单片机原理与应用设计电子教案

第1章单片机概述

1.1单片机基础1.2单片机的发展历史及发展趋势1.3单片机的应用1.4计算机中的数制和编码第1章单片机概述

20世纪70年代问世。已广泛应用在：工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等方面。1.1单片机基础1.1.1电子计算机及其发展历史

第一台电子计算机诞生于1946年2月。1946年6月，冯·诺依曼提出“程序存储”和“二进制运算”的思想，构建了计算机由运算器、控制器、存储器和输入/输出设备，组成这一计算机的经典结构，如图1-1所示。图1-1发展经历五个阶段：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计算机超大规模集成电路计算机(微型计算机)1.1.2电子计算机及其发展历史

计算机真正得到广泛应用和普及，还是由于微型计算机的出现。微型计算机组成：由微处理器（或称CPU，中央处理单元)、存储器加上I/O接口电路组成。各组成部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连，再配以系统软件和I/O设备，构成完整的微型计算机系统，简称:微机，如图1-2所示。1.1.3什么是单片机在半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口。具有一台计算机的属性。也称为：图1-2微控制器MCU(MicroControllerUnit)嵌入式控制器EMCU（EmbeddedicroControllerUnit）。我国，习惯使用“单片机”这一名称。单片机主要应用于测试和控制领域按用途可分为通用型和专用型两大类：（1）通用型可开发的内部资源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户,根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。（2）专用型专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。对系统结构的最简化、可靠性和成本最佳化等方面都作了全面的考虑。“专用”单片机具有十分明显的综合优势。无论“专用”单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础。

1.2单片机的发展历史及发展趋势1.2.1单片机的发展历史处理的位数分为：1位、4位、8位、16位、32位单片机。四个阶段:第一阶段(1974年～1976年)：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。第二阶段（1976年～1978年）：低性能单片机阶段。以Intel

公司制造的MCS-48单片机为代表。第三阶段(1978年～现在)：高性能单片机阶段。Intel公司的

MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。第四阶段(1982年～现在)：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。世界各公司也开发了一大批性能优越的单片机近年，不少新型单片机涌现，单片机产品丰富多彩的局面。

1.2.2

单片机的发展趋势CPU的改进（1）采用双CPU结构，提高处理能力（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。（3）串行总线结构，菲利浦公司的I2C总线（Inter－Icbus）。用两根信号线代替现行的8位数据总线。2．存储器的发展（1）加大存储容量。（2）片内EPROM采用E2PROM或闪烁（Flash）存储器3．片内I/O的改进（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。（2）设置特殊的串行接口功能，课构成分布式、网络化系统。4．低功耗化CMOS化CHMOS工艺。5．外围电路内装化集成度不断提高，把众多的外围功能部件集成在片内－－系统的单片化。典型：美国Cygnal公司C8051F0208位单片机，采用流水线结构，峰值处理能力为25MIPS。片上集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测、看门狗、多种类型的串行总线（两个UART、SPI）等。1.3单片机的应用单片机卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。使用温度：民品：0°—+70°C工业品：-40—+85°C

汽车：-40—+105°C军品：

-55—+125°C为什么能够获得大量的应用？

（1）功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。（2）简单方便，易于普及（3）发展迅速，前景广阔。（4）嵌入容易，用途广泛总之，单片机软硬件结合、体积小，很容易应用到嵌入式控制系统中。

在下述领域广泛应用：

1.工业自动化

2.智能仪器仪表

3．消费类电子产品

4.通讯

5．武器装备

6．终端及外部设备控制

7．汽车电子

8．多机分布式系统

1.4MCS-51系列与AT89C5x系列单片机1.4.1MCS-51系列单片机20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，世界上一些著名厂商投放市场的产品就有几十个系列，数百个品种。其中有：Intel公司的MCS-48、MCS-51Motorola公司的6801、6802Zilog公司的Z8系列Rockwell公司的6501、6502等。PHILIPS公司NEC公司日立公司相继推出了各自的单片机产品。单片机问世以来，在我国使用最多的还是Intel公司的及其兼容单片机。MCS-51单片机是最早进入我国的单片机主流产品之一。MCS是Intel公司生产的单片机的系列号，如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS-51系列单片机既包括三个基本型8031、8051、8751，也包括对应的低功耗型80C31、80C51、87C51。

（1）基本型

典型产品：8031/8051/8751（2）增强型

典型产品：8032/8052/8752内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。（3）低功耗型

典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺适于电池供电或其它要求低功耗的场合。（4）专用型

8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZUSR-2100单片机－USB接口。表1-1列出了MCS-51系列单片机的内部硬件资源

1.4.2AT89C5x系列单片机20世纪80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在CPU芯片的开发、研制上，并逐渐放弃了单片机芯片的生产。但是以MCS-51为技术核心和主导的单片机已经成为许多厂家、电气公司竞相选用的对象，以此为基核。以专利或技术交换的形式把8051内核技术转让给各厂家。如：AMTEL、PHILIPS、ANALOGDEVICES、DALLAS公司。这些厂家的兼容单片机，与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺------80C51系列。80C51系列：所有具有8051指令系统的单片机，不应直接称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的单片机系列符号

习惯把兼容机等衍生产品统称为51系列单片机或51单片机。在8051的基础上又进行了一些扩充,称为增强型、扩展型，如52子系列单片机，功能和市场竞争力更强。世界单片机芯片生产厂商推出的与8051（80C51）兼容的主要产品如表1-2所示。众多的MCS-51单片机及其各种增强型、扩展型衍生品种，ATMEL公司推出的AT89C5x系列，尤其是该系列中的AT89C51单片机在8位单片机应用中占有相当大的市场份额。ATMEL公司以E2PROM技术与Intel公司的80C51内核的使用权进行交换。该公司技术优势是其闪烁（Flash）存储器技术，将Flash存储器与80C51内核相结合，形成了AT89C5x系列。与MCS-51系列单片机在功能、引脚及指令系统方面完全兼容。又增加了一些新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP及SPI串行接口等，

