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1、机电系统控制电路设计机电系统控制电路设计教师：教师：黄学功黄学功电话：电话：15996266901E-mail：南京理工大学机械工程学院南京理工大学机械工程学院2015-102 AVR2 AVR单片机单片机系统单片机单片机系统 2.1 AVR 2.1 AVR单片机的硬件结构单片机的硬件结构 2.2 2.2 AVRAVR单片机的的单片机的的I/OI/O口口 2.3 2.3 中断系统中断系统 2.4 2.4 定时定时/计数器计数器 2.5 2.5 A/DA/D转换器与模拟比较器转换器与模拟比较器 2.6 2.6 串口通信技术串口通信技术单片机的单片机的概念概念CPU存储器（硬盘，内存）输入输出接口
2、单片机的定义单片机就是单片微型计算机,是将计算机的中央处理器(CPU)、存储器（ROM,RAM）、输入/输出（I/O）接口等集成在一小块硅片上的微型机。时钟电路时钟电路CPUROMRAM输入输入/输出接口输出接口单片机单片机电源模块电源模块开关开关输入输入音乐音乐输出输出LED显示显示数码管显示数码管显示红外红外遥控遥控继电器继电器控制控制串行串行模块模块成于大气成于大气 信达天下信达天下单单 片片 机机 的的 特特 点点控制能力强控制能力强集成度集成度 高体积小高体积小 有很高的可靠性有很高的可靠性优异的性能价格比优异的性能价格比单单片机片机产产品近况品近况 ATMELATMEL公司融入公司
3、融入FlashFlash存存储储器技器技术术的的AT89AT89系列；系列；PhilipsPhilips公司的公司的80C5180C51、80C55280C552系列；系列；华华邦公司的邦公司的W78C51W78C51、W77C51W77C51高速低价高速低价系列；系列；ADIADI公司的公司的ADC8xxADC8xx高精度高精度ADCADC系列；系列；LGLG公司的公司的GMS90/97GMS90/97低低压压高速高速系列；系列；MaximMaxim公司的公司的DS89C420DS89C420高速（高速（50MIPS50MIPS）系列；系列；CygnalCygnal公司的公司的C8051FC
4、8051F系列高速系列高速SOCSOC单单片机。片机。宏晶科技的宏晶科技的STCSTC增增强强型型80518051内核内核单单片机片机 1 1）5151系列系列单单片机片机 5151系列系列单单片机片机产产品繁多，近年来推出的品繁多，近年来推出的与与5151兼容兼容的主要的主要产产品有：品有：2）非）非51系列单片机系列单片机非非80C51结构单片机新品结构单片机新品不断推出，给用户提供了不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间更为广泛的选择空间，近年来推出的非，近年来推出的非80C51系列系列的主要产品有：的主要产品有：Intel的的MCS-96系列系列16位单片机位单片机；Microchi
5、p的的PIC系列系列RISC单片机单片机；ATMELATMEL公司公司AVR单片机单片机TI的的MSP430F系列系列16位位低功耗低功耗单片机单片机。单片机的发展趋势单片机的发展趋势 1.CPU1.CPU的改进的改进 （1 1）采用双）采用双CPUCPU结构，提高处理能力结构，提高处理能力（2 2）增加数据总线宽度，内部采用）增加数据总线宽度，内部采用1616位数据总线。位数据总线。（3 3）串行总线结构，菲利浦公司的）串行总线结构，菲利浦公司的I I2 2C C总线总线（InterInterIcbusIcbus）。用两根信号线代替现行的）。用两根信号线代替现行的8 8位数据总线。位数据总线
6、。2 2存储器的发展存储器的发展 （1 1）加大存储容量。）加大存储容量。（2 2）片内）片内EPROMEPROM采用采用E E2 2PROMPROM或或闪烁（闪烁（FlashFlash）存储器）存储器（3 3）程序保密化。）程序保密化。3 3片内片内I/OI/O的改进的改进（1 1）增加并行口的驱动能力，能直接输出）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和大电流和高电压高电压。（2 2）增加）增加I/OI/O口的逻辑控制功能口的逻辑控制功能。（3 3）设置了一些）设置了一些特殊的串行接口功能特殊的串行接口功能，构成，构成分布式、分布式、网络化网络化系统系统 。4 4外围电路内装化外围电路内装
7、化 器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集器件集成度的不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内成在片内系统的单片化系统的单片化。5 5低功耗化低功耗化 CMOSCMOS化化CHMOSCHMOS工艺。工艺。总之，总之，向向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、高性能、高速、低压、低功耗、低价格、外围电路内装化外围电路内装化方向发展方向发展。6 6、特殊单片机的出现、特殊单片机的出现 1 1）神经元单片机）神经元单片机 主要应用于工业控制网络中的节点部件，典型产主要应用于工业控制网络中的节点部件，典型产品：品：MotorolaMotorola公司公司 Newral Chip3150Newral
