单片机的应用与发展

祝同学们新学期学习进步生活愉快！单片机与接口应用技术陶国正主编苏州大学出版社高等职业教育规划教材一、课程的性质和目的单片机是微型计算机应用技术的一个重要分支，近年来在工业智能仪器仪表、光机电设备、自动化、信息处理、家电、汽车电子等领域得到广泛应用和迅速发展。《单片机与接口应用技术》是为自动化专业及计算机应用等专业学生开设的专业基础必修课或专业基础选修课，本课程的教学目的是通过理论教学与实验环节，使学生正确理解单片机的基本概念、基本原理，掌握单片机程序设计和微机接口应用的基本方法，并能综合运用单片机的软、硬件技术分析实际问题，为工业生产、科学研究和实验设备等领域的单片机应用和开发打下良好的基础。二、课程教学内容本课程以理论教学为主要环节，以学生课堂实验为辅，同时使用计算机辅助教学。第1章单片机的发展与应用基本概念介绍1.微处理器的概念MPU是微处理器的缩写（Microprocessor），简称为MP。MPU是集成在同一块芯片上的具有运算和控制功能逻辑的中央处理器。微处理器是构成微型计算机、单片微型计算机系统的基础。微型计算机组成结构微型计算机系统硬件微型计算机（主机）微处理器(CPU)软件外围设备运算器控制器存储器(内存)RAMROM外部设备辅助设备输入设备(键盘、扫描仪、语音识别仪…)输出设备(显示器、打印机、绘图仪、…)辅助存储器(磁带、磁盘、光盘)输入/输出接口(I/O接口)总线(AB、DB、CB)系统软件(操作系统，编辑、编译程序，故障诊断,监控程序…)应用软件(科学计算，工业控制，数据处理…)程序设计语言(机器语言、汇编语言、高级语言)电源电路时钟电路内部结构2．微型计算机系统实用的微型计算机系统是由硬件系统和软件系统共同构成的。两者是相辅相成的，缺一不可3．单片机的基本概念单片机SCMC(SingleChipMicroComputer)——是单片微型计算机的简称，也就是把微处理器（CPU）、一定容量的程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）、输入/输出接口（I/O）、时钟及其它一些计算机外围电路，通过总线连接在一起并集成在一个芯片上，构成的单片微型计算机。—属于微型机的一种—具有一般微机的基本组成和功能其它名称：微控制器MCU（MicroControllerUnit）嵌入式微控制器（embeddedmicrocontroller）主要用于工业控制领域思考：能否取代计算机？1.1单片机的发展1.1.1单片机的发展史：1976-1978初级8位单片机IntelMCS-48系列1978-1982高档8位单片机IntelMCS-51系列：-51子系列：8031/8051/8751-52子系列：8032/8052/8752低功耗型80C31高性能型80C252廉价型89C2051/10511982-199016位单片机IntelMCS-96系列8098/8096、80C198/80C19632位单片机809601990－微控制器全面发展数据位长1481632位。CPU处理能力和速度不断提高。增大片内RAM和ROM容量。增加片内I/O口和功能模块种类和数量。扩大对外部RAM/IO口和程序存储器寻址能力。缩小体积，降低功耗。1.1.2单片机的发展趋势COMS化：逐渐取代TTL电路CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极性半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。因为单片机芯片多数是采用CMOS半导体工艺生产。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速MOS）、CHMOS工艺。CHMOS是CMOS和HMOS工艺的结合。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。低功耗化：mA级降到µA级单片机的功耗已从mA级降到µA以下，使用电压在3～6V之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品便携化。低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3～6V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1～2V。目前0.8V供电的单片机已经问世。低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机厂家在单片机内部电路中都采取了新的技术措施。大容量化以往单片机内的ROM为1KB～4KB，RAM为64～128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外界扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。高性能化主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集结构和流水线，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高已达100MIPS（MillionInsructionPerSeconds,即兆指每秒），并加强了位处理功能、中断定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可用软件模拟其I/O功能，由此引入虚拟外设的新概念。小容量、低价格化与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展方向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路的控制电路单片机化，可广泛用于家电产品。外围电路内装化这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、数/模转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。