【大學(xué)課件】單片機原理與接口技術(shù)課件 單片機系統(tǒng)模擬量及其他擴展技術(shù)

單片機原理與接口技術(shù)本課程介紹單片機的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及常用接口技術(shù)。學(xué)習(xí)內(nèi)容包括單片機系統(tǒng)構(gòu)成、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計方法、常用接口電路設(shè)計等。單片機系統(tǒng)概述微型計算機單片機是一種集成了中央處理器(CPU)、內(nèi)存和輸入/輸出(I/O)模塊的微型計算機，體積小、功耗低，適用于各種嵌入式系統(tǒng)。高度集成單片機將多個功能部件集成在一個芯片上，實現(xiàn)控制、運算、存儲、通信等功能，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，提高了可靠性?？删幊绦詥纹瑱C可以通過編程來實現(xiàn)不同的功能，滿足各種應(yīng)用需求，具有靈活性和可擴展性。單片機的發(fā)展歷程1第一代8位單片機2第二代16位單片機3第三代32位單片機4第四代多核單片機單片機經(jīng)歷了從第一代8位到第四代多核的演變。早期的單片機主要用于工業(yè)控制，隨著技術(shù)的進(jìn)步，單片機逐漸應(yīng)用于消費電子、汽車電子等領(lǐng)域，功能和性能不斷提升。單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由CPU、存儲器和輸入輸出接口組成，這些組件之間通過總線連接。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，并與存儲器和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)。輸入輸出接口負(fù)責(zé)與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。CPU工作原理指令周期單片機CPU的工作原理以指令周期為基礎(chǔ)。指令周期是指CPU執(zhí)行一條指令所需的時間。每個指令周期又可分為多個階段，例如取指、譯碼、執(zhí)行等。執(zhí)行過程CPU從內(nèi)存中獲取指令，并對其進(jìn)行譯碼，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運算、邏輯運算等。存儲器系統(tǒng)閃存閃存是主要的程序和數(shù)據(jù)存儲空間，用于存儲單片機運行的程序和數(shù)據(jù)。RAMRAM用于存儲程序運行時所需的臨時數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。外部存儲器外部存儲器可以擴展存儲容量，用于存儲大量數(shù)據(jù)，例如音頻、視頻或其他文件。輸入輸出系統(tǒng)1端口單片機通過端口與外部設(shè)備進(jìn)行通信。2數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)通過端口的引腳進(jìn)行傳輸。3控制信號通過控制信號控制數(shù)據(jù)流向。4接口電路接口電路連接單片機與外部設(shè)備。中斷系統(tǒng)中斷的概念中斷是單片機系統(tǒng)中重要的機制，用于及時響應(yīng)外部事件或內(nèi)部異常。中斷源中斷源可以是外部信號，例如按鍵、定時器，也可以是內(nèi)部異常，例如溢出、錯誤。中斷處理當(dāng)發(fā)生中斷時，CPU會暫停當(dāng)前任務(wù)，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理完中斷事件后，再返回到原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷優(yōu)先級中斷優(yōu)先級用于決定多個中斷同時發(fā)生時，哪個中斷先被處理。定時/計數(shù)器系統(tǒng)定時器功能定時器允許單片機在特定時間間隔后執(zhí)行操作，用于延時、時間測量等應(yīng)用。計數(shù)器功能計數(shù)器可以記錄外部事件發(fā)生的次數(shù)，用于頻率測量、脈沖計數(shù)等應(yīng)用。工作模式定時/計數(shù)器系統(tǒng)通常提供多種工作模式，例如定時器模式、計數(shù)器模式、脈沖寬度調(diào)制模式等。應(yīng)用場景定時/計數(shù)器廣泛用于控制電機、控制LED閃爍、數(shù)據(jù)采集、通信等領(lǐng)域。串行通信系統(tǒng)串行接口串行接口將數(shù)據(jù)按位依次傳輸，常用接口類型包括RS-232、RS-485、SPI和I2C等。數(shù)據(jù)傳輸串行通信采用異步方式，通過起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位構(gòu)成數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸。通信協(xié)議串行通信協(xié)議用于定義數(shù)據(jù)格式、傳輸速率、數(shù)據(jù)校驗等，例如UART、CAN、LIN等。模擬量采集原理模擬信號模擬信號是連續(xù)變化的信號，通常由傳感器等設(shè)備產(chǎn)生。例如，溫度傳感器會輸出與溫度成正比的模擬電壓信號。數(shù)字信號數(shù)字信號是離散的信號，可以用0和1來表示。