第1章 基礎(chǔ)知識

1、1 王雅君自動化教研室單片機原理與應(yīng)用2關(guān)于考試考勤考勤 缺勤缺勤1/3的同學(xué)不允許考試。的同學(xué)不允許考試。課程成績總評課程成績總評 0.5期末考試成績期末考試成績0.35平時成績平時成績+0.15 實驗成績實驗成績 其中平時成績：考勤作業(yè)其中平時成績：考勤作業(yè)+課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)Email：3提出幾個問題：1.什么叫單片機.2. 接口是什么意思.3. 單片機的工作原理.4. 研究的是什么技術(shù).5. 單片機的應(yīng)用領(lǐng)域.4第一章第一章 微機基礎(chǔ)知識微機基礎(chǔ)知識1.1 1.1 單片機概述單片機概述1.2 1.2 常用數(shù)制和編碼常用數(shù)制和編碼1.3 1.3 數(shù)據(jù)在計算機中的表示數(shù)據(jù)在計算機中的表示1.

2、4 1.4 單片機是如何進行控制的單片機是如何進行控制的51.1 1.1 單單片片機概述機概述 1. 1. 微型計算機的組成：微型計算機的組成： 1.1.1 1.1.1 什么叫單片機什么叫單片機67 CPU： 完成運算、移位及控制 ROM: 程序存儲器 存儲器存儲器： RAM: 數(shù)據(jù)存儲器 I/O 接口接口： 實現(xiàn)CPU與I/O通信聯(lián)絡(luò)。 外外設(shè)設(shè)：鍵盤、顯示器、打印機、掃描儀。 總線總線： 實現(xiàn)CPU、存儲器、I/O接口之間的通信 地址總線：流通訪問存儲器或I/O外設(shè)的地址信息 數(shù)據(jù)總線：流通訪問存儲器或I/O外設(shè)的數(shù)據(jù)信息 控制總線：流通訪問存儲器或I/O外設(shè)的控制信息 82、什么叫單片機

3、 把把中央處理器中央處理器CPUCPU、程序存貯器（、程序存貯器（ROM)ROM)、數(shù)據(jù)存貯器（、數(shù)據(jù)存貯器（RAM)RAM)、輸入、輸入/ /輸出（輸出（I/O)I/O)接口、系統(tǒng)總接口、系統(tǒng)總線等線等, ,集集成在一個超成在一個超大規(guī)模集成電路芯片上大規(guī)模集成電路芯片上, ,該芯片稱為該芯片稱為單片微型計算機簡稱單單片微型計算機簡稱單片機片機。 由由于它的結(jié)構(gòu)及功能均按工業(yè)控制要求設(shè)計，所以于它的結(jié)構(gòu)及功能均按工業(yè)控制要求設(shè)計，所以又稱單片微控制器（又稱單片微控制器（single chip Microcontroller）。）。 只只要外加少許電子零件和集成電路便可以構(gòu)成要外加少許電子零件

4、和集成電路便可以構(gòu)成一個功能強大的計算機控制系統(tǒng)，故又稱單片微型計一個功能強大的計算機控制系統(tǒng)，故又稱單片微型計算機（算機（single chip Microcomputer）。）。9單片機單片機10單片機的特點：單片機的特點：1. 結(jié)構(gòu)簡單，體積小；2. 性能價格比高；3. 可靠性高；4. 應(yīng)用范圍廣泛。11 機器語言機器語言 匯編語言及高級語言匯編語言及高級語言1.機器語言 機器語言是一種用二進制代碼“0”和“1”表示指令和數(shù)據(jù)的最原始的程序設(shè)計語言。2.匯編語言匯編語言 匯編語言是一種用助記符來表示的面向機器的程序設(shè)計語言。不同的機器使用的匯編語言一般是不同的，這種語言比機器語言直觀、易

5、懂、易于記憶。3.高級語言高級語言 高級語言是一種面向過程的，獨立于計算機硬件結(jié)構(gòu)的通用計算機語言，例如PASCAL、C等。121.1.2 單片機應(yīng)用領(lǐng)域1.智能儀器儀表交直流電壓電流表交直流電壓電流表 單片機具有單片機具有體積小、功耗低、控制功能體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力度、元

6、素、壓力等物理量的測量。采用單片等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分析儀）。各種分析儀）。 數(shù)字式測角數(shù)字式測角儀儀132 工業(yè)控制數(shù)控車床數(shù)控車床數(shù)控線切割機床數(shù)控線切割機床 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與

