單片機應用技術中級教程1

1、單片機應用技術講授：饒連周三明學院物理與機電工程系電科教研室20092011年第一學期 授課班級：07電子科學與技術、06機械設計制造與自動化單片機中級教程-原理與應用-第2版何立民主編張俊謨編著北京航空航天大學出版社本課程的安排及參考書：總學時：本科 64學時（3學分）(含實驗) 課程成績： 作業(yè)+實驗（30%） 期末考試 （70%）參考書：單片計算機應用技術，鄢定明編 人民郵電出版社 單片微機原理與應用，張剛毅等編 西安電子科技大學出版社實驗用書：單片機課程實驗教材 饒連周 等編前 言 單片機的出現(xiàn)是計算機發(fā)展史上的一個重要里程碑，它使計算機技術開始朝著兩個專業(yè)化的方向發(fā)展： 1. 通用微

2、計算機（PC微機） 2. 微控制器（單片機） 自從1970年PC微機研制成功后，隨后就出現(xiàn)了單片機。前者（PC機）在科學計算、數(shù)據(jù)庫、辦公自動化、Internet等方面獲得了廣泛應用；后者（單片機）在工業(yè)測控、智能儀器儀表、家用電器等方面獲得了廣泛應用。因此，作為電子和機械自動化專業(yè)的學生，很好地掌握單片機的工作原理及其應用技術，無論是對于今后的學習或工作，都具有重要的作用和現(xiàn)實意義。 學習過程中，要求大家充分重視講授、作業(yè)和實驗這三個基本環(huán)節(jié)，認真掌握MCS-51系列單片機的結(jié)構特點、指令系統(tǒng)及其匯編語言程序設計，初步掌握該單片機的系統(tǒng)擴展及應用技術（雖然目前已有16位單片機，但8位機在今后

3、相當長的時間內(nèi)，仍是單片機應用領域的主流） 。 教學內(nèi)容：什么是單片機、單片機的發(fā)展概況、單片機的應用優(yōu)點、MCS51系和80C51系列單片機的主要特點、單片機的應用領域。補充數(shù)制及轉(zhuǎn)換。教學要求：了解單片機的發(fā)展概況、應用領域，典型單片機系列的基本情況。第一章 緒 論第一章 緒 論1.1 單片機1.1.1 什么是單片機 把CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和 I/O 接口電路等計算機主要部件集成在一塊芯片上，由此組成的芯片級微計算機稱為單片微型計算機，簡稱為單片機。 （Single Chip Microcomputer） 由于單片機從誕生起，其主要功能和形態(tài)都是應控制領域的應用要求而發(fā)展

4、的，如在其中擴展了A/D、PWM、計數(shù)比較邏輯等，因此，單片機更本質(zhì)的名稱應是微控制器。 (Microcontroller)1.1.2 單片機的發(fā)展 自從1971年Intel公司生產(chǎn)4位單片機4004以來，短短的30多年間，單片機取得了飛速地發(fā)展，大致可分為四個階段： 第一階段（19711974） ：準備階段。以 Intel的4004（4位機）和8008（8位機）為代表，技術上還不太成熟。 第二階段（19751978）：初級階段。以Intel的MCS-48為代表，集成有8位CPU、I/O口、8位定時器/計數(shù)器，尋址范圍不大于4K，無串行口。 第三階段（19781983）：高性能階段。以Inte

5、l的MCS-51、Motorola的6801、Zilog的Z8為代表，集成有8位CPU、16位定時器/計數(shù)器、片內(nèi)RAM、ROM容量加大，尋址范圍可達64K，具有串行口。 第四階段（1983今）：8位機的完善和16位機的推出階段。片內(nèi)存儲器的擴展，低功耗的CHMOS芯片，MCS-96的16位單片機，帶A/D、PWM（脈寬調(diào)制）等。 今后的發(fā)展趨勢：（參考P23）多功能、高性能、低電壓和低功耗、低價格。1.1.3 MCS-51和80C51系列單片機簡介 MCS-51是Intel公司的一種單片機系列的名稱，它包括多種8位的單片機，如8031、8051、8751、80C31BH、80C51BH、80

6、52、80C52、8752等，它們最主要的差別在片內(nèi)ROM和RAM，而其它的基本組成和指令系統(tǒng)都是相同的。ROM EPROM 無ROMROM字節(jié)RAM字節(jié)尋址(KB) 計 數(shù) 器并行口串行口中斷源8051875180314K1282*642*16bit4*81580C5187C5180C314K1282*642*16bit4*8158052875280328K2562*643*16bit4*81680C25287C252EEPROMAT89C51AT89C205180C2328K4K2K2561281282*643*16bit4*81780C51系列單片機增設了兩種可以用軟件進行選擇的低功耗工

