微处理器与嵌入式系统设计课程课件.ppt

1、微处理器与嵌入式系统设计课程简介课程特点和准备 课程内容多、平台跨度大、实验要求高。 课程定位与衔接 课程参考资料与所作准备 1.课程所针对的实验平台-80C51与STM32 2.课程所用到的开发环境-Keil MDK与Proteus 3.课程所用的参考资料 51单片机C语言教程-郭天祥 电子设计从零开始-杨欣 ARM Cortex-M3 权威指南 STM32中文参考手册单片机系统设计流程 需求分析 需求分析是分析功能、确定参数要求的过程。比如一个简单单片机控制发光二极管的例子，功能确定为单片机控制一个发光二极管点亮500ms，熄灭500ms如图所示： 电路设计 程序设计单片机程序用汇编语言或

2、C语言编写，有许多计算机上的应用软件可支持这两种语言的单片机程序开发，比如以后将要介绍的Keil Vision软件等。用汇编或C语言设计好的单片机程序，将通过一个连接计算机USB口和单片机下载接口的下载器，下载到单片机中。下载完成后，单片机启动时运行下载的程序就可以实现相应的控制功能了。 系统调试 在调试阶段，也就是“磨合”软件和硬件以便它们共同实现系统功能。当程序下载到单片机系统后，启动单片机运行程序，观察系统的“反应”和我们的设计是不是相符。 比如发光二极管以500ms为间隔进行闪烁。当程序设计完成并下载到单片机之后，可能出现的问题是发光二极管不闪烁或闪烁的时间间隔不对。如果出现这些与设计

3、不符的实验效果，首先在保证硬件电路是正确的前提下，回到程序中找错误，修改后再下载到单片机系统中。如此反复，直到系统运转正常为止。单片机控制下的发光二极管 发光二极管的工作原理 单片机如何控制发光二极管我们把发光二极管D1的负极连接在单片机的P0.4口（35管脚）上，电阻R1起到限流的作用。根据器件的连接关系分析知道：当单片机的P0.4口输出低电平时（接地），发光二极管D1正、负极之间获得电压而被点亮；当P0.4口输出高电平时（+5V），发光二极管D1则熄灭。所以要实现左图所示的功能，即让发光二极管以500ms为间隔闪烁，变成了让单片机的P0.4口以500ms为间隔输出高、低电平。51单片机系统

4、剖析 单片机本身 单片机系统构成 AT89S51的硬件结构AT89S51单片机作为51系列单片机一个代表，被广泛应用在控制领域中。AT89S51是单片机的一个型号，这个型号下有DIP、PLCC、TQFP等封装。AT89S51单片机的管脚注意，有些电路符号中的管脚不是排从小到大的顺序排列的，而是把相近功能的管脚放到了一起。而旁边实际的AT89S51单片机器件的管脚则是按逆时针顺序排列的。单片机最简系统最简系统，是使用最少的外围元器件让单片机能够工作的电路。AT89S51单片机的最简系统如图所示，首先，单片机的VCC、GND接+5V以获得工作电源。此外，还多出了两个部分（阴影框），一个是复位电路，

5、另一个是振荡器。最后还有一个细节，就是单片机的 （31管脚）也接到了+5V上。电源端（VCC、GND）AT89S51的VCC（40管脚）和GND（20管脚）分别为电源端和接地端，AT89S51的供电电压范围为直流+4.0+5.5V。电路中所有具有同名的电源标号或网络标号之间是连通的，只是为了电路图的美观，没有把这些连通的节点全部连接起来。时钟信号端（XTAL1、XTAL2）AT89S51单片机的XTAL1端（19管脚）、XTAL2（18管脚）内部有一个片内振荡器结构，但仍然需要在XTAL1和XTAL2之间连接一个晶振Y1，并加上两个容量介于2040pF的电容C1、C2组成时钟电路，如图所示。单

