單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)中級(jí)教程1

1、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)講授：饒連周三明學(xué)院物理與機(jī)電工程系電科教研室20092011年第一學(xué)期 授課班級(jí)：07電子科學(xué)與技術(shù)、06機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化單片機(jī)中級(jí)教程-原理與應(yīng)用-第2版何立民主編張俊謨編著北京航空航天大學(xué)出版社本課程的安排及參考書(shū)：總學(xué)時(shí)：本科 64學(xué)時(shí)（3學(xué)分）(含實(shí)驗(yàn)) 課程成績(jī)： 作業(yè)+實(shí)驗(yàn)（30%） 期末考試 （70%）參考書(shū)：?jiǎn)纹?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，鄢定明編 人民郵電出版社 單片微機(jī)原理與應(yīng)用，張剛毅等編 西安電子科技大學(xué)出版社實(shí)驗(yàn)用書(shū)：?jiǎn)纹瑱C(jī)課程實(shí)驗(yàn)教材 饒連周 等編前 言 單片機(jī)的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，它使計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始朝著兩個(gè)專業(yè)化的方向發(fā)展： 1. 通用微

2、計(jì)算機(jī)（PC微機(jī)） 2. 微控制器（單片機(jī)） 自從1970年P(guān)C微機(jī)研制成功后，隨后就出現(xiàn)了單片機(jī)。前者（PC機(jī)）在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)、辦公自動(dòng)化、Internet等方面獲得了廣泛應(yīng)用；后者（單片機(jī)）在工業(yè)測(cè)控、智能儀器儀表、家用電器等方面獲得了廣泛應(yīng)用。因此，作為電子和機(jī)械自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，很好地掌握單片機(jī)的工作原理及其應(yīng)用技術(shù)，無(wú)論是對(duì)于今后的學(xué)習(xí)或工作，都具有重要的作用和現(xiàn)實(shí)意義。 學(xué)習(xí)過(guò)程中，要求大家充分重視講授、作業(yè)和實(shí)驗(yàn)這三個(gè)基本環(huán)節(jié)，認(rèn)真掌握MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、指令系統(tǒng)及其匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，初步掌握該單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展及應(yīng)用技術(shù)（雖然目前已有16位單片機(jī)，但8位機(jī)在今后

3、相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，仍是單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的主流） 。 教學(xué)內(nèi)容：什么是單片機(jī)、單片機(jī)的發(fā)展概況、單片機(jī)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)、MCS51系和80C51系列單片機(jī)的主要特點(diǎn)、單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。補(bǔ)充數(shù)制及轉(zhuǎn)換。教學(xué)要求：了解單片機(jī)的發(fā)展概況、應(yīng)用領(lǐng)域，典型單片機(jī)系列的基本情況。第一章 緒 論第一章 緒 論1.1 單片機(jī)1.1.1 什么是單片機(jī) 把CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和 I/O 接口電路等計(jì)算機(jī)主要部件集成在一塊芯片上，由此組成的芯片級(jí)微計(jì)算機(jī)稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱為單片機(jī)。 （Single Chip Microcomputer） 由于單片機(jī)從誕生起，其主要功能和形態(tài)都是應(yīng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用要求而發(fā)展

4、的，如在其中擴(kuò)展了A/D、PWM、計(jì)數(shù)比較邏輯等，因此，單片機(jī)更本質(zhì)的名稱應(yīng)是微控制器。 (Microcontroller)1.1.2 單片機(jī)的發(fā)展 自從1971年Intel公司生產(chǎn)4位單片機(jī)4004以來(lái)，短短的30多年間，單片機(jī)取得了飛速地發(fā)展，大致可分為四個(gè)階段： 第一階段（19711974） ：準(zhǔn)備階段。以 Intel的4004（4位機(jī)）和8008（8位機(jī)）為代表，技術(shù)上還不太成熟。 第二階段（19751978）：初級(jí)階段。以Intel的MCS-48為代表，集成有8位CPU、I/O口、8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，尋址范圍不大于4K，無(wú)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(shí)器/計(jì)數(shù)器、片內(nèi)RAM、ROM容量加大，尋址范圍可達(dá)64K，具有串行口。 第四階段（1983今）：8位機(jī)的完善和16位機(jī)的推出階段。片內(nèi)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，低功耗的CHMOS芯片，MCS-96的16位單片機(jī)，帶A/D、PWM（脈寬調(diào)制）等。 今后的發(fā)展趨勢(shì)：（參考P23）多功能、高性能、低電壓和低功耗、低價(jià)格。1.1.3 MCS-51和80C51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 MCS-51是Intel公司的一種單片機(jī)系列的名稱，它包括多種8位的單片機(jī)，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(wú)ROMROM字節(jié)RAM字節(jié)尋址(KB) 計(jì) 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(jī)增設(shè)了兩種可以用軟件進(jìn)行選擇的低功耗工

