【大学课件】单片机原理与接口技术课件 单片机系统模拟量及其他扩展技术

单片机原理与接口技术本课程介绍单片机的工作原理、内部结构以及常用接口技术。学习内容包括单片机系统构成、指令系统、程序设计方法、常用接口电路设计等。单片机系统概述微型计算机单片机是一种集成了中央处理器(CPU)、内存和输入/输出(I/O)模块的微型计算机，体积小、功耗低，适用于各种嵌入式系统。高度集成单片机将多个功能部件集成在一个芯片上，实现控制、运算、存储、通信等功能，简化了系统设计，提高了可靠性。可编程性单片机可以通过编程来实现不同的功能，满足各种应用需求，具有灵活性和可扩展性。单片机的发展历程1第一代8位单片机2第二代16位单片机3第三代32位单片机4第四代多核单片机单片机经历了从第一代8位到第四代多核的演变。早期的单片机主要用于工业控制，随着技术的进步，单片机逐渐应用于消费电子、汽车电子等领域，功能和性能不断提升。单片机系统结构单片机系统结构由CPU、存储器和输入输出接口组成，这些组件之间通过总线连接。CPU负责执行程序，并与存储器和外设进行数据交换。存储器用于存储程序和数据。输入输出接口负责与外设进行数据通信。CPU工作原理指令周期单片机CPU的工作原理以指令周期为基础。指令周期是指CPU执行一条指令所需的时间。每个指令周期又可分为多个阶段，例如取指、译码、执行等。执行过程CPU从内存中获取指令，并对其进行译码，然后执行相应的操作，例如数据传送、算术运算、逻辑运算等。存储器系统闪存闪存是主要的程序和数据存储空间，用于存储单片机运行的程序和数据。RAMRAM用于存储程序运行时所需的临时数据和中间结果。外部存储器外部存储器可以扩展存储容量，用于存储大量数据，例如音频、视频或其他文件。输入输出系统1端口单片机通过端口与外部设备进行通信。2数据传输数据通过端口的引脚进行传输。3控制信号通过控制信号控制数据流向。4接口电路接口电路连接单片机与外部设备。中断系统中断的概念中断是单片机系统中重要的机制，用于及时响应外部事件或内部异常。中断源中断源可以是外部信号，例如按键、定时器，也可以是内部异常，例如溢出、错误。中断处理当发生中断时，CPU会暂停当前任务，转而去执行中断服务程序，处理完中断事件后，再返回到原来的程序继续执行。中断优先级中断优先级用于决定多个中断同时发生时，哪个中断先被处理。定时/计数器系统定时器功能定时器允许单片机在特定时间间隔后执行操作，用于延时、时间测量等应用。计数器功能计数器可以记录外部事件发生的次数，用于频率测量、脉冲计数等应用。工作模式定时/计数器系统通常提供多种工作模式，例如定时器模式、计数器模式、脉冲宽度调制模式等。应用场景定时/计数器广泛用于控制电机、控制LED闪烁、数据采集、通信等领域。串行通信系统串行接口串行接口将数据按位依次传输，常用接口类型包括RS-232、RS-485、SPI和I2C等。数据传输串行通信采用异步方式，通过起始位、数据位、校验位和停止位构成数据帧进行传输。通信协议串行通信协议用于定义数据格式、传输速率、数据校验等，例如UART、CAN、LIN等。模拟量采集原理模拟信号模拟信号是连续变化的信号，通常由传感器等设备产生。例如，温度传感器会输出与温度成正比的模拟电压信号。数字信号数字信号是离散的信号，可以用0和1来表示。单片机只能处理数字信号，因此需要将模拟信号转换为数字信号。模拟量采集电路模拟量采集电路将模拟信号转换为单片机可识别的数字信号。该电路通常包含传感器、放大器、滤波器和模数转换器（ADC）。传感器将物理量转换为模拟电压或电流信号。放大器放大传感器信号，使其满足ADC的输入范围。滤波器去除噪声，提高信号质量。ADC将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传送给单片机进行处理。模拟量输出原理1数字信号转换单片机内部存储的是数字信号，而外部设备通常需要模拟信号。2数模转换器使用数模转换器(DAC)将数字信号转换成模拟信号。3电压或电流输出DAC输出的模拟信号通常是电压或电流形式。4外部设备控制输出的模拟信号可以控制外部设备，例如电机、传感器或显示器。模拟量输出电路模拟量输出电路将单片机中的数字信号转换为模拟信号。常见方法包括使用数模转换器(DAC)或PWM(脉冲宽度调制)输出。DAC将数字信号转换为与之对应的电压或电流模拟信号，适合精度要求高的场合。PWM输出通过改变脉冲宽度来控制输出信号的平均值，适合控制电机等应用。模数转换器芯片转换原理模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，通常使用电压或电流作为输入。工作模式常用的ADC工作模式包括逐次逼近型、并行比较型、双积分型等。精度与速度ADC的精度由分辨率决定，速度由转换时间决定。不同的应用场景对ADC的精度和速度有不同的要求。数模转换器芯片工作原理将数字信号转换为模拟信号，通常使用电阻网络、加权平均或电压合成。种类主要包括逐次逼近型、并行型、电压/电流型等，根据应用场景和精度要求选择。