(GPT)、隊(duì)列串行模塊(QSM)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)等組成。CPU16是一個(gè)真正的16位高速CPU，它與8位的MC68HC11 CPU向上兼容，具有兩個(gè)

7、16位的通用累加器和三個(gè)16位的變址寄存器，支持8位、16位、32位的存、儲(chǔ)和算術(shù)運(yùn)算。它可尋址1M字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和1M的程序存儲(chǔ)空間。它具有適合控制要求的靈敏字信號(hào)處理(DSP)功能。它支持高級(jí)語(yǔ)言，答應(yīng)使用高級(jí)語(yǔ)言(C語(yǔ)言)來(lái)編寫控制源程序，從而大大縮短軟件設(shè)計(jì)時(shí)間。其他公司，如Mostek公司推出了68200 16位單片機(jī)；TI公司推出了TMS-9900系列16位單片機(jī)；日本三菱公司研制出第一臺(tái)16位CMOS工藝的單片機(jī)。近幾年來(lái)，Intel和Motorola等公司先后推出更高擋的32位單片機(jī)，其功能極強(qiáng)，主要用于復(fù)雜的高層次系統(tǒng)。今后一段時(shí)期內(nèi)，單片機(jī)發(fā)展的總趨勢(shì)將是不斷推出高檔和

8、高性能的機(jī)型；重點(diǎn)進(jìn)步8位單片機(jī)的性能；采用新工藝，實(shí)現(xiàn)低功耗、寬電壓、高速度、高可靠性；以及日趨單片化等。(3)單片機(jī)在產(chǎn)業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中的應(yīng)用概況單片機(jī)具有全電腦功能，且體積小、可靠性高、價(jià)格便宜、簡(jiǎn)單易學(xué)和開發(fā)應(yīng)用方便，深受廣大科技職員的歡迎。單片機(jī)具有眾多的I/O口線，豐富的操縱指令，較強(qiáng)的邏輯能力，特別適用于各類產(chǎn)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)。在此領(lǐng)域，單片機(jī)的應(yīng)用主要有以下方面：過程控制：如電鍍工藝加工過程控制，塑料注射成型加工過程控制等。數(shù)據(jù)采集：產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程需要各類采集系統(tǒng)，如電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軋鋼機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，借此實(shí)現(xiàn)智能化丈量和自動(dòng)控制。智能化儀器儀表：如發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試儀和液壓系統(tǒng)參

9、數(shù)測(cè)試儀等。機(jī)電設(shè)備的現(xiàn)代化改進(jìn)：如將普通機(jī)床改為數(shù)控機(jī)床和將原生產(chǎn)線改為全自動(dòng)生產(chǎn)線等。將單片機(jī)應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)測(cè)控系統(tǒng)，有利于進(jìn)步測(cè)控精度和智能水平，有利于進(jìn)步設(shè)備的自動(dòng)化水平及可靠性，有利于降低生產(chǎn)本錢。(4)單片機(jī)技術(shù)的學(xué)習(xí)方法在學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)的過程中，以下幾點(diǎn)值得留意：努力把握微機(jī)技術(shù)的有關(guān)基本概念及其在單片機(jī)上的具體應(yīng)用，要通過對(duì)單片機(jī)與其他微機(jī)的聯(lián)系及區(qū)別的考察，加深對(duì)它的熟悉。努力把握單片機(jī)所采用的匯編語(yǔ)言。弄清各類指令的表達(dá)方式及含義，弄清指令的應(yīng)用范圍、作用及有關(guān)限定。弄清指令與計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。適當(dāng)補(bǔ)充一些有關(guān)電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，尤其留意把握好數(shù)字與邏輯電路的基礎(chǔ)知識(shí)。在學(xué)習(xí)有

10、關(guān)教科書的同時(shí)查閱相關(guān)的技術(shù)論文，以幫助理解并由此學(xué)習(xí)他人的成功經(jīng)驗(yàn)。為了便于理解有關(guān)概念，應(yīng)配一本計(jì)算機(jī)技術(shù)詞典。在學(xué)習(xí)書本知識(shí)的同時(shí)積極參與設(shè)計(jì)、編程和仿真調(diào)試等實(shí)踐活動(dòng)。實(shí)踐是技術(shù)學(xué)科學(xué)習(xí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。(5)第一講思考題什么是單片機(jī)?它有哪些特點(diǎn)及突出優(yōu)點(diǎn)?單片機(jī)在各個(gè)發(fā)展階段各有哪些功能特征?您所熟悉的機(jī)電裝置，哪些地方可采用單片機(jī)技術(shù)予以改進(jìn)?2MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理(1)概述盡管單片機(jī)不斷向縱深發(fā)展，但目前乃至今后若干年，8位機(jī)仍然是實(shí)際應(yīng)用中的主導(dǎo)產(chǎn)品。MCS-51系列是目前8位單片機(jī)的主流機(jī)型，在實(shí)時(shí)控制、智能化儀表等方面應(yīng)用最廣。因此，本講座將主要介紹MCS-51系

11、列單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)以片內(nèi)有無(wú)程序存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)的形式，分為3種基本產(chǎn)品：8051，8751和8031。8051單片機(jī)片內(nèi)含有掩膜ROM型程序存儲(chǔ)器。由于這種只讀存儲(chǔ)器中的程序要由單片機(jī)生產(chǎn)廠制作芯片時(shí)為用戶固化于片內(nèi)，所以只適用于批量極大、程序要永久性保存且不會(huì)修改的場(chǎng)合。8751片內(nèi)含有EPROM型程序存儲(chǔ)器，用戶可以把程序固化在EPROM中，需要修改時(shí)，可用紫外線光照擦除，然后又可寫進(jìn)新的用戶程序，但該芯片價(jià)格較高。8031片內(nèi)沒有程序存儲(chǔ)器，外部擴(kuò)展一片或多片含用戶程序的EPROM后，就相當(dāng)于一片8751，因而使用方便靈活，加之價(jià)格低廉，目前是應(yīng)用最廣的機(jī)型。MCS-51系列

