第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。　

　

　

　

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）

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：　

　

　

　

　

　

?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：　

G单片机硬件结构　

G单片机功能　

G单片机的特性　

G语言　

G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)

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

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）　

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：　

n 32位　

nＣＰＵ处理能力和速度不断提高。

n增大片内ＲＡＭ和ＲＯＭ容量。

n增加片内Ｉ／Ｏ口和功能模块种类和数量。

n扩大对外部ＲＡＭ／ＩＯ口和程序存储器寻址能力。

n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：　

G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。　

G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。　

G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）。　

GＡＴＭＥＬ的８９Ｃ２０５１小型化２０脚　

G兼容产品：华邦（ＷＩＮＢＯＮＤ）的Ｗ７８Ｅ５１等。　

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

GＰＨＩＬＩＰＳ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　

内含２个精确比较器，可构成２路Ａ／Ｄ　

２个１６位定时器　

全双工串行通讯口和Ｉ２Ｃ通讯接口　

所有口线２０ｍＡ驱动能力　

有空闲／掉电省电模式（掉电电流１ｕＡ）　

l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，

　

　

　

　

　

l改进：提高ＣＰＵ的速度，存储器，保密功能，低功耗，ＷＤＴ等等。串行Ｉ２Ｃ总线。　

　

　

　

　

　三、单片机应用　

１．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。　

２．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。　

３．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　

４．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。　５．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

ｎ＝７　转／秒

　２．当转速很低时可以采用测量周期法：　

　

周期

　

　

３．提高测量精度：

１．当转速很高时可以采用测量频率法：　

　

　

　l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。　

l动触头运动速度不能无限制的提高，受其机械强度的限制。　

l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：　

　

　

　

　

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　

a只要Ｓ足够小，可得到每Ｓ内的平均速度。　

　

Ｃ．

　

　

　

　

　

　

aｔ＝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　

　

只要测量每个周期的时间Ｔｉ　

Ｖｉ＝Ｓ／Ｔｉ　

　

　

　

Ｔｉ

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

四、单片机应用系统的开发方法　

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：　

l硬件电路设计、组装、调试。　

l应用软件的编制、调试。　

l应用软件的链接调试、固化、脱机运行。　

　

２．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。　

l应用系统硬件电路的诊断与检查　

l程序的输入与修改　

l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　

l固化ＥＰＲＯＭ　

其次还应有：　

l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。　

l占用单片机的硬件资源最少，且有全速跟踪调试、运行能力。　

l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。　

　Array　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

五、硬件设计、软件设计　

系统设计应考虑：　2 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。　

2 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。　2 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。　

2 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：　

2 了解实际应用对象、现场环境。如：抗干扰、要求响应速度等。　

2 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。　2 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。　

2 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。　2 成本、功耗、体积等。　2 通讯

六、逻辑部件　

可参考《标准集成电路手册－ＴＴＬ》　

　

　

１．

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）　

７４ＬＳ３２　四或门

　

　

３． 非　（Ｆ＝　Ａ　）　

　

　

Ａ　Ｂ　

Ｆ　０　０　０　１　０　１　０　１　１　１　１　１　Ａ　Ｆ　０　１　

１　０　

Ａ　Ｂ　Ａ　Ｂ　

Ａ　Ｆ （国际通用符

４．异或　（Ｆ＝Ａ　⊕　Ｂ）

　

７４ＬＳ８６　四２异或门

　

　

　

　

　

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）　

　

　

　

　

　

＊表示无关　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

Ａ　Ｂ　

Ｆ　

０　０　０　

１　０　１　

０　１　１　

１　１　０　

Ｄ　

ＣＰ　

Ｑ　

７． 三态门　

l 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）。　

l 作用：用于在同一根线上传递不同信号源的信息。

Ｃ＝１：Ｙ与Ａ无关　

l 例：总线（７４ＨＣ２４０，７４ＨＣ２４４）　

双向总线（７４ＨＣ２４５）