是取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。表1-3为ATMEL公司生产的AT89系列单片机的主要产品的片内硬件资源。低档机型

低电压型---“LV”尽管AT89C5x系列单片机有多种机型，但是掌握好基本型AT89C51是十分重要的，是具有8051内核的各种型号单片机的基础，具有典型性、代表性，也是各种增强型、扩展型等衍生品种的基础。因此，以AT89C51为51单片机的代表机型来介绍，并简写为89C51。除了8位单片机得到广泛应用外，一些厂家的16位单片机也得到用户的青睐。如TI公司的MSP430、台湾的凌阳单片机。这些单片机本身带有A/D转换器，一片芯片就构成了一个数据采集系统，用户设计使用时非常方便。尽管如此，16位单片机远远没有8位单片机应用得那样广泛和普及。231.4计算机中的数制和编码数制和编码的表示各种计数制之间的相互转换241.常用计数法

十进制（D）二进制（B）十六进制（H）25例：234.98D或（234.98）D1101.11B或（1101.11）BABCD.BFH或（ABCD.BF）H262.各种进制数间的转换非十进制数到十进制数的转换十进制到非十进制数的转换二进制与十六进制数之间的转换

27非十进制数到十进制数的转换按相应的权值表达式展开例：1011.11B=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+1×2-2

=8+2+1+0.5+0.25=11.755B.8H=5×161+11×160+8×16-1

=80+11+0.5=91.528十进制到非十进制数的转换到二进制的转换：对整数：除2取余；对小数：乘2取整。到十六进制的转换：对整数：除16取余；对小数：乘16取整。29二进制与十六进制间的转换用4位二进制数表示1位十六进制数例：25.5=

11001.1B=

19.8H11001010.0110101B=CA.6AH303.

计算机中的编码BCD码用二进制编码表示的十进制数ASCII码西文字符编码31BCD码压缩BCD码用4位二进制码表示一位十进制数每4位之间有一个空格扩展BCD码用8位二进制码表示一位十进制数，每4位之间有一个空格。32BCD码与二进制数之间的转换先转换为十进制数，再转换二进制数；反之同样。例：（00010001.00100101）BCD=11.25=（1011.01）B33ASCII码西文字符的编码，一般用7位二进制码表示。D7位为校验位，默认情况下为0。要求：理解校验位的作用熟悉0---F的ASCII码34ASCII码的奇偶校验奇校验加上校验位后编码中“1”的个数为奇数。例：A的ASCII码是41H（1000001B）以奇校验传送则为C1H（11000001B）偶校验加上校验位后编码中“1”的个数为偶数。上例若以偶校验传送，则为41H。35三、无符号二进制数的运算算术运算逻辑运算无符号数有符号数二进制数的运算36主要内容无符号二进制数的算术运算无符号数的表达范围运算中的溢出问题无符号数的逻辑运算基本逻辑门和译码器371.无符号数的算术运算加法运算1+1=0（有进位）减法运算0-1=1（有借位）乘法运算除法运算38乘除运算例00001011×0100=00101100B

00001011÷0100=00000010B

即：商=00000010B

余数=11B392.无符号数的表示范围：

0≤

X≤2n-1若运算结果超出这个范围，则产生溢出。对无符号数：运算时，当最高位向更高位

有进位（或借位）时则产生

溢出。40[例]：

最高位向前有进位，产生溢出413.逻辑运算与、或、非、异或掌握：与、或、非门逻辑符号和逻辑关系（真值表）；与非门、或非门的应用。42“与”、“或”运算“与”运算：任何数和“0”相“与”，结果为0。“或”运算：任何数和“1”相“或”，结果为1。&&≥1≥143“非”、“异或”运算“非”运算按位求反“异或”运算相同则为0，相异则为1444.

译码器掌握74LS138译码器各引脚功能输入端与输出端关系（真值表）4574LS138译码器G1G2AG2BCBAY0Y7

•

•

•

•主要引脚及功能46三、机器数（有符号数）的运算47计算机中符号数的表示机器数计算机中的数据构成：符号位+真值“0”表示正“1”表示负48[例]

+52=+0110100=0

0110100

符号位真值-52=-0110100=1

0110100

符号位真值491.

符号数的表示机器数的表示方法：原码反码补码50原码最高位为符号位（用“0”表示正，用“1”表示负），其余为真值部分。优点：真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解；缺点：计算机中用原码进行加减运算比较困难0的表示不唯一。51数0的原码8位数0的原码：+0=00000000

-0=10000000

即：数0的原码不唯一。52反码对一个机器数X：若X>0，则[X]反=[X]原若X<0，则[X]反=对应原码的符号位不变，数值部分按位求反53[例]X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=11001011540的反码：

[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：数0的反码也不是唯一的。55补码定义：若X>0，则[X]补=[X]反=[X]原若X<0，则[X]补=[X]反+156[例]X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]补=[X]反+1=11001100570的补码：[+0]补=[+0]原=00000000[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=100000000

对8位字长，进位被舍掉58特殊数10000000对无符号数:（10000000）B=128在原码中定义为：-0在反码中定义为：-127在补码中定义为：-12859符号数的表示范围对8位二进制数：原码：-127~+127反码：-127~+127补码：-128~+127602