7、作方式：空閑方式和掉電方式。對(duì)于87C51單片機(jī)是屬于80C51系列,含EPROM的產(chǎn)品，89C51單片機(jī)也是屬于80C51系列的產(chǎn)品含E2PROM 。這種單片機(jī)有兩級(jí)或三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密系統(tǒng)，用于保護(hù)EPROM或E2PROM中的程序，以防止非法拷貝。近幾年微控制器競(jìng)相采用Flash存儲(chǔ)器，這已成為趨勢(shì)。因?yàn)樗啥雀摺r(jià)格便宜、技術(shù)先進(jìn)，可以取代PROM、EPROM、OTP和E2PROM。利用Flash存儲(chǔ)器可高速讀、寫的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）。1.1.4 單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)的應(yīng)用按照其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yīng)

8、用系統(tǒng)中，具有完備的外部擴(kuò)展總線，它大多應(yīng)用于較復(fù)雜的工控系統(tǒng)、智能儀器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及它們的多機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；而非總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)，省去了外部并行總線，可構(gòu)成小封裝芯片，大多應(yīng)用于較簡(jiǎn)單的小型控制器、測(cè)控單元、單元儀表等。 單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有6個(gè)方面：(詳見(jiàn) P7- 8） 1。家用電器領(lǐng)域：如洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、電視機(jī) 2。辦公自動(dòng)化領(lǐng)域：如復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、電話 3。商業(yè)營(yíng)銷領(lǐng)域：如收款機(jī)、電子秤、倉(cāng)儲(chǔ)安全監(jiān)測(cè)等 4。工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域：如機(jī)電一體化、工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)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(dǎo)航、黑匣子 總之

9、，單片機(jī)的應(yīng)用正在從根本上改變傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法。1.2 單片機(jī)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(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)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(jì)算機(jī)的微處理器對(duì)應(yīng)的CPU。在應(yīng)用中，一般是將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，在母板上只保留和嵌入式相關(guān)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(jī)，它將CPU、存儲(chǔ)器(少量的RAM、ROM或兩者都有)和其它外設(shè)封裝在同一片集成電路里。常見(jiàn)的有8051。嵌入式DSP專門用來(lái)對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行極快的處理計(jì)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(lǐng)域，DSP正在大量進(jìn)入嵌入式市場(chǎng)。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件，要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)則控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。單片機(jī)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(jī)的發(fā)展是緊密相連的。如果按早期嵌

11、入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的習(xí)慣叫法,將所有實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的不同形式的計(jì)算機(jī)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(gè)龐大的家族。嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為設(shè)備級(jí)(工控機(jī))、板級(jí)(單板、模塊)、芯片級(jí)(MCU、SoC)。1.3 計(jì)算機(jī)的數(shù)制及轉(zhuǎn)換（補(bǔ)充）一. 十進(jìn)制ND 有十個(gè)數(shù)碼09、逢十進(jìn)一。 十進(jìn)制用于計(jì)算機(jī)輸入輸出，人機(jī)交互。二. 二進(jìn)制NB 兩個(gè)數(shù)碼:0、1, 逢二進(jìn)一。 二進(jìn)制為機(jī)器中的數(shù)據(jù)形式。三. 十六進(jìn)制NH 十六個(gè)數(shù)碼:09, AF, 逢十六 進(jìn)一。 十六進(jìn)制用于表示二進(jìn)制數(shù)。不同進(jìn)位制數(shù)以下標(biāo)或后綴區(qū)別,十進(jìn)制數(shù)可不帶下標(biāo)。如:101、101D、101B、101H、101H介紹計(jì)算