8、 Chip3150（3 CPU3 CPU）2 2）模糊单片机）模糊单片机 模糊单片机是一种能模糊单片机是一种能执行模糊逻辑推理执行模糊逻辑推理功能的单功能的单片机，可执行模糊化、模糊推理、反模糊化等操作片机，可执行模糊化、模糊推理、反模糊化等操作而无需软件，典型产品：而无需软件，典型产品：NeuralogixNeuralogix公司公司NLX230NLX230 单片机的应用单片机的应用 单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。到各个领域。使用温度：使用温度：民品民品：0 0C C+70+70C C工业品：工业品：-40-40C C+85+
9、85C C军品：军品：-65-65C C+125+125C C。单片机的应用单片机的应用工业方面工业方面工业方面工业方面民用方面民用方面民用方面民用方面仪表方面仪表方面仪表方面仪表方面电讯方面电讯方面电讯方面电讯方面数据处理方面数据处理方面数据处理方面数据处理方面汽车方面汽车方面汽车方面汽车方面单片机应用智能控制单片机的应用单片机的应用单片机应用消费电子产品单片机的应用单片机的应用单片机应用军事技术单片机的应用单片机的应用单片机应用工业控制单片机的应用单片机的应用单片机的应用单片机的应用单片机的应用单片机的应用2.1 AVR2.1 AVR单片机及其硬件结构单片机及其硬件结构AVRAVR单片机特
10、点单片机特点 AVR单片机有如下一些显著特点：单片机有如下一些显著特点：1、速度快 AVR单片机有如下一些显著特点：单片机有如下一些显著特点：2、片上资源丰富 AVRAVR单片机特点单片机特点3、保密性好 AVR单片机具有高度保密性。程序存储器Flash具有多重密码保护锁死（lock）功能，不可能解密。4、可重复擦写在系统编程 ISP（In-System Programming）AVR单片机的程序存储空间采用Flash技术，可重复擦写1000次以上（新的AVR单片机可重复擦写10000次以上）。而且设计者不必将单片机从系统上拆下来拿到编程器上烧写，可直接在电路板上进行在线下载，以实现程序修改、
11、烧录等操作，方便产品升级。AVRAVR单片机特点单片机特点AVRAVR单片机特点单片机特点AVRAVR单片机特点单片机特点8.采用精简指令集采用精简指令集RISC（CISC和和RISC）CISCCISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）l具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式l用最少的语言完成所需的计算任务用最少的语言完成所需的计算任务。RISCRISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)Reduced
12、Instruction Set Computer)l指令数少指令数少：通常指令数在：通常指令数在100100条左右，并且大部分指令结构简条左右，并且大部分指令结构简单，设置少量支持操作系统和高级语言实现的指令。单，设置少量支持操作系统和高级语言实现的指令。l减少指令系统的寻址方式的种类减少指令系统的寻址方式的种类，一般不超过，一般不超过2 2种，并且全部种，并且全部指令都具有相同长度，指令执行效率高。指令都具有相同长度，指令执行效率高。l大部分指令在一个机器周期完成大部分指令在一个机器周期完成。l扩大通用寄存器的个数。一般不少于扩大通用寄存器的个数。一般不少于3232个，以尽量减少存储器个，以
13、尽量减少存储器操作。因为寄存器速度极快操作。因为寄存器速度极快 l优化设计编译程序，以简单有效的方式支持高级语言的实现。优化设计编译程序，以简单有效的方式支持高级语言的实现。指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器存储器存储器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4数据数据数据数据0数据数据1数据数据29.9.采用哈佛体系结构采用哈佛体系结构（冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型）冯诺依曼体系的特点1）数据与指令都存储在存储器中数据与指令都存储在存储器中2）被大多数计算机所采用）被大多数计算机所采用3）8086冯诺依曼体系冯诺依
14、曼体系哈佛体系结构哈佛体系结构指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令地址地址数据数据哈佛体系结构的特点1）程序存储器与数据存储器分开程序存储器与数据存储器分开2）提供了较大的数据存储器带宽）提供了较大的数据存储器带宽3）适合于数字信号处理）适合于数字信号处理4）大多数）大多数DSP都是哈佛结构都是哈佛结构5）ARM9是哈佛结构是哈佛结构指令的执行周期T1）取指令（取指令（Instruction Fetch)：TF2）指令译码（）指令译
