1、單片機原理與應(yīng)用Principles and Application of Microcontroller,講授：黃惟公,西華大學(xué)機械工程與自動化系 機械電子工程教研室,教師簡介：,黃惟公 教授 碩士研究生導(dǎo)師，“機電教研室”主任。 曾當(dāng)過“知青”和工人。1982年1月年畢業(yè)于四川工業(yè)學(xué)院機械制造工藝設(shè)備及自動化專業(yè)。 1992.11993.1 在美國密西根大學(xué)作訪問學(xué)者。 2000.92000.11在加拿大紅河學(xué)院作訪問學(xué)者。 在國內(nèi)外發(fā)表論文20余篇，主編、副主編教材2部，主持或作為主研完成、在研863CMIS、85國家攻關(guān)項目、省級、省重點學(xué)科及各類橫向科研課題10余項。 目前主要從事機

2、械工程測控方面的教學(xué)及科研工作。 主要內(nèi)容有：,1）智能化測控儀器研究 本研究有以下4方面的內(nèi)容 嵌入式系統(tǒng)的研究 對新型16位、32位微處理器的應(yīng)用、嵌入式實時操作系統(tǒng)在各種微處理器的移植與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)的連接等新技術(shù)方面進行研究、跟蹤世界先進水平，為研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的測控儀器建立硬、軟基礎(chǔ)。 現(xiàn)場總線測控儀表的研究 現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通訊系統(tǒng)。是目前儀表的發(fā)展方向。 智能控制儀表的研究 研究如何把模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新理論應(yīng)用在控制儀表和裝置中，如何在單片機上實現(xiàn)這些理論。

3、虛擬儀器的研究 研究應(yīng)用與各種領(lǐng)域的虛擬測試儀器、研究特殊性能的數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW/CVI的接口、PXI總線的應(yīng)用、基于網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)等內(nèi)容。 2）計算機視覺監(jiān)測及測量研究 本研究有以下2方面的內(nèi)容 基于線陣CCD測量技術(shù)的研究 研究將CCD技術(shù)應(yīng)用于尺寸的非接觸測量、改造傳統(tǒng)的測量儀器、研究提高CCD的測量精度的方法和理論等內(nèi)容。 基于二、三維計算機視覺技術(shù)的研究 研究將數(shù)字圖象處理技術(shù)應(yīng)用于二維、三維對象的檢測技術(shù)。本研究對利用圖象處理方法進行物體尺寸的測量、形狀的識別、文字的識別等方面做了大量的工作。,第1章 基礎(chǔ)知識,1.1單片機簡介,1.2數(shù)制及其轉(zhuǎn)換,1.1 計算機發(fā)展與組

4、成,1946-1958 第一代電子管計算機。磁鼓存儲器，機器語言、匯編語言編程。世界上第一臺數(shù)字計算機ENIAC。,1.1.1 發(fā)展概況,1958-1964 第二代晶體管計算機。磁芯作主存儲器, 磁盤作外存儲器，開始使用高級語言編程。,1964-1971 第三代集成電路計算機。使用半導(dǎo)體存儲器，出現(xiàn)多終端計算機和計算機網(wǎng)絡(luò)。,1971- 第四代大規(guī)模集成電路計算機。出現(xiàn)微型計算機、單片微型計算機，外部設(shè)備多樣化。,1981- 第五代人工智能計算機。模擬人的智能和交流方式。,1946年由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And c

5、alculator），運算速度 5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2 ,造價100萬美元。,1.1.2 計算機發(fā)展趨勢,微型化 便攜式、低功耗 巨型化 尖端科技領(lǐng)域的信息處理，需要超大容量、高速度 智能化 模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力 系列化、標(biāo)準(zhǔn)化 便于各種計算機硬、軟件兼容和升級 網(wǎng)絡(luò)化 網(wǎng)絡(luò)計算機和信息高速公路 多機系統(tǒng) 大型設(shè)備、生產(chǎn)流水線集中管理(獨立控制、 故障分散、資源共享),1.1.3 微型計算機組成結(jié)構(gòu),單片機簡介,單片機即單片機微型計算機，是將計算機主機(CPU、 內(nèi)存和I/O接口)集成在一小塊硅片上的微型機。,單片機開發(fā)系統(tǒng)有單片單板機和仿真器。

