CH1 單片機基礎知識概述

第1章

單片機基礎知識概述

1.1單片機概述1.2單片機學習的預備知識1.3Proteus軟件簡介第1章單片機基礎知識概述1.1單片機概述1、什么是單片機？2、為什么要學單片機？3、怎樣學習單片機？1.2單片機學習的預備知識1.3Proteus軟件簡介1.什么是單片機？

微型計算機技術的兩大發(fā)展分支談起：

通用微型計算機系統(tǒng)嵌入式計算機系統(tǒng)單片機第1章單片機基礎知識概述1.1電子計算機的發(fā)展概述1.1.1電子計算機的問世及其經(jīng)典結(jié)構1946年2月15日，第一臺電子數(shù)字計算機問世，這標志著計算機時代的到來。（CALCULATOR）ENIAC長：24m，寬：6m，高：2.5m，重：30T

◆ENIAC是電子管計算機，時鐘頻率僅有100KHz，但能在1秒鐘的時間內(nèi)完成5000次加法運算。

◆與現(xiàn)代的計算機相比，有許多不足，但它的問世開創(chuàng)了計算機科學技術的新紀元，對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了巨大的影響。匈牙利籍數(shù)學家馮·諾依曼在方案的設計上做出了重要的貢獻。1946年6月，他又提出了“程序存儲”和“二進制運算”的思想，進一步構建了計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成這一計算機的經(jīng)典結(jié)構。（EDVAC-ELECTRONICDISCRETEVARIABLEAUTOMATICCOMPUTER）電子計算機技術的發(fā)展，相繼經(jīng)歷了五個時代：﹡電子管計算機；﹡晶體管計算機；﹡集成電路計算機；﹡大規(guī)模集成電路（LSI）計算機；﹡超大規(guī)模集成電路（VLSI）計算機。計算機的結(jié)構仍然沒有突破馮·諾依曼提出的計算機的經(jīng)典結(jié)構框架。1.1.2微型計算機的組成及其應用形態(tài)一、微型計算機的組成

其中的兩個芯片分別用于存儲程序和數(shù)據(jù)，另一芯片集成了運算器和控制器及一些寄存器，合稱為微處理器（即Intel4004）。4004微處理器1971年1月，INTEL公司的特德·霍夫在與日本商業(yè)通訊公司合作研制臺式計算器時，將原始方案的十幾個芯片壓縮成三個集成電路芯片。微處理器、存儲器加上I/O接口電路組成微型計算機。各部分通過地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB）相連。

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+端口+顯/聲/網(wǎng)卡+顯示器+鼠標+鍵盤…基本功能部件接口外設第1章單片機基礎知識概述386486Pentium

Pentium

ProPentiumMMXPentiumⅡPentium

ⅢPentiumⅣConroeIIINTEL架構CPU的發(fā)展歷程

技術要求:高速計算+海量存儲

發(fā)展方向:總線速度不斷提升，存儲容量不斷擴大第1章單片機基礎知識概述

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)。技術要求：必須滿足對象體系的物理環(huán)境、電氣環(huán)境和氣氛環(huán)境以及產(chǎn)品成本等要求。發(fā)展方向:與對象系統(tǒng)密切相關的嵌入性能、控制能力與控制可靠性。第1章單片機基礎知識概述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…第1章單片機基礎知識概述眾多小型對象系統(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)。第1章單片機基礎知識概述⑴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成的一種專用微計算機系統(tǒng)應用：SCM硬件+SCM軟件+少量外圍電路→嵌入式微機系統(tǒng)+被控對象→微電腦控制產(chǎn)品第1章單片機基礎知識概述單片機的發(fā)展：從1976年起，Intel公司先后推出MCS-48（8位）、MCS-51（8位）和MCS-96（16位）三大系列單片機。迄今為止，世界各地廠商已相繼研制出大約50個系列300多個品種的單片機產(chǎn)品。單片機的發(fā)展趨勢是高集成度、高性能、高性價比、低功耗——微控制器（MicroCompuerUnit)——增強功能的單片機，8位的51內(nèi)核單片機仍然是目前主流機型。第1章單片機基礎知識概述1.2單片機的發(fā)展過程及產(chǎn)品近況1.2.1單片機的發(fā)展過程

單片機技術發(fā)展過程可分為三個主要階段：

◆單芯片微機形成階段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列單片機。

8位CPU、1K字節(jié)ROM、64字節(jié)RAM、27根I/O線和1個8位定時/計數(shù)器。

特點是：存儲器容量較小，尋址范圍?。ú淮笥?KB），無串行接口，指令系統(tǒng)功能不強。

單片機微處理器（uP）

微控制器（MCU）

◆性能完善提高階段

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列單片機：8位CPU、4K字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K，并有控制功能較強的布爾處理器。

