项目一 初识单片机（课件）-《单片机技术应用》同步教学（北理版）

项目一 初识单片机 任务一 单片机在哪里 任务二 如何成为单片机工程师 返回 1 任务一 单片机在哪里 事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1～2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算机的总和，甚至比人类的数量还要多。 一、单片机的广泛应用领域 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通信与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，各种智能 IC 卡系统、智能小区安保系统、智能手机、数码相机、全自动洗衣机，以及程控玩具、电子宠物等，这些都离不开单片机，更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为如下几个范畴。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 1. 在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量和计算。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如智能仪表、功率计、示波器、各种分析仪等。图 1−2 所示为单片机控制的智能料位仪表。 2. 在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。图 1−3 所示为单片机工业控制柜。 3. 在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材，再到电子称量设备，五花八门，无所不在。图 1−4 所示为单片机控制的电冰箱。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 4. 在计算机网络和通信领域中的应用 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，为在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，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信，再到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信、无线电对讲机等。图 1−5 所示为内嵌微控制器的无线路由器和手机。 5. 单片机在医用设备领域中的应用 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。图 1−6 所示为内嵌微控制器的血糖仪和监护仪。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 6. 在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在一块电子芯片中（有别于磁带机的原理），却需要复杂的计算机的原理来实现。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于 ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便更换。 此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 二、单片机的发展历史 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。目前，单片机正进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 （1） SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统最佳体系结构。“创新模式”获得了成功，奠定了 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 公司功不可没。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 （2） MCU 即微控制器（Micro-Controller-Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。 它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 MCU 的重任不可避免地落在电气电子技术厂家的肩上。在发展 MCU 方面，最著名的厂家当数 Philips 公司。Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将 MCS−51 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 Intel 和 Philips 的历史功绩。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 （3） 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决，因此，专用单片机的发展自然形成了 SoC（System on Chip，即片上系统）化趋势。随着微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展，基于 SoC 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 三、单片机的发展趋势 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有以下几个方面。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 1. 低功耗 CMOS 化 MCS−51 系列的 8031 推出时的功耗达 630 mW，而现在的单片机普遍都在 100 mW 左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 2. 微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D 转换器、PWM（脉宽调制电路）、WDT（看门狗），有些单片机将 LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 3. 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 3～6 V 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达 1～2 V。目前 0.8 V 供电的单片机已经问世。 4. 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（RISC）结构和多级流水线技术，可以大幅度提高运行速度和吞吐量，并加强了位处理功能、中断和定时控制功能，集成了 I 2 C、SPI 等常用外设接口协议。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 此外，现在的产品普遍要求体积小、质量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中 SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 四、单片机的种类 1. ATMEL 单片机（51 单片机） ATMEL 公司的 8 位单片机有 AT89 和 AT90 系列，AT89 系列是 8 位 Flash 单片机，与 8051系列单片机相兼容，静态时钟模式；AT90 系列单片机是增强 RISC 结构、全静态工作方式、内载在线可编程 Flash 的单片机。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 2. STC 单片机 STC 公司（宏晶科技）的单片机主要是基于 8051 内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统 8051，速度比传统 8051 快 8～12 倍，带 ADC，4 路 PWM，双串口，有全球唯一 ID 号，加密性好，抗干扰强。