6、實現(xiàn)單片機 應(yīng)用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)。,單片機為工業(yè)測控而設(shè)計，又稱微控制器。具有三高優(yōu)勢(集成度高、可靠性高、性價比高)。 主要應(yīng)用于工業(yè)檢測與控制、計算機外設(shè)、智能儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等。 特別適合于嵌入式微型機應(yīng)用系統(tǒng)。,單片機發(fā)展概況,1976-1978 初級8位單片機 Intel MCS-48 系列 1978- 高檔8位單片機 Intel MCS-51系列： -51子系列：8031/8051/8751 -52子系列：8032/8052/8752 低功耗型80C31高性能型80C252廉價型89C2051/1051,1983- 16位單片機 Intel MCS-96 系列 809

7、8/8096、80C198/80C196, DSP 32位單片機 ARM,1.1.4計算機主要技術(shù)指標(biāo),字長：CPU并行處理二進制的數(shù)據(jù)位數(shù) 8位機、16位機、32位機和64位機。,內(nèi)存容量：內(nèi)存存儲單元數(shù) 容量單位：1K=210=1024，1M=220=1KK 8K、64K、16M、64M。,運算速度：CPU處理速度 時鐘頻率、主頻、每秒運算次數(shù) 6MHz、12MHz、24MHz、100MHz、300MHz。,內(nèi)存存取周期：內(nèi)存讀寫速度 50nS 、70nS 、200nS 。,1.2 計算機的數(shù)制及轉(zhuǎn)換,一. 十進制ND有十個數(shù)碼09、逢十進一。 十進制用于計算機輸入輸出，人機交互。 二.

8、二進制NB兩個數(shù)碼:0、1, 逢二進一。 二進制為機器中的數(shù)據(jù)形式。 三. 十六進制NH十六個數(shù)碼:09, AF, 逢十六進一。 十六進制用于表示二進制數(shù)。 不同進位制數(shù)以下標(biāo)或后綴區(qū)別,十進制數(shù)可不帶下標(biāo)。 如:101、101D、101B、101H、101H,介紹計算機中數(shù)的表示方法和基本運算方法。,1-2-1 進位計數(shù)制,1.2 計算機的數(shù)制及轉(zhuǎn)換,一. 十進制ND 符號集：09 規(guī)則：逢十進一。 例 1234.5=1103 +2102 +3101 +4100 +510-1 加權(quán)展開式以10稱為基數(shù)，各位系數(shù)為09。 一般表達式： ND= dn-110n-1+dn-210n-2 +d010

9、0 +d-110-1+,1.2.1 進位計數(shù)制,1.2 計算機的數(shù)制及轉(zhuǎn)換,二. 二進制NB 符號集：0、1 規(guī)則：逢二進一。 例 1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加權(quán)展開式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1。 一般表達式： NB = bn-12n-1 + bn-22n-2 +b020 +b-12-1+,1.2.1 進位計數(shù)制,1.2 計算機所用數(shù)制及轉(zhuǎn)換,三.十六進制NH 符號集：09、AF 規(guī)則：逢十六進一。 例：DFC.8=13162 +15161 +12160 +816-1 展開式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為09，AF。 一般表達式： NH= hn-116n

10、-1+ hn-216n-2+ h0160+ h-116-1+,1.2.1 進位計數(shù)制,1.2.2 不同進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換,先展開，然后按照十進制運算法則求和。舉例： 1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625 DFC.8H =13162+15161+12160+816-1 = 3580.5,（一）二、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù),進位計數(shù)制的一般表達式： Nr= an-1rn-1+an-2rn-2+ +a1r1a0r0a-1r-1a-mr-m 一個r1進制的數(shù)轉(zhuǎn)換成r2進制數(shù)的方法：先展開，然后按r2進制的運算法則求和計算。,1.2.2 不同進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)

11、換,（二）二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 24=16 ，四位二進制數(shù)對應(yīng)一位十六進制數(shù)。 舉例：,3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 1110101111.001B 3 A F 2 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C,（三）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進制數(shù),整數(shù)、小數(shù)分別轉(zhuǎn)換 1.整數(shù)轉(zhuǎn)換法 “除基取余”：十進制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個余數(shù)，從低位排向高位。舉例：,1. 39轉(zhuǎn)換成二進制數(shù) 39 =100111B 2 39 1 （ b0） 2 19 1 （ b1） 2 9 1 （ b2） 2 4

