57第1章 绪论

第1章绪论Date:2020/1/23Page:1机械工程系单片机与接口技术杨福合TEL:13513626928EMAIL:[e-mail]中北大学机械工程与自动化学院第1章绪论Date:2020/1/23Page:2机械工程系第1章绪论Date:2020/1/23Page:3机械工程系第1章绪论Date:2020/1/23Page:4机械工程系第1章绪论Date:2020/1/23Page:5机械工程系第1章绪论Date:2020/1/23Page:6机械工程系第1章绪论Date:2020/1/23Page:7机械工程系1.1电子计算机的发展概述1.1.1电子计算机的问世及其经典结构1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世，这标志着计算机时代的到来。第1章绪论Date:2020/1/23Page:8机械工程系◆ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。◆与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。第1章绪论Date:2020/1/23Page:9机械工程系匈牙利籍数学家冯·诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。（EDVAC-ELECTRONICDISCRETEVARIABLEAUTOMATICCOMPUTER）存储器输出设备输入设备控制器运算器第1章绪论Date:2020/1/23Page:10机械工程系电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：﹡电子管计算机；﹡晶体管计算机；﹡集成电路计算机；﹡大规模集成电路计算机；﹡超大规模集成电路计算机。计算机的结构仍然没有突破冯·诺依曼提出的计算机的经典结构框架。第1章绪论Date:2020/1/23Page:11机械工程系1.1.2微型计算机的组成及其应用形态一、微型计算机的组成1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器（即Intel4004）。4004微处理器第1章绪论Date:2020/1/23Page:12机械工程系微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连。微处理器存储器I/O接口I/O设备地址总线AB数据总线DB控制总线CB第1章绪论Date:2020/1/23Page:13机械工程系二、微型计算机的应用形态从应用形态上，微机可以分成三种：◆多板机（系统机）将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。工业PC机也属于多板机。第1章绪论Date:2020/1/23Page:14机械工程系◆单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单板机第1章绪论Date:2020/1/23Page:15机械工程系单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。第1章绪论Date:2020/1/23Page:16机械工程系◆单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。三种应用形态的比较：单板机单片机系统机（多板机）第1章绪论Date:2020/1/23Page:17机械工程系系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。第1章绪论Date:2020/1/23Page:18机械工程系1.2单片机的发展过程及产品近况1.2.1单片机的发展过程单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：◆单芯片微机形成阶段1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。特点：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。第1章绪论Date:2020/1/23Page:19机械工程系◆性能完善提高阶段1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。特点：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。第1章绪论Date:2020/1/23Page:20机械工程系MCS-51系列单片机配置一览表系列片内存储器（字节）定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntel51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15Intel52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20条引脚DIP封装）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40条引脚DIP封装）128/2562/33215/6第1章绪论Date:2020/1/23Page:21机械工程系第1章绪论Date:2020/1/23Page:22机械工程系◆微控制器化阶段特点：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。第1章绪论Date:2020/1/23Page:23机械工程系1.2.2单片机产品近况﹡ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列；﹡Philips公司的80C51、80C552系列；﹡华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列；﹡ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列；﹡LG公司的GMS90/97低压高速系列；﹡Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列；﹡Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机。◆80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：第1章绪论Date:2020/1/23Page:24机械工程系◆非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：﹡Intel的MCS-96系列16位单片机；﹡Microchip的PIC系列RISC单片机；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗单片机。第1章绪论Date:2020/1/23Page:25机械工程系1.3单片机的特点及应用领域1.3.1单片机的特点近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。◆控制性能和可靠性高实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。第1章绪论Date:2020/1/23Page:26机械工程系◆体积小、价格低、易于产品化单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少。从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。第1章绪论Date:2020/1/23Page:27机械工程系1.3.2单片机的应用领域◆智能仪器仪表单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。第1章绪论Date:2020/1/23Page:28机械工程系◆机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。第1章绪论Date:2020/1/23Page:29机械工程系◆实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。第1章绪论Date:2020/1/23Page:30机械工程系◆分布式系统的前端模块在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。第1章绪论Date:2020/1/23Page:31机械工程系◆家用电器家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。第1章绪论Date:2020/1/23Page:32机械工程系1.4单片机应用系统开发简介◆正确无误的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发。一、根据系统需要，设计并绘制电气原理图工具软件：Protel99、Protel2004、ProtelDXP第1章绪论Date:2020/1/23Page:33机械工程系二、生成印刷电路板工具软件：Protel99Protel2004ProtelDXP第1章绪论Date:2020/1/23Page:34机械工程系三、焊接外围元器件四、编制系统软件五、仿真调试六、烧录程序RS-232C目标系统仿真头仿真器第1章绪论Date:2020/1/23Page:35机械工程系思考题与习题1.第一台计算机的问世有何意义？2.计算机由哪几部分组成？3.微型计算机由哪几部分构成？4.微处理器与微型计算机有何区别？5.什么叫单片机？其主要特点有哪些？6.微型计算机有哪些应用形式？各适于什么场合？7.当前单片机的主要产品有哪些？各有何特点？8.简述单片机的开发过程。9.常用的单片机应用系统开发方法有哪些？