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1、单片机及其应用开发单片机及其应用开发董滔david_第一页,编辑于星期一:十二点 十八分。背景:背景:n单片机课程是嵌入式系统专业方向的重单片机课程是嵌入式系统专业方向的重要课程,也是嵌入式系统的重要分支;要课程,也是嵌入式系统的重要分支;n单片机技术主要运用于控制、通信等领单片机技术主要运用于控制、通信等领域,在生产、生活中应用十分广泛;域,在生产、生活中应用十分广泛;n学好单片机技术要求软件硬件都要熟悉,学好单片机技术要求软件硬件都要熟悉,软件方面主要涉及到程序设计软件方面主要涉及到程序设计(C语言语言),硬件则主要是电子技术,并根据被控对硬件则主要是电子技术,并根据被控对象的不同采用不同
2、的硬件电路。象的不同采用不同的硬件电路。第二页,编辑于星期一:十二点 十八分。本课程讨论的范围:本课程讨论的范围:n无操作系统的嵌入式开发;无操作系统的嵌入式开发;n软件硬件紧密结合的开发;软件硬件紧密结合的开发;n采用采用C语言和汇编开发;语言和汇编开发;n以以8位单片机位单片机AVR系列单片机中的系列单片机中的Mega16为例;为例;第三页,编辑于星期一:十二点 十八分。学习方法学习方法n1、选择自己感兴趣的领域不断深入;兴、选择自己感兴趣的领域不断深入;兴趣是最好的老师;趣是最好的老师;n2、动手实验,实践出真知!、动手实验,实践出真知!n3、软件硬件相结合,着力夯实嵌入式基、软件硬件相
3、结合,着力夯实嵌入式基本功。本功。第四页,编辑于星期一:十二点 十八分。评价方式:评价方式:1、注重动手实践、注重课程作品;、注重动手实践、注重课程作品;2、注重综合运用技能,淡化死记硬背、注重综合运用技能,淡化死记硬背的知识;的知识;第五页,编辑于星期一:十二点 十八分。推荐读物:推荐读物:n本课教材通俗易懂,希望能够认真阅读!本课教材通俗易懂,希望能够认真阅读!n嵌入式硬件设计,徐君明译,嵌入式硬件设计,徐君明译,中国中国电力出版社电力出版社n深入浅出深入浅出AVR单片机,江海波单片机,江海波 王卓王卓然然 耿德根编著,中国电力出版社;耿德根编著,中国电力出版社;nAVR单片机数据手册单片
4、机数据手册;n学习网站:学习网站:http:/ 十八分。1 单片机的概述单片机的概述 1.1 单片机的定义单片机的定义 1.2 单片机的产生单片机的产生 1.3 单片机的发展历史单片机的发展历史 2 单片机的基本结构和特点单片机的基本结构和特点 2.1 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构 2.2 单片机的基本结构单片机的基本结构 2.3 单片机的特点单片机的特点 3 单片机的应用单片机的应用第七页,编辑于星期一:十二点 十八分。1 单片机的概述单片机的概述v1.1 单片机的定义单片机的定义什么叫单片机?什么叫单片机?第八页,编辑于星期一:十二点 十八分。单片机是早期单片机是早期单片微型计
5、算机单片微型计算机(single chip microcomputer)的直译。的直译。随着单片机体系结构的不断完善和控制功能的随着单片机体系结构的不断完善和控制功能的不断扩展,国际上逐渐采用不断扩展,国际上逐渐采用微控制器微控制器MCU(MicroController Unit)来代替,并成为公认的、来代替,并成为公认的、统一的名称。统一的名称。在单片机诞生之初,这是一个准确的称谓。在单片机诞生之初,这是一个准确的称谓。由于国内一直使用由于国内一直使用“单片机单片机”的称呼,已约定的称呼,已约定俗成,所以目前仍采用俗成,所以目前仍采用“单片机单片机”这一名词。这一名词。第九页,编辑于星期一:
6、十二点 十八分。单片机单片机是利用半导体集成技术将微型计算是利用半导体集成技术将微型计算机的微处理器机的微处理器(CPU)、存储器、存储器(ROM/RAM)、输、输入输出接口入输出接口(I/O)和定时器和定时器/计数器、中断系计数器、中断系统、通讯接口等电路集成在统、通讯接口等电路集成在一块芯片一块芯片上形成上形成的的芯片级微型计算机芯片级微型计算机。单片机是一块芯片。单片机是一块芯片。第十页,编辑于星期一:十二点 十八分。各种各样的单片机各种各样的单片机第十一页,编辑于星期一:十二点 十八分。单片机如何产生?单片机如何产生?第十二页,编辑于星期一:十二点 十八分。v1.2 单片机的产生单片机
