第1章概述(石伟)

单片机原理与应用

(石教材：《单片机原理与应用系统设计》

欧伟明何静凌云刘剑等编著

参考书：《单片机的C语言应用程序设计》（第3版）北航出版社马忠梅

授课方式：

A专题授课（合班） B实践设计与讨论（单班）授课要求：

A课前预习

B课后完成作业，上课之前先交前一次的作业课程特点：

A是一门工具（主要侧重应用）；

B实践性、应用性很强（听练结合）；微机、单片机、PLC一脉相承，都是微控制器微机原理：微机侧重原理，8086\8088，80386、80486、Pentium系列。单片机原理：主要侧重应用，MCS-48,MCS-51,MCS-96。可编程控制器：主要侧重应用，硬件软件标准化，二次开发《微机原理》、《单片机原理》和《可编程控制器》的关系单片机系统是一种集成电路，以PCB为基础，将单片机和其它器件进行组合，再依据具体控制要求，通过专业人员设计并固化相应的软件，最终构成控制系统（开发周期长，成本低）。

PLC上是专为工业环境使用的通用控制平台，由用户进行二次开发完成最终控制目的。PLC在某种程度上可以理解为一种特殊的单片机系统。（开发周期短，成本高）可编程控制器（PLC）和单片机的关系PLC和单片机的选择PLC应用领域：A单项工程或重复数极少的项目；B工作环境恶劣，稳定性要求苛刻的工业控制系统单片机应用领域：A批量大，成本控制严格的系统；B工作环境较好的日常生活相关的电子产品。第1章单片机概述1.1微机原理基本概念1.2单片机基本概念1.3单片机应用系统开发流程1.4开发软件简介1.1.1微机结构（一）冯·诺依曼结构数据和程序，统一编址。由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成.Intel够公司的8086，ARM的ARM7、MIPS公司的处理器1.1微机原理基本概念（二）哈佛结构哈佛结构是一种将程序存储和数据储存分开的存储器结构。哈佛结构是一种并行体系结构；哈佛结构处理器：AVR、ARM9、ARM10、ARM11等51单片机属于哪一种结构冯·诺依曼结构理由：（1）运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成的系统。（2）程序存储器的数据线地址线与数据存储器的数据线地址线复用；哈佛结构理由：复用是因为51IO口不够，但代码空间和数据空间是分开的.1.1.2微机主要性能指标

字长:是指计算机一个机器字中包含的二进制位数，字长越长，处理精度越高、处理能力也越强。8位，16位，32位

运算速度：每秒执行的指令条数来表示，该指标的单位有MIPS。主存容量：主存储器能够存储的信息总字节数。主存容量越大，可容纳的程序和数据就越多，处理问题的能力就越强。十进制ND

有十个数码:0～9,逢十进一。二进制NB

两个数码:0、1,逢二进一。十六进制NH

十六个数码:0～9、A～F,逢十六进一。

不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带下标或后缀。如:101、101D、101B、101H1.1.3

微型计算机常用数制的特点1、十进制ND

符号集：0～9规则：逢十进一。

例：

138.38=1×102+3×101+8×100+3×10－1+8×10-2

加权展开式以10为基数，各位系数为0～9。一般表达式：

2、二进制NB

符号集：0、1规则：逢二进一。 例：

1011.011B=1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3

加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。 一般表达式：

3、十六进制NH

符号集：0～9、A～F规则：逢十六进一。 例：

70F.B1H=7×162+0×161+15×160+11×16-1+1×16-1

展开式以十六为基数，各位系数为0～9，A～F。 一般表达式：

1.4.2常用数制间的转换

1、二进制和十进制数间的转换

⑴二进制数转换十进制数：把二进制数按权展开后求和。例如：

11011.01B=1×24+1×23+1×21+1×20+1×2-2 =27.25

(2)十进制数转换成二进制数

整数转换法

“除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数2，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。

