單片機(jī)原理及應(yīng)用（第二版） 課件 第1章 單片機(jī)系統(tǒng)概述

第1章單片機(jī)系統(tǒng)概述1.1概述1.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)及設(shè)計簡介1.3單片機(jī)的學(xué)習(xí)方法習(xí)題1

1.1概述

1.1.1單片機(jī)及其發(fā)展

單片機(jī)全稱為單片微型計算機(jī)(SingleChipMicrocomputer，SCM)，又稱微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)或嵌入式控制器(EmbeddedController)。在單片機(jī)誕生時，SCM是一個準(zhǔn)確的稱謂。單片機(jī)是相對于單板機(jī)而言的，是指將CPU、并行I/O接口、定時/計數(shù)器、RAM、ROM等功能部件集成在一塊芯片上的計算機(jī)。

單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是與微電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展分不開的，大體分為五個階段。

第一階段(1971—1976年)：初級階段。

第二階段(1976—1980年)：低性能階段。

第三階段(1980—1983年)：高性能階段。

第四階段(1983—1990年)：16位機(jī)階段。

第五階段(1990年至今)：新一代單片機(jī)階段。

1.1.2單片機(jī)的發(fā)展趨勢

1.低功耗

MCS-51系列的8031推出時的功耗達(dá)630mW，而目前的單片機(jī)隨著制造工藝、工作頻率、工作電壓等方面的改變，其功耗越來越低。NMOS工藝單片機(jī)逐漸被CMOS工藝單片機(jī)所代替，功耗得以大幅度下降。

2.多功能、微型化

目前的單片機(jī)功能強(qiáng)大，而且體積小、重量輕。常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口、中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上；增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)等功能模塊。

3.高速度

微處理器(MicroProcessorUnit，MPU)發(fā)展中表現(xiàn)出來的速度越來越快是以時鐘頻率越來越高為標(biāo)志的，而單片機(jī)則有所不同。為提高單片機(jī)抗干擾能力，降低噪聲、降低時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展之追求。

4.多品種

現(xiàn)在，雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以8051為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有Philips公司的產(chǎn)品、Atmel公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond系列單片機(jī)。所以，8051為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。

5.長壽命

這里所說的長壽命，一方面指用單片機(jī)開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作10到20年，另一方面指與微處理器相比，其壽命長。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，MPU更新?lián)Q代的速度越來越快，以386、486、586為代表的MPU在很短的時間內(nèi)就被淘汰出局，而傳統(tǒng)的單片機(jī)，如68HC05、8051等面世已超過30年。

6.低噪聲與高可靠性技術(shù)

為提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片機(jī)商家在單片機(jī)內(nèi)部電路中采取了一些新的技術(shù)措施。如美國國家半導(dǎo)體公司(NS)的COP8單片機(jī)內(nèi)部增加了抗EMI電路，增強(qiáng)了“看門狗”的性能；Motorola也推出了低噪聲的LN系列單片機(jī)。

7.?OTP與掩膜

OTP(OneTimeProgrammable)是一次性寫入的單片機(jī)。過去認(rèn)為一個單片機(jī)產(chǎn)品的成熟是以投產(chǎn)掩膜型單片機(jī)為標(biāo)志的。由于掩膜需要一定的生產(chǎn)周期，而OTP型單片機(jī)價格不斷下降，使得直接使用OTP完成最終產(chǎn)品制造更為流行。

8.?MTP向OTP挑戰(zhàn)

MTP是可多次編程的意思。一些單片機(jī)廠商以MTP的性能、OTP的價位推出他們的單片機(jī)，如Atmel的AVR單片機(jī)，片內(nèi)采用Flash存儲器，可多次編程；華邦(Winbond)公司生產(chǎn)的8051兼容的單片機(jī)也采用了MTP性能、OTP的價位。這些單片機(jī)都使用了ISP技術(shù)，可先安裝到印刷板、線路板上以后再下載程序。

1.1.3單片機(jī)的應(yīng)用

單片機(jī)有著一般微處理器(MPU)芯片所不具備的功能，它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能；能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)。

