【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高度集成可编程性单片机是一种集成了中央处理器单片机将多个功能部件集成在一个芯片单片机可以通过编程来实现不同的功能CPU、内存和输入输出模块的微型计算上，实现控制、运算、存储、通信等功，满足各种应用需求，具有灵活性和可/I/O机，体积小、功耗低，适用于各种嵌入能，简化了系统设计，提高了可靠性扩展性式系统单片机的发展历程第一代18位单片机第二代216位单片机第三代332位单片机第四代4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、存储器和输入输出接口组成，这些组件之间通过CPU总线连接负责执行程序，并与存储器和外设进行数据交换存储器用于存储程CPU序和数据输入输出接口负责与外设进行数据通信工作原理CPU指令周期执行过程单片机的工作原理以指令周期为基础指令周期是指从内存中获取指令，并对其进行译码，然后执行相应的CPU CPU执行一条指令所需的时间每个指令周期又可分为多个操作，例如数据传送、算术运算、逻辑运算等CPU阶段，例如取指、译码、执行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RAM用于存储程序运行时所需的临时数据和中间结果RAM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端口数据传输12单片机通过端口与外部设备数据通过端口的引脚进行传进行通信输控制信号接口电路34通过控制信号控制数据流向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源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，常例如溢出、错误中断处理中断优先级当发生中断时，CPU会暂停当前任务，转而去执行中断服务程序，中断优先级用于决定多个中断同时发生时，哪个中断先被处理处理完中断事件后，再返回到原来的程序继续执行定时计数器系统/定时器功能计数器功能定时器允许单片机在特定时间计数器可以记录外部事件发生间隔后执行操作，用于延时、的次数，用于频率测量、脉冲时间测量等应用计数等应用工作模式应用场景定时计数器系统通常提供多种定时计数器广泛用于控制电机//工作模式，例如定时器模式、、控制闪烁、数据采集、LED计数器模式、脉冲宽度调制模通信等领域式等串行通信系统串行接口数据传输通信协议串行接口将数据按位依次传输，常用接串行通信采用异步方式，通过起始位、串行通信协议用于定义数据格式、传输口类型包括、、和数据位、校验位和停止位构成数据帧进速率、数据校验等，例如、、RS-232RS-485SPI UART CAN等行传输等I2C LIN模拟量采集原理数字信号数字信号是离散的信号，可以用和来表示01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，使其满足的输入范围滤波器去除噪声，提高ADC信号质量将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传送给单片ADC机进行处理模拟量输出原理数字信号转换数模转换器12单片机内部存储的是数字信使用数模转换器将数DAC号，而外部设备通常需要模字信号转换成模拟信号拟信号电压或电流输出外部设备控制34输出的模拟信号通常是输出的模拟信号可以控制外DAC电压或电流形式部设备，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或脉冲宽度调制输出DAC PWM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DAC的场合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PWM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种类参数应用将数字信号转换为模拟信号主要包括逐次逼近型、并行主要参数包括分辨率、转换广泛应用于音频、视频、工，通常使用电阻网络、加权型、电压电流型等，根据应速度、精度、功耗和工作电业控制、医疗仪器等领域/平均或电压合成用场景和精度要求选择压等传感器应用概述传感器种类传感器应用领域传感器种类繁多，可分为多种类型，例如温度传感器、压力传传感器广泛应用于工业控制、智能家居、医疗设备、机器人等感器、光电传感器等领域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接口电路常用温度传感器类型包括热敏电阻、热温度传感器需要通过接口电路与单片机电偶、铂电阻等不同的传感器具有不进行连接，接口电路通常包含放大、滤同的工作原理和特性波、转换等模块A/D数据采集温度控制单片机通过转换器采集传感器输出单片机可以根据采集到的温度数据，控A/D的模拟信号，并将其转换为数字信号，制加热或冷却设备，实现温度控制功能用于温度数据的处理和显示压力传感器接口压力传感器接口电路12压力传感器可以将压力信号转换为电压力传感器接口电路需要将传感器输信号，实现压力测量的功能出的电压或电流信号转换为单片机能够识别的数字信号信号放大模数转换34由于传感器输出信号通常很弱，需要将模拟信号转换为数字信号需要使用使用放大电路提高信号强度模数转换器（）芯片ADC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接口电路设计常见的位置传感器有电位器、位置传感器与单片机的接口电霍尔传感器、磁阻传感器等路需要根据传感器的类型和输不同的传感器具有不同的工作出信号进行设计例如，电位原理和应用场景，需根据实际器需要连接到单片机的模ADC需求选择合适类型的传感器块，而霍尔传感器则可以连接到单片机的数字口IO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光电传感器分类信号处理12光电传感器包含发射器和接光电传感器输出的信号通常收器常见类型有反射式、为模拟信号，需要使用模数透射式和漫反射式转换器将其转换为数字信号接口设计应用实例34接口电路应考虑电源、信号光电传感器广泛应用于自动传输、干扰抑制、数据处理控制系统、机械设备、安全等因素，确保可靠性和稳定检测等领域，提高工作效率性和安全性单片机驱动电机电机类型选择1直流电机、步进电机、伺服电机驱动电路设计2电流、电压控制控制方法

3、方向控制PWM电机控制算法

4、位置控制PID单片机驱动电机应用广泛，例如工业自动化、机器人控制、智能家居等输出电机驱动PWM脉冲宽度调制PWM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步进电机工作原理1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步进电机控制方法2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、脉冲宽度调制控制等PWM步进电机应用3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电机正反转控制DC控制信号1使用单片机控制引脚产生高低电平信号方向控制2通过控制信号控制电机驱动芯片的输入，改变电机转动方向电机驱动芯片3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信号控制电机速度，实现对电机运行速度的精确控制PWM电机编码器接口编码器类型接口电路电机控制软件实现增量式编码器连接编码器输出信号到单片编码器反馈电机转速、位置编写程序读取编码器数据•机输入引脚信息绝对式编码器•单片机与机通讯PC串行通信通信USB单片机与机之间可以通过串口通信进行数据交换串口通单片机可以通过接口与机进行通信通信速度更PC USB PC USB信是一种常见的通信方式，它使用异步方式传输数据快，更方便，且支持多种通信协议单片机通过串口发送数据到机，机接收数据并进行处理单片机通过接口将数据传输到机，机接收数据并进PC PCUSBPCPC通常使用串口调试助手软件进行调试行处理可以使用虚拟串口驱动程序USB串行总线通讯协议总线总线协议总线I2C SPIUART CAN协议是一种双向的串行通协议是一种同步串行通讯协议是一种异步串行通协议是一种用于汽车电I2C SPIUARTCAN讯协议，用于连接多个设备协议，用于连接多个设备，讯协议，用于连接两个设备子系统的串行通讯协议，提，并提供一个主控器进行通并提供一个主控器进行通信，并提供数据传输功能供可靠的数据传输，并支持信多主控器单片机系统调试技术调试工具代码调试使用仿真器、逻辑分析仪、示波器等工具进使用集成开发环境的调试功能，设置IDE行硬件调试断点、查看变量、单步执行代码测试方法优化改进采用黑盒测试、白盒测试、集成测试等方法根据测试结果进行代码优化和改进，提高系对系统功能进行验证统可靠性和性能。