第1章概述(石偉)

單片機原理與應(yīng)用

(石教材：《單片機原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》

歐偉明何靜凌云劉劍等編著

參考書：《單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計》（第3版）北航出版社馬忠梅

授課方式：

A專題授課（合班） B實踐設(shè)計與討論（單班）授課要求：

A課前預(yù)習(xí)

B課后完成作業(yè)，上課之前先交前一次的作業(yè)課程特點：

A是一門工具（主要側(cè)重應(yīng)用）；

B實踐性、應(yīng)用性很強（聽練結(jié)合）；微機、單片機、PLC一脈相承，都是微控制器微機原理：微機側(cè)重原理，8086\8088，80386、80486、Pentium系列。單片機原理：主要側(cè)重應(yīng)用，MCS-48,MCS-51,MCS-96?？删幊炭刂破鳎褐饕獋?cè)重應(yīng)用，硬件軟件標準化，二次開發(fā)《微機原理》、《單片機原理》和《可編程控制器》的關(guān)系單片機系統(tǒng)是一種集成電路，以PCB為基礎(chǔ)，將單片機和其它器件進行組合，再依據(jù)具體控制要求，通過專業(yè)人員設(shè)計并固化相應(yīng)的軟件，最終構(gòu)成控制系統(tǒng)（開發(fā)周期長，成本低）。

PLC上是專為工業(yè)環(huán)境使用的通用控制平臺，由用戶進行二次開發(fā)完成最終控制目的。PLC在某種程度上可以理解為一種特殊的單片機系統(tǒng)。（開發(fā)周期短，成本高）可編程控制器（PLC）和單片機的關(guān)系PLC和單片機的選擇PLC應(yīng)用領(lǐng)域：A單項工程或重復(fù)數(shù)極少的項目；B工作環(huán)境惡劣，穩(wěn)定性要求苛刻的工業(yè)控制系統(tǒng)單片機應(yīng)用領(lǐng)域：A批量大，成本控制嚴格的系統(tǒng)；B工作環(huán)境較好的日常生活相關(guān)的電子產(chǎn)品。第1章單片機概述1.1微機原理基本概念1.2單片機基本概念1.3單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程1.4開發(fā)軟件簡介1.1.1微機結(jié)構(gòu)（一）馮·諾依曼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和程序，統(tǒng)一編址。由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大部分組成.Intel夠公司的8086，ARM的ARM7、MIPS公司的處理器1.1微機原理基本概念（二）哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序存儲和數(shù)據(jù)儲存分開的存儲器結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)；哈佛結(jié)構(gòu)處理器：AVR、ARM9、ARM10、ARM11等51單片機屬于哪一種結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)理由：（1）運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備組成的系統(tǒng)。（2）程序存儲器的數(shù)據(jù)線地址線與數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)線地址線復(fù)用；哈佛結(jié)構(gòu)理由：復(fù)用是因為51IO口不夠，但代碼空間和數(shù)據(jù)空間是分開的.1.1.2微機主要性能指標

字長:是指計算機一個機器字中包含的二進制位數(shù)，字長越長，處理精度越高、處理能力也越強。8位，16位，32位

運算速度：每秒執(zhí)行的指令條數(shù)來表示，該指標的單位有MIPS。主存容量：主存儲器能夠存儲的信息總字節(jié)數(shù)。主存容量越大，可容納的程序和數(shù)據(jù)就越多，處理問題的能力就越強。十進制ND

