单片机原理及接口技术(第三版)

单片机原理及接口技术(第三版)contents目录绪论单片机基本原理单片机接口技术单片机编程语言与程序设计单片机系统扩展与应用单片机应用实例分析实验与课程设计指导01绪论123单片机是一种将微处理器、存储器、输入输出接口等集成在一个芯片上的微型计算机。单片机的定义体积小、功耗低、可靠性高、控制功能强、扩展灵活等。单片机的特点通用计算机以运算和处理数据为主，而单片机则以控制为主，强调实时性和控制功能。单片机与通用计算机的区别单片机概述03第三代单片机采用16位或32位微处理器，集成了更多的外设接口和片上资源，性能更加强大。01第一代单片机以4位或8位微处理器为核心，采用双列直插式封装，功能相对简单。02第二代单片机采用高性能8位微处理器，增加了串行通信接口、模数转换器等功能，封装形式也更加多样。单片机发展历程物联网作为物联网终端设备的核心控制器，实现数据采集、传输和控制等功能。汽车电子如车身控制、发动机控制、安全系统等。医疗设备如医疗监护仪、便携式医疗设备等。工业控制如电机控制、温度控制、压力控制等。智能家居如智能照明、智能安防、智能家电等。单片机应用领域02单片机基本原理计算机的基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出设备等。计算机的工作原理基于二进制数的运算和存储，通过程序控制实现各种功能。计算机中的数和编码包括原码、反码、补码等编码方式，以及定点数和浮点数的表示方法。计算机基础知识存储器用于存储程序和数据，包括程序存储器、数据存储器等。单片机的基本结构包括中央处理器、存储器、输入/输出端口、定时/计数器等。中央处理器单片机的核心部分，负责执行各种指令和操作。输入/输出端口用于与外部设备进行数据交换和通信。定时/计数器用于实现定时和计数功能，可应用于各种控制和测量场合。单片机结构组成第二季度第一季度第四季度第三季度指令系统程序执行过程中断系统时序与复位单片机工作原理单片机所能执行的全部指令的集合，包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等。从程序存储器中读取指令，解码后执行相应的操作，然后更新程序计数器，指向下一条要执行的指令。当外部事件或内部事件发生时，中断系统可以打断正在执行的程序，转去执行中断服务程序，处理完中断后再返回原程序继续执行。单片机的时序是指各信号之间的时间关系，包括机器周期、状态周期等。复位操作是将单片机内部的寄存器清零，使单片机从一个确定的状态开始工作。03单片机接口技术数据传输方式并行接口通过多条数据线同时传输数据，实现数据的并行传输，提高数据传输速度。端口地址与操作每个并行接口都有唯一的端口地址，通过访问该地址可以实现对接口的读写操作。典型并行接口芯片例如8255A，具有3个8位并行I/O端口，可通过编程实现多种数据传输模式。并行接口串行接口通过单一数据线按位传输数据，适用于远距离通信和低速设备连接。数据传输方式串行通信可分为同步通信和异步通信，其中同步通信需要时钟信号同步，而异步通信通过特定的起始位和停止位实现数据同步。同步与异步通信例如RS-232C、RS-422、RS-485等，具有不同的电气特性和数据传输速率。典型串行接口标准串行接口中断优先级与嵌套不同中断源具有不同的中断优先级，高优先级中断可以打断低优先级中断的处理过程，实现中断嵌套。中断概念中断是指CPU在执行程序过程中，由于外部或内部事件引起的暂时停止当前程序执行，转去执行中断服务程序的过程。中断源与中断向量中断源是引起中断的事件或设备，而中断向量是中断服务程序的入口地址。中断处理过程包括中断请求、中断响应、中断服务和中断返回四个阶段。在中断处理过程中，需要保存现场信息、执行中断服务程序并恢复现场信息。中断系统04单片机编程语言与程序设计指令系统与寻址方式详细讲解单片机的指令系统，包括数据传送、算术运算、逻辑运算、位操作等指令，以及各种寻址方式的应用。