單片機原理與應(yīng)用設(shè)計電子教案

第1章單片機概述

1.1單片機基礎(chǔ)1.2單片機的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢1.3單片機的應(yīng)用1.4計算機中的數(shù)制和編碼第1章單片機概述

20世紀70年代問世。已廣泛應(yīng)用在：工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機電一體化設(shè)備等方面。1.1單片機基礎(chǔ)1.1.1電子計算機及其發(fā)展歷史

第一臺電子計算機誕生于1946年2月。1946年6月，馮·諾依曼提出“程序存儲”和“二進制運算”的思想，構(gòu)建了計算機由運算器、控制器、存儲器和輸入/輸出設(shè)備，組成這一計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，如圖1-1所示。圖1-1發(fā)展經(jīng)歷五個階段：電子管計算機晶體管計算機集成電路計算機大規(guī)模集成電路計算機超大規(guī)模集成電路計算機(微型計算機)1.1.2電子計算機及其發(fā)展歷史

計算機真正得到廣泛應(yīng)用和普及，還是由于微型計算機的出現(xiàn)。微型計算機組成：由微處理器（或稱CPU，中央處理單元)、存儲器加上I/O接口電路組成。各組成部分通過地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）相連，再配以系統(tǒng)軟件和I/O設(shè)備，構(gòu)成完整的微型計算機系統(tǒng)，簡稱:微機，如圖1-2所示。1.1.3什么是單片機在半導(dǎo)體硅片上集成了微處理器(CPU)，存儲器(RAM、ROM、EPROM)和各種輸入、輸出接口。具有一臺計算機的屬性。也稱為：圖1-2微控制器MCU(MicroControllerUnit)嵌入式控制器EMCU（EmbeddedicroControllerUnit）。我國，習(xí)慣使用“單片機”這一名稱。單片機主要應(yīng)用于測試和控制領(lǐng)域按用途可分為通用型和專用型兩大類：（1）通用型可開發(fā)的內(nèi)部資源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供給用戶,根據(jù)需要，設(shè)計一個以通用單片機芯片為核心的測控系統(tǒng)。（2）專用型專門針對某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機，針對性強且數(shù)量巨大。對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最簡化、可靠性和成本最佳化等方面都作了全面的考慮?！皩Ｓ谩眴纹瑱C具有十分明顯的綜合優(yōu)勢。無論“專用”單片機在用途上有多么“?！?，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理都是以通用單片機為基礎(chǔ)。

1.2單片機的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢1.2.1單片機的發(fā)展歷史處理的位數(shù)分為：1位、4位、8位、16位、32位單片機。四個階段:第一階段(1974年～1976年)：單片機初級階段。雙片的形式，且功能比較簡單。第二階段（1976年～1978年）：低性能單片機階段。以Intel

公司制造的MCS-48單片機為代表。第三階段(1978年～現(xiàn)在)：高性能單片機階段。Intel公司的

MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。第四階段(1982年～現(xiàn)在)：8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機、32位單片機推出階段。世界各公司也開發(fā)了一大批性能優(yōu)越的單片機近年，不少新型單片機涌現(xiàn)，單片機產(chǎn)品豐富多彩的局面。

1.2.2

單片機的發(fā)展趨勢CPU的改進（1）采用雙CPU結(jié)構(gòu)，提高處理能力（2）增加數(shù)據(jù)總線寬度，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線。（3）串行總線結(jié)構(gòu)，菲利浦公司的I2C總線（Inter－Icbus）。用兩根信號線代替現(xiàn)行的8位數(shù)據(jù)總線。2．存儲器的發(fā)展（1）加大存儲容量。（2）片內(nèi)EPROM采用E2PROM或閃爍（Flash）存儲器3．片內(nèi)I/O的改進（1）增加并行口的驅(qū)動能力，能直接輸出大電流和高電壓。（2）設(shè)置特殊的串行接口功能，課構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。4．低功耗化CMOS化CHMOS工藝。5．外圍電路內(nèi)裝化集成度不斷提高，把眾多的外圍功能部件集成在片內(nèi)－－系統(tǒng)的單片化。典型：美國Cygnal公司C8051F0208位單片機，采用流水線結(jié)構(gòu)，峰值處理能力為25MIPS。片上集成有8通道A/D、兩路D/A、兩路電壓比較器，內(nèi)置溫度傳感器、定時器、可編程數(shù)字交叉開關(guān)和64個通用I/O口、電源監(jiān)測、看門狗、多種類型的串行總線（兩個UART、SPI）等。1.3單片機的應(yīng)用單片機卓越的性能，得到了廣泛的應(yīng)用，已深入到各個領(lǐng)域。使用溫度：民品：0°—+70°C工業(yè)品：-40—+85°C

汽車：-40—+105°C軍品：

-55—+125°C為什么能夠獲得大量的應(yīng)用？

（1）功能齊全，應(yīng)用可靠，抗干擾能力強。（2）簡單方便，易于普及（3）發(fā)展迅速，前景廣闊。（4）嵌入容易，用途廣泛總之，單片機軟硬件結(jié)合、體積小，很容易應(yīng)用到嵌入式控制系統(tǒng)中。