7、的产生从计算机说起从计算机说起 1946 1946年,世界第一台电子计算机年,世界第一台电子计算机ENIACENIAC(Electronic Numerical Integrator And Electronic Numerical Integrator And calculatorcalculator)由美国宾夕法尼亚大学研制,运算)由美国宾夕法尼亚大学研制,运算速度速度 5000 5000次次/秒,功耗秒,功耗150kw/h150kw/h,占地,占地170m170m2 2,造造价价100100万美元。万美元。开始了计算机迅速发展的时代开始了计算机迅速发展的时代第十三页,编辑于星期一:十二点
8、 十八分。世界第一台电子计算机世界第一台电子计算机ENIAC第十四页,编辑于星期一:十二点 十八分。19461958年,第一代计算机:年,第一代计算机:电子管计算机电子管计算机。逻。逻辑元件采用的是电子管;主存储器采用磁鼓、磁芯;外存储器辑元件采用的是电子管;主存储器采用磁鼓、磁芯;外存储器采用磁带采用磁带。电子管计算机电子管计算机第十五页,编辑于星期一:十二点 十八分。19581964年,第二代计算机:年,第二代计算机:晶体管计算机晶体管计算机。逻。逻辑元件为晶体管;主存储器仍用磁芯;外存储器已开始使用磁辑元件为晶体管;主存储器仍用磁芯;外存储器已开始使用磁盘盘。(1959年年)晶体管计算机
9、晶体管计算机IBM7090第十六页,编辑于星期一:十二点 十八分。19641971年,第三代计算机:年,第三代计算机:集成电路计算机集成电路计算机。逻辑。逻辑元件已开始采用小规模和中规模的集成电路,主存储器仍以磁元件已开始采用小规模和中规模的集成电路,主存储器仍以磁芯为主。芯为主。(1964年年)第一台采用集成电路的计算机第一台采用集成电路的计算机IBM360第十七页,编辑于星期一:十二点 十八分。1971年以后,出现第四代计算机,逻辑元件采用年以后,出现第四代计算机,逻辑元件采用大规模、超大规模集成电路为主要部件。内存储器逻辑大规模、超大规模集成电路为主要部件。内存储器逻辑元件开始采用半导体
10、存储器,外存储器采用磁盘和光盘。元件开始采用半导体存储器,外存储器采用磁盘和光盘。(1971年年)采用大规模集成电路的计算机采用大规模集成电路的计算机IBM370-145第十八页,编辑于星期一:十二点 十八分。20世纪世纪70年代初,年代初,微处理器微处理器问世问世 20世纪世纪70年代中期,为了满足广泛应用的需要,微型年代中期,为了满足广泛应用的需要,微型计算机向着计算机向着两个不同的方向发展两个不同的方向发展:诞生了以微处理器为核心部件所构成的诞生了以微处理器为核心部件所构成的微型计算机微型计算机。第十九页,编辑于星期一:十二点 十八分。(1)高速度、大容量、高性能的高速度、大容量、高性能
11、的高档微型计算机方高档微型计算机方向向。这一分支形成日后大家熟知的。这一分支形成日后大家熟知的PC机和一些用机和一些用于科学研究、超高速计算的巨型计算机。于科学研究、超高速计算的巨型计算机。PCIBM巨型计算机巨型计算机第二十页,编辑于星期一:十二点 十八分。(2)功能完善、稳定可靠、体积小、价格低廉、面功能完善、稳定可靠、体积小、价格低廉、面向控制的向控制的单片机方向单片机方向。第二十一页,编辑于星期一:十二点 十八分。在工业控制领域,人们对计算机提出了许多与传统海在工业控制领域,人们对计算机提出了许多与传统海量高速数值计算量高速数值计算完全不同的控制要求完全不同的控制要求,如能面向控制对,
12、如能面向控制对象,便于控制变量的的输入象,便于控制变量的的输入/输出,能够适应工业现场较输出,能够适应工业现场较为恶劣的工作环境,体积小巧,能嵌入控制系统内部等为恶劣的工作环境,体积小巧,能嵌入控制系统内部等。单片机单片机由芯片内仅有由芯片内仅有CPU的微处理器发展而来。最的微处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成到复杂的而对芯片中,使计算机系统更小,更容易集成到复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。从此以后,单片机和微体积要求严格的控制设备当中。从此以后,单片机和微处理器的发展便分道
13、扬镳。处理器的发展便分道扬镳。第二十二页,编辑于星期一:十二点 十八分。单片机经历了怎样的发展?单片机经历了怎样的发展?第二十三页,编辑于星期一:十二点 十八分。v1.3 单片机的发展历史单片机的发展历史 第一阶段第一阶段(19711974):1971年年11月美国月美国Intel公司首先设计出集成度为公司首先设计出集成度为2000只晶体管的只晶体管的4位微处理器位微处理器Intel 4004,并且配有,并且配有随机存取存储器随机存取存储器RAM、只读存储器、只读存储器ROM和移位寄存器等和移位寄存器等芯片,构成第一台芯片,构成第一台MCS-4微型计算机。微型计算机。1974年年,美国美国Fa
