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1.1. 单片机的定义与分类
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1、单片机概述
1.1. 单片机的定义与分类
定义 单片机Microcontroller Unit简称MCU是一种将微处理器、存储器包括程序存储器和数据存储器、输入/输出接口和其他必要的功能模块集成在单个芯片上的微型计算机。它通常用于控制应用可以在没有外部支持芯片的情况下独立运行。
分类 按处理能力分类 低端单片机处理能力较弱适用于简单的控制应用。中端单片机具有一定的处理能力适用于中等复杂度的控制系统。高端单片机处理能力强适用于复杂的控制系统和计算密集型应用。 按指令集分类 复杂指令集单片机CISC指令丰富操作复杂适用于多种应用场景。精简指令集单片机RISC指令简单执行速度快功耗低。 按位数分类 4位单片机处理能力有限适用于简单的控制任务。8位单片机应用最广泛如8051系列。16位单片机处理能力更强适用于较为复杂的控制系统。32位单片机具有更高的处理能力和更多的功能适用于高端应用。 按用途分类 通用型单片机适用于多种场合。专用型单片机针对特定应用设计如汽车电子、家电控制等。
1.2. 单片机的发展历程
早期阶段1970年代
1971年Intel推出了世界上第一款微处理器4004随后推出了8008为单片机的发展奠定了基础。
发展阶段1980年代
1981年Intel推出了8051单片机成为历史上最成功的单片机之一。其他公司如Motorola、Zilog、Atmel等也相继推出了自己的单片机产品。
成熟阶段1990年代
单片机的性能不断提升应用领域不断扩展。出现了基于Flash存储技术的单片机使得程序更新更加方便。
多元化发展阶段2000年代至今
单片机开始集成更多的功能如USB、网络、CAN总线等。32位单片机逐渐成为市场的主流。出现了基于ARM架构的嵌入式处理器进一步推动了单片机技术的发展。
1.3. 单片机的应用领域 消费电子 家用电器如洗衣机、空调、电视音响设备游戏机 工业控制 自动化生产线机器人控制电力系统监控 汽车电子 发动机控制单元ECU车身电子控制车载娱乐系统 医疗设备 监护仪器医疗诊断设备智能假肢 通信设备 路由器交换机无线通信模块 物联网IoT 智能家居智能城市工业互联网 其他 安全监控环境监测仪器仪表
2、单片机硬件基础
2.1. 单片机的内部结构 内部结构图
单片机的内部结构通常包括以下几个主要部分 中央处理器CPU 执行程序指令进行算术和逻辑运算。程序存储器ROM 存储程序代码。数据存储器RAM 存储运行时的数据和变量。特殊功能寄存器SFR 控制和状态寄存器用于特定功能的配置和状态反馈。输入/输出端口I/O 与外部设备进行数据交换。定时器/计数器 用于定时或计数功能。中断控制器 处理中断请求实现多任务处理。串行通信接口 实现与其他设备或单片机的串行通信。 2.2. 单片机的引脚功能 以8051单片机为例它通常有40个引脚以下是部分引脚的功能
VCC 电源正极。GND 电源负极。P0.0 - P0.7 端口0可以作为通用I/O口也可以作为地址/数据总线。P1.0 - P1.7 端口1通用I/O口。P2.0 - P2.7 端口2通用I/O口也可用于外部存储器地址线。P3.0 - P3.7 端口3通用I/O口部分引脚具有第二功能如P3.0和P3.1用于串行通信。RST 复位引脚高电平有效。ALE/PROG 地址锁存使能/程序存储器编程。PSEN 程序存储器选通信号。EA/VPP 外部访问使能/编程电压。
2.3. 单片机的时钟与复位
时钟 单片机的时钟用于提供CPU操作的基本时间节拍。8051单片机通常需要一个外部晶振或陶瓷振荡器来提供时钟信号。复位 当RST引脚接收到高电平时单片机会执行复位操作将CPU和寄存器恢复到初始状态。
2.4. 单片机的存储器结构 2.4.1 程序存储器ROM
程序存储器用于存储单片机的程序代码。在8051单片机中程序存储器通常是只读存储器ROM或闪存Flash。汇编代码将被存储在程序存储器的特定地址中。
assembly ORG 0000H ; //程序起始地址 MOV A,
55H ; //将55H加载到累加器A 2.4.2 数据存储器RAM
数据存储器用于存储程序运行时的数据和变量。在8051单片机中数据存储器是随机存取存储器RAM。