汇编语言程序结构阐述汇编语言程序的基本结构，包括伪指令、宏定义、子程序等概念及其使用方法。汇编语言概述介绍汇编语言的特点、作用以及与机器语言的关系。汇编语言基础数据类型与运算符详细讲解C51语言中的数据类型，包括基本类型、构造类型、指针类型等，以及各种运算符的优先级和结合性。流程控制语句阐述C51语言中的流程控制语句，包括条件语句、循环语句、开关语句等，以及它们的使用方法和注意事项。C51语言概述简要介绍C51语言的特点、优势以及与标准C语言的差异。C51语言基础程序设计方法与技巧介绍程序优化的基本方法和技巧，包括算法优化、代码优化、内存优化等，以提高程序的执行效率和资源利用率。程序优化技巧介绍结构化程序设计的基本思想、原则和方法，以及如何使用顺序、选择和循环三种基本结构进行程序设计。结构化程序设计方法阐述模块化程序设计的基本概念、原则和方法，以及如何使用函数和子程序实现模块化设计。模块化程序设计方法05单片机系统扩展与应用通过单片机外部总线接口，连接外部RAM芯片，实现数据存储容量的扩展。外部RAM扩展通过单片机外部总线接口，连接外部ROM芯片，实现程序存储容量的扩展。外部ROM扩展通过I2C或SPI等串行接口，连接EEPROM芯片，实现非易失性数据存储。EEPROM扩展存储器扩展I/O端口扩展通过单片机并行I/O端口，连接外部芯片或模块，实现数字信号的输入/输出功能。串行I/O端口扩展通过单片机的串行通信接口（如UART、SPI、I2C等），连接外部芯片或模块，实现串行数据的传输和控制。中断与定时/计数器扩展通过单片机的中断和定时/计数器功能，连接外部中断源或定时/计数器芯片，实现复杂控制逻辑和时间管理。并行I/O端口扩展A/D转换接口扩展通过单片机的模拟输入接口，连接A/D转换芯片，实现模拟信号到数字信号的转换。D/A转换接口扩展通过单片机的数字输出接口，连接D/A转换芯片，实现数字信号到模拟信号的转换。数据采集与处理系统结合A/D和D/A转换接口扩展，构建数据采集与处理系统，实现对模拟信号的采集、处理和控制。A/D和D/A转换接口扩展03020106单片机应用实例分析设计目标实现交通信号灯的红黄绿灯光自动切换，确保交通流畅和安全。硬件组成单片机、LED灯、驱动电路、电源等。软件设计编写程序控制LED灯的亮灭和切换顺序，设置合适的延时时间。调试与优化通过实际测试和模拟仿真，调整灯光切换时间和程序逻辑，确保系统稳定可靠。交通信号灯控制系统设计实时监测环境温度，并根据设定值进行自动调节，保持温度稳定。设计目标编写程序读取温度传感器数据，通过PID算法控制加热/制冷元件的功率，实现温度自动调节。软件设计单片机、温度传感器、加热/制冷元件、显示模块等。硬件组成通过实际测试和数据分析，调整PID参数和程序逻辑，提高系统控制精度和稳定性。调试与优化01030204温度检测与控制系统设计设计目标硬件组成软件设计调试与优化简易计算器设计实现基本的四则运算功能，方便用户进行简单的数学计算。编写程序识别按键输入，实现加减乘除运算和结果显示功能。单片机、按键输入模块、显示模块等。通过实际测试和用户反馈，调整按键识别和运算逻辑，提高系统易用性和准确性。07实验与课程设计指导掌握单片机的基本原理、接口技术和应用方法。培养学生具有单片机应用系统的软、硬件开发能力。培养学生分析问题、解决问题的能力，提高学生的实践能力和创新意识。实验目的和要求实验内容和步骤熟悉单片机的开发环境，掌握单片机的编程语言。完成定时器/计数器实验，掌握单片机的定时/计数功能。完成串行通信实验，掌握单片机的串行通信原理和方法。完成基本输入输出实验，了解单片机的I/O端口操作。完成中断实验，了解单片机的中断处理机制。完成A/D、D/A转换实验，了解单片机的模拟量输入输出处理。设计一个基于单片机的数字钟，实现时、分、秒的显示和闹钟功能。设计一个基于单片机的温度控制系统，实现温度的采集、显示和控制。设计一个基于单片机的简易计算器，实现基本的算术运算