有十個數(shù)碼:0～9,逢十進一。二進制NB

兩個數(shù)碼:0、1,逢二進一。十六進制NH

十六個數(shù)碼:0～9、A～F,逢十六進一。

不同進位制數(shù)以下標或后綴區(qū)別,十進制數(shù)可不帶下標或后綴。如:101、101D、101B、101H1.1.3

微型計算機常用數(shù)制的特點1、十進制ND

符號集：0～9規(guī)則：逢十進一。

例：

138.38=1×102+3×101+8×100+3×10－1+8×10-2

加權(quán)展開式以10為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9。一般表達式：

2、二進制NB

符號集：0、1規(guī)則：逢二進一。 例：

1011.011B=1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3

加權(quán)展開式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1。 一般表達式：

3、十六進制NH

符號集：0～9、A～F規(guī)則：逢十六進一。 例：

70F.B1H=7×162+0×161+15×160+11×16-1+1×16-1

展開式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9，A～F。 一般表達式：

1.4.2常用數(shù)制間的轉(zhuǎn)換

1、二進制和十進制數(shù)間的轉(zhuǎn)換

⑴二進制數(shù)轉(zhuǎn)換十進制數(shù)：把二進制數(shù)按權(quán)展開后求和。例如：

11011.01B=1×24+1×23+1×21+1×20+1×2-2 =27.25

(2)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)

整數(shù)轉(zhuǎn)換法

“除基取余”：十進制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進制基數(shù)2，直至商為0。每除一次取一個余數(shù)，從低位排向高位。

舉例：52轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)

52=110100B 2 520（b0） 2 260（b1） 2 131（b2） 2 60（b3） 2 31（b4） 2 11（b5） 0小數(shù)轉(zhuǎn)換法

“乘基取整”：用轉(zhuǎn)換進制的基數(shù)2乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達到轉(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：

0.625轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)

1) 0.625×2

2) 1.2501(b- × 23) 0.500(b- × 2 1.0 1(b-

0.625=0.101B

2、十六進制和十進制數(shù)間的轉(zhuǎn)換

（1）十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換十進制數(shù)：把十六進制數(shù)按權(quán)展開后求和。例如：

3FEBH=3×163+15×162+14×161+11×160=16363（2）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換十六進制數(shù)：

十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)和十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制整數(shù)類似，十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)可以采用“除16取余法”。十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)可以采用“乘16取整法”。3、二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

24=16，四位二進制數(shù)對應(yīng)一位十六進制數(shù)。

舉例：

3AF.2H=0011

1010

1111.0010=1110101111.001B 3AF2

1111101.11B=0111

1101.1100=7D.CH 7DC注意：從小數(shù)點開始，往兩邊依次取4位二進制數(shù)對應(yīng)一位十六進制數(shù)。1.1.4微型計算機中數(shù)的表示方法1、真值

真值：機器數(shù)所代表的實際數(shù)值。舉例:一個8位機器數(shù)與它的真值對應(yīng)關(guān)系如下：真值： +84=+1010100B-84=-1010100B

2、原碼、反碼、補碼

1）原碼最高位為符號位，0表示“+”，1表示“－”。

數(shù)值位與真值數(shù)值位相同。

例:8位原碼機器數(shù)：真值： x1=+1010B

x2=－1010B

機器數(shù)：[x1]原=00001010

[x2]原=10001010

原碼表示簡單直觀,但0的表示不唯一，加減運算復(fù)雜。2）反碼最高位為符號位，0表示“+”，1表示“－”。

正數(shù)數(shù)值位與真值數(shù)值位相同，負數(shù)數(shù)值位與真值數(shù)值位相反。

例:8位反碼機器數(shù)：真值： x1=+1101101B

x2=－0110110B

反碼：[x1]反=01101101

[x2]反=11001001

反碼主要用于求取后面的補碼。3）補碼

正數(shù)的補碼表示與原碼相同。負數(shù)補碼的符號位為1，數(shù)值位等于求反加1。

例：求8位補碼機器數(shù)： x=+1101101B[x]補=01101101 x=-0110110B[x]反=11001001[x]補=11001010

補碼表示的優(yōu)點：

0的表示唯一，加減運算方便。

規(guī)定：00000000B為0

10000000B不是－0，而是－1288位機器數(shù)表示的真值1.1.5二—十進制編碼BCD碼BCD碼(BinaryCodedDecimal)二進制代碼表示的十進制數(shù)。一、8421BCD碼