12、機(jī)中數(shù)的表示方法和基本運(yùn)算方法。1-5-1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制1.3 計(jì)算機(jī)的數(shù)制及轉(zhuǎn)換一. 十進(jìn)制ND符號(hào)集：09 規(guī)則：逢十進(jìn)一。例 1234.5=1103 +2102 +3101 +4100 +510-1加權(quán)展開(kāi)式以10稱為基數(shù)，各位系數(shù)為09。一般表達(dá)式：ND= dn-110n-1+dn-210n-2 +d0100 +d-110-1+1.3.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制1.3 計(jì)算機(jī)的數(shù)制及轉(zhuǎn)換二. 二進(jìn)制NB符號(hào)集：0、1 規(guī)則：逢二進(jìn)一。例 1101.101=123+122+021+120+12-1+12-3 加權(quán)展開(kāi)式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1。一般表達(dá)式： NB = bn-12n-1 + bn-2

13、2n-2 +b020 +b-12-1+1.3.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制1.3 計(jì)算機(jī)所用數(shù)制及轉(zhuǎn)換三.十六進(jìn)制NH符號(hào)集：09、AF 規(guī)則：逢十六進(jìn)一。例：DFC.8=13162 +15161 +12160 +816-1 展開(kāi)式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為09，AF。一般表達(dá)式：NH= hn-116n-1+ hn-216n-2+ h0160+ h-116-1+1.3.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制1.3.2 不同進(jìn)位計(jì)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換先展開(kāi)，然后按照十進(jìn)制運(yùn)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(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù) 進(jìn)位計(jì)數(shù)制的一般表達(dá)式： Nr= an-1rn-1+an-2rn-2+ +a1r1a0r0a-1r-1a-mr-m 一個(gè)r1進(jìn)制的數(shù)轉(zhuǎn)換成r2進(jìn)制數(shù)的方法：先展開(kāi)，然后按r2進(jìn)制的運(yùn)算法則求和計(jì)算。1.3.2 不同進(jìn)位計(jì)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換 （二）二進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換24=16 ，四位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位十六進(jìn)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(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進(jìn)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(jìn)制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進(jìn)制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個(gè)余數(shù)，從低位排向高位。舉例：1. 39轉(zhuǎn)換成二進(jìn)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(jìn)制數(shù) 208 = D0H16 208 余 016 13 余 13 = DH 0（三）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進(jìn)制數(shù)1.小數(shù)轉(zhuǎn)換法“乘基取整”：用轉(zhuǎn)換進(jìn)制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達(dá)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(jìn)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(jìn)制數(shù) 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH3. 208.625 轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)208.625 = D0.AH1.3.3帶符號(hào)數(shù)的表示方法機(jī)器數(shù)：機(jī)器中數(shù)的表示形式，其位數(shù)通常為8的倍數(shù) 真值： 機(jī)器數(shù)所代表的實(shí)際數(shù)值。舉例:一個(gè)8位機(jī)器數(shù)與它的真值對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： 真值：X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 機(jī)器數(shù)：X1機(jī)= 01010100 X2機(jī)= 11

17、010100 機(jī)器中，數(shù)的符號(hào)用“0”、“1” 表示。 最高位作符號(hào)位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。（一）機(jī)器數(shù)與真值1.3.3帶符號(hào)數(shù)的表示方法最高位為符號(hào)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(jī)器數(shù)： 真值： x1 = +1010100B x2 = 1010100B 機(jī)器數(shù)：x1原 = 01010100 x2原 = 11010100原碼表示簡(jiǎn)單直觀,但0的表示不唯一，加減運(yùn)算復(fù)雜。有符號(hào)數(shù)通常使用三種表示方法：(二)原碼(True Form)（三）補(bǔ)碼（Twos Complement）正數(shù)的補(bǔ)碼表示與原碼相同。 負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的符號(hào)位為1，數(shù)值位等于求反加1

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