举例：52转换成二进制数

52=110100B 2 520（b0） 2 260（b1） 2 131（b2） 2 60（b3） 2 31（b4） 2 11（b5） 0小数转换法

“乘基取整”：用转换进制的基数2乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。举例：

0.625转换成二进制数

1) 0.625×2

2) 1.2501(b- × 23) 0.500(b- × 2 1.0 1(b-

0.625=0.101B

2、十六进制和十进制数间的转换

（1）十六进制数转换十进制数：把十六进制数按权展开后求和。例如：

3FEBH=3×163+15×162+14×161+11×160=16363（2）十进制数转换十六进制数：

十进制整数转换成十六进制数和十进制数转换成二进制整数类似，十进制整数转换成十六进制数可以采用“除16取余法”。十进制小数转换成十六进制数可以采用“乘16取整法”。3、二进制与十六进制数之间的转换

24=16，四位二进制数对应一位十六进制数。

举例：

3AF.2H=0011

1010

1111.0010=1110101111.001B 3AF2

1111101.11B=0111

1101.1100=7D.CH 7DC注意：从小数点开始，往两边依次取4位二进制数对应一位十六进制数。1.1.4微型计算机中数的表示方法1、真值

真值：机器数所代表的实际数值。举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下：真值： +84=+1010100B-84=-1010100B

2、原码、反码、补码

1）原码最高位为符号位，0表示“+”，1表示“－”。

数值位与真值数值位相同。

例:8位原码机器数：真值： x1=+1010B

x2=－1010B

机器数：[x1]原=00001010

[x2]原=10001010

原码表示简单直观,但0的表示不唯一，加减运算复杂。2）反码最高位为符号位，0表示“+”，1表示“－”。

正数数值位与真值数值位相同，负数数值位与真值数值位相反。

例:8位反码机器数：真值： x1=+1101101B

x2=－0110110B

反码：[x1]反=01101101

[x2]反=11001001

反码主要用于求取后面的补码。3）补码

正数的补码表示与原码相同。负数补码的符号位为1，数值位等于求反加1。

例：求8位补码机器数： x=+1101101B[x]补=01101101 x=-0110110B[x]反=11001001[x]补=11001010

补码表示的优点：

0的表示唯一，加减运算方便。

规定：00000000B为0

10000000B不是－0，而是－1288位机器数表示的真值1.1.5二—十进制编码BCD码BCD码(BinaryCodedDecimal)二进制代码表示的十进制数。一、8421BCD码

例：求十进制数876的BCD码

[876]BCD=100001110110 876=36CH=1101101100B1.1.6

字符编码

美国标准信息交换码ASCII码，用于计算机与计算机及外设之间传递信息。

1、工业控制数控车床数控线切割机床

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。单片机能作什么？1.2单片机基本概念2、智能仪器仪表上数字式测角仪交直流电压电流表位移传感器单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

3、家用电器1.智能冰箱

2．智能饭煲

3．智能食品配料机

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

4、计算机网络和通信领域

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。手机电话机程控交换机楼宇自动通信呼叫系统列车无线通信日常工作中随处可见的移动电话集群移动通信无线电对讲机等。

5、医用设备医用呼吸机各种分析仪监护仪超声诊断设备病床呼叫系统等等电池分析仪医用呼吸机麻醉信息管理系统单片微型计算机简称单片机。由于它的结构及功能均按工业控制要求设计，所以又称单片微控制器（singlechipMicrocontroller）。它是将组成微型计算机机所必须的部件（中央处理器CPU、程序存贮器（ROM)、数据存贮器（RAM)、输入/输出（I/O)接口、定时/计数器、串行口、系统总线等）集成在一个超大规模集成电路芯片上。单片机应用系统是指为实现特定的功能，由单片机、外围接口电路及合适的软件等构成的应用系统。1.2.1单片机及其应用系统概念1、单片机诞生于20世纪70年代。1946:第一台电子计算机诞生单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。1973:

TI公司注册了世界上第一个单片机专利1.2.2单片机的发展历史2、单片机的发展、应用里程碑。TI公司推出TMS1000单片机TI公司高速反雷达导航器INTEL公司推出了MCS-48单片机，起到8位机的引领和带头作用，

DALLAS(June11,1978)一种新的单片集成电路电子语音合成器由TexasInstruments开发.Intel公司推出了MCS-51系列单片机19803、80年代初，单片机发展高性能阶段。1982年以后，16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。

