單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)電子教案

第1章單片機(jī)概述

1.1單片機(jī)基礎(chǔ)1.2單片機(jī)的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢(shì)1.3單片機(jī)的應(yīng)用1.4計(jì)算機(jī)中的數(shù)制和編碼第1章單片機(jī)概述

20世紀(jì)70年代問(wèn)世。已廣泛應(yīng)用在：工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等方面。1.1單片機(jī)基礎(chǔ)1.1.1電子計(jì)算機(jī)及其發(fā)展歷史

第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于1946年2月。1946年6月，馮·諾依曼提出“程序存儲(chǔ)”和“二進(jìn)制運(yùn)算”的思想，構(gòu)建了計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備，組成這一計(jì)算機(jī)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(gè)階段：電子管計(jì)算機(jī)晶體管計(jì)算機(jī)集成電路計(jì)算機(jī)大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(微型計(jì)算機(jī))1.1.2電子計(jì)算機(jī)及其發(fā)展歷史

計(jì)算機(jī)真正得到廣泛應(yīng)用和普及，還是由于微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。微型計(jì)算機(jī)組成：由微處理器（或稱(chēng)CPU，中央處理單元)、存儲(chǔ)器加上I/O接口電路組成。各組成部分通過(guò)地址總線(xiàn)（AB）、數(shù)據(jù)總線(xiàn)（DB）和控制總線(xiàn)（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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng):微機(jī)，如圖1-2所示。1.1.3什么是單片機(jī)在半導(dǎo)體硅片上集成了微處理器(CPU)，存儲(chǔ)器(RAM、ROM、EPROM)和各種輸入、輸出接口。具有一臺(tái)計(jì)算機(jī)的屬性。也稱(chēng)為：圖1-2微控制器MCU(MicroControllerUnit)嵌入式控制器EMCU（EmbeddedicroControllerUnit）。我國(guó)，習(xí)慣使用“單片機(jī)”這一名稱(chēng)。單片機(jī)主要應(yīng)用于測(cè)試和控制領(lǐng)域按用途可分為通用型和專(zhuān)用型兩大類(lèi)：（1）通用型可開(kāi)發(fā)的內(nèi)部資源：RAM、ROM、I/O等功能部件，全部提供給用戶(hù),根據(jù)需要，設(shè)計(jì)一個(gè)以通用單片機(jī)芯片為核心的測(cè)控系統(tǒng)。（2）專(zhuān)用型專(zhuān)門(mén)針對(duì)某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機(jī)，針對(duì)性強(qiáng)且數(shù)量巨大。對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)化、可靠性和成本最佳化等方面都作了全面的考慮?！皩?zhuān)用”單片機(jī)具有十分明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。無(wú)論“專(zhuān)用”單片機(jī)在用途上有多么“專(zhuān)”，其基本結(jié)構(gòu)和工作原理都是以通用單片機(jī)為基礎(chǔ)。

1.2單片機(jī)的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1單片機(jī)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(jī)。四個(gè)階段:第一階段(1974年～1976年)：?jiǎn)纹瑱C(jī)初級(jí)階段。雙片的形式，且功能比較簡(jiǎn)單。第二階段（1976年～1978年）：低性能單片機(jī)階段。以Intel

公司制造的MCS-48單片機(jī)為代表。第三階段(1978年～現(xiàn)在)：高性能單片機(jī)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(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)、32位單片機(jī)推出階段。世界各公司也開(kāi)發(fā)了一大批性能優(yōu)越的單片機(jī)近年，不少新型單片機(jī)涌現(xiàn)，單片機(jī)產(chǎn)品豐富多彩的局面。

1.2.2

單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)CPU的改進(jìn)（1）采用雙CPU結(jié)構(gòu)，提高處理能力（2）增加數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度，內(nèi)部采用16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)。（3）串行總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，菲利浦公司的I2C總線(xiàn)（Inter－Icbus）。用兩根信號(hào)線(xiàn)代替現(xiàn)行的8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)。2．存儲(chǔ)器的發(fā)展（1）加大存儲(chǔ)容量。（2）片內(nèi)EPROM采用E2PROM或閃爍（Flash）存儲(chǔ)器3．片內(nèi)I/O的改進(jìn)（1）增加并行口的驅(qū)動(dòng)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(guó)Cygnal公司C8051F0208位單片機(jī)，采用流水線(xiàn)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(shí)器、可編程數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)和64個(gè)通用I/O口、電源監(jiān)測(cè)、看門(mén)狗、多種類(lèi)型的串行總線(xiàn)（兩個(gè)UART、SPI）等。1.3單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)卓越的性能，得到了廣泛的應(yīng)用，已深入到各個(gè)領(lǐng)域。使用溫度：民品：0°—+70°C工業(yè)品：-40—+85°C