單片機只能處理數(shù)字信號，因此需要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。模擬量采集電路模擬量采集電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機可識別的數(shù)字信號。該電路通常包含傳感器、放大器、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號。放大器放大傳感器信號，使其滿足ADC的輸入范圍。濾波器去除噪聲，提高信號質(zhì)量。ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號傳送給單片機進(jìn)行處理。模擬量輸出原理1數(shù)字信號轉(zhuǎn)換單片機內(nèi)部存儲的是數(shù)字信號，而外部設(shè)備通常需要模擬信號。2數(shù)模轉(zhuǎn)換器使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。3電壓或電流輸出DAC輸出的模擬信號通常是電壓或電流形式。4外部設(shè)備控制輸出的模擬信號可以控制外部設(shè)備，例如電機、傳感器或顯示器。模擬量輸出電路模擬量輸出電路將單片機中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。常見方法包括使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或PWM(脈沖寬度調(diào)制)輸出。DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電壓或電流模擬信號，適合精度要求高的場合。PWM輸出通過改變脈沖寬度來控制輸出信號的平均值，適合控制電機等應(yīng)用。模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換原理模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通常使用電壓或電流作為輸入。工作模式常用的ADC工作模式包括逐次逼近型、并行比較型、雙積分型等。精度與速度ADC的精度由分辨率決定，速度由轉(zhuǎn)換時間決定。不同的應(yīng)用場景對ADC的精度和速度有不同的要求。數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片工作原理將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，通常使用電阻網(wǎng)絡(luò)、加權(quán)平均或電壓合成。種類主要包括逐次逼近型、并行型、電壓/電流型等，根據(jù)應(yīng)用場景和精度要求選擇。參數(shù)主要參數(shù)包括分辨率、轉(zhuǎn)換速度、精度、功耗和工作電壓等。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于音頻、視頻、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。傳感器應(yīng)用概述傳感器種類傳感器種類繁多，可分為多種類型，例如溫度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器等。傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號，使單片機能夠感知外界環(huán)境。傳感器應(yīng)用領(lǐng)域傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療設(shè)備、機器人等領(lǐng)域。傳感器是現(xiàn)代科技的重要組成部分，推動著各個領(lǐng)域的發(fā)展。溫度傳感器接口溫度傳感器類型常用溫度傳感器類型包括熱敏電阻、熱電偶、鉑電阻等。不同的傳感器具有不同的工作原理和特性。接口電路溫度傳感器需要通過接口電路與單片機進(jìn)行連接，接口電路通常包含放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等模塊。數(shù)據(jù)采集單片機通過A/D轉(zhuǎn)換器采集傳感器輸出的模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用于溫度數(shù)據(jù)的處理和顯示。溫度控制單片機可以根據(jù)采集到的溫度數(shù)據(jù)，控制加熱或冷卻設(shè)備，實現(xiàn)溫度控制功能。壓力傳感器接口1壓力傳感器壓力傳感器可以將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)壓力測量的功能。2接口電路壓力傳感器接口電路需要將傳感器輸出的電壓或電流信號轉(zhuǎn)換為單片機能夠識別的數(shù)字信號。3信號放大由于傳感器輸出信號通常很弱，需要使用放大電路提高信號強度。4模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）芯片。流量傳感器接口流量傳感器原理流量傳感器通過測量流體的流速或流量來獲取流量信息。接口電路設(shè)計將流量傳感器信號轉(zhuǎn)換為單片機可識別的數(shù)字信號。軟件編程讀取傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實現(xiàn)流量測量和控制功能。位置傳感器接口位置傳感器類型常見的位置傳感器有電位器、霍爾傳感器、磁阻傳感器等。不同的傳感器具有不同的工作原理和應(yīng)用場景，需根據(jù)實際需求選擇合適類型的傳感器。