809x/839x/879x4、九十年代以后，单片机获得了飞速的发展

生产厂家单片机型号荷兰Philips公司80C552系列台湾华邦公司W78C51高速低价系列MAXim公司DS89C420系列Cygnal公司C8051F高速SOC系列ADI公司ADuC8**高精度ADC系列美国Atmel公司AT89系列、AVR系列Microchip公司PIC系列TI公司16位低功耗MSP430系列1.2.3单片机的发展趋势1、低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。

CMOS：功耗较低，工作速度不够高，CHMOS：高速和低功耗。

2、微型单片化A常规单片机将CPU、RAM、ROM、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，B超常规单片机集成了A/D、PMW、WDT、LCD驱动电路都集成在单一的芯片上。C单片机厂商可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。3、主流与多品种共存51系列：INTEL公司MCS51 ATMEL公司AT89系列 宏晶公司STC系列。非51系列 Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)

TI公司MSP430系列（低功耗） 台湾华邦公司W78C51系列（高速低价） 美国Atmel公司AVR系列1.2.4单片机的存储技术状态1.片内无ROM：80312.片内掩膜ROM：8051。3.片内EPROM：8751。4.片内Flash：AT89C51、AT89S515铁电存储技术FRAM：MSP430FR57xx

系列MCS-51单片机存储技术状态

表中列出了Intel公司MCS-51单片机系列的芯片型号以及它们的技术性能指标，使我们对它们的基本情况有了一个概括的了解。

MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中，51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。52子系列功能增强的具体方面可查阅有关资料。1.3.1单片机应用系统的硬件组成1.3单片机应用系统开发流程应用实例：烘箱温度自动控制系统单片机 AT89S51温度采集和模数转换输入控制晶体振荡、复位电路输出显示输出控制1.3.2单片机应用系统的程序设计1、单片机编程语言机器语言、汇编语言、高级语言（C51）2、单片机应用程序设计用单片机编程语言设计满足系统要求的应用程序。3、单片机应用程序的调试采用软件仿真和硬件仿真方法，检查应用程序是否有逻辑错误，是否满足系统要求。软件准备 集成开发软件：WAV6000，KeiluVision4等。 仿真软件：Proteus等。 其它工具软件：ISP下载，串口调试。1.3.3学习条件

硬件准备

普通计算机一台；单片机开发实验板;

ISP下载线一根；

C语言教材、单片机原理教材一套1.3.4单片机学习方法

一本笔记本，记录学习心得。

C语言教材、单片机原理教材，随时查阅。

坚持手、脑并用的原则，多做实验，多敲代码。

；多看、多想、多问，网上收集例程。看、练、做结合，多参加工程实践。1.4.1KeilμVision集成开发环境简介

μVision4IDE是德国Keil公司开发的基于Windows平台的单片机集成开发环境，它包含一个高效的编译器、项目管理器和一个MAKE工具。其中KeilC51是一种专门为单片机设计的高效率C语言编译器，符合ANSI标准，生成的程序代码运行速度极高，所需要的存储器空间极小，完全可以与汇编语言媲美。1.4开发软件简介KeilμVision编辑、编译界面1建立项目工程（1）建立文件夹：LED。名称可自定义，建议不用中文。（2）启动μVision4，开始→所有程序→KeiluVision4，（3）新建一个项目工程：选择Project→NewuVisionProject选项，弹CreatnewProject对话框，找到新建的文件夹LED，输入项目工程名如sw。点击保存进入到SelectDeviceforTarget界面，选择单片机芯片，如Atmel公司的AT89C51，（4）建立汇编或C文件：选择File→New，再选择File→SaveAs，led.c或led.asm。（5）添加源文件。用右键单击SourceGroup1→AddFiletoGroupSourceGroup1，就可将源文件添加到项目工程中来。2配置项目工程用鼠标右键单击Target1，在弹出的菜单中选择OptionsforTarget“Target1”选项，在弹出OptionsforTarget“Target1”对话框。（1）Target选项：外围硬件设置

Xtal（MHZ）：单片机工作频