单片机计算机测控系统

单片机计算机控制系统院系：机械与汽车工程学院专业：测控技术与仪器学号：1402314062姓名：韩玉硕导师：何一文二零一五年十二月十二日摘要二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。

不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。

它由主机、键盘、显示器等组成。

还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。

这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。

顾名思义，这种计算机的最小测控系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。

它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。

它在这个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。

单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。

现在，这种单片机的使用领域已十分广泛。

智能仪器、工业控制、家用电器、航空航天、汽车电子、设备领域、模块化系统、网络与通信等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。

关键词：单片机测控系统领域广泛目录第一章单片机概述1.1 单片机的发展 (1)1.2 单片机的基本概念............................................... .11.3 单片机构成的一般测控系统 (1)1.4 硬件特性 (2)第二章单片机的分类2.1 通用型 (2)2.2 总线型 (2)2.3 控制型 (3)第三章单片机的内部结构3.1 运算器 (4)3.2 控制器 (4)3.3 主要寄存器 (4)第四章单片机的工作原理 (5)第五章单片机的应用范围5.1 智能仪器 (6)5.2 工业控制 (7)5.3 家用电器 (7)5.4 网络与通信 (7)5.5 设备领域 (7)5.6 模块化系统 (7)5.7 汽车电子 (7)总结 (8)参考文献 (9)第一章单片机概述一、单片机的发展单片机（Microcontrollers）诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列MCU系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。

随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

高端的32位Soc单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

二、单片机的基本概念单片机（Single Chip Microcomputer/Microcontroller）实质上就是一种计算机，是将CPU、RAM、ROM、和多种接口都集成到一块芯片上的微型计算机。

单片机的开发过程就是利用单片机的输入输出接口（I/O）构造输入输出系统，检测某种信息及进行相应控制，利用单片机程序实现整个过程的智能控制。

三、单片机构成的一般测控系统待测信息传感器A/D转换显示相应动作控制器操作单片机处理控制信号单片机一般测控系统VA,IA利用相应传感器（温度传感器、湿度传感器、光电器件、灰尘粒度分析仪等）取得信息，与设定的标准值进行比较，再反馈给相应设备（空调、喷水、灯光、除尘等）控制该信息恒定。

四、硬件特性1、主流单片机包括CPU、4KB容量的RAM、128 KB容量的ROM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；3、单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障；4、处理功能强，速度快。

5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品6、控制功能强7、环境适应能力强。

第二章单片机的分类单片机（Microcontrollers）作为计算机发展的一个重要分支领域，根据发展情况，从不同角度，单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

通用型这是按单片机（Microcontrollers）适用范围来区分的。

例如，80C51式通用型单片机，它不是为某种专门用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

总线型这是按单片机（Microcontrollers）是否提供并行总线来区分的。

总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

控制型这是按照单片机（Microcontrollers）大致应用的领域进行区分的。

一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。

显然，上述分类并不是惟一的和严格的。

例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

第三章单片机的内部结构51单片机内部有一个8位的CPU，包含运算器，控制器及若干寄存器等，如图所示。

单片机CPU结构电路板运算器运算器由运算部件——算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。

ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。

ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。

例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。

运算器有两个功能：(1) 执行各种算术运算。

(2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。

运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

控制器控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。

其主要功能有：(1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。

(2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。

(3) 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。

微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。

外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。

通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。

主要寄存器（1）累加器A图1-2 单片机组成框图累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。

在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。

（2）数据寄存器DR数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。

它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。

（3）指令寄存器IR和指令译码器ID指令包括操作码和操作数。

指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。

当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。

当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。

其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。

（4）程序计数器PCPC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。

在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。

（5）地址寄存器AR地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。

由于内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。

显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。

同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。

第四章单片机的工作原理单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。

单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。

为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。

存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。