汽車(chē)：-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(qiáng)。（2）簡(jiǎn)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(jī)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(dòng)化

2.智能儀器儀表

3．消費(fèi)類(lèi)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(chē)電子

8．多機(jī)分布式系統(tǒng)

1.4MCS-51系列與AT89C5x系列單片機(jī)1.4.1MCS-51系列單片機(jī)20世紀(jì)80年代以來(lái)，單片機(jī)的發(fā)展非常迅速，世界上一些著名廠商投放市場(chǎng)的產(chǎn)品就有幾十個(gè)系列，數(shù)百個(gè)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(jī)產(chǎn)品。單片機(jī)問(wèn)世以來(lái)，在我國(guó)使用最多的還是Intel公司的及其兼容單片機(jī)。MCS-51單片機(jī)是最早進(jìn)入我國(guó)的單片機(jī)主流產(chǎn)品之一。MCS是Intel公司生產(chǎn)的單片機(jī)的系列號(hào)，如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)既包括三個(gè)基本型8031、8051、8751，也包括對(duì)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(qiáng)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(chǔ)器擴(kuò)展到8KB，16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器增至3個(gè)。（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(chǎng)合。（4）專(zhuān)用型

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

1.4.2AT89C5x系列單片機(jī)20世紀(jì)80年代中期以后，Intel公司已把精力集中在CPU芯片的開(kāi)發(fā)、研制上，并逐漸放棄了單片機(jī)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(jī)已經(jīng)成為許多廠家、電氣公司競(jìng)相選用的對(duì)象，以此為基核。以專(zhuān)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(jī)，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(jī)，不應(yīng)直接稱(chēng)為MCS-51系列單片機(jī)，MCS只是Intel公司專(zhuān)用的單片機(jī)系列符號(hào)

習(xí)慣把兼容機(jī)等衍生產(chǎn)品統(tǒng)稱(chēng)為51系列單片機(jī)或51單片機(jī)。在8051的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了一些擴(kuò)充,稱(chēng)為增強(qiáng)型、擴(kuò)展型，如52子系列單片機(jī)，功能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。世界單片機(jī)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(jī)及其各種增強(qiáng)型、擴(kuò)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(jī)在8位單片機(jī)應(yīng)用中占有相當(dāng)大的市場(chǎng)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(jìn)行交換。該公司技術(shù)優(yōu)勢(shì)是其閃爍（Flash）存儲(chǔ)器技術(shù)，將Flash存儲(chǔ)器與80C51內(nèi)核相結(jié)合，形成了AT89C5x系列。與MCS-51系列單片機(jī)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(mén)狗定時(shí)器WDT、ISP及SPI串行接口等，

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

低電壓型---“LV”盡管AT89C5x系列單片機(jī)有多種機(jī)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(hào)單片機(jī)的基礎(chǔ)，具有典型性、代表性，也是各種增強(qiáng)型、擴(kuò)展型等衍生品種的基礎(chǔ)。因此，以AT89C51為51單片機(jī)的代表機(jī)型來(lái)介紹，并簡(jiǎn)寫(xiě)為89C51。除了8位單片機(jī)得到廣泛應(yīng)用外，一些廠家的16位單片機(jī)也得到用戶(hù)的青睞。如TI公司的MSP430、臺(tái)灣的凌陽(yáng)單片機(jī)。這些單片機(jī)本身帶有A/D轉(zhuǎn)換器，一片芯片就構(gòu)成了一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用戶(hù)設(shè)計(jì)使用時(shí)非常方便。盡管如此，16位單片機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有8位單片機(jī)應(yīng)用得那樣廣泛和普及。231.4計(jì)算機(jī)中的數(shù)制和編碼數(shù)制和編碼的表示各種計(jì)數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換241.常用計(jì)數(shù)法

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

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

11001.1B=

19.8H11001010.0110101B=CA.6AH303.

