单片机及应用

单片机及应用主讲老师：来智勇联系电话子邮件：zhiyonglai@QQ：610811402

单片机主要应用于控制和仪器仪表等智能化设备中，其应用范围非常广泛。通过本课程的学习，大家要掌握单片机的特点及其基本组成，要掌握MCS-51系列单片机的特点、结构及其应用开发的基本理论知识与实践技能，进而更加深刻地理解计算机的组成原理和工作原理。学习目的数控直流稳压电源（大学生电子设计竞赛）灌溉控制设备（Zigbee模块CC2530）课堂教学翻转课堂：第3、4、6章

课堂讨论：实用单片机应用系统单片机与嵌入式系统实验、作业课外自学教学方法先修课程1、数字逻辑与数字系统2、计算机组成原理3、接口技术4、C语言程序设计

教科书李广弟、朱月秀、冷祖祁编著，单片机基础（第3版），北京航空航天大学出版社，2007.6（2010年第九次印刷）教学参考书

1、张毅刚、彭喜元编著，单片机原理与应用设计，北京：电子工业出版社，2008.4（2013.5第10次印刷） 2、周向红等编著，51单片机课程设计，华中科技大学出版社，2011.1课时安排课堂教学：42学时；实验：14学时；总学时：56。考核及成绩评定

平时成绩占40%。终期考试成绩占60%。1课代表/1班课时安排周次 内容

八

1单片机概述

280C51单片机的硬件结构

九

280C51单片机的硬件结构

十380C51单片机指令系统

十一480C51汇编语言程序设计

十二580C51单片机的中断与定时 实验1两字节十进制加法实验

课时安排周次 内容

十三6单片机并行存储器扩展

实验2计时器实验

十四

7单片机并行I/O扩展 实验3跑马灯实验

十五7单片机并行I/O扩展

880C51单片机串行通信 综合实验一（楼道照明灯、交通灯、 秒表）

周次 内容十六

9单片机与数/模及模/数转换器的接口

10单片机应用实例及开发技术 综合实验一十七

10单片机应用实例及开发技术

课堂讨论：实用单片机应用系统 综合实验二十八课堂讨论：单片机与嵌入式系统 综合实验二课时安排主要内容：1.1单片机的概念1.2单片机的特点1.3单片机的发展1.4MCS-51系列单片机1.5单片机的应用第一章单片机概述1.1单片机的概念计算机：由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成的机器。微型计算机组成结构框图

微型计算机：微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电路由总线有机地连接在一起构成的计算机。1.1单片机的概念单片机：就是单片计算机（SingleChipComputer/Micro-Computer），是把CPU、存储器和I/O接口等集成在一块芯片上的计算机。

1.1单片机的概念单片机与通用微型计算机的不同：

1、通用微机的CPU主要面向数据处理，其发展主要围绕数据处理功能、计算速度和精度的进一步提高。而单片机主要面向控制，控制中的数据类型及数据处理相对简单，所以单片机的数据处理能力比通用微机的要相对弱一些，计算速度和精度也相对要低一些。

2、通用微机中存储器的组织结构主要针对增大存储容量和提高存取速度；而单片机中存储器的组织结构比较简单，通过物理地址直接读写，寻址空间一般为64KB。单片机与通用微型计算机的不同：

3、通用微机中I/O接口主要考虑标准外设，用户通过标准总线连接外设，能达到即插即用。而单片机应用系统的外设都是非标准的，且千差万别，种类很多。单片机的I/O接口实际上是向用户提供的与外设连接的物理界面。用户对外设的连接要设计具体的接口电路，需有熟练的接口电路设计技术。1.1单片机的概念1.1单片机的概念微控制器（MCU:Micro-ControllerUnit）：由于单片机在控制应用方面已相当普及，其控制功能亦不断增强，从控制的角度又被称作微控制器。嵌入式微控制器（EmbeddedMicro-ControllerUnit）：由于单片机是作为一个部件嵌入在被控设备或机器中使用，所以又称之为嵌入式微控制器。1.2单片机的特点

1、单片机的程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）是严格区分的。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储器空间，把开发成功的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中。这样，小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度。1.2单片机的特点

2、采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。

3、单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。1.2单片机的特点

4、单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展，如扩展ROM、RAM、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等。另一方面，单片机与许多通用的微机接口芯片兼容，为其扩展和应用系统设计带来了极大的方便和灵活性。

5、抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作；

6、体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。1.3单片机的发展第一阶段（1971-1973年）：单片机萌芽阶段1971年11月美国Intel公司设计出了含有2000只晶体管的4位单片机Intel-4004。该单片机配有RAM、ROM和移位寄存器等。随后又研制成功了8位单片机Intel-8008；同期Fairchild公司也研制成功了8位单片机FS。虽然它们还不是具体意义上的单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。1.3单片机的发展第二阶段（1974-1977年）：初级单片机阶段