char data_var 0xAA; // 定义一个字符变量并初始化为0xAAdata_var变量将被存储在数据存储器中的一个地址。
2.4.3 特殊功能寄存器SFR
特殊功能寄存器是CPU内部的一些寄存器它们具有特定的功能如控制I/O端口、定时器、串行通信等。P1是一个特殊功能寄存器用于控制端口1的状态。
SFR P1 0x90; // 定义P1端口的地址
P1 0xFF; // 将P1端口的所有引脚设置为高电平3. 汇编语言
(1)指令系统
汇编语言的指令系统是指单片机可以理解和执行的指令集合。每个指令对应一个特定的操作如数据传送、算术运算、逻辑运算、跳转等。以下是一些常见的8051单片机汇编指令
数据传送指令 MOV A, #data将立即数data传送到累加器A算术运算指令 ADD A, Rn将寄存器Rn的内容加到累加器A结果存储在A中逻辑运算指令 ANL A, #data将累加器A的内容与立即数data进行逻辑与运算跳转指令 JMP label无条件跳转到label标签处执行
(2)汇编程序结构
起始地址 指定程序开始执行的地址。数据定义 定义程序中使用的变量和数据。代码段 包含实际的指令代码。子程序 可被主程序调用的代码块。中断服务程序 处理中断事件的代码。 assembly
ORG 0000H ; 程序起始地址
START: MOV A, #55H ; 将立即数55H传送到累加器AADD A, R0 ; 将寄存器R0的内容加到累加器AMOV P1, A ; 将累加器A的内容输出到端口P1SJMP START ; 无条件跳转到START标签处继续执行
(3) 汇编语言编程实例
例子1 将P1端口的值翻转到P2端口
assembly
ORG 0000H
START: MOV A, P1 ; 将P1端口的值读取到累加器ACPL A ; 将累加器A的内容取反MOV P2, A ; 将取反后的值输出到P2端口SJMP START ; 无限循环3.1C语言基础
C语言的基础概念
变量 用于存储数据的标识符。数据类型 定义变量可以存储的数据种类如int、char、float等。控制结构 如if、for、while等用于控制程序流程。
3.2 C语言编程实例
例子1 将P1端口的值翻转到P2端口
#include reg51.h // 包含8051寄存器定义的头文件void main() {while (1) { // 无限循环P2 ~P1; // 将P1端口的值取反后输出到P2端口}
}
reg51.h头文件包含了8051单片机的特殊功能寄存器定义P1和P2是特殊功能寄存器分别代表端口1和端口2。程序中的while循环会不断执行将P1端口的值取反后输出到P2端口。
4、单片机I/O接口 4.1、I/O口的结构与功能
I/O口输入/输出端口是单片机与外部设备进行数据交换的接口。在8051单片机中通常有P0、P1、P2、P3四个8位并行I/O端口。 结构 锁存器 用于存储数据输出。缓冲器 用于数据输入。驱动器 提供足够的电流来驱动外部设备。 功能 输入模式 可以读取外部设备的状态如按键、传感器等。输出模式 可以控制外部设备如LED、继电器等。
4.2、I/O口的编程方法 设置I/O口为输入模式 对于P0、P1、P2、P3端口可以通过设置相应的数据定义方向寄存器如P1DIR来控制每个位是输入还是输出。 设置I/O口为输出模式 同样通过设置数据方向寄存器来控制端口的方向。 读取输入 直接读取I/O口寄存器即可。 写入输出 直接向I/O口寄存器写入数据即可。
4.3、I/O口的应用实例
例子1 控制一个连接在P1.0的LED亮灭( LED控制)
#include reg51.hvoid delay(unsigned int ms) {unsigned int i, j;for (i 0; i ms; i)for (j 0; j 123; j); // 简单的延时函数
}void main() {P1 0xFF; // 初始化P1口所有LED熄灭while (1) {P1_0 0; // 点亮LEDdelay(1000); // 延时P1_0 1; // 熄灭LEDdelay(1000); // 延时}
}例子2 检测连接在P1.0的按键是否被按下(按键检测)