在下述領(lǐng)域廣泛應(yīng)用：

1.工業(yè)自動化

2.智能儀器儀表

3．消費類電子產(chǎn)品

4.通訊

5．武器裝備

6．終端及外部設(shè)備控制

7．汽車電子

8．多機分布式系統(tǒng)

1.4MCS-51系列與AT89C5x系列單片機1.4.1MCS-51系列單片機20世紀80年代以來，單片機的發(fā)展非常迅速，世界上一些著名廠商投放市場的產(chǎn)品就有幾十個系列，數(shù)百個品種。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公司日立公司相繼推出了各自的單片機產(chǎn)品。單片機問世以來，在我國使用最多的還是Intel公司的及其兼容單片機。MCS-51單片機是最早進入我國的單片機主流產(chǎn)品之一。MCS是Intel公司生產(chǎn)的單片機的系列號，如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機。MCS-51系列單片機既包括三個基本型8031、8051、8751，也包括對應(yīng)的低功耗型80C31、80C51、87C51。

（1）基本型

典型產(chǎn)品：8031/8051/8751（2）增強型

典型產(chǎn)品：8032/8052/8752內(nèi)部RAM增到256字節(jié)，8052、8752的內(nèi)部程序存儲器擴展到8KB，16位定時器/計數(shù)器增至3個。（3）低功耗型

典型產(chǎn)品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工藝適于電池供電或其它要求低功耗的場合。（4）專用型

8044/8744，用于總線分布式多機測控系統(tǒng)。美國Cypress公司的EZUSR-2100單片機－USB接口。表1-1列出了MCS-51系列單片機的內(nèi)部硬件資源

1.4.2AT89C5x系列單片機20世紀80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在CPU芯片的開發(fā)、研制上，并逐漸放棄了單片機芯片的生產(chǎn)。但是以MCS-51為技術(shù)核心和主導(dǎo)的單片機已經(jīng)成為許多廠家、電氣公司競相選用的對象，以此為基核。以專利或技術(shù)交換的形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給各廠家。如：AMTEL、PHILIPS、ANALOGDEVICES、DALLAS公司。這些廠家的兼容單片機，與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用CMOS工藝------80C51系列。80C51系列：所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機，不應(yīng)直接稱為MCS-51系列單片機，MCS只是Intel公司專用的單片機系列符號

習(xí)慣把兼容機等衍生產(chǎn)品統(tǒng)稱為51系列單片機或51單片機。在8051的基礎(chǔ)上又進行了一些擴充,稱為增強型、擴展型，如52子系列單片機，功能和市場競爭力更強。世界單片機芯片生產(chǎn)廠商推出的與8051（80C51）兼容的主要產(chǎn)品如表1-2所示。眾多的MCS-51單片機及其各種增強型、擴展型衍生品種，ATMEL公司推出的AT89C5x系列，尤其是該系列中的AT89C51單片機在8位單片機應(yīng)用中占有相當大的市場份額。ATMEL公司以E2PROM技術(shù)與Intel公司的80C51內(nèi)核的使用權(quán)進行交換。該公司技術(shù)優(yōu)勢是其閃爍（Flash）存儲器技術(shù)，將Flash存儲器與80C51內(nèi)核相結(jié)合，形成了AT89C5x系列。與MCS-51系列單片機在功能、引腳及指令系統(tǒng)方面完全兼容。又增加了一些新的功能，如看門狗定時器WDT、ISP及SPI串行接口等，

是取代MCS-51系列單片機的主流芯片之一。表1-3為ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列單片機的主要產(chǎn)品的片內(nèi)硬件資源。低檔機型

低電壓型---“LV”盡管AT89C5x系列單片機有多種機型，但是掌握好基本型AT89C51是十分重要的，是具有8051內(nèi)核的各種型號單片機的基礎(chǔ)，具有典型性、代表性，也是各種增強型、擴展型等衍生品種的基礎(chǔ)。因此，以AT89C51為51單片機的代表機型來介紹，并簡寫為89C51。除了8位單片機得到廣泛應(yīng)用外，一些廠家的16位單片機也得到用戶的青睞。如TI公司的MSP430、臺灣的凌陽單片機。這些單片機本身帶有A/D轉(zhuǎn)換器，一片芯片就構(gòu)成了一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用戶設(shè)計使用時非常方便。盡管如此，16位單片機遠遠沒有8位單片機應(yīng)用得那樣廣泛和普及。231.4計算機中的數(shù)制和編碼數(shù)制和編碼的表示各種計數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換241.常用計數(shù)法

十進制（D）二進制（B）十六進制（H）25例：234.98D或（234.98）D1101.11B或（1101.11）BABCD.BFH或（ABCD.BF）H262.各種進制數(shù)間的轉(zhuǎn)換非十進制數(shù)到十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進制到非十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

27非十進制數(shù)到十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換按相應(yīng)的權(quán)值表達式展開例：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=91.528十進制到非十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換到二進制的轉(zhuǎn)換：對整數(shù)：除2取余；對小數(shù)：乘2取整。到十六進制的轉(zhuǎn)換：對整數(shù)：除16取余；對小數(shù)：乘16取整。29二進制與十六進制間的轉(zhuǎn)換用4位二進制數(shù)表示1位十六進制數(shù)例：25.5=

11001.1B=

19.8H11001010.0110101B=CA.6AH303.