1976年Intel公司开发出了第一代8位单片机MCS-48。它以体积小、功能强、价格低等优点而获得了广泛应用。MCS-48集成了8位CPU、并行I/O口和定时器/计数器等，可寻址范围4KB。1.3单片机的发展第三阶段（1978-1982年）：高性能单片机阶段这一阶段的单片机不仅存储容量和寻址范围增大，而且中断源、并行I/O口和定时器/计数器个数也有增加，还集成了全双工串行通信接口，在指令系统方面，普遍增设了乘除指令。第二代8位单片机中最具代表性的当属Intel公司的MCS-51系列单片机，品种全、兼容性强、软硬件资料丰富，是当时乃至现在很畅销的单片机品种，在现在和未来一段时间仍处于单片机产品的主流地位。1.3单片机的发展第四阶段（1983年-）：8位单片机巩固及16位/32位单片机推出阶段

随着大规模超大规模集成电路的发展，16位、32位单片机相继问世，如Intel公司的MCS-96系列、NEC公司的783XX系列、美国国家半导体公司的HPC16040、Motorola公司的683XX系列等。它们代表了单片机发展的高新技术水平，将单片机的应用进一步推广到航空航天、高级机器人、军事装备等方面。与此同时，8位机也在发展，功能不断增强，性能不断提高。如8XC522系列增加了A/D转换其器、事件捕捉逻辑、I2C接口、定时监视器WDT等。1.3单片机的发展单片机的发展方向：性能不断提高，功能不断增强，如16位、32位单片机，集成了更多处理部件的8位单片机。小型化、低功耗、低成本、专用化方向发展，如AT89C2051减少了程序存储空间和并行接口。1.3单片机的发展单片机的生产厂家及代表产品

1、Intel是最早的单片机生产商：8位机MCS-48,MCS-51系列，16位机MCS-96系列。

2、Motorola是最大的单片机生产商：8位机68HC05和68HC08系列产量已超过20亿片、8位增强型单片机68HC11系列年产量1亿片以上、16位机68HC16系列、32位机683XX系列。单片机的生产厂家及代表产品3、Atmel是我们经常使用的单片机的生产厂商：8位机AT89系列和AVR系列。4、Microship是市场份额增长最快的单片机生产厂商：8位机PIC16C/F、17C/F和18F系列。5、其它厂商：美国国家半导体、TI、Zilog、台湾义隆、Micon、EPSON、NEC、东芝、富士通、现代、三星、华邦、Scenix等。1.3单片机的发展1.4MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机：两个子系列——基本型8051子系列和增强型8052子系列，每个子系列有3个典型芯片。8051子系列的典型芯片型号和基本性能

1、8031：片内128字节数据存储器RAM，2个16位定时器，5个中断源，1个全双工串行接口，最大可访问程序和数据空间各64K。

2、8051：比8031多4K片内ROM。

3、8751：比8031多4K片内EPROM。1.4MCS-51系列单片机8052子系列的芯片型号和基本性能

1、8032：片内256字节数据存储器RAM，3个16位定时器，6个中断源，1个全双工串行接口，最大可访问程序和数据空间各64K。

2、8052：比8032多8K片内ROM。

3、8752：比8032多8K片内EPROM。

总之，8052子系列比8051子系列多128字节RAM，1个16位定时器、1个中断源（和4K片内ROM/EPROM）。80C51系列：是对MCS-51系列的改进，具体表现在所使用的半导体集成电路工艺上。MCS-51系列采用的是HMOS（HigherperformanceMetal-Oxide-Semiconductor）工艺，即高密度短沟道MOS半导体集成工艺，而80C51系列采用的是CHMOS（ComplementaryHMOS）工艺，即互补金属氧化物的HMOS半导体集成工艺。集成工艺的改进，使得80C51系列芯片具有抗干扰能力强和低功耗等明显优势。80C51系列也有两个子系列（80C51和80C52）6个典型芯片（80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、87C52）。每个型号与MCS-51系列的对应型号完全兼容，具有完全相同的结构、指令系统和引脚。1.4MCS-51系列单片机80C51/MCS-51系列单片机的结构特点：

1、程序存储器和数据存储器是分开的，使用两个独立的存储空间，片内程序存储器空间比数据存储器空间大得多；

2、使用片内RAM单元来做通用寄存器，降低生产成本；

3、使用特殊功能寄存器（SFR）控制I/O接口，实现多种功能，使用灵活；1.4MCS-51系列单片机

5、全双工串行口，多种工作方式，用户可根据需要设定，以扩展I/O口或外接同步输入输出设备；或用作异步通信口，以实现双机或多机通信，组成分布式控制系统。1.4MCS-51系列单片机

4、管脚多功能（复用），减少管脚数量。80C51/MCS-51系列单片机的结构特点：1.5单片机的应用单片机的应用十分广泛，小到玩具，大到航空航天，到处都有单片机的身影。早在20世纪末21世纪初，单片机每年的使用量就有7亿五千万片。

1、工业过程控制：是单片机应用最多，也是最有效的方面之一。单片机既可用作过程控制中的主机，也可用作前端机，实现模拟量的采集和开关量的输入、处理、控制计算和控制信号的输出。1.5单片机的应用

2、智能化仪器仪表：无论常规还是特种仪器仪表都大量使用单片机，用程序取代以前的电子线路，既能大大降低成本、显著增强功能、使用更加方便，又能简化生产、调试。

3、家用电器：单片机已广泛应用于电视机、电冰箱等各种家电设备中。