参数主要参数包括分辨率、转换速度、精度、功耗和工作电压等。应用广泛应用于音频、视频、工业控制、医疗仪器等领域。传感器应用概述传感器种类传感器种类繁多，可分为多种类型，例如温度传感器、压力传感器、光电传感器等。传感器将物理量转换为电信号，使单片机能够感知外界环境。传感器应用领域传感器广泛应用于工业控制、智能家居、医疗设备、机器人等领域。传感器是现代科技的重要组成部分，推动着各个领域的发展。温度传感器接口温度传感器类型常用温度传感器类型包括热敏电阻、热电偶、铂电阻等。不同的传感器具有不同的工作原理和特性。接口电路温度传感器需要通过接口电路与单片机进行连接，接口电路通常包含放大、滤波、A/D转换等模块。数据采集单片机通过A/D转换器采集传感器输出的模拟信号，并将其转换为数字信号，用于温度数据的处理和显示。温度控制单片机可以根据采集到的温度数据，控制加热或冷却设备，实现温度控制功能。压力传感器接口1压力传感器压力传感器可以将压力信号转换为电信号，实现压力测量的功能。2接口电路压力传感器接口电路需要将传感器输出的电压或电流信号转换为单片机能够识别的数字信号。3信号放大由于传感器输出信号通常很弱，需要使用放大电路提高信号强度。4模数转换将模拟信号转换为数字信号需要使用模数转换器（ADC）芯片。流量传感器接口流量传感器原理流量传感器通过测量流体的流速或流量来获取流量信息。接口电路设计将流量传感器信号转换为单片机可识别的数字信号。软件编程读取传感器数据并进行处理，实现流量测量和控制功能。位置传感器接口位置传感器类型常见的位置传感器有电位器、霍尔传感器、磁阻传感器等。不同的传感器具有不同的工作原理和应用场景，需根据实际需求选择合适类型的传感器。接口电路设计位置传感器与单片机的接口电路需要根据传感器的类型和输出信号进行设计。例如，电位器需要连接到单片机的ADC模块，而霍尔传感器则可以连接到单片机的数字IO口。信号处理从位置传感器获得的信号通常需要进行处理，例如滤波、校准、数据转换等。这些处理可以利用单片机的内置功能或编写相应的程序实现。光电传感器接口1光电传感器分类光电传感器包含发射器和接收器。常见类型有反射式、透射式和漫反射式。2信号处理光电传感器输出的信号通常为模拟信号，需要使用模数转换器将其转换为数字信号。3接口设计接口电路应考虑电源、信号传输、干扰抑制、数据处理等因素，确保可靠性和稳定性。4应用实例光电传感器广泛应用于自动控制系统、机械设备、安全检测等领域，提高工作效率和安全性。单片机驱动电机1电机类型选择直流电机、步进电机、伺服电机2驱动电路设计电流、电压控制3控制方法PWM、方向控制4电机控制算法PID、位置控制单片机驱动电机应用广泛，例如工业自动化、机器人控制、智能家居等。PWM输出电机驱动PWM脉冲宽度调制利用单片机定时/计数器模块生成不同占空比的方波信号控制直流电机速度。驱动电路使用MOSFET或IGBT作为功率开关，根据PWM信号控制电机电流。电机控制通过调节PWM信号的占空比改变电机施加的电压，进而控制电机转速。应用领域广泛应用于各种电机控制系统，如机器人，无人机，电动汽车等。步进电机控制1步进电机工作原理步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的电机。每个脉冲使电机转动一个固定角度，称为步进角。步进角的大小取决于电机结构。2步进电机控制方法通过控制脉冲序列来控制步进电机的转动，包括方向控制和速度控制。常见的控制方法包括：波形控制、脉冲宽度调制(PWM)控制等。3步进电机应用步进电机广泛应用于数控机床、机器人、打印机、光驱等设备，实现精确的定位和运动控制。DC电机正反转控制1控制信号使用单片机控制引脚产生高低电平信号。2方向控制通过控制信号控制电机驱动芯片的输入，改变电机转动方向。3电机驱动芯片驱动芯片负责将单片机输出的控制信号放大，以驱动电机。通过控制信号控制电机驱动芯片的两个输入端，实现正反转控制。正转时，一个输入端为高电平，另一个输入端为低电平。反转时，两个输入端的电平状态互换。使用单片机输出PWM信号控制电机速度，实现对电机运行速度的精确控制。电机编码器接口编码器类型增量式编码器绝对式编码器接口电路连接编码器输出信号到单片机输入引脚电机控制编码器反馈电机转速、位置信息软件实现编写程序读取编码器数据单片机与PC机通讯串行通信单片机与PC机之间可以通过串口通信进行数据交换。串口通信是一种常见的通信方式，它使用异步方式传输数据。单片机通过串口发送数据到PC机，PC机接收数据并进行处理。通常使用串口调试助手软件进行调试。USB通信单片机可以通过USB接口与PC机进行通信。USB通信速度更快，更方便，且支持多种通信协议。单片机通过USB接口将数据传输到PC机，PC机接收数据并进行处理。可以使用USB虚拟串口驱动程序。串行总线通讯协议I2C总线I2C协议是一种双向的串行通讯协议，用于连接多个设备，并提供一个主控器进行通信。SPI总线SPI协议是一种同步串行通讯协议，用于连接多个设备，并提供一个主控器进行通信。UART协议UART协议是一种异