14、irchild(仙童仙童)公司研制出世界第一台公司研制出世界第一台8位位单片微型计算机单片微型计算机F8,深受家用电器和仪表仪器领域的,深受家用电器和仪表仪器领域的欢迎和重视,从此拉开了研制单片机的序幕。欢迎和重视,从此拉开了研制单片机的序幕。1972年年4月月,Intel公司又研制成功了处理能力较强公司又研制成功了处理能力较强的的8位微处理器位微处理器Intel 8008。第二十四页,编辑于星期一:十二点 十八分。Intel 4004Fairchild F8Intel 8008第二十五页,编辑于星期一:十二点 十八分。第二阶段第二阶段(19741978):单片机初级阶段。以单片机初级阶段。以
15、Intel公司的公司的MCS-48为代表。这为代表。这个系列单片机内集成有个系列单片机内集成有8位位CPU、并行、并行I/O接口、接口、8位定时器位定时器/计数器,寻址范围不大于计数器,寻址范围不大于4K。Intel 8048第二十六页,编辑于星期一:十二点 十八分。第三阶段第三阶段(19781983):单片机的完善阶段。在这一阶段推出的单片机普遍单片机的完善阶段。在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口,中断处理系统、定时器带有串行口,中断处理系统、定时器/计数器。片内计数器。片内RAM、ROM容量加大,且寻址范围可达容量加大,且寻址范围可达64KB,有的,有的片内还带有片内还带有A/D转换器接
16、口。这类单片机有转换器接口。这类单片机有Intel公司公司的的MCS-51、Motorola公司的公司的6801和和Zilog公司的公司的Z8等。这类单片机的应用领域极其广泛,其中等。这类单片机的应用领域极其广泛,其中MCS-51系系列产品,以其优良的性能价格比,成为我国广大科技人列产品,以其优良的性能价格比,成为我国广大科技人员的首选。员的首选。Intel MCS-51系列被奉为系列被奉为“工业控制单片机标准工业控制单片机标准”,奠定了典型的单片机体系结构奠定了典型的单片机体系结构第二十七页,编辑于星期一:十二点 十八分。Intel 8051Motorola 6801Zilog Z8第二十八
17、页,编辑于星期一:十二点 十八分。第四阶段第四阶段(19831990):单片机的巩固和发展阶段。此阶段主要特征是一方面发单片机的巩固和发展阶段。此阶段主要特征是一方面发展展16位单片机,如位单片机,如Intel MCS-96;另一方面不断完善高;另一方面不断完善高档档8位单片机,以满足不同用户需要,如位单片机,以满足不同用户需要,如Intel 80C51。单。单片机开始体现出微控制器的特征,并逐渐向片机开始体现出微控制器的特征,并逐渐向微控制器微控制器发展。发展。1984年年intel出售了出售了8051的核心技术:的核心技术:Philips、Atmel、Adi发展至今形成一个有近千种型号的庞
18、大的发展至今形成一个有近千种型号的庞大的51单片机家单片机家族。族。第二十九页,编辑于星期一:十二点 十八分。Intel 80C51Intel 8096第三十页,编辑于星期一:十二点 十八分。第五阶段第五阶段(1990以后以后):微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面、深入地发展和应用,许多半导体和电气厂商都参与面、深入地发展和应用,许多半导体和电气厂商都参与到单片机的研制和生产当中,推出了适合不同领域的单到单片机的研制和生产当中,推出了适合不同领域的单片机,如各种高速、低功耗、大存储容量、强运算能力片机,如各种高速、低功耗、大存储容量、
19、强运算能力的的8位位/16位位/32位单片机。众多单片机厂商在竞争中发展,位单片机。众多单片机厂商在竞争中发展,取长补短,使得单片机不断发展完善。取长补短,使得单片机不断发展完善。目前主要单片机厂商:目前主要单片机厂商:Motorola、Philips、Atmel、Siemens、NS、LG、Winbond、Microchip、Epson、Nec、Cypress、Dallas、Oki、Fairchild、Fujitsu、Hitachi、SAMSUNG、台湾凌阳、台湾凌阳第三十一页,编辑于星期一:十二点 十八分。目前国内常见的单片机:目前国内常见的单片机:AT89SXX系列单片机系列单片机LPC