#include reg51.hvoid delay(unsigned int ms) {unsigned int i, j;for (i 0; i ms; i)for (j 0; j 123; j);
}void main() {P1 0xFF; // 将P1口设置为输入模式并启用内部上拉电阻while (1) {if (P1_0 0) { // 如果P1.0为低电平表示按键被按下delay(20); // 延时消抖if (P1_0 0) { // 再次检测确保按键确实被按下while (P1_0 0); // 等待按键释放P1_1 ~P1_1; // 切换P1.1连接的LED状态}}}
}
例子3 控制一个连接在P1.0的继电器开关(继电器控制)
#include reg51.hvoid delay(unsigned int ms) {unsigned int i, j;for (i 0; i ms; i)for (j 0; j 123; j);
}void main() {P1 0xFF; // 初始化P1口所有继电器断开while (1) {P1_0 0; // 继电器闭合delay(5000); // 延时P1_0 1; // 继电器断开delay(5000); // 延时}
}5、单片机定时器/计数器
5.1、定时器/计数器的工作原理
定时器/计数器是单片机内部的一个重要模块它可以用于计时或者计数。在8051单片机中通常有两个定时器/计数器定时器/计数器0和定时器/计数器1。
5.1.1 工作原理
定时器模式 当定时器/计数器被配置为定时器模式时它会对单片机的内部时钟信号进行计数。当计数达到设定值时定时器溢出可以触发中断或改变I/O端口的状态。计数器模式 当定时器/计数器被配置为计数器模式时它会对外部信号通常是T0或T1引脚上的脉冲进行计数。
5.2、定时器/计数器的编程方法
初始化定时器/计数器
设置定时器/计数器模式。设置定时器/计数器的初值。启用或禁用定时器/计数器。配置中断如果需要。
5.3、定时器/计数器的应用实例
例子1 使用定时器0实现1秒的延时(延时)
#include reg51.hvoid Timer0_Init() {TMOD 0xF0; // 清除定时器0模式位TMOD | 0x01; // 设置定时器0为模式116位定时器模式TH0 0xFC; // 设置定时器初值1秒延时具体值取决于晶振频率TL0 0x18;ET0 1; // 启用定时器0中断EA 1; // 启用全局中断TR0 1; // 启动定时器0
}void Timer0_ISR() interrupt 1 {TH0 0xFC; // 重新加载定时器初值TL0 0x18;// 这里可以执行需要延时的代码
}void main() {Timer0_Init();while (1) {// 主循环代码}
}例子2 使用定时器1对外部脉冲进行计数(脉冲计数)
#include reg51.hvoid Timer1_Init() {TMOD 0x0F; // 清除定时器1模式位TMOD | 0x10; // 设置定时器1为模式116位计数器模式ET1 1; // 启用定时器1中断EA 1; // 启用全局中断TR1 1; // 启动定时器1
}void Timer1_ISR() interrupt 3 {// 这里可以读取TL1和TH1的值以获取脉冲计数// 注意在中断服务程序中通常不进行复杂操作
}void main() {Timer1_Init();while (1) {// 主循环代码}
}
例子3 使用定时器0产生PWM信号(PWM输出)
#include reg51.hvoid Timer0_Init() {TMOD 0xF0; // 清除定时器0模式位TMOD | 0x02; // 设置定时器0为模式28位自动重装载模式TH0 0xFF; // 设置PWM周期具体值取决于PWM频率TL0 TH0; // 初始化TL0ET0 1; // 启用定时器0中断EA 1; // 启用全局中断TR0 1; // 启动定时器0
}void Timer0_ISR() interrupt 1 {static unsigned char pwm_width 0; // PWM占空比变量if (TF0) { // 检查定时器是否溢出TR0 0; // 停止定时器TH0 0xFF; // 重新加载PWM周期TL0 TH0;P1_1 1; // 开始PWM周期TR0 1; // 重新启动定时器} else if (TL0 pwm_width) {P1_1 0; // 设置PWM占空比}
