單片機及應用

單片機及應用主講老師：來智勇聯(lián)系電話子郵件：zhiyonglai@QQ：610811402

單片機主要應用于控制和儀器儀表等智能化設備中，其應用范圍非常廣泛。通過本課程的學習，大家要掌握單片機的特點及其基本組成，要掌握MCS-51系列單片機的特點、結構及其應用開發(fā)的基本理論知識與實踐技能，進而更加深刻地理解計算機的組成原理和工作原理。學習目的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源（大學生電子設計競賽）灌溉控制設備（Zigbee模塊CC2530）課堂教學翻轉課堂：第3、4、6章

課堂討論：實用單片機應用系統(tǒng)單片機與嵌入式系統(tǒng)實驗、作業(yè)課外自學教學方法先修課程1、數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)2、計算機組成原理3、接口技術4、C語言程序設計

教科書李廣弟、朱月秀、冷祖祁編著，單片機基礎（第3版），北京航空航天大學出版社，2007.6（2010年第九次印刷）教學參考書

1、張毅剛、彭喜元編著，單片機原理與應用設計，北京：電子工業(yè)出版社，2008.4（2013.5第10次印刷） 2、周向紅等編著，51單片機課程設計，華中科技大學出版社，2011.1課時安排課堂教學：42學時；實驗：14學時；總學時：56。考核及成績評定

平時成績占40%。終期考試成績占60%。1課代表/1班課時安排周次 內容

八

1單片機概述

280C51單片機的硬件結構

九

280C51單片機的硬件結構

十380C51單片機指令系統(tǒng)

十一480C51匯編語言程序設計

十二580C51單片機的中斷與定時 實驗1兩字節(jié)十進制加法實驗

課時安排周次 內容

十三6單片機并行存儲器擴展

實驗2計時器實驗

十四

7單片機并行I/O擴展 實驗3跑馬燈實驗

十五7單片機并行I/O擴展

880C51單片機串行通信 綜合實驗一（樓道照明燈、交通燈、 秒表）

周次 內容十六

9單片機與數(shù)/模及模/數(shù)轉換器的接口

10單片機應用實例及開發(fā)技術 綜合實驗一十七

10單片機應用實例及開發(fā)技術

課堂討論：實用單片機應用系統(tǒng) 綜合實驗二十八課堂討論：單片機與嵌入式系統(tǒng) 綜合實驗二課時安排主要內容：1.1單片機的概念1.2單片機的特點1.3單片機的發(fā)展1.4MCS-51系列單片機1.5單片機的應用第一章單片機概述1.1單片機的概念計算機：由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成的機器。微型計算機組成結構框圖

微型計算機：微處理器(CPU)、存儲器、I/O接口電路由總線有機地連接在一起構成的計算機。1.1單片機的概念單片機：就是單片計算機（SingleChipComputer/Micro-Computer），是把CPU、存儲器和I/O接口等集成在一塊芯片上的計算機。

1.1單片機的概念單片機與通用微型計算機的不同：

1、通用微機的CPU主要面向數(shù)據(jù)處理，其發(fā)展主要圍繞數(shù)據(jù)處理功能、計算速度和精度的進一步提高。而單片機主要面向控制，控制中的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)處理相對簡單，所以單片機的數(shù)據(jù)處理能力比通用微機的要相對弱一些，計算速度和精度也相對要低一些。

2、通用微機中存儲器的組織結構主要針對增大存儲容量和提高存取速度；而單片機中存儲器的組織結構比較簡單，通過物理地址直接讀寫，尋址空間一般為64KB。單片機與通用微型計算機的不同：

3、通用微機中I/O接口主要考慮標準外設，用戶通過標準總線連接外設，能達到即插即用。而單片機應用系統(tǒng)的外設都是非標準的，且千差萬別，種類很多。單片機的I/O接口實際上是向用戶提供的與外設連接的物理界面。用戶對外設的連接要設計具體的接口電路，需有熟練的接口電路設計技術。1.1單片機的概念1.1單片機的概念微控制器（MCU:Micro-ControllerUnit）：由于單片機在控制應用方面已相當普及，其控制功能亦不斷增強，從控制的角度又被稱作微控制器。嵌入式微控制器（EmbeddedMicro-ControllerUnit）：由于單片機是作為一個部件嵌入在被控設備或機器中使用，所以又稱之為嵌入式微控制器。1.2單片機的特點

