CH1 单片机基础知识概述

第1章

单片机基础知识概述

1.1单片机概述1.2单片机学习的预备知识1.3Proteus软件简介第1章单片机基础知识概述1.1单片机概述1、什么是单片机？2、为什么要学单片机？3、怎样学习单片机？1.2单片机学习的预备知识1.3Proteus软件简介1.什么是单片机？

微型计算机技术的两大发展分支谈起：

通用微型计算机系统嵌入式计算机系统单片机第1章单片机基础知识概述1.1电子计算机的发展概述1.1.1电子计算机的问世及其经典结构1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世，这标志着计算机时代的到来。（CALCULATOR）ENIAC长：24m，宽：6m，高：2.5m，重：30T

◆ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。

◆与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。匈牙利籍数学家冯·诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。（EDVAC-ELECTRONICDISCRETEVARIABLEAUTOMATICCOMPUTER）电子计算机技术的发展，相继经历了五个时代：﹡电子管计算机；﹡晶体管计算机；﹡集成电路计算机；﹡大规模集成电路（LSI）计算机；﹡超大规模集成电路（VLSI）计算机。计算机的结构仍然没有突破冯·诺依曼提出的计算机的经典结构框架。1.1.2微型计算机的组成及其应用形态一、微型计算机的组成

其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，合称为微处理器（即Intel4004）。4004微处理器1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。各部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连。

分支一：通用微型计算机系统（UniversalComputerSystem或PersonalComputer）PC主要功能部件：

CPU+存储器+端口+显/声/网卡+显示器+鼠标+键盘…基本功能部件接口外设第1章单片机基础知识概述386486Pentium

Pentium

ProPentiumMMXPentiumⅡPentium

ⅢPentiumⅣConroeIIINTEL架构CPU的发展历程

技术要求:高速计算+海量存储

发展方向:总线速度不断提升，存储容量不断扩大第1章单片机基础知识概述

分支二：嵌入式计算机系统

（EmbeddedComputerSystem）ECS——嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的专用计算机系统。技术要求：必须满足对象体系的物理环境、电气环境和气氛环境以及产品成本等要求。发展方向:与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制可靠性。第1章单片机基础知识概述PC→电气加固、机械加固，并配置各种外围接口板卡→IPC（工控机）→嵌入到大型工控系统中（实现了智能化）工业计算机（IndustrialPersonalComputer）

船舶驾驶室集中控制台自动配料控制系统电站锅炉控制系统板卡：CPU卡、存储器卡、数据采集卡、通讯卡、计数器卡…第1章单片机基础知识概述众多小型对象系统（如家电、仪器、工控单元…）无法使用IPC→需要发展一类特殊的嵌入式计算机系统。第1章单片机基础知识概述⑴单片计算机（SingleChipMicrocomputer）SCM——将通用微计算机基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种专用微计算机系统应用：SCM硬件+SCM软件+少量外围电路→嵌入式微机系统+被控对象→微电脑控制产品第1章单片机基础知识概述单片机的发展：从1976年起，Intel公司先后推出MCS-48（8位）、MCS-51（8位）和MCS-96（16位）三大系列单片机。迄今为止，世界各地厂商已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品。单片机的发展趋势是高集成度、高性能、高性价比、低功耗——微控制器（MicroCompuerUnit)——增强功能的单片机，8位的51内核单片机仍然是目前主流机型。第1章单片机基础知识概述1.2单片机的发展过程及产品近况1.2.1单片机的发展过程

单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：

◆单芯片微机形成阶段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。

8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。

特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4KB），无串行接口，指令系统功能不强。

单片机微处理器（uP）

微控制器（MCU）

◆性能完善提高阶段

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。

特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在：

MCS-51已成为公认的单片机经典机种。

◆微控制器化阶段

1983年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。

◆微控制器化阶段

特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。微控制器(MCU)----MicroControllerUnit

1982年Intel推出MCS-96系列16位单片机。同时，Intel转让MCS-51内核技术→知名厂商(如Atmel、Philips、LG、Windbond、NEC）此后不断扩展、强化51系列(兼容机)，巩固了8位机的主流地位。1.2单片机的发展过程及产品近况1.2.1单片机的发展过程单片机微处理器（uP）

微控制器（MCU）Stage状态型号位数ROMRAM寻址特点Stage1--1976单芯片微机形成MCS-4881K644K无串口1T/CStage2--1980性能完善提高阶段MCS-5184K12864KUART2T/CStage3--1983微控制器化阶段MCS-96168K23264KADC、PWM、WDTHSI/O单片机应用范例第1章单片机基础知识概述汽车电控系统中的单片机应用第1章单片机基础知识概述

系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。

单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。

单片机集成度高、控制功能强、低功耗、易于开发、可靠性高、体积小、价格低，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。综上可见,微型计算机的发展1、PC机(多板机形态)：PC机系统全力实现海量高速数据处理，兼顾控制功能。2、单片机：单片机系统全力满足测控对象的测控功能，兼顾数据处理能力。又称：嵌入式微处理器对象：面向工业控制领域