特點是：結(jié)構體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出?，F(xiàn)在：

MCS-51已成為公認的單片機經(jīng)典機種。

◆微控制器化階段

1983年，Intel推出MCS-96系列單片機。芯片內(nèi)集成：16位CPU、8K字節(jié)ROM、232字節(jié)RAM、5個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計數(shù)器。尋址范圍64K。片上還有8路10位ADC、1路PWM輸出及高速I/O部件等。

◆微控制器化階段

特點是：片內(nèi)面向測控系統(tǒng)外圍電路增強，使單片機可以方便靈活地用于復雜的自動測控系統(tǒng)及設備。“微控制器”的稱謂更能反應單片機的本質(zhì)。微控制器(MCU)----MicroControllerUnit

1982年Intel推出MCS-96系列16位單片機。同時，Intel轉(zhuǎn)讓MCS-51內(nèi)核技術→知名廠商(如Atmel、Philips、LG、Windbond、NEC）此后不斷擴展、強化51系列(兼容機)，鞏固了8位機的主流地位。1.2單片機的發(fā)展過程及產(chǎn)品近況1.2.1單片機的發(fā)展過程單片機微處理器（uP）

微控制器（MCU）Stage狀態(tài)型號位數(shù)ROMRAM尋址特點Stage1--1976單芯片微機形成MCS-4881K644K無串口1T/CStage2--1980性能完善提高階段MCS-5184K12864KUART2T/CStage3--1983微控制器化階段MCS-96168K23264KADC、PWM、WDTHSI/O單片機應用范例第1章單片機基礎知識概述汽車電控系統(tǒng)中的單片機應用第1章單片機基礎知識概述

系統(tǒng)機（桌面應用）屬于通用計算機，主要應用于數(shù)據(jù)處理、辦公自動化及輔助設計。

單片機（嵌入式應用）屬于專用計算機，主要應用于智能儀表、智能傳感器、智能家電、智能辦公設備、汽車及軍事電子設備等應用系統(tǒng)。

單片機集成度高、控制功能強、低功耗、易于開發(fā)、可靠性高、體積小、價格低，其非凡的嵌入式應用形態(tài)對于滿足嵌入式應用需求具有獨特的優(yōu)勢。綜上可見,微型計算機的發(fā)展1、PC機(多板機形態(tài))：PC機系統(tǒng)全力實現(xiàn)海量高速數(shù)據(jù)處理，兼顧控制功能。2、單片機：單片機系統(tǒng)全力滿足測控對象的測控功能，兼顧數(shù)據(jù)處理能力。又稱：嵌入式微處理器對象：面向工業(yè)控制領域

形成兩大分支：1.2.2單片機產(chǎn)品近況

﹡美國Atmel公司融入Flash存儲器技術的AT89S系列；

﹡美國SST公司SST89S系列；﹡中國STC(宏晶科技)公司STC89C51/52系列；﹡NXP（原Philips公司）80C51、80C552系列；﹡Winbond公司W(wǎng)78C51、W77C51高速低價系列；

﹡ADI公司ADμC8xx高精度ADC系列；

﹡LG公司GMS90/97低壓高速系列；

﹡Maxim公司DS89C420高速50MIPS系列(并購Dallas)

﹡Cygnal公司C8051F系列高速SOC單片機(Silicon)◆

80C51系列單片機產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成，近年來推出的與80C51兼容的主要產(chǎn)品有：

◆非80C51結(jié)構單片機新品不斷推出，給用戶提供了更為廣泛的選擇空間，近年來推出的非80C51系列的主要產(chǎn)品有：﹡Intel的MCS-96系列16位單片機；﹡ATMEL的AVR系列RISC單片機；﹡Microchip的PIC系列RISC單片機；﹡TI的MSP430F系列16位低功耗單片機；﹡ARM、Samsung的32位單片機；

DSP：一類特別適合于進行數(shù)字信號運算的微處理器DSP有更高的集成度，更快的CPU，更大容量的存儲器，更高效的指令集。

DSP適合應用于音頻、視頻信號處理領域。DSP是單片機的高級形式

數(shù)字信號微處理器（DigitalSignalProcessor）第1章單片機基礎知識概述TIDSPsin60%

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8oftop10internetconsumerelectronicmanufacturersTIDSPschosen