1、單片機的程序存儲器（ROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）是嚴格區(qū)分的。這樣的結構主要是考慮到單片機用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲器空間，把開發(fā)成功的程序固化在ROM中，而把少量的隨機數(shù)據(jù)存放在RAM中。這樣，小容量的數(shù)據(jù)存儲器能以高速RAM形式集成在單片機內，以加速單片機的執(zhí)行速度。1.2單片機的特點

2、采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機有更強的邏輯控制能力，特別是具有很強的位處理能力。

3、單片機的I/O引腳通常是多功能的。由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復用的方法。引腳處于何種功能，可由指令來設置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。1.2單片機的特點

4、單片機的外部擴展能力強。在內部的各種功能不能滿足應用需求時，均可在外部進行擴展，如擴展ROM、RAM、I/O接口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。另一方面，單片機與許多通用的微機接口芯片兼容，為其擴展和應用系統(tǒng)設計帶來了極大的方便和靈活性。

5、抗干擾能力強，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作；

6、體積小，成本低，運用靈活，易于產品化，能方便地組成各種智能化的控制設備和儀器，做到機電一體化。1.3單片機的發(fā)展第一階段（1971-1973年）：單片機萌芽階段1971年11月美國Intel公司設計出了含有2000只晶體管的4位單片機Intel-4004。該單片機配有RAM、ROM和移位寄存器等。隨后又研制成功了8位單片機Intel-8008；同期Fairchild公司也研制成功了8位單片機FS。雖然它們還不是具體意義上的單片機，但從此拉開了研制單片機的序幕。1.3單片機的發(fā)展第二階段（1974-1977年）：初級單片機階段

1976年Intel公司開發(fā)出了第一代8位單片機MCS-48。它以體積小、功能強、價格低等優(yōu)點而獲得了廣泛應用。MCS-48集成了8位CPU、并行I/O口和定時器/計數(shù)器等，可尋址范圍4KB。1.3單片機的發(fā)展第三階段（1978-1982年）：高性能單片機階段這一階段的單片機不僅存儲容量和尋址范圍增大，而且中斷源、并行I/O口和定時器/計數(shù)器個數(shù)也有增加，還集成了全雙工串行通信接口，在指令系統(tǒng)方面，普遍增設了乘除指令。第二代8位單片機中最具代表性的當屬Intel公司的MCS-51系列單片機，品種全、兼容性強、軟硬件資料豐富，是當時乃至現(xiàn)在很暢銷的單片機品種，在現(xiàn)在和未來一段時間仍處于單片機產品的主流地位。1.3單片機的發(fā)展第四階段（1983年-）：8位單片機鞏固及16位/32位單片機推出階段

隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，16位、32位單片機相繼問世，如Intel公司的MCS-96系列、NEC公司的783XX系列、美國國家半導體公司的HPC16040、Motorola公司的683XX系列等。它們代表了單片機發(fā)展的高新技術水平，將單片機的應用進一步推廣到航空航天、高級機器人、軍事裝備等方面。與此同時，8位機也在發(fā)展，功能不斷增強，性能不斷提高。如8XC522系列增加了A/D轉換其器、事件捕捉邏輯、I2C接口、定時監(jiān)視器WDT等。1.3單片機的發(fā)展單片機的發(fā)展方向：性能不斷提高，功能不斷增強，如16位、32位單片機，集成了更多處理部件的8位單片機。小型化、低功耗、低成本、專用化方向發(fā)展，如AT89C2051減少了程序存儲空間和并行接口。1.3單片機的發(fā)展單片機的生產廠家及代表產品