15、码（Instruction Decode）：）：TD3）执行指令（）执行指令（Instruction Execute）：）：TE4）存储（）存储（Storage）：）：TS每条指令的执行周期：每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TSAVR CPU的工作是由系统时钟的工作是由系统时钟CLKCPU（）直接驱动）直接驱动的，在片内不再进行分频。图示为的，在片内不再进行分频。图示为Harvard结构和快速结构和快速访问寄存器组的并行指令存取和指令执行时序。访问寄存器组的并行指令存取和指令执行时序。CPU在在启动后第一个时钟周期启动后第一个时钟周期T1取出第一条指令，在取出第一条指令，在T2周期便
16、周期便执行取出的指令，并同时又取出第二条指令，依次进行。执行取出的指令，并同时又取出第二条指令，依次进行。这种基于流水线形式的取指方式，使这种基于流水线形式的取指方式，使AVR可以以非常高可以以非常高的速度执行指令，获得高达的速度执行指令，获得高达1MIPSMHz的效率。的效率。AVR单片机单片机CPU的工作时序的工作时序图示为图示为ALU与寄存器堆操作单周期指令与寄存器堆操作单周期指令（如加法指令）的执行时序。在单一时钟（如加法指令）的执行时序。在单一时钟周期内，由周期内，由2个寄存器提供操作数，个寄存器提供操作数，ALU执行相应的操作，最后将操作结果回送到执行相应的操作，最后将操作结果回送
17、到目的寄存器中目的寄存器中。l与其它与其它8-Bit MCU相比，相比，AVR 8-Bit MCU最大的特点是：最大的特点是：哈佛结构，具备哈佛结构，具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力；的高速运行处理能力；超功能精简指令集（超功能精简指令集（RISC），具有），具有32个通用工作寄存器，克个通用工作寄存器，克服了如服了如8051 MCU采用单一采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象；进行处理造成的瓶颈现象；快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用
18、于使用非常大，特别适用于使用高级语言进行开发；高级语言进行开发；作输出时与作输出时与PIC的的HI/LOW相同，可输出相同，可输出40mA（单一输出），（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；灌电流的能力；片内集成多种频率的片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；大部分大部分AVR片上资源丰富：带片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，
19、SPI，UART，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等；等；AVR 8-Bit MCU的最大特点的最大特点AVRAVR单片机的选型单片机的选型l AVRAVR单片机的选型单片机的选型I/OI/O口口存储器大小存储器大小EEPROMEEPROM大小大小 功能模块功能模块最高工作频率最高工作频率定时计数器定时计数器 工作电压工作电压 AVRAVR单片机型号的选择单片机型号的选择AVRAVR系列单片机有以下三个档次系列单片机有以下三个档次：1 1、低挡、低挡ATinyATiny系列系列AVRAVR单片机，主要有单片机，主要有ATiny11/12/13/15/26/28ATiny
20、11/12/13/15/26/28等。等。2 2、中档、中档AT90SAT90S系列单片机，主要有系列单片机，主要有AT90S1200/2313/8515/8535AT90S1200/2313/8515/8535等。等。3 3、高档、高档ATmegaATmega系列系列AVRAVR单片机，主要有单片机，主要有ATmega8/16/32/128ATmega8/16/32/128，以及，以及ATmega8515/8535ATmega8515/8535等。等。3个 AVR 系列存储器存储器大小大小性能性能(1KB-2KB)(1KB-8KB)(16KB-128KB)完全兼容完全兼容ATtinyATti
21、ny系列单片机特点系列单片机特点：AVRAVR单片机型号的选择单片机型号的选择ATtiny10/11/12ATtiny10/11/12特点特点：AVRAVR单片机型号的选择单片机型号的选择ATtiny10/11/12ATtiny10/11/12特点特点：AVRAVR单片机型号的选择单片机型号的选择ATtiny10/11/12ATtiny10/11/12特点特点：AVRAVR单片机型号的选择单片机型号的选择ATtiny10/11/12ATtiny10/11/12特点特点：AVRAVR单片机型号的选择单片机型号的选择AT90S1200AT90S1200单片机特点单片机特点 ：AVRAVR单片机型号