1.在智能儀表中的應(yīng)用

智能儀表是單片機(jī)應(yīng)用最多最活躍的領(lǐng)域之一。在各類儀器儀表中引入單片機(jī)，可使儀器儀表智能化，提高測試的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價格比。

2.在人工智能方面的應(yīng)用

人工智能是模擬人的感覺與思維的一門學(xué)科，單片機(jī)技術(shù)可以模擬人的視覺、聽覺、觸覺和聯(lián)想、啟發(fā)、推理及思維過程，例如特殊行業(yè)的機(jī)器人、醫(yī)療領(lǐng)域的專家診斷系統(tǒng)等，都是人工智能的應(yīng)用范例。

3.在實時控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

單片機(jī)廣泛用于各種實時過程控制的系統(tǒng)中，例如工業(yè)過程控制、過程監(jiān)測、航空航天、尖端武器、機(jī)器人系統(tǒng)等各種實時控制系統(tǒng)。

4.在人們生活中的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外各種家電已經(jīng)普遍用單片機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制電路，例如洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、微波爐、電飯煲、收音機(jī)、音響、電風(fēng)扇及許多高級電子玩具都配上了單片機(jī)。

5.在其他方面的應(yīng)用

單片機(jī)還廣泛應(yīng)用于辦公自動化、商業(yè)營銷、安全防衛(wèi)、汽車、通信系統(tǒng)、計算機(jī)外部設(shè)備、模糊控制等領(lǐng)域。

1.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)及設(shè)計簡介

1.2.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)及組成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，配以輸入、輸出、顯示、控制等外圍電路和軟件，能實現(xiàn)一種或多種功能的實用系統(tǒng)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)；軟件在硬件的基礎(chǔ)上對其資源進(jìn)行合理調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)。二者相互依賴，缺一不可。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成如圖1.1所示。

圖1.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成

圖1.1中，硬件包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、接口電路及外設(shè)(人機(jī)交互通道、輸入通道、輸出通道、通信及其他電路)等；軟件包括在硬件基礎(chǔ)上實現(xiàn)各種功能的應(yīng)用程序。單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、復(fù)位電路、時鐘電路以及擴(kuò)展的程序、數(shù)據(jù)存儲器等組成。

輸出通道指由單片機(jī)對外部設(shè)備發(fā)出的各種輸出信號所經(jīng)過的途徑。在通道中可對信號進(jìn)行各種處理，如隔離、放大(驅(qū)動)、轉(zhuǎn)換、濾波等。

1.2.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)

一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)從提出任務(wù)到正式投入運行的過程，稱為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。一般開發(fā)可按以下步驟進(jìn)行：需求分析，可行性分析，系統(tǒng)總體方案設(shè)計，單元硬件/軟件設(shè)計及調(diào)試，系統(tǒng)調(diào)試及修改，完成產(chǎn)品。

1)需求分析。

(2)可行性分析。

(3)系統(tǒng)總體方案設(shè)計。

(4)單元硬件/軟件設(shè)計及調(diào)試。

(5)系統(tǒng)調(diào)試及修改。

(6)完成產(chǎn)品。

1.2.3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計原則

1．可靠性高

高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個方面考慮：

(1)使用可靠性高的元器件、典型的電路和成熟的技術(shù)；

(2)采用冗余技術(shù)；

(3)設(shè)計電路板時布線和接地要合理，嚴(yán)格按要求安裝硬件設(shè)備及電路；

(4)對供電電源采用抗干擾措施；

(5)輸入/輸出通道采用抗干擾措施；

(6)進(jìn)行軟、硬件濾波；

(7)使系統(tǒng)具有自診斷功能。

2．操作維護(hù)方便

在進(jìn)行系統(tǒng)的軟/硬件設(shè)計時，應(yīng)從使用者的角度考慮，盡可能地方便用戶操作和維護(hù)，盡量減少對操作人員專業(yè)知識的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此，在設(shè)計時，要盡可能減少人機(jī)交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡化的方法。

3．性價比高

單片機(jī)除體積小、功耗低等特點外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性價比是其中一個關(guān)鍵因素。

4．設(shè)計周期短

只有縮短設(shè)計周期，才能有效地降低設(shè)計費用，充分發(fā)揮新系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢和時效性，及早占領(lǐng)市場并具備一定的競爭力。