串行扩展技术在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP（OneTimeProgramble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之外围电路接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是I2C、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计更少，单片机系统结构更加简化及规范化。1.2单片机的应用智能化仪器仪表如智能电度表、智能流量计等。单片机用于仪器仪表中，使之走向了智能化和微型化，扩大了仪器仪表功能，提高了测量精度和测量的可靠性。实时工业控制单片机可以构成各种工业测控系统、数据采集系统，如数控机床、汽车安全技术检测系统、工业机器人、过程控制等。网络与通信利用单片机的通信接口，可方便地进行多机通信，也可组成网络系统。如单片机控制的无线遥控系统。家用电器如全自动洗衣机、自动控温冰箱、空调机等。单片机用于家用电器，使其应用更简捷、方便，产品更能满足用户的高层次要求。计算机智能终端如计算机键盘、打印机等。单片机用于计算机智能终端，使之能够脱离主机而独立工作，尽量少占用主机时间，提高主机的计算速度和处理能力。大家讨论总结：单片机的应用特点控制应用：应用范围广泛软硬件结合：软硬件统筹考虑，不仅要会编程，还要有硬件的理论和实践知识。应用现场环境恶劣：电磁干扰、电源波动、冲击震动、高低温等环境因素的影响。要考虑芯片等级选择、接地技术、屏蔽技术、隔离技术、滤波技术、抑制反电势干扰技术等。应用空间大：工业自动化、仪器仪表、家用电器、信息和通信产品、军事装备等领域。返回本章首页1.3常用单片机芯片补充1.4数制与编码1.4.1数制的表示1.常用数制（1）十进制数我们熟悉的十进制数有两个主要特点：有十个不同的数字符号：0、1、2、…、9；低位向高位进、借位的规律是“逢十进一”“借一当十”的计数原则进行计数。例如：1234.45=1×103＋2×102＋3×101＋4×100＋4×10-1＋5×10-2式中的10称为十进制数的基数,103、102、101、100、10-1称为各数位的权。十进制数用D结尾表示。（2）二进制数在二进制中只有两个不同数码：0和1，进位规律是“逢二进一”“借一当二”的计数原则进行计数。二进制数用B结尾表示。例如，二进制数11011011.01可表示为：(11011011.01)2=1×27＋1×26＋0×25＋1×24＋1×23＋0×22＋1×21＋1×20＋0×2-1＋1×2-2（3）八进制数在八进制中有0、1、2…、7八个不同数码，采用“逢八进一”“借一当八”的计数原则进行计数。八进制数用Q结尾表示。例如，八进制数（503.04）Q可表示为：（503.04）Q=5×82+0×81+3×80+0×8-1+4×8-2（4）十六进制数在十六进制中有0、1、2…、9、A、B、C、D、E、F共十六个不同的数码，采用“逢十六进一”“借一当十六”的计数原则进行计数。十六进制数用H结尾表示。例如，十六进制数（4E9.27）H可表示为（4E9.27）H=4×162＋14×161＋9×160＋2×16-1＋7×16-22．不同进制数之间的相互转换表1列出了二、八、十、十六进制数之间的对应关系，熟记这些对应关系对后续内容的学习会有较大的帮助。表1各种进位制的对应关系十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F711177161000020108100010817100012111（1）二、八、十六进制数转换成为十进制数根据各进制的定义表示方式，按权展开相加，即可转换为十进制数。【例】将（10101）B，(72)Q，（49）H转换为十进制数。(10101)B=1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20=21(72)Q=7×81+2×80=58(49)H=4×161＋9×160=73（2）十进制数转换为二进制数十进制数转换二进制数,需要将整数部分和小数部分分开,采用不同方法进行转换,然后用小数点将这两部分连接起来。①整数部分：除2取余法。具体方法是：将要转换的十进制数除以2，取余数；再用商除以2，再取余数，直到商等于0为止，将每次得到的余数按倒序的方法排列起来作为结果。【例】将十进制数25转换成二进制数252121226023021101余数最低位最高位所以（25）D=11001B②小数部分：乘2取整法。具体方法是：将十进制小数不断地乘以2，直到积的小数部分为零（或直到所要求的位数）为止，每次乘得的整数依次排列即为相应进制的数码。最初得到的为最高有效数位，最后得到的为最低有效数字。【例】将十进制数0.625转换成二进制数。0.62521.25020.521.0101最高位最低位所以（0.625）D=0.101B【例】将十进制数25.625转换成二进制数，只要将上例整数和小数部分组合在一起即可，即(25.625)D=(11001.101)B十进制数转换为八进制数例如：将十进制193.12转换成八进制数。1932413003888余数最高位最低位0.1280.96087.68785.445取整最高位最低位所以（193.12）D(301.075)Q(3)二进制与八进制之间的相互转换采用“合三为一”的原则，即从小数点开始向左、右两边各以3位为一组进行二-八转换：若不足3位的以0补足，便可以将二进制数转换为八进制数。反之，每位八进制数用三位二进制数表示，就可将八进制数转换为二进制数。【例】将（10100101.01011101）2转换为八进制数。010100101.010111010245.272即(10100101.01011101)B=(245.272)Q【例】将(756.34)Q转换为二进制数。756.34111101110.011100即(756.34)Q=(111101110.0111)B(4)二进制与十六进制之间的相互转换采用“合四为一”的原则，即从小数点开始向左、右两边各以4位为一组进行二—十六转换，若不足4位的以0补足，便可以将二进制数转换为