例：求十進制數(shù)876的BCD碼

[876]BCD=100001110110 876=36CH=1101101100B1.1.6

字符編碼

美國標準信息交換碼ASCII碼，用于計算機與計算機及外設(shè)之間傳遞信息。

1、工業(yè)控制數(shù)控車床數(shù)控線切割機床

用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。單片機能作什么？1.2單片機基本概念2、智能儀器儀表上數(shù)字式測角儀交直流電壓電流表位移傳感器單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分析儀）。

3、家用電器1.智能冰箱

2．智能飯煲

3．智能食品配料機

可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。

4、計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域

現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制。手機電話機程控交換機樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)列車無線通信日常工作中隨處可見的移動電話集群移動通信無線電對講機等。

5、醫(yī)用設(shè)備醫(yī)用呼吸機各種分析儀監(jiān)護儀超聲診斷設(shè)備病床呼叫系統(tǒng)等等電池分析儀醫(yī)用呼吸機麻醉信息管理系統(tǒng)單片微型計算機簡稱單片機。由于它的結(jié)構(gòu)及功能均按工業(yè)控制要求設(shè)計，所以又稱單片微控制器（singlechipMicrocontroller）。它是將組成微型計算機機所必須的部件（中央處理器CPU、程序存貯器（ROM)、數(shù)據(jù)存貯器（RAM)、輸入/輸出（I/O)接口、定時/計數(shù)器、串行口、系統(tǒng)總線等）集成在一個超大規(guī)模集成電路芯片上。單片機應(yīng)用系統(tǒng)是指為實現(xiàn)特定的功能，由單片機、外圍接口電路及合適的軟件等構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)。1.2.1單片機及其應(yīng)用系統(tǒng)概念1、單片機誕生于20世紀70年代。1946:第一臺電子計算機誕生單片機仍處在初級的發(fā)展階段，元件集成規(guī)模還比較小，功能比較簡單，一般均把CPU、RAM有的還包括了一些簡單的I/O口集成到芯片上，象Farichild公司就屬于這一類型，它還需配上外圍的其他處理電路方才構(gòu)成完整的計算系統(tǒng)。類似的單片機還有Zilog公司的Z80微處理器。1973:

TI公司注冊了世界上第一個單片機專利1.2.2單片機的發(fā)展歷史2、單片機的發(fā)展、應(yīng)用里程碑。TI公司推出TMS1000單片機TI公司高速反雷達導(dǎo)航器INTEL公司推出了MCS-48單片機，起到8位機的引領(lǐng)和帶頭作用，

DALLAS(June11,1978)一種新的單片集成電路電子語音合成器由TexasInstruments開發(fā).Intel公司推出了MCS-51系列單片機19803、80年代初，單片機發(fā)展高性能階段。1982年以后，16位單片機問世，代表產(chǎn)品是INTEL公司的MCS-96系列，16位單片機比起8位機，數(shù)據(jù)寬度增加了一倍，實時處理能力更強，主頻更高，集成度達到了12萬只晶體管，RAM增加到了232字節(jié)，ROM則達到了8kB，并且有8個中斷源，同時配置了多路的A/D轉(zhuǎn)換通道，高速的I/O處理單元，適用于更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

809x/839x/879x4、九十年代以后，單片機獲得了飛速的發(fā)展

生產(chǎn)廠家單片機型號荷蘭Philips公司80C552系列臺灣華邦公司W(wǎng)78C51高速低價系列MAXim公司DS89C420系列Cygnal公司C8051F高速SOC系列ADI公司ADuC8**高精度ADC系列美國Atmel公司AT89系列、AVR系列Microchip公司PIC系列TI公司16位低功耗MSP430系列1.2.3單片機的發(fā)展趨勢1、低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在100mW左右，現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。

CMOS：功耗較低，工作速度不夠高，CHMOS：高速和低功耗。

2、微型單片化A常規(guī)單片機將CPU、RAM、ROM、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，B超常規(guī)單片機集成了A/D、PMW、WDT、LCD驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上。C單片機廠商可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。3、主流與多品種共存51系列：INTEL公司MCS51 ATMEL公司AT89系列 宏晶公司STC系列。非51系列 Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)