本书例程建议采用 STC89C52RC 单片机进行编程调试。 3. AVR 单片机 AVR 单片机是 1997 年由 ATMEL 公司研发出的增强型内置 Flash 的 RISC（ReducedInstruction Set CPU）精简指令集高速 8 位单片机。可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器等各个领域。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 4. PIC 单片机 PIC 系列单片机是 Microchip 公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的 Flash程序存储器芯片。 5. C8051F 系列单片机 Silicon Labs 公司生产的 C8051F 系列单片机基于增强的 CIP−51 内核，其指令集与MCS−51 完全兼容，具有标准 8051 的组织架构，可以使用标准的 803x/805x 汇编器和编译器进行软件开发。CIP−51 采用流水线结构，70%的指令执行时间为 1 或 2 个系统时钟周期，是标准 8051 指令执行速度的 12 倍；其峰值执行速度可达 100 MIPS（C8051F120 等），是目前世界上速度最快的 8 位单片机。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 6. 飞利浦（Phlipis）51PLC 系列单片机 飞利浦（Philips）公司的单片机是基于 80C51 内核的单片机，嵌入了掉电检测、模拟以及片内 RC 振荡器等功能，这使 51PLC 在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。 7. 德州仪器（TI）公司单片机 德州仪器（TI）提供了 TMS370 和 MSP430 两大系列通用单片机。TMS370 系列单片机是 8 位 CMOS 单片机，具有多种存储模式、多种外围接口模式，适用于复杂的实时控制场合；MSP430 系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的 16 位低功耗单片机，特别适用于要求功耗低的场合。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 8. 瑞萨单片机（RENESAS） 瑞萨（RENESAS）半导体公司于 2003 年由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立。瑞萨单片机结合了日立与三菱在半导体领域方面的先进技术和丰富经验，在无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体领域有广泛应用。 五、学习单片机的条件 1. 学习条件和环境 选择一本好的单片机学习教材是学习单片机的基础。由于单片机应用技术是一门技术性和实践性很强的课程，需要学习者动手做大量的实验，通过实验掌握单片机应用技术，因此，单片机学习者还应具有较好的硬件环境和软件环境。 上一页 下一页 返回 任务一 单片机在哪里 硬件环境：个人计算机（PC）1 台，常用工具 1 套（含万用表），仿真器或开发实验板 1 台，面包板、杜邦线若干。软件环境：用于编辑、编译、调试源程序的工具软件 1 套（如“伟福”模拟调试软件或者 Keil μVision 4 软件），用于下载目标代码的 ISP 下载软件 1 套。 2. 单片机（ISP）实验板 为帮助单片机学习者创造一个廉价、实用的硬件环境，我们专门设计了单片机实验开发板，利用该板可以完成大量的单片机学习、开发实验，对学习单片机有极大的帮助。由于该板支持串口 ISP 的 STC 系列单片机，可通过烧写软件将编译好的程序下载到单片机中。学习者只需有一台计算机就可学习单片机，而无须自备价格较高的仿真器与编程器。 上一页 返回 任务二 如何成为单片机工程师 单片机的应用开发既包括硬件的开发，也包括软件的开发，两者密切相关，开发者需要对单片机的内部结构非常了解。单片机的开发应用还涉及硬件扩展接口和各类传感器，更重要的是必须尽可能地了解项目需求中适合单片机完成的控制项目以及控制过程。 掌握单片机的应用开发需要一个过程。首先必须掌握数字电路和模拟电路方面的知识，还必须学习单片机原理、硬件结构、扩展接口和编程语言。初次开发时由于没经验，可能要经过多次反复才能完成项目。这时，你会得到较大的收获和积累，表现在以下几个方面：硬件设计方面的积累、软件设计方面的积累、设计经验方面的积累等。硬件开发是单片机应用开发的基础，软件开发是建立在硬件之上，软硬件设计的巧妙结合是项目开发成功的关键。 下一页 返回 任务二 如何成为单片机工程师 一、软件工具 1. Keil μVision4 Keil 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机软件开发系统，Keil 提供了包括编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。可以使用 C 语言，也可以使用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。图 1−11所示为 Keil μVision4 启动画面。 2. Proteus 仿真软件 Proteus 软件是英国 Lab Center Electronics 公司出版的 EDA 工具软件。 上一页 下一页 返回 任务二 如何成为单片机工程师 它不仅具有其他EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广不久，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。图 1−12 所示为 Proteus 启动画面。 Proteus 软件已有 20 多年的历史，在国外应用较为普遍，近年来 Proteus 软件被引入国内。在单片机教学和学习中采用 Proteus 软件，可使单片机的学习过程变得直观形象，可以直接在基于原理图的虚拟模型上进行编程，并实现源代码级的程序仿真调试，如有显示及输出，还能看到程序运行后的输出效果，配合各种虚拟仪表来展现整个单片机系统的运行过程，方便快捷，仿真准确，是单片机入门学习的良好工具。 上一页 下一页 返回 任务二 如何成为单片机工程师 3. Altium Designer Altium Designer 是原 Protel 软件开发商 Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，是现在主流的电子线路版图设计软件。这套软件通过将原理图设计、电路仿真、PCB 绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。图 1−13 所示为Altium Designer 10 启动画面。 上一页 下一页 返回 任务二 如何成为单片机工程师 二、硬件工具 1. 面包板 面包板的表面有规则排列的供插装元器件的插孔，在面包板中间有一条中心分隔槽把它分成上、下两个部分。上半部分每列 5 个插孔之间是导通的，下半部分每列 5 个插孔之间也是导通的。而上、下部分插孔之间不导通。图 1−14 所示为面包板连接示意图。 2. 万用板 元器件插在万用板的一面，元器件管脚穿过万用板上的过孔，在万用板另一面使用电烙铁焊接管脚与万用板上的焊盘，然后焊接导线并通过导线实现元器件之间的电气连接。 上一页 下一页 返回 任务二 如何成为单片机工程师 元器件一般都安装在万用板的同一面，导线可以焊接在万用板的任意一面。图 1−15 所示为万用板焊接效果图。 3. 焊接工具 在进行单片机实验过程中，电路板的制作和焊接是不可避免的过程，元器件焊接是非常重要的一个环节，焊接质量将直接影响到电路工作的可靠性。因此，焊接技术是从事电类工作者的基本功，更是一名单片机系统工程师的必备技能。常用焊接工具如图 1−16 所示。 上一页 返回 图 1 - 2 返回 图 1 - 3 返回 图 1 - 4 返回 图 1 - 5 返回 图 1 - 6 返回 图 1 - 11 返回 图 1 - 12 返回 图 1 - 13 返回 图 1 - 14 返回 图 1 - 15 返回 图 1 - 16 返回 $$