22、的选择单片机型号的选择AT90S1200AT90S1200单片机特点单片机特点 ：AVRAVR单片机型号的选择单片机型号的选择 ATmega8ATmega8单片机特点单片机特点 ：AVRAVR单片机型号的选择单片机型号的选择AVR 芯片型号的解释，以 ATmega48V-10AI 为例ATmega48 代表产品.V 代表低/宽电压版本。新出的AVR(M48/88/168,Tiny13/2313.)产品系列来说,-V 是1.8-5.5V 工作范围。不带V是2.7-5.5V 工作范围。老的系列以L表示,2.7-5.5V 工作范围，不带L是4.5-5.5V 工作范围。-10,表示最高工作频率,10M
23、Hz A,表示封装。AVR芯片有四种封装：1.A:TQFP（扁平薄片方形封装）2.P:PDIP（双列直插封装）3.S:SOIC（小型封装）4.M:MLF（微引脚封装）5 PLCC（塑封J引线封装）I,表示温度范围,将来还表示 ROHS1.I,工业级 2.C,商业级 3.A,汽车级 4.E,扩展级(-40-105C)5.U,符合ROHS,工业级三种封装：PDIP,TQFP,脚MLF20脚脚PDIP40脚脚PDIP44脚脚TQFP64脚脚TQFP44脚脚MLF2.1 AT90S85352.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535AT90S8535单片机单片机I/
24、OI/O口（口（3232）存储器大小存储器大小(8k flash 512B SRAM 512B EEPROM)(8k flash 512B SRAM 512B EEPROM)工作电压（工作电压（2.76V2.76V；4.06V4.06V）功能模块功能模块最高工作频率（最高工作频率（8MHz8MHz）定时计数器定时计数器 1616个中断源个中断源 l AT90S8535AT90S8535单片机单片机2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535单片机2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构AVR单片机的CPUAVR RISC结构102423中央
25、处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运算和控制操作。按其功能，CPU包括运算器和控制器两部分电路。运算器电路：一个8位的运算器用于实现算术和逻辑运算。ALU（算术逻辑单元）、32个通用寄存器等属于运算电路。控制器电路：控制电路是单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动协调的工作。程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID等均属于控制电路。MCU工作原理：单片机执行命令是在控制电路的控制下进行的。首先从程序存储器（FLASH）中读出指令，送指令寄存器保存，然后送指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到系统的各个部件去进行相应的操作
26、。这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。l AT90S8535AT90S8535单片机的中央处理器单片机的中央处理器 3232个通用寄存器，个通用寄存器，1 1个算数逻辑运算单元及状态和控制个算数逻辑运算单元及状态和控制逻辑单元。逻辑单元。l AT90S8535AT90S8535单片机的存储器组织单片机的存储器组织 程序存储器（程序存储器（FlashFlash）数据存储器（数据存储器（SRAM;EEPROMSRAM;EEPROM）2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535单片机的存储器组织2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机
27、的硬件结构l AT90S8535单片机的存储器组织2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535AT90S8535单片机的存储器组织单片机的存储器组织2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535单片机的状态寄存器2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构 I 全局中断使能位 T 位复制标志 H 半进位标志 S 符号标志位 V 溢出标志位 N 负数标志位 Z 零标志位 C 进位标志位l AT90S8535单片机的堆栈指针SP2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535单片机复