6、片机上电后，用示波器可在XTAL1管脚观察到频率与晶振频率相同的方波信号。复位端AT89S51单片机的RST端（9管脚）是复位端。当向RST端输入一个短暂的高电平单片机就会复位，复位后单片机从头开始执行程序。如果在单片机执行程序的过程中触发复位，则单片机立即放弃当前操作而被强行从头开始执行程序。最简单的复位电路就是在RST端与电源端之间连接一个10F左右的电解电容。单片机上电瞬间，电容C3的正极电压瞬间变为+5V，C3对于这个瞬间的电压突变相当于短路（隔直通交），于是+5V（高电平）相当于直接加到了单片机的RST端上。正是这个加在RST端的瞬间高电平使单片机复位。很快，电容C3充满电，在电路中

7、相当于断路，于是RST端电平由高转低，单片机随即开始执行程序。常用的复位电路有时，只使用一个电解电容的复位电路可靠性不高，所以图中给出两种较好的复位电路。其中，按钮开关S1可对单片机实现手动复位，当按下S1时，RST端获得复位信号（高电平）而使单片机复位，此时无论单片机在进行什么操作都得从头开始执行程序。外部程序存储器访问控制端最简系统中，AT89S51单片机的 端（31管脚）接了高电平。这是单片机的外部程序存储器访问控制端，顾名思义， 的电平控制着单片机是否去访问外部程序存储器。接高电平时，单片机执行本单片机内部程序存储器中的程序，并在读取完内部程序存储器地址为0FFFH上的数据后自动转向读

8、取外部的程序存储器；如果 接低电平，则单片机访问的全部是外部程序存储器。最简系统的额外补充 系统电源的构建1、变压器的基本知识 把220V AC转换成低压直流电压的第一步是降压，常使用的元器件是电源变压器（transformer），它专门用于变换交流信号的电压。2.电源变压器选购变压器时需要知道初级线圈和次级线圈的电压。一般初级线圈为220V AC，次级则需要根据实际需要来确定。比如单片机系统常常用5V DC供电，所以变压器可以选择次级线圈相等或略高的，比如6V AC等。还有一个参数在选购变压器时非常重要变压器功率。如果某电路的工作电压为5V、工作电流为200mA，则电路的消耗功率P=VI=5

9、V200mA=1W，于是选择一个次级5V、额定功率1W以上的电源变压器就可以了。类似的，为电路设计电源时，可以大致估计一下电路的最大工作电流，用它乘以工作电压就可得到电路的消耗功率。电源的功率，或者说变压器的功率应该比这个功率大，否则电路有可能无法正常工作。变压器在使用前一定要注意区分好初级和次级管脚（见图3-6），一旦反接，轻则烧断电源保险，重则会使变压器线圈烧毁而彻底损坏。一般电源变压器在初级上都会标注有“220V”字样，如果没有标注可以按照下面的方法进行分辨：用万用表的电感器测量档，分别测量变压器的初级、次级线圈。电感大的为初级，应当接入220V。电感小的为次级，是输出端（相对降压变压器

10、而言）。二极管与整流1.二极管基础知识二极管（diode），只允许电流单向流过它。二极管有两个管脚，这两个管脚分成正极和负极，电流只能从正极流向负极。电路符号中倒三角一端为正极，短横线一端为负极。实际器件中，二极管圆柱形外壳一端一般都有一个色环（银色、黑色、白色等），作为二极管负极的标记，与这个标记同侧的管脚为负极，另一侧的管脚则为正极。有些二极管在圆柱形外壳上还印刷有器件的型号。注意，二极管的正极、负极在电路中是不能接反的，否则二极管发挥不了单向导电的作用，有时还会烧毁二极管。2.整流变压器帮我们变换了交流电压，不过从变压器次级输出的仍然是交流信号，这个交流信号的频率与市电相同，都是50Hz