形成两大分支：1.2.2单片机产品近况

﹡美国Atmel公司融入Flash存储器技术的AT89S系列；

﹡美国SST公司SST89S系列；﹡中国STC(宏晶科技)公司STC89C51/52系列；﹡NXP（原Philips公司）80C51、80C552系列；﹡Winbond公司W78C51、W77C51高速低价系列；

﹡ADI公司ADμC8xx高精度ADC系列；

﹡LG公司GMS90/97低压高速系列；

﹡Maxim公司DS89C420高速50MIPS系列(并购Dallas)

﹡Cygnal公司C8051F系列高速SOC单片机(Silicon)◆

80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：

◆非80C51结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：﹡Intel的MCS-96系列16位单片机；﹡ATMEL的AVR系列RISC单片机；﹡Microchip的PIC系列RISC单片机；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗单片机；﹡ARM、Samsung的32位单片机；

DSP：一类特别适合于进行数字信号运算的微处理器DSP有更高的集成度，更快的CPU，更大容量的存储器，更高效的指令集。

DSP适合应用于音频、视频信号处理领域。DSP是单片机的高级形式

数字信号微处理器（DigitalSignalProcessor）第1章单片机基础知识概述TIDSPsin60%

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cameramanufacturersTIDSPsin80%ofIPphonedesignsTIhas80%ofVoIPGatewaymarketTIDSPsusedin8

ofthetop10wirelessinfrastructuresTMS320C5000DSP应用范例第1章单片机基础知识概述1.3单片机的特点及应用领域1.3.1单片机的特点近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。◆控制性能和可靠性高

实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。◆集成度高、体积小、价格低、易于产品化

单片机芯片即是一台完整的微型计算机。对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少，从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。◆低功耗,

低电压,适合便携式产品。

◆

接口规范、易扩展。

◆

有优异的性能价格比。

2.为什么要学单片机？单片机是实现机械装备、电子产品智能化的重要途径，掌握这门技术便能在高技术领域占有一席之地单片机系统是当前最有发展前途的高技术领域之一，国内外嵌入式系统的产品设计与研发人员相对短缺，具有很好的就业前景单片机与其它专业知识相结合可产生更大的创造力和发展潜力第1章单片机基础知识概述单片机应用实例——抽油机自动间抽控制技术第1章单片机基础知识概述游梁式抽油机——石油开采设备矛盾1：电动机配置存在“大马拉小车”需要配备较大功率电机仅需配备较小功率电机

抽油机启动过程正常抽油时稠油、结蜡、冬季矛盾2：产抽不平衡导致抽油机工作效率低油田开采后期→地层供液能力↓→抽油能力大于供油能力→抽油机工作效率↓国内约有10万多台游梁式抽油机，电能消耗问题十分突出！第1章单片机基础知识概述利用星角切换的节能原理Y型接法Δ型接法星角切换方法C1-C2闭合：Δ型接法

C1-C3闭合：Y型接法电工学基本原理电动机绕组的两种接线方法Δ与Y接线方式的理论功耗相差约33%第1章单片机基础知识概述闭环控制原理功率变送器额定功率微机控制器交流接触器异步电动机实际功率切换控制方案根据实际工况，确定最合适的接线方式，实施双向动态切换时间→Δ形状态Y形状态过载停机Δ起动O←负载第1章单片机基础知识概述利用定时间抽的节能原理开机停机开机开机停机时间根据间抽规律设置开机时间T1和停机时间T2开机T1小时停机T2小时节能效果∝停机时间/（开机时间+停机时间）第1章单片机基础知识概述综合上述两种原理——抽油机功率双向切换与间抽控制方案

开机停机开机开机停机时间

起动时采取强制Δ方式以满足带载起动要求起动后在Δ、Y、过载停机三个状态间双向自动切换可根据设置实现切换+间抽联合控制技术核心：第1章单片机基础知识概述

空气开关

交流接触器

电动机功率变送器

抽油机电控箱基于单片机的抽油机节能控制方案节能控制仪

A/D转换器

继电器

数码显示器数据存储器

轻触按键单片机第1章单片机基础知识概述试验结果平均无功功率降低71.8%平均有功功率降低约15%平均功率因数提高58%第1章单片机基础知识概述3、怎样学习单片机各组成部分既相对独立，又相互交叉80C51型单片机教学目标——掌握单片机原理与应用系统设计技能技能目标——单片机硬件、软件、接口三方面知识硬件系统软件系统接口系统第1章单片机基础知识概述硬件结构（RAM，IO，T/C，INT，UART）存储器输入/输出单元定时/计数器中断系统串行通信第1章单片机基础知识概述软件编程C51语言程序汇编语言程序第1章单片机基础知识概述接口系统（LED，KEY，AD，DA，IO扩展）键盘电路数码管键盘模数转换数模转换可编程接口第1章单片机基础知识概述单片机的学习方法理论教学→掌握基本原理→课堂讲解+课后复习实验教学→掌握基本技能→教学实验+实验报告→电路实验箱虚拟实验平台第1章单片机基础知识概述PROTEUS单片机仿真软件