7、計算機化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。 143 家用電器 智能冰箱、空調(diào)智能冰箱、空調(diào) 智能電飯煲智能電飯煲 智能食品配料機智能食品配料機 4 計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域 手機、電話機 程控交換機 樓宇自動通信呼叫系統(tǒng) 列車無線通信 日常工作中隨處可見的移動電話 集群移動通信 無線電對講機等。155. 醫(yī)用設(shè)備 醫(yī)用呼吸機醫(yī)用呼吸機 各種分析儀各種分析儀 監(jiān)護儀監(jiān)護儀 超聲診斷設(shè)備超聲診斷設(shè)備 病床呼叫系統(tǒng)等等病床呼叫系統(tǒng)等等電池分析儀醫(yī)用呼吸機麻醉信息管理系統(tǒng)161.1.3 單片機發(fā)展歷史和趨勢1. 單片機發(fā)展歷史v第一階段第一階段（19741976）

8、：）：v 單片機采用雙片形式，即需另加其他外圍電路才能構(gòu)成完整的微型單片機采用雙片形式，即需另加其他外圍電路才能構(gòu)成完整的微型計算機。計算機。 eg:仙童公司的仙童公司的F8+3851v第二階段第二階段（19761978）：）：v 低性能的單片機階段。單片機由一片芯片構(gòu)成，性能低。低性能的單片機階段。單片機由一片芯片構(gòu)成，性能低。eg: MCS-48(Intel)；8048，8035(I/O少，存貯器容量小少，存貯器容量小)；v第三階段第三階段（1978至今）：至今）：v 高性能單片機階段。高性能單片機階段。CPU、并行口、串行口、定時器、并行口、串行口、定時器、RAM、ROM、A/D、多級中

9、斷處理，、多級中斷處理，RAM、ROM容量大，容量大，I/O種類數(shù)量多，尋址范圍種類數(shù)量多，尋址范圍大。大。v eg: MCS-518031、Motorola6801、ZilogZ8v第四階段第四階段（1982至今）至今）v 8位單片機鞏固發(fā)展及位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出。位單片機推出。eg: MCS-518031 ， MCS-968096（8098）172、單片機發(fā)展趨勢一、一、CPU功能的增強功能的增強 雙雙CPU提高處理能力。提高處理能力。 增加數(shù)據(jù)總線寬度。增加數(shù)據(jù)總線寬度。 NEC PD7800系列，內(nèi)部采用系列，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線。位數(shù)據(jù)總線。 采用流水線結(jié)構(gòu)。指令以隊

10、列形式出現(xiàn)在采用流水線結(jié)構(gòu)。指令以隊列形式出現(xiàn)在CPU中。中。 串行總線。串行總線。SPI、I2C 用三條數(shù)據(jù)總線代替用三條數(shù)據(jù)總線代替8位數(shù)據(jù)總線，減少引線，降低成本。位數(shù)據(jù)總線，減少引線，降低成本。二、內(nèi)部的資源增多二、內(nèi)部的資源增多 加大存貯容量。加大存貯容量。 片內(nèi)片內(nèi)EPROMEPROM開始開始EEPROMEEPROM化。鑒于化。鑒于EEPROMEEPROM中數(shù)中數(shù) 據(jù)寫入后就能永久保存，因此，有的單片機將它據(jù)寫入后就能永久保存，因此，有的單片機將它 作為片內(nèi)作為片內(nèi)RAMRAM使用，有的甚至作片內(nèi)通用寄存器。使用，有的甚至作片內(nèi)通用寄存器。 I/OI/O數(shù)量、能力增強（數(shù)量、能力增

11、強（驅(qū)動能力，傳輸速度、控制能驅(qū)動能力，傳輸速度、控制能 力力）18三、外圍電路內(nèi)裝化三、外圍電路內(nèi)裝化四、低功耗化四、低功耗化 將外圍常用電路集成到內(nèi)部，使得內(nèi)部功能越來越強大。將外圍常用電路集成到內(nèi)部，使得內(nèi)部功能越來越強大。 MCS-51MCS-51系列的系列的80318031推出時的功耗達推出時的功耗達630mW630mW，而現(xiàn)在的單片，而現(xiàn)在的單片機普遍都在機普遍都在100mW100mW左右，左右， 隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機制造隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了商基本都采用了CMOS(CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝互補金屬氧化物