TI公司MSP430系列（低功耗） 臺灣華邦公司W(wǎng)78C51系列（高速低價） 美國Atmel公司AVR系列1.2.4單片機的存儲技術(shù)狀態(tài)1.片內(nèi)無ROM：80312.片內(nèi)掩膜ROM：8051。3.片內(nèi)EPROM：8751。4.片內(nèi)Flash：AT89C51、AT89S515鐵電存儲技術(shù)FRAM：MSP430FR57xx

系列MCS-51單片機存儲技術(shù)狀態(tài)

表中列出了Intel公司MCS-51單片機系列的芯片型號以及它們的技術(shù)性能指標，使我們對它們的基本情況有了一個概括的了解。

MCS-51系列又分為51和52兩個子系列，并以芯片型號的最末位數(shù)字作為標志。其中，51子系列是基本型，而52子系列則屬增強型。52子系列功能增強的具體方面可查閱有關(guān)資料。1.3.1單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件組成1.3單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程應(yīng)用實例：烘箱溫度自動控制系統(tǒng)單片機 AT89S51溫度采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入控制晶體振蕩、復(fù)位電路輸出顯示輸出控制1.3.2單片機應(yīng)用系統(tǒng)的程序設(shè)計1、單片機編程語言機器語言、匯編語言、高級語言（C51）2、單片機應(yīng)用程序設(shè)計用單片機編程語言設(shè)計滿足系統(tǒng)要求的應(yīng)用程序。3、單片機應(yīng)用程序的調(diào)試采用軟件仿真和硬件仿真方法，檢查應(yīng)用程序是否有邏輯錯誤，是否滿足系統(tǒng)要求。軟件準備 集成開發(fā)軟件：WAV6000，KeiluVision4等。 仿真軟件：Proteus等。 其它工具軟件：ISP下載，串口調(diào)試。1.3.3學(xué)習(xí)條件

硬件準備

普通計算機一臺；單片機開發(fā)實驗板;

ISP下載線一根；

C語言教材、單片機原理教材一套1.3.4單片機學(xué)習(xí)方法

一本筆記本，記錄學(xué)習(xí)心得。

C語言教材、單片機原理教材，隨時查閱。

堅持手、腦并用的原則，多做實驗，多敲代碼。

；多看、多想、多問，網(wǎng)上收集例程。看、練、做結(jié)合，多參加工程實踐。1.4.1KeilμVision集成開發(fā)環(huán)境簡介

μVision4IDE是德國Keil公司開發(fā)的基于Windows平臺的單片機集成開發(fā)環(huán)境，它包含一個高效的編譯器、項目管理器和一個MAKE工具。其中KeilC51是一種專門為單片機設(shè)計的高效率C語言編譯器，符合ANSI標準，生成的程序代碼運行速度極高，所需要的存儲器空間極小，完全可以與匯編語言媲美。1.4開發(fā)軟件簡介KeilμVision編輯、編譯界面1建立項目工程（1）建立文件夾：LED。名稱可自定義，建議不用中文。（2）啟動μVision4，開始→所有程序→KeiluVision4，（3）新建一個項目工程：選擇Project→NewuVisionProject選項，彈CreatnewProject對話框，找到新建的文件夾LED，輸入項目工程名如sw。點擊保存進入到SelectDeviceforTarget界面，選擇單片機芯片，如Atmel公司的AT89C51，（4）建立匯編或C文件：選擇File→New，再選擇File→SaveAs，led.c或led.asm。（5）添加源文件。用右鍵單擊SourceGroup1→AddFiletoGroupSourceGroup1，就可將源文件添加到項目工程中來。2配置項目工程用鼠標右鍵單擊Target1，在彈出的菜單中選擇OptionsforTarget“Target1”選項，在彈出OptionsforTarget“Target1”對話框。（1）Target選項：外圍硬件設(shè)置

Xtal（MHZ）：單片機工作頻