1、Intel是最早的單片機生產商：8位機MCS-48,MCS-51系列，16位機MCS-96系列。

2、Motorola是最大的單片機生產商：8位機68HC05和68HC08系列產量已超過20億片、8位增強型單片機68HC11系列年產量1億片以上、16位機68HC16系列、32位機683XX系列。單片機的生產廠家及代表產品3、Atmel是我們經常使用的單片機的生產廠商：8位機AT89系列和AVR系列。4、Microship是市場份額增長最快的單片機生產廠商：8位機PIC16C/F、17C/F和18F系列。5、其它廠商：美國國家半導體、TI、Zilog、臺灣義隆、Micon、EPSON、NEC、東芝、富士通、現(xiàn)代、三星、華邦、Scenix等。1.3單片機的發(fā)展1.4MCS-51系列單片機MCS-51系列單片機：兩個子系列——基本型8051子系列和增強型8052子系列，每個子系列有3個典型芯片。8051子系列的典型芯片型號和基本性能

1、8031：片內128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM，2個16位定時器，5個中斷源，1個全雙工串行接口，最大可訪問程序和數(shù)據(jù)空間各64K。

2、8051：比8031多4K片內ROM。

3、8751：比8031多4K片內EPROM。1.4MCS-51系列單片機8052子系列的芯片型號和基本性能

1、8032：片內256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM，3個16位定時器，6個中斷源，1個全雙工串行接口，最大可訪問程序和數(shù)據(jù)空間各64K。

2、8052：比8032多8K片內ROM。

3、8752：比8032多8K片內EPROM。

總之，8052子系列比8051子系列多128字節(jié)RAM，1個16位定時器、1個中斷源（和4K片內ROM/EPROM）。80C51系列：是對MCS-51系列的改進，具體表現(xiàn)在所使用的半導體集成電路工藝上。MCS-51系列采用的是HMOS（HigherperformanceMetal-Oxide-Semiconductor）工藝，即高密度短溝道MOS半導體集成工藝，而80C51系列采用的是CHMOS（ComplementaryHMOS）工藝，即互補金屬氧化物的HMOS半導體集成工藝。集成工藝的改進，使得80C51系列芯片具有抗干擾能力強和低功耗等明顯優(yōu)勢。80C51系列也有兩個子系列（80C51和80C52）6個典型芯片（80C31、80C51、87C51、80C32、80C52、87C52）。每個型號與MCS-51系列的對應型號完全兼容，具有完全相同的結構、指令系統(tǒng)和引腳。1.4MCS-51系列單片機80C51/MCS-51系列單片機的結構特點：

1、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的，使用兩個獨立的存儲空間，片內程序存儲器空間比數(shù)據(jù)存儲器空間大得多；

2、使用片內RAM單元來做通用寄存器，降低生產成本；

3、使用特殊功能寄存器（SFR）控制I/O接口，實現(xiàn)多種功能，使用靈活；1.4MCS-51系列單片機

5、全雙工串行口，多種工作方式，用戶可根據(jù)需要設定，以擴展I/O口或外接同步輸入輸出設備；或用作異步通信口，以實現(xiàn)雙機或多機通信，組成分布式控制系統(tǒng)。1.4MCS-51系列單片機

4、管腳多功能（復用），減少管腳數(shù)量。80C51/MCS-51系列單片機的結構特點：1.5單片機的應用單片機的應用十分廣泛，小到玩具，大到航空航天，到處都有單片機的身影。早在20世紀末21世紀初，單片機每年的使用量就有7億五千萬片。

1、工業(yè)過程控制：是單片機應用最多，也是最有效的方面之一。單片機既可用作過程控制中的主機，也可用作前端機，實現(xiàn)模擬量的采集和開關量的輸入、處理、控制計算和控制信號的輸出。1.5單片機的應用

2、智能化儀器儀表：無論常規(guī)還是特種儀器儀表都大量使用單片機，用程序取代以前的電子線路，既能大大降低成本、顯著增強功能、使用更加方便，又能簡化生產、調試。

3、家用電器：單片機已廣泛應用于電視機、電冰箱等各種家電設備中。