7、作方式：空閑方式和掉電方式。對于87C51單片機是屬于80C51系列,含EPROM的產(chǎn)品，89C51單片機也是屬于80C51系列的產(chǎn)品含E2PROM 。這種單片機有兩級或三級程序存儲器保密系統(tǒng)，用于保護EPROM或E2PROM中的程序，以防止非法拷貝。近幾年微控制器競相采用Flash存儲器，這已成為趨勢。因為它集成度高、價格便宜、技術先進，可以取代PROM、EPROM、OTP和E2PROM。利用Flash存儲器可高速讀、寫的特點實現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用編程（IAP）。1.1.4 單片機的主要應用領域 單片機的應用按照其系統(tǒng)結(jié)構的不同可分為兩種方式： 總線方式 非總線方式 在總線方式的應

8、用系統(tǒng)中，具有完備的外部擴展總線，它大多應用于較復雜的工控系統(tǒng)、智能儀器、監(jiān)測系統(tǒng)以及它們的多機與網(wǎng)絡系統(tǒng)；而非總線方式的應用系統(tǒng)，省去了外部并行總線，可構成小封裝芯片，大多應用于較簡單的小型控制器、測控單元、單元儀表等。 單片機的主要應用領域有6個方面：(詳見 P7- 8） 1。家用電器領域：如洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、電視機 2。辦公自動化領域：如復印機、打印機、傳真機、電話 3。商業(yè)營銷領域：如收款機、電子秤、倉儲安全監(jiān)測等 4。工業(yè)自動化領域：如機電一體化、工業(yè)過程監(jiān)測控制 5。智能儀器儀表及智能傳感器：如FFTIR、智能頻譜儀 6。汽車電子與航空航天電子系統(tǒng)：如GPS導航、黑匣子 總之

9、，單片機的應用正在從根本上改變傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設計思想和方法。1.2 單片機與嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等相關支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應用系統(tǒng)等軟件組成。嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。嵌入式處理器可以分為三類：嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP(Digital Signal Processor)。嵌入式微處理器就是和通用計算機的微處理器對應的CPU。在應用中，一般是將微處理器裝配在專門設計的電路板上，在母板上只保留和嵌入式相關的功能即可，這樣可以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。目前的嵌入式處理器主

10、要包括：PowerPC、Motorola 68000、ARM系列等等。嵌入式微控制器又稱為單片機，它將CPU、存儲器(少量的RAM、ROM或兩者都有)和其它外設封裝在同一片集成電路里。常見的有8051。嵌入式DSP專門用來對離散時間信號進行極快的處理計算，提高編譯效率和執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析、圖像處理的分析等領域，DSP正在大量進入嵌入式市場。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件，要求實時和多任務操作和應用程序編程。應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)則控制著應用程序編程與硬件的交互作用。單片機與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展道路 就歷史而言，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和單片機的發(fā)展是緊密相連的。如果按早期嵌

11、入式計算機系統(tǒng)的習慣叫法,將所有實現(xiàn)嵌入式應用的不同形式的計算機系統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)，那么,嵌入式系統(tǒng)就是一個龐大的家族。嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為設備級(工控機)、板級(單板、模塊)、芯片級(MCU、SoC)。1.3 計算機的數(shù)制及轉(zhuǎn)換（補充）一. 十進制ND 有十個數(shù)碼09、逢十進一。 十進制用于計算機輸入輸出，人機交互。二. 二進制NB 兩個數(shù)碼:0、1, 逢二進一。 二進制為機器中的數(shù)據(jù)形式。三. 十六進制NH 十六個數(shù)碼:09, AF, 逢十六 進一。 十六進制用于表示二進制數(shù)。不同進位制數(shù)以下標或后綴區(qū)別,十進制數(shù)可不帶下標。如:101、101D、101B、101H、101H介紹計算

12、機中數(shù)的表示方法和基本運算方法。1-5-1 進位計數(shù)制1.3 計算機的數(shù)制及轉(zhuǎn)換一. 十進制ND符號集：09 規(guī)則：逢十進一。例 1234.5=1103 +2102 +3101 +4100 +510-1加權展開式以10稱為基數(shù)，各位系數(shù)為09。一般表達式：ND= dn-110n-1+dn-210n-2 +d0100 +d-110-1+1.3.1 進位計數(shù)制1.3 計算機的數(shù)制及轉(zhuǎn)換二. 二進制NB符號集：0、1 規(guī)則：逢二進一。例 1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加權展開式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1。一般表達式： NB = bn-12n-1 + bn-2