12、增強(qiáng)性產(chǎn)品有8052、8752和8032，它們與8051、8751和8031相比分別增加了一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)中斷源、128字節(jié)片內(nèi)RAM以及4k字節(jié)程序存儲(chǔ)器(僅對(duì)8052、8752)。采用CHMOS-E工藝制造的80C51、87C51和80C31，除具有運(yùn)行時(shí)的低功耗外(16mA，5V)，還具備空閑(IDLE)操縱和掉電(POWER DOWN)操縱兩種既節(jié)電又能保存片內(nèi)信息的工作方式。此外，87C51還具備二級(jí)程序存儲(chǔ)器加密電路和智能編程算法。MCS-51系列單片機(jī)主要產(chǎn)品及特點(diǎn)見下表。表MCS-51系列單片機(jī)主要產(chǎn)品類型及特點(diǎn)子系列片內(nèi)ROM形式片內(nèi)ROM容量片內(nèi)RAM容量尋址范圍I

13、/O特性中斷源無(wú)ROMEPROM計(jì)數(shù)器并行口串行口518031805187514KB128B2×64KB2×164×81580C3180C5187C514KB128B2×64KB2×164×815528032805287528KB256B2×64KB3×164×81680C3280C5287C528KB256B2×64KB3×164×816(2)MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部組成及信號(hào)引腳MCS-51的基本組成MCS-51單片機(jī)(此處以8051為例)芯片的基本組成如圖1所示：圖

14、18051芯片的內(nèi)部組成框圖現(xiàn)扼要介紹圖中各組成部分。a.中心處理器(CPU)。它是單片機(jī)的核心，包括運(yùn)算器和控制器兩個(gè)主要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)算和控制功能。運(yùn)算器主要包括算術(shù)邏輯運(yùn)算部件(ALU)、位處理器、累加器A、寄存器B、緩存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進(jìn)制調(diào)整電路等。其主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、位操縱及數(shù)據(jù)傳送等?？刂破髦饕蓵r(shí)鐘和時(shí)序電路以及一些控制寄存器組成。其主要功能是協(xié)調(diào)整個(gè)單片機(jī)的工作，產(chǎn)生時(shí)序脈沖和提供控制信號(hào)等。b.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MCS-51系列單片機(jī)芯片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共有128個(gè)存儲(chǔ)單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。為了與外部擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相

15、區(qū)別，通常稱芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)部RAM。c.程序存儲(chǔ)器。8051芯片內(nèi)部有4KB掩膜ROM，8751芯片內(nèi)部有4KB EPROM，用來(lái)存放程序和原始數(shù)據(jù)。通常稱之為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器或內(nèi)部ROM。d.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。MCS-51共有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。e.并行I/O口。MCS-51共有四個(gè)8位的I/O口(即P0、P1、P2和P3)，用以完成數(shù)據(jù)的并行輸進(jìn)/輸出。f.串行I/O口。MCS-51有一個(gè)全雙工串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他計(jì)算機(jī)或設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。g.中斷控制系統(tǒng)。MCS-51共有5個(gè)中斷源，分高和低兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別。MCS-51的信

16、號(hào)引腳MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路，其引腳排列及邏輯符號(hào)如圖2所示。(a)引腳排列(b)邏輯符號(hào)圖2MCS-51單片機(jī)引腳和邏輯符號(hào)圖現(xiàn)扼要介紹各引腳的功能。a.主電源引腳Vss-(20腳)：地線Vcc-(40腳)：+5V電源b.外接晶振或外部振蕩器引腳XTAL1-(19腳)：當(dāng)采用芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，接外部晶振的一個(gè)引腳；當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，此腳應(yīng)接地。XTAL1-(18腳)：當(dāng)采用芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，接外部晶振的一個(gè)引腳；當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，外部信號(hào)由此腳輸進(jìn)。c.控制、選通或電源復(fù)用引腳RST/Vp0-(9腳)：復(fù)位信號(hào)輸進(jìn)；Vcc掉電后，此腳可接上備用電源，在低功

17、耗條件下保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。ALE/PROG-(30腳)：ALE即答應(yīng)地址鎖存信號(hào)輸出，當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)該腳的輸出信號(hào)用于鎖存P0的低8位地址，其輸出的頻率為時(shí)鐘振蕩頻率的1/6。PROG為編程脈沖輸進(jìn)端，當(dāng)選用8751單片機(jī)時(shí)，由此腳輸進(jìn)編程脈沖。-(29腳)：訪問外部程序存儲(chǔ)器選通訊號(hào)，低電平有效，用于實(shí)現(xiàn)外部程序存儲(chǔ)器的讀操縱。/Vpp-(31腳)：EA為訪問內(nèi)部或外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，EA=0，單片機(jī)只訪問外部程序存儲(chǔ)器，故對(duì)8031此腳只能接地；EA1，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，固對(duì)8051和8751此腳應(yīng)接高電平，但若程序指針PC值超過4KB(OFFFH)范圍，單片機(jī)將自動(dòng)訪問外部程序存儲(chǔ)器。d.多功能I/O引腳P0口-(3239腳)：P0數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線端口。P1口-(18腳)：P1靜態(tài)通用端口。P2口-(2128腳)：P2動(dòng)