12、半導(dǎo)體工藝) )。 80C5180C51就采用了就采用了HMOS(HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝) )和和CHMOS(CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝互補高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝) )。CMOSCMOS雖然功耗較低，雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOSCHMOS則具備了高則具備了高速和低功耗的特點，這些特征更適合于在要求低功耗象電池供速和低功耗的特點，這些特征更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場合。電的應(yīng)用場合。19五、主流與多品種化五、主流與多品種化 現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多

13、，各具特色，但仍以現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C5180C51為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有統(tǒng)的有PHILIPSPHILIPS公司的產(chǎn)品，公司的產(chǎn)品，ATMELATMEL公司的產(chǎn)品和中國公司的產(chǎn)品和中國臺灣的臺灣的WinbondWinbond系列單片機。系列單片機。目目 錄錄203、單片機種類：、單片機種類：INTEL公司：公司： 8位：位： MCS-48 MCS-51 16位：位： MCS-96 MCS-196MOTOROLA公司：公司： 68系列系列ZILOG公司：公司： Z8系列系列ATMEL公司：公司： 89系列

14、系列TI公司：公司： MSP系列系列213. 單片機產(chǎn)品介紹單片機產(chǎn)品介紹 單片機已發(fā)展幾百個系列的上萬個機種。教學(xué)首選是89C51系列8位單片機。 資源配置子系列片內(nèi)ROM的設(shè)置片內(nèi)ROM容量片內(nèi)RAM容量定時器與計數(shù)器中斷源無ROMEPROME2PROM8X51系列80318051875189514KB128B2X1658XC51系列80C3180C5187c5189c514KB128B2X1658X52系列80328052875289528KB256B3X1668XC25系列80C23280C25287c25289c2528KB256B3X167221.2 1.2 常用數(shù)制和編碼常用數(shù)制

15、和編碼* 1.2.1 數(shù)制及數(shù)制間轉(zhuǎn)換數(shù)制及數(shù)制間轉(zhuǎn)換 * 1.2.2計算機中常用編碼計算機中常用編碼 23 1.2.1 數(shù)制及數(shù)制間轉(zhuǎn)換數(shù)制及數(shù)制間轉(zhuǎn)換*1. 1. 數(shù)制數(shù)制計數(shù)的進位制計數(shù)的進位制*2 2、不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換、不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換242 2、不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換、不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換1 1、二進制、十六進制轉(zhuǎn)化成十進制：、二進制、十六進制轉(zhuǎn)化成十進制：將二、十六進制數(shù)按權(quán)展開相加即為相應(yīng)的十進制數(shù)。將二、十六進制數(shù)按權(quán)展開相加即為相應(yīng)的十進制數(shù)。如：如：1101=11101=12 23 3+1+12 22 2+0+02 21 1+1+12 20 0 =13D=13D如：如：1FH

16、=11FH=116161 1+15+1516160 0 =31D=31D2 2、十進制轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)：十進制轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)：將十進制數(shù)除將十進制數(shù)除2 2取余，商為取余，商為0 0止余數(shù)倒置。止余數(shù)倒置。如：如：11D=1011B11D=1011B 3 3、二進制轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)：、二進制轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)：將二進制數(shù)以小數(shù)點為界四位一分，不足補將二進制數(shù)以小數(shù)點為界四位一分，不足補0 0，用一位十六進，用一位十六進制數(shù)代替四位二進制數(shù)。制數(shù)代替四位二進制數(shù)。如：如：1 1 0011 0011 11001100 B= B=0001 0001 00110011 11001100 B= B= 1 1

17、3 3C C H H4 4、十六進制轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)：、十六進制轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)：將十六進制數(shù)以小數(shù)點為界，用四位二進制數(shù)代替一位十六將十六進制數(shù)以小數(shù)點為界，用四位二進制數(shù)代替一位十六進制數(shù)。進制數(shù)。如：如：D D4 4E E H= H=11011101 01000100 11101110 B B2 11 余數(shù)余數(shù) 2 5 1 2 2 1 2 1 0 0 116 100 余數(shù)余數(shù) 16 6 4 0 6 25 1.2.2 計算機中常用編碼計算機中常用編碼1.BCD（Binary Coded Decimal）碼）碼二十進二十進制碼制碼2.ASCII（American Standard Code fo

