第1章 單片機基礎(chǔ)概述

主講：彭芳辦公室：明德樓829E-mail:p.rain@163.com單片機原理與接口技術(shù)中國機器人大賽認(rèn)識單片機熱水器控制器主板洗衣機控制板三洋空調(diào)室外板課程特點

本課程是自動化專業(yè)的專業(yè)課；是一門實踐性很強的課程。本課程結(jié)合IntelMCS-51系列單片機中的8051芯片進(jìn)行講授，通過仿真軟件Proteus掌握單片機系統(tǒng)的開發(fā)與運行過程。課程安排理論學(xué)時： 40學(xué)時實驗學(xué)時： 16學(xué)時課堂表現(xiàn)與出勤： 15%個人作業(yè)： 10%團隊作業(yè)： 15%期末考試： 60%理論課程的考核方法課堂表現(xiàn)與出勤：1、缺一次課扣3分，5次缺課取消該課程成績；2、遲到一次扣1.5分，早退視同缺課；3、課堂主動回答問題一次正確加1分；若點名回答問題則正確加0.5分，錯誤不扣分。學(xué)習(xí)方法：動手實踐Practiceisabestwaytolearning.教材與參考教材《單片機原理及應(yīng)用——基于Proteus和KeilC》，林立等參考教材1、《單片機原理及接口技術(shù)》，李全利等，高等教育出版社2、《51系列單片機系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用技巧》，李剛，北京航空航天大學(xué)出版社3、《單片機原理及接口技術(shù)》段晨東，清華大學(xué)出版社特別推薦：郭天祥的《單片機十天征服你》目錄第1章 單片機基礎(chǔ)知識概述第2章MCS-51單片機結(jié)構(gòu)及原理第3章單片機的匯編語言與程序設(shè)計第4章單片機的C51語言第5章單片機的中斷系統(tǒng)第6章單片機的定時器/計數(shù)器第7章單片機的串行通信技術(shù)第8章單片機接口技術(shù)第9章單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)第1章單片機基礎(chǔ)知識概述1.1單片機概述1.2單片機學(xué)習(xí)的預(yù)備知識1.3Proteus軟件簡介1、什么是單片機？——從微型計算機技術(shù)的兩大發(fā)展分支談起1、什么是單片機？

2、為什么要學(xué)單片機？

3、怎樣學(xué)習(xí)單片機？1.1

單片機概述輸入設(shè)備運算器輸出設(shè)備存貯器控制器運算器+控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器計算機的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)回顧微型計算機的組成微處理器+存儲器+I/O接口電路CPU微處理器RAMI/OROM外設(shè)輔助電路CBUSDBUSABUS回顧

分支一：通用微型計算機系統(tǒng)（UniversalComputerSystem或PersonalComputer）PC主要功能部件：

CPU+存儲器+顯卡+聲卡+網(wǎng)卡+顯示器+鼠標(biāo)+鍵盤…基本功能部件接口外設(shè)386486Pentium

Pentium

ProPentiumMMXPentiumⅡPentium

ⅢPentiumⅣConroeIIINTEL架構(gòu)CPU的發(fā)展歷程

技術(shù)要求:高速計算+海量存儲

發(fā)展方向:總線速度不斷提升，存儲容量不斷擴大

分支二：嵌入式計算機系統(tǒng)

（EmbeddedComputerSystem）ECS——嵌入到對象體系中，實現(xiàn)對象體系智能化控制的專用計算機系統(tǒng)。技術(shù)要求：必須滿足對象體系的物理環(huán)境、電氣環(huán)境以及產(chǎn)品成本等要求。發(fā)展方向:與對象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制可靠性。PC→電氣加固、機械加固，并配置各種外圍接口板卡→IPC（工控機）→嵌入到大型工控系統(tǒng)中（實現(xiàn)了智能化）工業(yè)計算機（IndustrialPersonalComputer）