20、系列单片机系列单片机PIC系列单片机系列单片机MSP430系列单片机系列单片机SPMC65系列单片机系列单片机AVR系列单片机系列单片机第三十二页,编辑于星期一:十二点 十八分。单片机里面有什么?单片机里面有什么?第三十三页,编辑于星期一:十二点 十八分。2 单片机的基本结构和特点单片机的基本结构和特点 单片机属于微型计算机的一种,它集成了微单片机属于微型计算机的一种,它集成了微型计算机中大部分功能部件,两者的基本结构型计算机中大部分功能部件,两者的基本结构一样一样第三十四页,编辑于星期一:十二点 十八分。v2.1 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构以微处理器以微处理器CPU为核心,以总
21、线为信息传输中枢,配上为核心,以总线为信息传输中枢,配上存储器和输入输出接口电路组成的计算机称为存储器和输入输出接口电路组成的计算机称为微型计算微型计算机机。第三十五页,编辑于星期一:十二点 十八分。v2.2 单片机的基本结构单片机的基本结构单片机是芯片级的微型计算机单片机是芯片级的微型计算机 将将微型计算机微型计算机的基本组成部分的基本组成部分(CPU、ROM/RAM、I/O)和和定时器定时器/计数器、中断系统集成到计数器、中断系统集成到一块芯片一块芯片上。上。第三十六页,编辑于星期一:十二点 十八分。这样的单片机有什么好?这样的单片机有什么好?第三十七页,编辑于星期一:十二点 十八分。v2
22、.3 单片机的特点单片机的特点v集成度高、体积小、功能强、速度快集成度高、体积小、功能强、速度快 与微型计算机相比,单片机由于其独特的结构决定了它与微型计算机相比,单片机由于其独特的结构决定了它具有以下特点:具有以下特点:如如AVRAVR单片机单片机MEGA64MEGA64:内部集成了:内部集成了CPUCPU、Flash(64KB)Flash(64KB)、EEPROM(2K)EEPROM(2K)、SRAM(4K)SRAM(4K)、ADCADC、T/CT/C、UARTUART体积只有:体积只有:1616 1.2(mm)运行速度可达运行速度可达16MIPSv价格低价格低 单片机生产厂商众多单片机生
23、产厂商众多,生产批量大生产批量大,成本低成本低,价格低价格低.一般的单片机在一般的单片机在10元以内元以内.第三十八页,编辑于星期一:十二点 十八分。v功耗低功耗低 如如MSP430F4794,其,其正常运行正常运行(1MHz,2.2V)时仅时仅消耗消耗280uA的电流的电流v抗干扰能力强抗干扰能力强 单片机单片机CPU访问存储器、访问存储器、I/O接口的总线在芯片内接口的总线在芯片内部,因而不易受外界干扰;另一方面由于体积小,在部,因而不易受外界干扰;另一方面由于体积小,在应用环境比较差的情况下,容易采取对系统进行电磁应用环境比较差的情况下,容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施屏蔽等措施第三十九
24、页,编辑于星期一:十二点 十八分。v使用方便使用方便 单片机内部功能强,系统扩展方便,因此应用单片机内部功能强,系统扩展方便,因此应用系统的外围硬件设计非常简单,而且国内外提供很系统的外围硬件设计非常简单,而且国内外提供很多单片机开发工具,它们具有很强的软硬件调试功多单片机开发工具,它们具有很强的软硬件调试功能和辅助设计手段,这使单片机的应用极为方便,能和辅助设计手段,这使单片机的应用极为方便,大大缩短了系统研制的周期。大大缩短了系统研制的周期。单片机编程器单片机编程器单片机仿真器单片机仿真器第四十页,编辑于星期一:十二点 十八分。单片机芯片能用在什么地方?单片机芯片能用在什么地方?第四十一页
25、,编辑于星期一:十二点 十八分。3 单片机的应用单片机的应用 由于单片机的优越控制性能和性价由于单片机的优越控制性能和性价比,易于开发成电子产品,因而获得了比,易于开发成电子产品,因而获得了极其广泛的应用,主要概括为以下几个极其广泛的应用,主要概括为以下几个方面:方面:第四十二页,编辑于星期一:十二点 十八分。1.智能仪器仪表智能仪器仪表 单片机用于各种仪器仪表,一方面增强了仪器仪表的性能,提高单片机用于各种仪器仪表,一方面增强了仪器仪表的性能,提高了精度,同时还简化了仪器仪表的结构;另一方面,用单片机可方便了精度,同时还简化了仪器仪表的结构;另一方面,用单片机可方便地改造原有的仪器仪表,使其
26、向数字化、智能化、多功能化发展,完地改造原有的仪器仪表,使其向数字化、智能化、多功能化发展,完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、数字示波器成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、数字示波器等。等。压力表压力表万用表万用表转速表转速表示波器示波器电子称电子称第四十三页,编辑于星期一:十二点 十八分。2.测控系统测控系统 单片机可应用于各种工业实时控制系统、数据采集系统、调单片机可应用于各种工业实时控制系统、数据采集系统、调速系统等。例如:温度控制系统,生产线自动控制系统,水闸速系统等。例如:温度控制系统,生产线自动控制系统,水闸自动控制系统,电动机控制系统等。自动控制系