第1章单片机基础知识概述

KeilC51简介

KeilC51是51单片机软件开发的C语言和汇编语言环境，可以进行纯软件仿真；也可以与Proteus软件联合进行仿真。Keil集成开发环境软件第1章单片机基础知识概述第1章单片机基础知识概述1.1单片机概述1.2单片机学习的预备知识1、数制定义2、数制转换3、有符号数4、位-字节-字5、ASCII码6、BCD码7、逻辑门电路

1.3Proteus软件简介1.数制定义单片机常用的数制有十进制、二进制、十六进制。例如：

十进制：0～9；规则：逢十进一，后缀为D，但可忽略。一般表达式为：基数加权数0～9第1章单片机基础知识概述

二进制：0、1；规则：逢二进一，后缀为B。一般表达式为：其中，基数为2，各位加权数为0，1。例如：第1章单片机基础知识概述

十六进制：0~9、A~F。规则：逢十六进一，后缀为H。一般表达式为：其中，基数为16，各位加权数为0~9、A~F。例如：第1章单片机基础知识概述2.数制转换

(1)二进制转换成十进制转换规则：按进制的表达式展开，然后按照十进制运算求和。例如：111111118421163264128记忆：1100B=121001B=91111B=1511111111B=255举例：第1章单片机基础知识概述（2）十六进制转换成十进制转换规则：按进制的表达式展开，然后按照十进制运算求和。例如：第1章单片机基础知识概述(3)二进制与十六进制数之间的转换1010B=0AH1101B=0DH1011B=0BH1110B=0EH1100B=0CH1111B=0FH记忆：从低位起由右到左，每四位二进制数对应一位十六进制数。例如：（最后一组不足时左边添0凑齐4位）转换规则：第1章单片机基础知识概述(4)十进制整数转换成二、十六进制整数转换规则：“除基取余”。十进制整数不断除以转换进制基数，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。例如：第1章单片机基础知识概述3.有符号数的表示方法

二进制数的正、负号需用“0”和“1”来表达。一般最高位为符号位，“0”表示正数，“1”表示负数。例如：真值+123→01111011B真值-123→11111011B有符号数：最高位为符号位，“0”表示正数，“1”表示负数。无符号数：最高位不作为符号位，而当成数值位。真值11111011B→？=251=-123第1章单片机基础知识概述二进制数有三种编码形式：原码、反码和补码原码：

二进制数的原形，可以是无符号数，也可以是有符号数。例如，8位无符号原码数的范围是：00000000B～11111111B（0-FFH或0～255）8位有符号数的范围是：11111111B～01111111B（FFH-7FH或-127～127）第1章单片机基础知识概述反码：正数的反码与原码相同，负数的反码为：符号位不变，数值部分按位取反。例如，原码10000100B→反码11111011B8位无符号反码数的范围是00000000B～11111111B（0-FFH或0～255）8位有符号反码数的范围是11111111B～01111111B（FFH-7FH或-127～127）第1章单片机基础知识概述补码：正数的补码与原码相同，负数的补码为其反码加1，但原符号位不变。例如，原码10000100B→补码11111100B8位无符号补码数的范围是00000000B～11111111B（0-FFH或0～255）8位有符号补码数的范围是10000000B～01111111B（80H-7FH或-128～127）补码的用途：将减法运算转换为加法运算。例如：123-125=01111011B+10000011B=11111110B=-2第1章单片机基础知识概述4.

位-字节-字

位(bit)：二进制数中的一位，其值不是“1”，就是“0”。字节(byte)：一个8位的二进制数为一个字节。字节是计算机数据的基本单位。字(word)：两个字节就是一个字，又叫双字节。另外，有时还会用到“半字节”，即4位二进制。例如：1000111011001011B=8ECDH半字节字节字（双字节）位字节字节第1章单片机基础知识概述5.

BCD码

BCD码（BinaryCodedDecimal）——用二进制代码表示的十进制数，四位二进制代码（半字节）可表示1位十进制数。用一个字节表示两个十进制的数——压缩的BCD码：

如10000111B表示十进制的87用一个字节仅表示一位十进制的数——非压缩的BCD码：

如00000111B表示十进制的7BCD码的用途：可使计算机直接进行十进制数运算例如，23+15=00100011B+00010101B=00111000B=38第1章单片机基础知识概述第1章单片机基础知识概述6.

ASCⅡ码

字母和字符的二进制数表示——ASCⅡ码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange——美国国家信息交换标准字符码)。它采用7位二进制编码表示128个字符，其中包括数码0～9以及英文字母等可打印的字符。‘A’→1000001B→41H例如：‘0’-‘9’→30H–39H第1章单片机基础知识概述7.基本逻辑门电路

计算机是由若干逻辑门电路组成的，所以，计算机对于人们给出的二进制数识别、运算要靠基本逻辑门电路来实现。在逻辑门电路中我们用1和0分别表示高、低电平。以下介绍几种常用逻辑电路的逻辑符号和逻辑功能。第1章单片机基础知识概述（1）与逻辑关系ABY000010100111与逻辑真值表Y与门电路

ABY&ABY与门符号

第1章单片机基础知识概述（2）或逻辑关系ABY000011101111或逻辑真值表或门电路

ABY≥1ABY