}void main() {Timer0_Init();6、单片机中断系统
6.1中断系统的组成 中断源中断源是指能够触发中断的事件或信号。中断源可以是硬件事件如定时器溢出、外部引脚变化或软件事件如软件中断指令。 中断控制器中断控制器负责管理中断请求确定中断的优先级以及选择哪个中断服务程序ISR来响应。 中断向量表中断向量表是一个存储中断服务程序入口地址的表格。当中断发生时CPU通过中断向量表找到对应的中断服务程序。 中断服务程序ISR中断服务程序是一段用于处理特定中断事件的代码。当中断被触发时CPU会暂停当前任务跳转到ISR执行。
6.2中断处理流程 中断请求中断源发出中断请求信号。 中断识别中断控制器识别中断请求并判断其优先级。 中断响应如果中断被允许CPU会暂停当前任务保存当前程序状态如程序计数器、寄存器等然后跳转到对应的中断服务程序。 执行中断服务程序CPU执行中断服务程序来处理中断事件。 恢复执行中断服务程序执行完毕后CPU恢复之前保存的程序状态并返回到中断发生前的位置继续执行。
6.3中断优先级和嵌套
中断系统通常支持中断优先级以决定多个中断同时发生时哪个中断将被首先处理。中断嵌套是指一个中断服务程序在执行时可以被另一个更高优先级的中断打断。
6.4程实践
#include reg51.h// 外部中断0服务程序
void External0_ISR(void) interrupt 0 {// 执行外部中断0的处理代码
}// 定时器0中断服务程序
void Timer0_ISR(void) interrupt 1 {// 执行定时器0的处理代码
}void main() {EA 1; // 全局中断使能EX0 1; // 外部中断0使能ET0 1; // 定时器0中断使能// 其他初始化代码...while(1) {// 主循环代码}
}
7、单片机串行通信
单片机的串口通信是一种常用的数据传输方式它允许单片机与其他设备如计算机、传感器、其他单片机等进行数据交换。
串口通信的基本概念
串口通信Serial Communication是一种按照位序列进行数据传输的方式通常使用串行通信接口
串口通信的主要参数 波特率Baud Rate表示每秒钟传送的位数单位是bpsbits per second。 数据位Data Bits表示每个数据帧中数据位的数量通常为7或8位。 停止位Stop Bits表示每个数据帧结束时的停止位的数量通常为1、1.5或2位。 校验位Parity Bit用于错误检测的位可以是奇校验、偶校验或无校验。 流控制Flow Control用于防止数据丢失的技术如硬件流控制RTS/CTS或软件流控制XON/XOFF。
串口通信的硬件接口
RX接收用于接收数据。TX发送用于发送数据。GND地用于信号参考点。
单片机串口通信的步骤 初始化串口设置波特率、数据位、停止位、校验位等参数。 配置中断可选如果使用中断方式进行数据接收和发送需要配置相关的中断服务程序。 数据发送编写代码将数据写入串口发送缓冲区。 数据接收编写代码从串口接收缓冲区读取数据。
示例18051单片机串口通信
#include reg51.h ccbashbash
// 假设使用11.0592MHz的晶振void Serial_Init() {SCON 0x50; // 设置为模式18位数据可变波特率TMOD | 0x20; // 定时器1使用模式2自动重装载TH1 0xFD; // 设置波特率为9600TL1 0xFD; // 与TH1相同TR1 1; // 启动定时器1TI 1; // 设置TI位准备发送
}void Serial_SendByte(unsigned char dat) {SBUF dat; // 将数据放入发送缓冲区while (!TI); // 等待发送完成TI 0; // 清除发送完成标志
}void main() {Serial_Init(); // 初始化串口while (1) {Serial_SendByte(A); // 发送字符A// 可以添加延时控制发送速度}
}
首先初始化串口然后在一个无限循环中发送字符’A’。Serial_Init函数设置了串口的工作模式和波特率而Serial_SendByte函数负责发送一个字节的数据。
8、单片机外围设备扩展
单片机连接到各种外围设备的详细插图