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cameramanufacturersTIDSPsin80%ofIPphonedesignsTIhas80%ofVoIPGatewaymarketTIDSPsusedin8

ofthetop10wirelessinfrastructuresTMS320C5000DSP應用范例第1章單片機基礎知識概述1.3單片機的特點及應用領域1.3.1單片機的特點近期推出的單片機產(chǎn)品，內(nèi)部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低電壓、低功耗、串行擴展總線、控制網(wǎng)絡總線和開發(fā)方式（如在系統(tǒng)編程ISP）等方面都有了進一步的增強。◆控制性能和可靠性高

實時控制功能特別強，其CPU可以對I/O端口直接進行操作，位操作能力更是其它計算機無法比擬的。CPU、存儲器及I/O接口集成在同一芯片內(nèi)，連接緊湊，數(shù)據(jù)在傳送時受干擾的影響較小，且不易受環(huán)境條件的影響，所以單片機的可靠性非常高?！艏啥雀?、體積小、價格低、易于產(chǎn)品化

單片機芯片即是一臺完整的微型計算機。對于批量大的專用場合，一方面可以在眾多的單片機品種間進行匹配選擇；同時還可以專門進行芯片設計，使芯片的功能與應用具有良好的對應關系；在單片機產(chǎn)品的引腳封裝方面，有的單片機引腳已減少到8個或更少，從而使應用系統(tǒng)的印制板減小、接插件減少、安裝簡單方便?！舻凸?

低電壓,適合便攜式產(chǎn)品。

◆

接口規(guī)范、易擴展。

◆

有優(yōu)異的性能價格比。

2.為什么要學單片機？單片機是實現(xiàn)機械裝備、電子產(chǎn)品智能化的重要途徑，掌握這門技術便能在高技術領域占有一席之地單片機系統(tǒng)是當前最有發(fā)展前途的高技術領域之一，國內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品設計與研發(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Φ?章單片機基礎知識概述單片機應用實例——抽油機自動間抽控制技術第1章單片機基礎知識概述游梁式抽油機——石油開采設備矛盾1：電動機配置存在“大馬拉小車”需要配備較大功率電機僅需配備較小功率電機

抽油機啟動過程正常抽油時稠油、結(jié)蠟、冬季矛盾2：產(chǎn)抽不平衡導致抽油機工作效率低油田開采后期→地層供液能力↓→抽油能力大于供油能力→抽油機工作效率↓國內(nèi)約有10萬多臺游梁式抽油機，電能消耗問題十分突出！第1章單片機基礎知識概述利用星角切換的節(jié)能原理Y型接法Δ型接法星角切換方法C1-C2閉合：Δ型接法

C1-C3閉合：Y型接法電工學基本原理電動機繞組的兩種接線方法Δ與Y接線方式的理論功耗相差約33%第1章單片機基礎知識概述閉環(huán)控制原理功率變送器額定功率微機控制器交流接觸器異步電動機實際功率切換控制方案根據(jù)實際工況，確定最合適的接線方式，實施雙向動態(tài)切換時間→Δ形狀態(tài)Y形狀態(tài)過載停機Δ起動O←負載第1章單片機基礎知識概述利用定時間抽的節(jié)能原理開機停機開機開機停機時間根據(jù)間抽規(guī)律設置開機時間T1和停機時間T2開機T1小時停機T2小時節(jié)能效果∝停機時間/（開機時間+停機時間）第1章單片機基礎知識概述綜合上述兩種原理——抽油機功率雙向切換與間抽控制方案

開機停機開機開機停機時間

起動時采取強制Δ方式以滿足帶載起動要求起動后在Δ、Y、過載停機三個狀態(tài)間雙向自動切換可根據(jù)設置實現(xiàn)切換+間抽聯(lián)合控制技術核心：第1章單片機基礎知識概述

空氣開關

交流接觸器

電動機功率變送器

抽油機電控箱基于單片機的抽油機節(jié)能控制方案節(jié)能控制儀

A/D轉(zhuǎn)換器

繼電器

數(shù)碼顯示器數(shù)據(jù)存儲器

輕觸按鍵單片機第1章單片機基礎知識概述試驗結(jié)果平均無功功率降低71.8%平均有功功率降低約15%平均功率因數(shù)提高58%第1章單片機基礎知識概述3、怎樣學習單片機各組成部分既相對獨立，又相互交叉80C51型單片機教學目標——掌握單片機原理與應用系統(tǒng)設計技能技能目標——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)第1章單片機基礎知識概述硬件結(jié)構（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)串行通信第1章單片機基礎知識概述軟件編程C51語言程序匯編語言程序第1章單片機基礎知識概述接口系統(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)換可編程接口第1章單片機基礎知識概述單片機的學習方法理論教學→掌握基本原理→課堂講解+課后復習實驗教學→掌握基本技能→教學實驗+實驗報告→電路實驗箱虛擬實驗平臺第1章單片機基礎知識概述PROTEUS單片機仿真軟件