13、2n-2 +b020 +b-12-1+1.3.1 進位計數(shù)制1.3 計算機所用數(shù)制及轉(zhuǎn)換三.十六進制NH符號集：09、AF 規(guī)則：逢十六進一。例：DFC.8=13162 +15161 +12160 +816-1 展開式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為09，AF。一般表達式：NH= hn-116n-1+ hn-216n-2+ h0160+ h-116-1+1.3.1 進位計數(shù)制1.3.2 不同進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換先展開，然后按照十進制運算法則求和。舉例：1011.1010B=123+121+120+12-1+12-3=11.625DFC.8H =13162+15161+12160+816-1 = 358

14、0.5（一）二、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù) 進位計數(shù)制的一般表達式： Nr= an-1rn-1+an-2rn-2+ +a1r1a0r0a-1r-1a-mr-m 一個r1進制的數(shù)轉(zhuǎn)換成r2進制數(shù)的方法：先展開，然后按r2進制的運算法則求和計算。1.3.2 不同進位計數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換 （二）二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換24=16 ，四位二進制數(shù)對應一位十六進制數(shù)。舉例：3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 1110101111.001B 3 A F 21111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C（三）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進制數(shù)整數(shù)、小數(shù)

15、分別轉(zhuǎn)換 1.整數(shù)轉(zhuǎn)換法“除基取余”：十進制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個余數(shù)，從低位排向高位。舉例：1. 39轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)39 =100111B2 39 1 （ b0） 2 19 1 （ b1） 2 9 1 （ b2） 2 4 0 （ b3） 2 2 0 （ b4） 2 1 1 （ b5） 0 2. 208轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù) 208 = D0H16 208 余 016 13 余 13 = DH 0（三）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進制數(shù)1.小數(shù)轉(zhuǎn)換法“乘基取整”：用轉(zhuǎn)換進制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達到轉(zhuǎn)換精度要求的位數(shù)。每乘一次取一次整數(shù)，從最高位排到最低位。舉例：

16、1. 0.625轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)0.625 2 1.250 1 (b-1) 2 0.5 0 0 (b-2) 2 1.0 1 (b-3)0.625 = 0.101B2. 0.625轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù) 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH3. 208.625 轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)208.625 = D0.AH1.3.3帶符號數(shù)的表示方法機器數(shù)：機器中數(shù)的表示形式，其位數(shù)通常為8的倍數(shù) 真值： 機器數(shù)所代表的實際數(shù)值。舉例:一個8位機器數(shù)與它的真值對應關系如下： 真值：X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 機器數(shù)：X1機= 01010100 X2機= 11

17、010100 機器中，數(shù)的符號用“0”、“1” 表示。 最高位作符號位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。（一）機器數(shù)與真值1.3.3帶符號數(shù)的表示方法最高位為符號位，0表示 “+”，1表示“”。數(shù)值位與真值數(shù)值位相同。例 8位原碼機器數(shù)： 真值： x1 = +1010100B x2 = 1010100B 機器數(shù)：x1原 = 01010100 x2原 = 11010100原碼表示簡單直觀,但0的表示不唯一，加減運算復雜。有符號數(shù)通常使用三種表示方法：(二)原碼(True Form)（三）補碼（Twos Complement）正數(shù)的補碼表示與原碼相同。 負數(shù)補碼的符號位為1，數(shù)值位等于求反加1

18、。例：求 8位補碼機器數(shù)：x=+4 x補= 00000100 x=-4 10000100 x1111011 x補 = 11111100補碼表示的優(yōu)點：0的表示唯一，加減運算方便。數(shù)的補碼與“?！庇嘘P “?！奔从嫈?shù)系統(tǒng)的量程。當X0，X補= 模-X。8位二進制數(shù)的模為： 28 = 256當X0，X補= 28 -X= 256 -X = 255 -X+1 = X反碼 + 1 =FFH - X+1 (16進制） 十進制: X補= 99H - X+1 規(guī)則：求反加1，符號位不變。如：1000 1101B 其補碼：1111 0011規(guī)定：0000 0000B 為0 1000 0000B 不是0，而是1288位機器數(shù)表示的真值1.3.3帶符號數(shù)的表示方法1.3.4 二十進制編碼BCD碼例：求十進制數(shù)876的BCD碼876BCD = 1000 0111 0110 876 = 36CH = 11 0