計(jì)算機(jī)中的編碼BCD碼用二進(jìn)制編碼表示的十進(jìn)制數(shù)ASCII碼西文字符編碼31BCD碼壓縮BCD碼用4位二進(jìn)制碼表示一位十進(jìn)制數(shù)每4位之間有一個(gè)空格擴(kuò)展BCD碼用8位二進(jìn)制碼表示一位十進(jìn)制數(shù)，每4位之間有一個(gè)空格。32BCD碼與二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換先轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，再轉(zhuǎn)換二進(jìn)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(jìn)制碼表示。D7位為校驗(yàn)位，默認(rèn)情況下為0。要求：理解校驗(yàn)位的作用熟悉0---F的ASCII碼34ASCII碼的奇偶校驗(yàn)奇校驗(yàn)加上校驗(yàn)位后編碼中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。例：A的ASCII碼是41H（1000001B）以奇校驗(yàn)傳送則為C1H（11000001B）偶校驗(yàn)加上校驗(yàn)位后編碼中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。上例若以偶校驗(yàn)傳送，則為41H。35三、無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算無(wú)符號(hào)數(shù)有符號(hào)數(shù)二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算36主要內(nèi)容無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算無(wú)符號(hào)數(shù)的表達(dá)范圍運(yùn)算中的溢出問(wèn)題無(wú)符號(hào)數(shù)的邏輯運(yùn)算基本邏輯門(mén)和譯碼器371.無(wú)符號(hào)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算加法運(yùn)算1+1=0（有進(jìn)位）減法運(yùn)算0-1=1（有借位）乘法運(yùn)算除法運(yùn)算38乘除運(yùn)算例00001011×0100=00101100B

00001011÷0100=00000010B

即：商=00000010B

余數(shù)=11B392.無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍：

0≤

X≤2n-1若運(yùn)算結(jié)果超出這個(gè)范圍，則產(chǎn)生溢出。對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)：運(yùn)算時(shí)，當(dāng)最高位向更高位

有進(jìn)位（或借位）時(shí)則產(chǎn)生

溢出。40[例]：

最高位向前有進(jìn)位，產(chǎn)生溢出413.邏輯運(yùn)算與、或、非、異或掌握：與、或、非門(mén)邏輯符號(hào)和邏輯關(guān)系（真值表）；與非門(mén)、或非門(mén)的應(yīng)用。42“與”、“或”運(yùn)算“與”運(yùn)算：任何數(shù)和“0”相“與”，結(jié)果為0。“或”運(yùn)算：任何數(shù)和“1”相“或”，結(jié)果為1。&&≥1≥143“非”、“異或”運(yùn)算“非”運(yùn)算按位求反“異或”運(yùn)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(jī)器數(shù)（有符號(hào)數(shù)）的運(yùn)算47計(jì)算機(jī)中符號(hào)數(shù)的表示機(jī)器數(shù)計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)構(gòu)成：符號(hào)位+真值“0”表示正“1”表示負(fù)48[例]

+52=+0110100=0

0110100

符號(hào)位真值-52=-0110100=1

0110100

符號(hào)位真值491.

符號(hào)數(shù)的表示機(jī)器數(shù)的表示方法：原碼反碼補(bǔ)碼50原碼最高位為符號(hào)位（用“0”表示正，用“1”表示負(fù)），其余為真值部分。優(yōu)點(diǎn)：真值和其原碼表示之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單，容易理解；缺點(diǎn)：計(jì)算機(jī)中用原碼進(jìn)行加減運(yùn)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(duì)一個(gè)機(jī)器數(shù)X：若X>0，則[X]反=[X]原若X<0，則[X]反=對(duì)應(yīng)原碼的符號(hào)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(bǔ)碼定義：若X>0，則[X]補(bǔ)=[X]反=[X]原若X<0，則[X]補(bǔ)=[X]反+156[例]X=–52=–0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]補(bǔ)=[X]反+1=11001100570的補(bǔ)碼：[+0]補(bǔ)=[+0]原=00000000[-0]補(bǔ)=[-0]反+1=11111111+1=100000000

對(duì)8位字長(zhǎng)，進(jìn)位被舍掉58特殊數(shù)10000000對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù):（10000000）B=128在原碼中定義為：-0在反碼中定義為：-127在補(bǔ)碼中定義為：-12859符號(hào)數(shù)的表示范圍對(duì)8位二進(jìn)制數(shù)：原碼：-127~+127反碼：-127~+127補(bǔ)碼：-128~+127602