第1章 概述单片机技术及应用

单片机技术及应用郭建江主编东南大学出版社21世纪应用型本科人才规划教材一、课程的性质和目的单片机是微型计算机应用技术的一个重要分支，近年来在工业智能仪器仪表、光机电设备、自动检测、信息处理、家电等的得到广泛应用和迅速发展。《单片机技术及应用》是为电子信息工程、测控技术类专业及机电专业学生开设的专业基础必修课或专业基础选修课，本课程的教学目的是通过理论教学与实验环节，使学生正确理解单片机的基本概念、基本原理，掌握单片机程序设计和微机接口应用的基本方法，并能综合运用单片机的软、硬件技术分析实际问题，为工业生产、科学研究和实验设备等领域的单片机应用和开发打下良好的基础，也是进一步学习计算机原理和有关接口知识重要环节。二、课程教学内容本课程以理论教学为主要环节，以学生课堂实验为辅，同时使用计算机辅助教学，44学时理论课和28学时实验课，具体安排如下:1.计算机基础（4学时）（1）单片机的基本概念主要介绍单片机的发展概况（现状、未来的发展）、特点、应用和当前单片机的系列产品。（2）单片机的数制表示法主要介绍数制的转换、原码、反码、补码及计算机中常用的编码。（3）单片机常用逻辑电路简介包括基本门电路、触发器、寄存器、计数器、三态门与缓冲器、译码器。2.单片机的内部结构及工作原理（4学时）主要内容：掌握MCS-51单片机的内部结构及基本工作原理；单片机并行I/O口的结构特点；单片机最小系统的设计方法；单片机存储器的扩展方法。3.单片机的指令系统（4学时）主要内容：MCS-51单片机指令的格式、分类和寻址方式；汇编语言的各种指令类型；伪指令的使用及汇编语言程序的完整格式。４.单片机程序设计基础(共8学时，4学时讲授，4学时实验)主要内容：MCS-51单片机汇编语言程序设计的步骤；循环程序、分支程序、延时程序、查表程序的结构及使用方法；数制的转换原理；定点数、浮点数运算程序。5.单片机的中断系统（共6学时，4学时讲授，2学时实验）主要内容：MCS-51单片机中断源的种类及工作方式；外部中断的结构及原理中断控制寄存器IE、中断优先级寄存器IP及定时器/计数器及外部中断控制寄存器TCON的使用方法；6.单片机的定时器/计数器(共6学时，4学时讲授，2学时实验）主要内容：单片机定时器/计数器的结构、原理、工作方式及使用方法。7.单片机的串行通信（共6学时，4学时讲授，2学时实验）主要内容：单片机串行通信I/O接口的结构及工作方式；串行通信控制寄存器的使用方法；MCS-51单片机串行通信波特率的设置方法；MCS-51单片机的双机通信和多机通信的基本原理。8.单片机C51程序设计（共14学时，6学时讲授，8学时实验）主要内容：C51的结构及特点；C51的的数据类型；C51的常量与变量、C51的运算符及程序的格式；C51的基本语句及C51的程序设计方法。9.单片机I/O口的应用与扩展（共8学时，2学时讲授，6学时实验）MCS-51单片机基本I/O口的应用与扩展；键盘与显示器的扩展原理及方法；常用外围电路接口芯片8255、8155、8279的性能特点及使用方法；存储器的扩展原理与方法。10.A/D、D/A转换器的应用（共6学时，4学时讲授，2学时实验）主要内容：MCS-51单片机与8位A/D和D/A转换的原理；MCS-51单片机与12位A/D转换器的串、并行接口技术；MCS-51单片机与具有总线接口芯片PCF8591的使用方法。11.单片机的应用实例（共6学时，4学时讲授，2学时实验）主要内容：MCS-51单片机在步进电机控制系统中的应用；数据采集系统的设计；单片机在温度控制系统中的应用；IC卡读写器的设计。单片机技术及应用课程特点①知识点既分散又连贯，结构和指令系统是基础；②与电子线路尤其是数字电子线路关系密切；学习方法①预习、复习；②多动手（硬件、软件实验）；③多看参考书(包括利用网上资料)；④其它（上课、作业、答疑）。第1章单片机系统基础知识1.1概述1.1.1单片机的基本概念1.微处理器的概念MPU是微处理器的缩写（Microprocessor），简称为MP。MPU是集成在同一块芯片上的具有运算和控制功能逻辑的中央处理器。微处理器不仅是构成微型计算机、单片微型计算机系统、嵌入式系统的核心部件，而且也是构成多微处理器系统和现代并行结构计算机的基础。1.1.1单片机的基本概念2．微型计算机的概念微型计算机（microcomputer）是指由微处理器加上采用大规模集成电路制成的程序存储器和数据存储器，以及与输入/输出设备相连接的I/O接口电路，微型计算机简称MC。1.1.1单片机的基本概念3．单片机的基本概念单片机SCMC(SingleChipMicroComputer)—属于微型机的一种—具有一般微机的基本组成和功能其它名称：微控制器MCU（MicroControllerUnit）嵌入式微控制器（embeddedmicrocontroller）单片机是单片微型计算机的简称，也就是把微处理器（CPU）、一定容量的程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）、输入/输出接口（I/O）、时钟及其它一些计算机外围电路，通过总线连接在一起并集成在一个芯片上，构成的微型计算机系统。1.1.1单片机的基本概念4．嵌入式系统的基本概念嵌入式系统泛指嵌入于宿主设备的系统中，嵌入的目的主要是用智能化提升宿主设备的功能。嵌入式系统是以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础，以通信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感器加入，进入Internet网络技术的连接，而适应应用环境的产品。特点：（1）嵌入式微处理器对实时多任务有很强的支持能力；（2）嵌入式微处理器具有功能很强的存储区保护功能。（3）嵌入式微处理器功耗很低，1.1.1单片机的基本概念5．SOC的基本概念SOC是片上系统的简称。