12、0 （ b3） 2 2 0 （ b4） 2 1 1 （ b5） 0,2. 208轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù) 208 = D0H 16 208 余 0 16 13 余 13 = DH 0,（三）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進制數(shù),1.小數(shù)轉(zhuǎn)換法 “乘基取整”：用轉(zhuǎn)換進制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達到轉(zhuǎn)換精度要求的位數(shù)。每乘一次取一次整數(shù)，從最高位排到最低位。舉例：,1. 0.625轉(zhuǎn)換成二進制數(shù) 0.625 2 1.250 1 (b-1) 2 0.5 0 0 (b-2) 2 1.0 1 (b-3) 0.625 = 0.101B,2. 0.625轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù) 0.625 16 = 10.0 0.625

13、 = 0.AH 3. 208.625 轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)208.625 = D0.AH,1.2.2帶符號數(shù)的表示方法,機器數(shù)：機器中數(shù)的表示形式，其位數(shù)通常為8的倍數(shù) 真值： 機器數(shù)所代表的實際數(shù)值。 舉例:一個8位機器數(shù)與它的真值對應(yīng)關(guān)系如下： 真值：X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 機器數(shù)：X1機= 01010100 X2機= 11010100,機器中，數(shù)的符號用“0”、“1” 表示。 最高位作符號位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。,（一）機器數(shù)與真值,1.2.2帶符號數(shù)的表示方法,最高位為符號位，0表示 “+”，1表示“”。 數(shù)值位與真值數(shù)值位相同

14、。 例 8位原碼機器數(shù)： 真值： x1 = +1010100B x2 = 1010100B 機器數(shù)：x1原 = 01010100 x2原 = 11010100 原碼表示簡單直觀,但0的表示不唯一，加減運算復(fù)雜。,有符號數(shù)通常使用三種表示方法：,(二)原碼(True Form),（三）補碼（Twos Complement）,正數(shù)的補碼表示與原碼相同。 負數(shù)補碼的符號位為1，數(shù)值位等于求反加1。,例：求 8位補碼機器數(shù)：x=+4 x補= 00000100 x=-4 10000100 x1111011 x補 = 11111100,補碼表示的優(yōu)點： 0的表示唯一，加減運算方便。,數(shù)的補碼與“?！庇嘘P(guān)

15、“?！奔从嫈?shù)系統(tǒng)的量程。,當(dāng)X0，X補= 模-X。,8位二進制數(shù)的模為： 28 = 256 當(dāng)X0，X補= 28 -X = 256 -X= 255 -X+1 = X反碼 + 1 規(guī)則：求反加1，符號位不變。 如：1000 1101B 其補碼：1111 0010 規(guī)定：0000 0000B 為0 1000 0000B 不是0，而是128,8位機器數(shù)表示的真值,1.2.2帶符號數(shù)的表示方法,四. 機器數(shù)與真值之間的轉(zhuǎn)換,1)X1=+127，X2=-127，求X原 、X補 X1原=X1補=01111111= 7FH X2原=11111111= FFH X2補=10000001= 81H 2)X1=+

16、255，X2=-255 ，求X原 、X補 X1原=X1補=0000000011111111= 00FFH X2原=1000000011111111= 80FFH X2補=1111111100000001= FF01H,1. 真值機器數(shù),1.2.3 二十進制編碼BCD碼,例：求十進制數(shù)876的BCD碼 876BCD = 1000 0111 0110 876 = 36CH = 11 0110 1100B,BCD碼(Binary Coded Decimal)二進制代碼表示的十進制數(shù)。,一.8421 BCD碼,二. BCD碼運算,十進制調(diào)整：計算機實際按二進制法則計算，加入十進制調(diào)整操作，可計算BCD碼。 十進制調(diào)整方法：當(dāng)計算結(jié)果有非BCD碼或產(chǎn)生進位或借位，進行加6或減6調(diào)整。,例：計算BCD碼 78+69=？ 0111 1000 78BCD + 0110 1001 + 69BCD 1110 0001產(chǎn)生非BCD碼和半進位 + 0110 0110 +