計算機中的編碼BCD碼用二進制編碼表示的十進制數(shù)ASCII碼西文字符編碼31BCD碼壓縮BCD碼用4位二進制碼表示一位十進制數(shù)每4位之間有一個空格擴展BCD碼用8位二進制碼表示一位十進制數(shù)，每4位之間有一個空格。32BCD碼與二進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換先轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，再轉(zhuǎn)換二進制數(shù)；反之同樣。例：（00010001.00100101）BCD=11.25=（1011.01）B33ASCII碼西文字符的編碼，一般用7位二進制碼表示。D7位為校驗位，默認情況下為0。要求：理解校驗位的作用熟悉0---F的ASCII碼34ASCII碼的奇偶校驗奇校驗加上校驗位后編碼中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。例：A的ASCII碼是41H（1000001B）以奇校驗傳送則為C1H（11000001B）偶校驗加上校驗位后編碼中“1”的個數(shù)為偶數(shù)。上例若以偶校驗傳送，則為41H。35三、無符號二進制數(shù)的運算算術(shù)運算邏輯運算無符號數(shù)有符號數(shù)二進制數(shù)的運算36主要內(nèi)容無符號二進制數(shù)的算術(shù)運算無符號數(shù)的表達范圍運算中的溢出問題無符號數(shù)的邏輯運算基本邏輯門和譯碼器371.無符號數(shù)的算術(shù)運算加法運算1+1=0（有進位）減法運算0-1=1（有借位）乘法運算除法運算38乘除運算例00001011×0100=00101100B

00001011÷0100=00000010B

即：商=00000010B

余數(shù)=11B392.無符號數(shù)的表示范圍：

0≤

X≤2n-1若運算結(jié)果超出這個范圍，則產(chǎn)生溢出。對無符號數(shù)：運算時，當最高位向更高位

有進位（或借位）時則產(chǎn)生

溢出。40[例]：

最高位向前有進位，產(chǎn)生溢出413.邏輯運算與、或、非、異或掌握：與、或、非門邏輯符號和邏輯關(guān)系（真值表）；與非門、或非門的應(yīng)用。42“與”、“或”運算“與”運算：任何數(shù)和“0”相“與”，結(jié)果為0。“或”運算：任何數(shù)和“1”相“或”，結(jié)果為1。&&≥1≥143“非”、“異或”運算“非”運算按位求反“異或”運算相同則為0，相異則為1444.

譯碼器掌握74LS138譯碼器各引腳功能輸入端與輸出端關(guān)系（真值表）4574LS138譯碼器G1G2AG2BCBAY0Y7

?

?

?

?主要引腳及功能46三、機器數(shù)（有符號數(shù)）的運算47計算機中符號數(shù)的表示機器數(shù)計算機中的數(shù)據(jù)構(gòu)成：符號位+真值“0”表示正“1”表示負48[例]

+52=+0110100=0

0110100

符號位真值-52=-0110100=1

0110100

符號位真值491.

符號數(shù)的表示機器數(shù)的表示方法：原碼反碼補碼50原碼最高位為符號位（用“0”表示正，用“1”表示負），其余為真值部分。優(yōu)點：真值和其原碼表示之間的對應(yīng)關(guān)系簡單，容易理解；缺點：計算機中用原碼進行加減運算比較困難0的表示不唯一。51數(shù)0的原碼8位數(shù)0的原碼：+0=00000000

-0=10000000

即：數(shù)0的原碼不唯一。52反碼對一個機器數(shù)X：若X>0，則[X]反=[X]原若X<0，則[X]反=對應(yīng)原碼的符號位不變，數(shù)值部分按位求反53[例]X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=11001011540的反碼：

[+0]反=00000000[-0]反=11111111即：數(shù)0的反碼也不是唯一的。55補碼定義：若X>0，則[X]補=[X]反=[X]原若X<0，則[X]補=[X]反+156[例]X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補=[X]反+1=11001100570的補碼：[+0]補=[+0]原=00000000[-0]補=[-0]反+1=11111111+1=100000000

對8位字長，進位被舍掉58特殊數(shù)10000000對無符號數(shù):（10000000）B=128在原碼中定義為：-0在反碼中定義為：-127在補碼中定義為：-12859符號數(shù)的表示范圍對8位二進制數(shù)：原碼：-127~+127反碼：-127~+127補碼：-128~+127602