船舶駕駛室集中控制臺自動配料控制系統(tǒng)電站鍋爐控制系統(tǒng)板卡：CPU卡、存儲器卡、數(shù)據(jù)采集卡、通訊卡、計數(shù)器卡…眾多小型對象系統(tǒng)（如家電、儀器、工控單元…）無法使用IPC→需要發(fā)展一類特殊的嵌入式計算機系統(tǒng)。單片計算機（SingleChipMicrocomputer）SCM——將通用微計算機基本功能部件集成在一塊芯片上構(gòu)成的一種專用微計算機系統(tǒng)SCM硬件+SCM軟件+少量外圍電路嵌入式微機系統(tǒng)+被控對象應(yīng)用微電腦控制產(chǎn)品單片機應(yīng)用范例單片機的發(fā)展史第一階段（1974~1976）：單片機的初級階段例如：8位單片機F8特點：采用雙片組成第二階段（1976~1979）：低性能單片機階段例如：MCS–48系列特點：小而全第三階段（1979~1982）：高性能單片機階段例如：MCS–51系列特點：系列化、功能強結(jié)構(gòu)：MCS–518位CPURAMI/OROM串行口INTT/C第四階段（1982~）：16、32、64位單片機階段例如：飛思卡爾的C9S12XS12816位單片機特點：增加了內(nèi)部資源、實時處理能力更強、

除了具有16位CPU和存儲器外又增加了部分內(nèi)部資源，如：12XS12812位A/D轉(zhuǎn)換器SPI通信模塊脈寬調(diào)制輸出裝置PWM各種字長的單片機都有自己的市場1位機4位機用于玩具、家用電器、計算器等8位機16位機工業(yè)控制器、智能儀表、計算機外設(shè)、通用測控單元、通訊設(shè)備32、64位機手機、高級機器人等單片機經(jīng)歷了三大階段SCM即單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。“創(chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。MCU即微控制器（MicroControllerUnit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。SoC單片機（SystemonChip）：單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。例如美國Cygnal公司的C8051F系列SoC單片機。

單片機經(jīng)過約30年的發(fā)展，已經(jīng)形成有幾千種型號上百種品牌的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，對電子信息技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、軍事技術(shù)的發(fā)展起到巨大的推動作用。目前主流的單片機：51內(nèi)核的系列單片機Microchip公司的PIC系列單片機ATMEL推出的AVR系列單片機Cygnal公司的C8051F×系列單片機TexasInstrument公司的超低功耗MSP16bit系列單片機ARM內(nèi)核的32bit、64bit系列單片機MCS-51系列單片機已被國內(nèi)用戶廣泛采用例如：ATMEL公司的AT89系列Philips公司的80C51系列……宏晶科技的STC系列2.為什么要學(xué)單片機？單片機是實現(xiàn)機械裝備、電子產(chǎn)品智能化的重要途徑，掌握這門技術(shù)便能在高技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地單片機系統(tǒng)是當(dāng)前最有發(fā)展前途的高技術(shù)領(lǐng)域之一，國內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計與研發(fā)人員相對短缺，具有很好的就業(yè)前景單片機與其它專業(yè)知識相結(jié)合可產(chǎn)生更大的創(chuàng)造力和發(fā)展?jié)摿纹瑱C已在工業(yè)過程控制、機床控制、機器人控制、汽車控制以及飛行器制導(dǎo)系統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用。

各種家用電器：全自動洗衣機、熱水器、電子游戲機等3、怎樣學(xué)習(xí)單片機各組成部分既相對獨立，又相互交叉80C51型單片機教學(xué)目標(biāo)——掌握單片機原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計技能需要具備——單片機硬件、軟件、接口三方面知識硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)接口系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)（RAM，IO，T/C，INT，UART）存儲器輸入/輸出單元定時/計數(shù)器中斷系統(tǒng)串行通信軟件編程C51語言程序匯編語言程序接口系統(tǒng)（LED，KEY，AD，DA，IO擴展）鍵盤電路數(shù)碼管鍵盤模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換可編程接口單片機的學(xué)習(xí)方法理論教學(xué)→掌握基本原理→課堂講解+課后實踐實驗教學(xué)→掌握基本技能→教學(xué)實驗+實驗報告→電路實驗箱虛擬實驗平臺唯有動手才能真正學(xué)會單片機！PROTEUS單片機仿真軟件