接口電路設(shè)計位置傳感器與單片機的接口電路需要根據(jù)傳感器的類型和輸出信號進(jìn)行設(shè)計。例如，電位器需要連接到單片機的ADC模塊，而霍爾傳感器則可以連接到單片機的數(shù)字IO口。信號處理從位置傳感器獲得的信號通常需要進(jìn)行處理，例如濾波、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。這些處理可以利用單片機的內(nèi)置功能或編寫相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)。光電傳感器接口1光電傳感器分類光電傳感器包含發(fā)射器和接收器。常見類型有反射式、透射式和漫反射式。2信號處理光電傳感器輸出的信號通常為模擬信號，需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。3接口設(shè)計接口電路應(yīng)考慮電源、信號傳輸、干擾抑制、數(shù)據(jù)處理等因素，確?？煽啃院头€(wěn)定性。4應(yīng)用實例光電傳感器廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)、機械設(shè)備、安全檢測等領(lǐng)域，提高工作效率和安全性。單片機驅(qū)動電機1電機類型選擇直流電機、步進(jìn)電機、伺服電機2驅(qū)動電路設(shè)計電流、電壓控制3控制方法PWM、方向控制4電機控制算法PID、位置控制單片機驅(qū)動電機應(yīng)用廣泛，例如工業(yè)自動化、機器人控制、智能家居等。PWM輸出電機驅(qū)動PWM脈沖寬度調(diào)制利用單片機定時/計數(shù)器模塊生成不同占空比的方波信號控制直流電機速度。驅(qū)動電路使用MOSFET或IGBT作為功率開關(guān)，根據(jù)PWM信號控制電機電流。電機控制通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比改變電機施加的電壓，進(jìn)而控制電機轉(zhuǎn)速。應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于各種電機控制系統(tǒng)，如機器人，無人機，電動汽車等。步進(jìn)電機控制1步進(jìn)電機工作原理步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移的電機。每個脈沖使電機轉(zhuǎn)動一個固定角度，稱為步進(jìn)角。步進(jìn)角的大小取決于電機結(jié)構(gòu)。2步進(jìn)電機控制方法通過控制脈沖序列來控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動，包括方向控制和速度控制。常見的控制方法包括：波形控制、脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制等。3步進(jìn)電機應(yīng)用步進(jìn)電機廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、打印機、光驅(qū)等設(shè)備，實現(xiàn)精確的定位和運動控制。DC電機正反轉(zhuǎn)控制1控制信號使用單片機控制引腳產(chǎn)生高低電平信號。2方向控制通過控制信號控制電機驅(qū)動芯片的輸入，改變電機轉(zhuǎn)動方向。3電機驅(qū)動芯片驅(qū)動芯片負(fù)責(zé)將單片機輸出的控制信號放大，以驅(qū)動電機。通過控制信號控制電機驅(qū)動芯片的兩個輸入端，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。正轉(zhuǎn)時，一個輸入端為高電平，另一個輸入端為低電平。反轉(zhuǎn)時，兩個輸入端的電平狀態(tài)互換。使用單片機輸出PWM信號控制電機速度，實現(xiàn)對電機運行速度的精確控制。電機編碼器接口編碼器類型增量式編碼器絕對式編碼器接口電路連接編碼器輸出信號到單片機輸入引腳電機控制編碼器反饋電機轉(zhuǎn)速、位置信息軟件實現(xiàn)編寫程序讀取編碼器數(shù)據(jù)單片機與PC機通訊串行通信單片機與PC機之間可以通過串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。串口通信是一種常見的通信方式，它使用異步方式傳輸數(shù)據(jù)。單片機通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機，PC機接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。通常使用串口調(diào)試助手軟件進(jìn)行調(diào)試。USB通信單片機可以通過USB接口與PC機進(jìn)行通信。USB通信速度更快，更方便，且支持多種通信協(xié)議。單片機通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機，PC機接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理?？梢允褂肬SB虛擬串口驅(qū)動程序。串行總線通訊協(xié)議I2C總線I2C協(xié)議是一種雙向的串行通訊協(xié)議，用于連接多個設(shè)備，并提供一個主控器進(jìn)行通信。SPI總線SPI協(xié)議是一種同步串行通訊協(xié)議，用于連接多個設(shè)備，并提供一個主控器進(jìn)行通信。UART協(xié)議UART協(xié)議是一種異