1.3單片機(jī)的學(xué)習(xí)方法

單片機(jī)是一門實踐性很強(qiáng)的實用技術(shù)，實際應(yīng)用時會涉及許多有關(guān)的知識(數(shù)電、模電、傳感器、控制、通信等知識)，所以要求在學(xué)習(xí)過程中不但要掌握書中的內(nèi)容，還要通過各種實踐對單片機(jī)的內(nèi)容及有關(guān)其他課程的知識進(jìn)一步加強(qiáng)、鞏固和融合，為今后單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的分析和開發(fā)打好堅實的基礎(chǔ)。

在學(xué)習(xí)的各個階段應(yīng)注意以下幾點：

(1)起步階段，主要是學(xué)習(xí)單片機(jī)的初期(第1章和第2章)。學(xué)習(xí)的內(nèi)容及要求主要是：了解單片機(jī)的情況，特別是目前和今后的發(fā)展情況；掌握單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、基本性能及其工作原理；熟悉單片機(jī)的內(nèi)部資源的構(gòu)成、功能和工作原理。

(2)了解階段，主要是通過學(xué)習(xí)對單片機(jī)有一個較完整的了解(第3、4、5章)。學(xué)習(xí)的內(nèi)容及要求主要是：掌握單片機(jī)各個功能塊的組成、性能和作用；掌握單片機(jī)指令系統(tǒng)、指令的功能和編程方法，熟悉常用的基本指令；掌握常用系統(tǒng)擴(kuò)展的基本方法和技術(shù)，熟悉常用擴(kuò)展芯片的結(jié)構(gòu)、工作原理和功能。

(3)入門階段，主要是通過對單片機(jī)的深入學(xué)習(xí)，對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)建立一個初步的了解，具備初步的設(shè)計能力(第6、7章)。學(xué)習(xí)的內(nèi)容及要求主要是：掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成；熟悉軟、硬件設(shè)計的一般原則和方法。

習(xí)題1

1．什么是微型計算機(jī)及系統(tǒng)？它是由哪幾部分組成的？2．什么是單片機(jī)？它由哪幾部分組成？什么是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)？單片機(jī)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)之間是什么關(guān)系？3．說明微型計算機(jī)及系統(tǒng)與單片機(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)各自的特點，并說明二者的區(qū)別。4．除了附錄?Ⅲ?的網(wǎng)站，你能否再找到與單片機(jī)有關(guān)的其他網(wǎng)站？

5．到目前為止，你見過哪幾個公司的哪些型號的單片機(jī)？請羅列其中幾種，并說明其特點。

6．除了書中羅列的單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域外，請你再舉幾個應(yīng)用單片機(jī)的例子。

7．請你舉出在你身邊都有哪些家電、設(shè)備中使用了單片機(jī)。

8．請列舉到目前為止你知道的具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的單片機(jī)，其特點是什么？

9．第一款單片機(jī)是哪個國家的哪個公司制造的？型號是什么？

10．請瀏覽本書的目錄，回答該課程的主要內(nèi)容是什么。你認(rèn)為單片機(jī)的學(xué)習(xí)和哪些已經(jīng)學(xué)習(xí)過的課程或者知識有關(guān)？

11．你現(xiàn)在已有的單片機(jī)編程軟件是什么？

12．你知道什么是電路板嗎？你會手工制作電路板嗎？如果不知道請查閱資料，找到有關(guān)這方面的資料，了解這方面的情況，掌握制作的過程和方法。

13．你去過電子市場嗎？買過電子器件(電阻、電容、晶振、發(fā)光二極管等)嗎？如果沒有，請選擇兩個以上的電子市場，購買一些與單片機(jī)有關(guān)的電子元器件。請舉例說出你已去過的電子市場及買過的有關(guān)元器件(寫下名稱、型號、功能及性能等)。

14．你過去使用過示波器、信號發(fā)生器、直流電源等設(shè)備嗎？使用過萬用表、烙鐵等工具嗎？如果使用過，你對它們的功能、性能、結(jié)構(gòu)等了解程度如何？請舉幾個實例說明你基本掌握了它們的功能、性能、結(jié)構(gòu)等知識，并能熟練地使用。