11、，其波形是正弦波。通常会用整流电路把交流信号变成单向脉动电压。常用的整流电路是一种称为桥式全波整流的电路结构：4支型号相同的二极管D1D4按图示的方法连接在一起从而实现全波整流。3.整流全桥因为桥式全波整流实在应用得太多了，许多厂家干脆把4个同一型号的二极管集成在一起，制成整流全桥器件供电路设计时选用。整流全桥有3种等效的电路符号，每种电路符号的4个管脚分别为：2个AC管脚接交流输入信号（接变压器的输出），由于交流信号没有正负之分，所以这2个AC管脚可以混用。另外，“”管脚为整流全桥的正极输出，“”管脚为负极输出，这两个是整流全桥的输出。由于经过整流信号已经具有直流信号的特征，所以“”和“”管

12、脚不能混用，否则将烧毁负载。电容的基础知识电容器（capacitor）是一种储能器件，它不允许直流通过，但能让交流通过。电容容量的大小用法拉（farads，简写F）来描述，这也是电容容量的单位。由于F（法）是一个非常大的单位，通常还有mF（毫法）、F（微法）、nF（纳法）、pF（皮法）等，它们之间的换算关系为：1F=103mF=106F=109nF=1012pF电容采取直观的数字标记法来指明容量，方法为：1.电容表面印刷有容量的数值和单位，如1000F等。另外，耐压值也常印在表面。2.单位缩写的方法来标记，如3n3代表3.3nF，33n代表33nF、4p7代表4.7pF等。3.纯数字的方法来标

13、记，如103，其中“10”代表容量的前两位数，最后一位“3”代表倍数（0的个数），单位一律是pF。所以103代表10 000pF，即10nF = 0.01F。类似的222代表2200pF、474代表470000pF，即470nF等。电容分为涤纶电容、云母电容、瓷介电容、电解电容、可变电容等几种。其中涤纶、云母、瓷介电容为无极性电容，它们有图所示相同的电路符号和外观。无极性电容的两个管脚没有极性之分，可以调换使用。 电解电容是一种极性电容，其电路符号和外观如图所示，它在无极性电容电路符号的基础上多出了一个“+”号。标有“”号的一端为正极，另一端为负极。 注意，无论是铝电解电容还是钽电解电容都是有

14、极性的电容，两个管脚有正、负极之分，在使用时切不可接反，否则很容易烧毁器件。此外，电解电容在选用时还需要注意其额定电压，在器件两端施加的电压值如果超过了额定电压，器件就会发热甚至爆炸。常用的额定电压有10V、16V、25V、35V、50V、75V、100V、125V、300V等，如图所示的铝电解是一个容量为1000F、额定电压10V的器件。在已知电路工作电压VCC的情况下，要选择额定电压高于VCC的电解电容器件。 电源滤波利用电容对电源进行滤波是一种最简单的方法。在整流全桥之后加上了一个滤波电容C1，这样一来，从整流全桥输出的单向脉动电压信号在上升段给电容C1充电，而在下降段电容C1向负载R1

15、放电而使电压不会马上掉下来，相当于滤波之后输出了一个直流电压信号。滤波电容C1根据负载电流大小和滤波需要一般选择容量范围为100F10000F，耐压值应该高于变压器的输出电压。 三端稳压稳压，也就要在负载等条件改变时尽量稳定、稳住电源的输出电压，使电路中的用电器不受影响。许多电子电路中都使用集成电路稳压器（IC regulator）对电源进行稳压。集成电路稳压器按管脚的多少可分为三端固定式、三端可调式、多端可调式等。其中以三端式集成电路稳压器（简称三端稳压）最为常用。图示为78系列三端稳压的外观及管脚排布，该系列三端稳压可提供最大1A的电流，在大电流流过时发热量较大，所以在使用时通常都在器件背

16、面安装散热器。78系列三端稳压共有10个型号的器件（其管脚排布相同）：7805、7806、7808、7809、7810、7812、7815、7818、7820、7824。每个型号后两位数字表示器件的稳压值。三端稳压基本应用电路：在220V AC经过变压器降压、整流全桥整流、电容滤波之后，输入到7805的IN端，从其OUT端输出的信号就形成稳定的5 V 直流电压（5V DC）。即便输入电压（市电）或负载电流在一定范围内变化，三端稳压总能将输出电压维持在5V DC。电容C1、C3起到储能、滤波的作用，电容C2、C4容量较小，可对高频噪音进行滤波。晶振的基础知识晶振（crystal，全称为“石英晶体