27、统,电动机控制系统等。啤酒自动生产线啤酒自动生产线电机控制电机控制温度控制温度控制第四十四页,编辑于星期一:十二点 十八分。3.机电一体化产品机电一体化产品 机电一体化产品是集机械技术、自动化技术、微电子技术和计算机技机电一体化产品是集机械技术、自动化技术、微电子技术和计算机技术为一体,具有智能化特征的机电产品。单片机与传统的机械产品结合,术为一体,具有智能化特征的机电产品。单片机与传统的机械产品结合,是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更是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更新换代,例如:机器人,数控机床,点钞机,传真机,复印机,打印机新换代,
28、例如:机器人,数控机床,点钞机,传真机,复印机,打印机等。等。数控机床数控机床第四十五页,编辑于星期一:十二点 十八分。4.家用电器家用电器 家用电器是单片机的又一重要应用领域,前景十分广阔。单片家用电器是单片机的又一重要应用领域,前景十分广阔。单片机的使用,提高了家电的功能,使操作方便,故障率低,成本低。机的使用,提高了家电的功能,使操作方便,故障率低,成本低。如电视机、空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、微波炉、高档玩具如电视机、空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、微波炉、高档玩具等。等。第四十六页,编辑于星期一:十二点 十八分。5.网络和通信网络和通信 现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地
29、与计算机现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为计算机网络和通信设备间的应用提供了极好进行数据通信,为计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。如手机、电话机、无线对讲机、楼宇自动通信呼叫系统等。如手机、电话机、无线对讲机、楼宇自动通信呼叫系统等。第四十七页,编辑于星期一:十二点 十八分。6.医疗设备医疗设备 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等
30、。各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。氧气浓度监护仪氧气浓度监护仪血液分析仪血液分析仪医用呼吸机医用呼吸机超声诊断仪超声诊断仪第四十八页,编辑于星期一:十二点 十八分。7.交通领域交通领域 在交通领域,单片机也有广泛的应用,例如:车辆检测系统,在交通领域,单片机也有广泛的应用,例如:车辆检测系统,交通灯控制系统,停车场管理系统等。交通灯控制系统,停车场管理系统等。停车场管理停车场管理车辆检测车辆检测交通灯控制交通灯控制第四十九页,编辑于星期一:十二点 十八分。单片机单片机已渗透到人类生活的各个领域,成为生活中不已渗透到人类生活的各个领域,成为生活中不可缺少的部分。可缺少的部分。
31、此外,单片机在汽车、工商、金融、科研、教育和国此外,单片机在汽车、工商、金融、科研、教育和国防航空航天等领域都有十分广泛的应用。防航空航天等领域都有十分广泛的应用。第五十页,编辑于星期一:十二点 十八分。课后任务课后任务1 1、上网收集关于单片机开发的相关信息,包括、上网收集关于单片机开发的相关信息,包括国内常用的单片机型号、国内常用的单片机型号、AVRAVR单片机的特点、单片机的特点、单片机的常见应用等单片机的常见应用等(下次课提问下次课提问);2 2、课后阅读:、课后阅读:v教材第一章第一二节教材第一章第一二节第五十一页,编辑于星期一:十二点 十八分。电解电容漏电流测试仪电解电容漏电流测试仪第五十二页,编辑于星期一:十二点 十八分。电解电容分选机智能控制器电解电容分选机智能控制器第五十三页,编辑于星期一:十二点 十八分。螺杆式空气压缩机控制器螺杆式空气压缩机控制器第五十四页,编辑于星期一:十二点 十八分。便携式数字压力表便携式数字压力表第五十五页,编辑于星期一:十二点 十八分。比例阀控制器比例阀控制器第五十六页,编辑于星期一:十二点 十八分。
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