所谓SOC是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SOC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SOC技术设计应用系统时，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。1.1.2单片机的发展概况1．单片机的发展阶段（1）单片机的初级阶段（2）单片机的中级（成熟）阶段（3）单片机的高级（发展）阶段1.1.2单片机的发展概况2．单片机技术的发展方向（1）内部结构（2）功耗和电源电压方面（3）工艺的进步及抗干扰能力的提高（4）存储能力和Internet连接1.1.3单片机的特点和应用1.单片机的特点（1）体积小、使用灵活、成本低、易于产业化。（2）可靠性好，适应温度范围宽。（3）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统、控制功能强。（4）系统内无监控或系统管理程序。2．单片机的应用（1）测控系统（2）智能仪器仪表（3）通讯产品（4）民用产品（5）军用产品（6）计算机外部设备1.1.4单片机的系列产品介绍1．8051类单片机2．Motorola单片机3．Microchip单片机4．华邦单片机5．Epson单片机6．Epson单片机7．NS单片机8．其它单片机9.AT89系列1.2单片机的数制表示法1.2.1二进制、十进制与十六进制1．二进制以2为基数的数制叫二进制，它只包括“0”和“1”两个符号二进制数以B作为标识符。一个含有n位整数，m位小数的二进制数可表示为：N=Xn－1×2n-1＋Xn－2×2n－2＋…＋X0×20＋X－1×2-1＋X－2×2-2＋…＋X－m×2-m或：i1nmii2XN举例例如：二进制数101.101B等于十进制的5.625其各位数码代表的数值为：1×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋0×2－2＋1×2－3=5.6252．十进制以10为基数的数制叫十进制，十进制用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9等10个符号来表示。进位规则是“逢十进一”。十进制数以D作为标识符。一个含有n位整数，m位小数的十进制数可表示为：N=Xn－1×10n-1＋Xn－2×10n－2＋…＋X0×100＋X－1×10-1＋X－2×10-2＋…＋X－m×10-m或：i1nmii01XN3．十六进制以16为基数的数制叫十六进制，进位规则是“逢十六进一”。十六进制数以H作为标识符。一个含有n位整数，m位小数的十六进制数可表示为：N=Xn－1×16n-1＋Xn－2×16n－2＋…＋X0×160＋X－1×16-1＋X－2×16-2＋…＋X－m×16-m或：i1nmii61XN1.2.2数制的转换1．二进制→十进制的转换例如：1101.11B=1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋1×2－2=13.752．十六进制→十进制的转换例如：3BH=3×161＋11×160=591A6CH=1×163＋10×162＋6×161＋12×160=67643．十进制→二进制的转换把一个十进制整数依次除以2，并记下每次所得的余数（1或0），最后所得的余数的组合即为转换的十进制数。第一位余数为最低位（LSB），最后一个余数为最高位（MSB）。例如：126=1111110B126633115731111110例如：213=11010101B2131065326136301001111十进制数转换成二进制例如：0.318=010100010…B溢出整数小数部分×2剩余小数部分00.318×2=0.6360.63610.636×2=1.2720.27200.272×2=0.5440.54410.544×2=1.0880.08800.088×2=0.1760.17600.176×2=0.3520.35200.352×2=0.650.6510.65×2=1.30.34．十六进制→二进制的转换将每位十六进制数转换成相应的四位二进制数即可。5．二进制→十六进制的转换只需从二进制数的最低位算起，每四位一个数，到最高位不够四位填0，即可按位转换成十六进制数。6．十进制→十六进制的转换十进制转换成十六进制与十进制转换成二进制方法一样，只是除数为16而不是2。而余数是0～F中的任一个数。例如：9168=23D0H916857303513231.2.3原码、反码与补码在计算机中，为了运算的方便，数的最高位用来表示正、负数。最高位为“0”表示正数，最高位为“1”表示负数。为了区别原来的数与它在计算机中的表示形式，我们将已经数码化了的带符号数称为机器数。而把原来的数称为机器数的真值。D7D6D5D4D3D2D1D0符号数值机器数有三种表示方法：原码、反码、补码。1．原码在符号位用0表示正数，在符号位用l表示负数，而数值位保持原样的数，这样的机器数称为原码。8位二进制原码表示的数的范围为：－127～＋127。（1）正数正数的原码与原来的数相同。（2）负数负数的原码为符号位置1，而数值位不变。（3）0的原码表示0的原码表示法有两种，即正0和负0。[+0]原＝00000000[-0]原＝100000002．反码8位二进制反码表示的数的范围为：－127～＋127（1）正数正数的反码与正数的原码相同。（2）负数负数的反码为数值位的值按位求反后，符号位取“1”。(3）0的反码表示0在反码中也有两种表示法，正0和负0。[+0]反＝00000000[-0]反＝111111113．补码8位二进制补码表示的数的范围为：－128～＋127。补码概念举例：（1）正数正数的补码与正数的原码相同。（2）负数负数的补码由它的绝对值求反加1后得到。（3）0的补码表示0的补码表示只有一种，其表达式为：[+0]补=[-0]补＝00000000B补码的加法规则是：[X＋Y]补=[X]补＋[Y]补补码的减法规则是：[X－Y]补=[X]补＋[-Y]补补码运算举例1：求十进制数76－28的运算76的2进制是01001100