KeilC51簡介

KeilC51是51單片機軟件開發(fā)的C語言和匯編語言環(huán)境，可以進(jìn)行純軟件仿真；也可以與Proteus軟件聯(lián)合進(jìn)行仿真。Keil集成開發(fā)環(huán)境軟件1.2

單片機學(xué)習(xí)的預(yù)備知識1、數(shù)制定義可用數(shù)碼進(jìn)位基數(shù)0…R-10123456789ABCDEF01234567010123456789逢R進(jìn)1逢16進(jìn)1逢8進(jìn)1逢2進(jìn)1逢10進(jìn)1R168210R進(jìn)制十六進(jìn)制八進(jìn)制二進(jìn)制十進(jìn)制常用數(shù)制2、數(shù)制轉(zhuǎn)換R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)位權(quán)展開法【例】將下列數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)

(101.01)2(205.4)8(AF.8)16

解：(101.01)2=1×22＋0×21＋1×20＋0×2-1＋1×2-2=(5.25)10(205.4)8=2×82＋0×81＋5×80＋4×8–1=(133.5)10

(AF.8)16=10×161＋15×160＋8×16-1=(175.5)10

十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進(jìn)制數(shù)

將整數(shù)部份和小數(shù)部份分開來算。整數(shù)部份：除以R取余數(shù)，直到商為0，余數(shù)從自下而上排列小數(shù)部份：以小數(shù)部分乘以R取積的整數(shù)，并將其自上而下排列，直到小數(shù)部份為0或規(guī)定精度為止【例】將(100.345)10轉(zhuǎn)換為二、八、十六進(jìn)制2100低位250

081000.3452250

8124×

2高位2121814

0.69026001

×223

0

1.38021

116100×2011664

0.760

高位06

×2

1.520

×2

……低位結(jié)果：

(100.345)10≈（1100100.0101)2

(100)10=(144)8=(64)163、有符號數(shù)的表示方法無符號數(shù)

機器數(shù)的所有二進(jìn)制位都用來表示數(shù)值。有符號數(shù)

有符號數(shù)的符號位（最高位）用0和1來表示，一般用0表示正，用1表示負(fù)。但由于數(shù)值部分的表示方法不同，有符號數(shù)可有三種表示方法，分別叫做原碼、反碼和補碼。4、位-字節(jié)-字位(Bit)

指一個二進(jìn)制位。字節(jié)(Byte)

指相鄰的8個二進(jìn)制位。字(word)：

2個字節(jié)，16位，又叫雙字節(jié)。另外，有時還會用到“半字節(jié)”，即4位二進(jìn)制。例如：1000111011001011B=半字節(jié)

字節(jié)

字（雙字節(jié)）位字節(jié)字節(jié)8ECBH5、BCD碼

BCD碼（BinaryCodedDecimal）——用二進(jìn)制代碼表示的十進(jìn)制數(shù)。用一個字節(jié)表示兩個十進(jìn)制的數(shù) 如：10000111B表示十進(jìn)制的876、ASCⅡ碼字母和字符的二進(jìn)制數(shù)表示——ASCⅡ碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange——美國國家信息交換標(biāo)準(zhǔn)字符碼

)。它采用7位二進(jìn)制編碼表示128個字符，其中包括數(shù)碼0～9以及英文字母等可打印的字符。高3位低4位‘0’-‘9’→30H–39H‘A’→1000001B→41H例如：7、基本邏輯門電路

數(shù)字計算機靠基本邏輯門電路實現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)的運算，其中高電平和低電平分別代表1和0。單片機原理分析中需要用到一些基本邏輯門電路、邏輯關(guān)系和邏輯符