18、r Information Interchange）碼）碼261. BCD（Binary Coded Decimal）碼）碼二十進制碼二十進制碼*BCD碼是一種二進制形式的十進制碼，也稱二十碼是一種二進制形式的十進制碼，也稱二十進制碼。它用進制碼。它用4位二進制數(shù)表示位二進制數(shù)表示1位十進制數(shù)，最位十進制數(shù)，最常用的是常用的是8421BCD碼。碼。8421BCD碼用碼用0000H1001H代表十進制數(shù)代表十進制數(shù)09，運算法則是逢十進一。，運算法則是逢十進一。8421BCD碼每位的權(quán)碼每位的權(quán)分別是分別是8，4，2，1，故得此名。，故得此名。例如，例如，1 649的的BCD碼為碼為0001 0

19、110 0100 1001。27表表 1-2 8421 BCD碼表碼表十進制數(shù)8421BCD碼二進制數(shù)十進制數(shù)8421BCD碼二進制數(shù)000000000810001000100010001910011001200100010100001 00001010300110011110001 00011011401000100120001 0010 1100501010101130001 0011 1101601100110140001 01001110701110111150001 01011111282. ASCII（American Standard Code for Information I

20、nterchange）碼）碼ASCII碼是一種字符編碼，是美國信息交換標準代碼碼是一種字符編碼，是美國信息交換標準代碼的簡稱。它由的簡稱。它由7位二進制數(shù)碼構(gòu)成，共有位二進制數(shù)碼構(gòu)成，共有128個字符。個字符。ASCII碼主要用于微機與外設(shè)通信。當(dāng)微機與碼主要用于微機與外設(shè)通信。當(dāng)微機與ASCII碼制的鍵盤、打印機及碼制的鍵盤、打印機及CRT等連用時，均以等連用時，均以ASCII碼碼形式進行數(shù)據(jù)傳輸。形式進行數(shù)據(jù)傳輸。例如，當(dāng)按微機的某一鍵時，鍵盤中的單片機便將例如，當(dāng)按微機的某一鍵時，鍵盤中的單片機便將所按的鍵碼轉(zhuǎn)換成所按的鍵碼轉(zhuǎn)換成ASCII碼傳入微機進行相應(yīng)處理。碼傳入微機進行相應(yīng)處理。

21、29ASCII碼字符表碼字符表 高位低位0123456789ABCDEF00000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000NULSOHSTXETXEOTENQACKDELBSHTLFVTFFCRSOSI1001DLEDC1DC2DC3DC4NAKSYNETBCANEMSUBESCFSGSRSUS2010SP!“#$%&()*+,-。、30110123456789：；?4100ABCDEFGHIJKLMNO5101PQRSTUVWXYZ6110、abcdefghijklmno7111pqrstuvwxy

22、z|DEL30 1.3 數(shù)據(jù)在計算機中的表示數(shù)據(jù)在計算機中的表示 1.3.1 有符號數(shù)有符號數(shù) 1.3.2 無符號數(shù)無符號數(shù)31 1.3.1 有符號數(shù)有符號數(shù)v有符號的8位二進制數(shù)用最高位D7表示數(shù)的正或負，v0代表“+”，1代表“-”，vD7稱為符號位，D6D0為數(shù)值位。D7D6 D0符號位數(shù)值位上述的8位帶符號二進制數(shù)又有3種不同表達形式，即原碼、反碼和補碼。在計算機中，所有有符號數(shù)都是以補碼形式存放的。321. 原碼原碼 一個二進制數(shù)，用最高位表示數(shù)的符號，其后各位表示數(shù)值一個二進制數(shù)，用最高位表示數(shù)的符號，其后各位表示數(shù)值本身，這種表示方法稱為原碼。本身，這種表示方法稱為原碼。原碼的表示范圍是原碼的表示范圍是-127+127例如例如:X=+1011010B X原原=01011010B；X=-1011010B X原原=11011010B2. 反碼反碼 正數(shù)的反碼與原碼相同。正數(shù)的反碼與原碼相同。 符號位一定為符號位一定為0，其余位為數(shù)值位。，其余位為數(shù)值位。 負數(shù)的反碼符號位為負數(shù)的反碼符號位為1，數(shù)值位將其原碼的數(shù)值位逐位求反。，數(shù)值位將其原碼的數(shù)值位逐位求反。 反碼的表示范圍是反碼的表示范圍是-127+127例如例如:X=-1011010B X 原原=11011010B X 反反=10100101B33