17、振荡器”）是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。每一个晶振都有自己惟一且稳定的固有振荡频率，这个频率会印在晶振器件的外壳上。由于石英晶体的固有振荡频率不会随温度变化而改变，因此，晶振的振荡频率非常稳定，并且利用晶振设计的振荡器电路广泛应用于计算机、家电等各类电子系统中。图示为一种金属外壳封装的无源晶振外观，其两个管脚对应着电路符号中两端的引脚，没有极性之分。从最简系统开始设计最简单片机系统是所有AT89S51单片机系统的基础，翻开任何一幅单片机系统电路图都离不开这个最简系统。就拿单片机控制一支发光二极管闪烁的系统电路来说，可在最简系统的基础上向单片机的I/O口（比如P0.4口）添加一个发

18、光二极管D1和限流电阻R1。电阻的基础知识电阻器（resistor），简称电阻，是一种两端电子器件，当电流流过时，其两端的电压与电流成正比。任何材料都会对流经的电流产生一定的“阻力”，这种阻碍电流的作用叫阻抗，电阻就是利用材料的这一特性制作出来的。电阻是电路中使用得最多的器件，由于电流流经它时会在其两端形成不同的电压，于是可利用电阻改变电路节点的电压。欧姆（Ohm）是电阻阻值的单位，用来描述电阻阻值的大小。通常用希腊字母（欧）来表示。比更大的阻值单位有k（千欧）和M（兆欧）。以下是它们之间的换算关系。1M=103k=106 电阻表面有五颜六色的色环，图为常用的5（色）环电阻及颜色所代表的数值。

19、5（色）环电阻使用前4个色环标示电阻的阻值，第5个色环标示电阻的允许误差。电阻的参数和种类电阻的功率也是常常需要考虑的。电路设计时需要明确电阻在电路中会获得多大的实际功率，从而选择一个额定功率比这个实际功率还要大的电阻。电阻的额定功率一般有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、10W等几种，如果电阻功率大于1/4W，应该在电路图中按照图所示的大功率电阻电路符号标明，否则很容易让自己或他人因误用电阻而导致事故的发生。如果电路中使用的是电阻的一般符号 ，则可使用额定功率为1/16W、1/8W、1/4W的电阻。电阻的分压、限流和上拉作用电阻常常在单片机系统中实现分压、限流、上拉

20、等作用。分压，顾名思义就是分担电压。图示的电路，电阻R1、R2串联，电流I从3V电源正极流出，从节点A流向P点，继而流向B点后回到电源负极。接地符号定义电源负极（也就是节点B）为电势零点，于是B点电压VB=0V。因电源为3V，得A点电压VA=3V。根据欧姆定律，可计算电路的干路电流 ，则P点电压 。电阻的另一个角色是限流，顾名思义就是限制电流。如图示，由于单片机系统常常使用+5V电源，而发光二极管D1只需要2V左右的电压就可以被点亮，点亮时电流约为15mA。如果在发光二极管D1两端直接加+5V将有可能烧毁它。于是我们常常串联一个限流电阻R1。假设发光二极管工作电流为15mA，正常工作时两端的压降VF=2V，所以电阻R1上应该分担的电压为3V。于是得电阻R1的阻值为：R1=3V/15mA=200。除了分压、限流作用之外，电阻还常常作为上拉电阻存在于开集电极输出的电路中。如图示，三极管Q1的集电极作为非门输出端，如果没有上拉电阻R1，无论IC输出是高电平或低电平，也就是无论三极管Q1的基极是高电平或低电平，它都因为集电极没有电压而不工作。如果Q1不工作，其集电极输出就像开路一样，没有什么状态可言。这个“像开路一样”就是“开集电极输出”的由来。