28、位系统u复位源：上电复位 外部复位 看门狗复位2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535AT90S8535单片机复位系统单片机复位系统2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535单片机复位系统-上电复位2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535AT90S8535单片机复位系统单片机复位系统-RESET-RESET控制的上电复位控制的上电复位2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535单片机复位系统-外部复位2.1 AT90S8535单片机的硬件结构
29、单片机的硬件结构l AT90S8535单片机复位系统-看门狗复位2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535AT90S8535单片机复位系统单片机复位系统-复位参数复位参数符号参数最小值 典型值 最大值单位VPOT上电复位门限电压（上升沿）1.01.41.8VVPOT上电复位门限电压（下降沿）0.40.60.8VVRST复位门限电压0.6VCCVtTOUT复位延时定时输出周期(FSTRT不编程)11.016.021.0mstTOUT复位延时定时输出周期(FSTRT编程)1.01.11.2ms2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构复位电路内
30、置复位电路 与传统的 51 单片机相比，AVR 单片机内置复位电路，并且在熔丝位里，可以控制复位时间，所以，AVR 单片机可以不设外部上电复位 电路，依然可以正常位，稳定工作。外部复位电路 若是系统需要设置按键复位电路，那么注意，AVR 单片机是低电平复位。l AT90S8535/ATMEGA8535AT90S8535/ATMEGA8535单片机时钟系统单片机时钟系统u时钟源：外部时钟 内部时钟2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535/ATMEGA8535单片机时钟系统-晶体振荡器2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8
31、535/ATMEGA8535AT90S8535/ATMEGA8535单片机时钟系统单片机时钟系统-晶体振荡器晶体振荡器2选项不适合于晶体只适合于陶瓷谐振器2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l ATMEGA8535单片机时钟系统-晶体振荡器2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l ATMEGA8535单片机时钟系统-低频晶体振荡器（32.768kHz）2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535/ATMEGA8535AT90S8535/ATMEGA8535单片机时钟系统单片机时钟系统-外部外部RCRC振荡器振荡器2.
32、1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构lAT90S8535/ATMEGA8535 AT90S8535/ATMEGA8535 单片机时钟系统单片机时钟系统-外部外部RCRC振荡器振荡器2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535/ATMEGA8535AT90S8535/ATMEGA8535单片机时钟系统单片机时钟系统-外部外部RCRC振荡器振荡器2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l ATMEGA8535ATMEGA8535单片机时钟系统单片机时钟系统-片内标定片内标定RCRC振荡器振荡器2.1 AT90S8535单片机的
33、硬件结构单片机的硬件结构l ATMEGA8535ATMEGA8535单片机时钟系统单片机时钟系统-片内标定片内标定RCRC振荡器振荡器2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535/ATMEGA8535单片机时钟系统-外部时钟2.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构l AT90S8535/ATMEGA8535AT90S8535/ATMEGA8535单片机时钟系统单片机时钟系统-外部时钟外部时钟l CKSEL位编程为00002.1 AT90S8535单片机的硬件结构单片机的硬件结构时钟电路l微处理器最小系统的组成微处理器最小系统的组成-电源电路电源电路l微处理器最小系统的组成微处理器最小系统的组成-单片机电路单片机电路