第1章單片機基礎知識概述

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，可以進行純軟件仿真；也可以與Proteus軟件聯(lián)合進行仿真。Keil集成開發(fā)環(huán)境軟件第1章單片機基礎知識概述第1章單片機基礎知識概述1.1單片機概述1.2單片機學習的預備知識1、數(shù)制定義2、數(shù)制轉(zhuǎn)換3、有符號數(shù)4、位-字節(jié)-字5、ASCII碼6、BCD碼7、邏輯門電路

1.3Proteus軟件簡介1.數(shù)制定義單片機常用的數(shù)制有十進制、二進制、十六進制。例如：

十進制：0～9；規(guī)則：逢十進一，后綴為D，但可忽略。一般表達式為：基數(shù)加權數(shù)0～9第1章單片機基礎知識概述

二進制：0、1；規(guī)則：逢二進一，后綴為B。一般表達式為：其中，基數(shù)為2，各位加權數(shù)為0，1。例如：第1章單片機基礎知識概述

十六進制：0~9、A~F。規(guī)則：逢十六進一，后綴為H。一般表達式為：其中，基數(shù)為16，各位加權數(shù)為0~9、A~F。例如：第1章單片機基礎知識概述2.數(shù)制轉(zhuǎn)換

(1)二進制轉(zhuǎn)換成十進制轉(zhuǎn)換規(guī)則：按進制的表達式展開，然后按照十進制運算求和。例如：111111118421163264128記憶：1100B=121001B=91111B=1511111111B=255舉例：第1章單片機基礎知識概述（2）十六進制轉(zhuǎn)換成十進制轉(zhuǎn)換規(guī)則：按進制的表達式展開，然后按照十進制運算求和。例如：第1章單片機基礎知識概述(3)二進制與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1010B=0AH1101B=0DH1011B=0BH1110B=0EH1100B=0CH1111B=0FH記憶：從低位起由右到左，每四位二進制數(shù)對應一位十六進制數(shù)。例如：（最后一組不足時左邊添0湊齊4位）轉(zhuǎn)換規(guī)則：第1章單片機基礎知識概述(4)十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成二、十六進制整數(shù)轉(zhuǎn)換規(guī)則：“除基取余”。十進制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個余數(shù)，從低位排向高位。例如：第1章單片機基礎知識概述3.有符號數(shù)的表示方法

二進制數(shù)的正、負號需用“0”和“1”來表達。一般最高位為符號位，“0”表示正數(shù)，“1”表示負數(shù)。例如：真值+123→01111011B真值-123→11111011B有符號數(shù)：最高位為符號位，“0”表示正數(shù)，“1”表示負數(shù)。無符號數(shù)：最高位不作為符號位，而當成數(shù)值位。真值11111011B→？=251=-123第1章單片機基礎知識概述二進制數(shù)有三種編碼形式：原碼、反碼和補碼原碼：

二進制數(shù)的原形，可以是無符號數(shù)，也可以是有符號數(shù)。例如，8位無符號原碼數(shù)的范圍是：00000000B～11111111B（0-FFH或0～255）8位有符號數(shù)的范圍是：11111111B～01111111B（FFH-7FH或-127～127）第1章單片機基礎知識概述反碼：正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼為：符號位不變，數(shù)值部分按位取反。例如，原碼10000100B→反碼11111011B8位無符號反碼數(shù)的范圍是00000000B～11111111B（0-FFH或0～255）8位有符號反碼數(shù)的范圍是11111111B～01111111B（FFH-7FH或-127～127）第1章單片機基礎知識概述補碼：正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的補碼為其反碼加1，但原符號位不變。例如，原碼10000100B→補碼11111100B8位無符號補碼數(shù)的范圍是00000000B～11111111B（0-FFH或0～255）8位有符號補碼數(shù)的范圍是10000000B～01111111B（80H-7FH或-128～127）補碼的用途：將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算。例如：123-125=01111011B+10000011B=11111110B=-2第1章單片機基礎知識概述4.

位-字節(jié)-字

位(bit)：二進制數(shù)中的一位，其值不是“1”，就是“0”。字節(jié)(byte)：一個8位的二進制數(shù)為一個字節(jié)。字節(jié)是計算機數(shù)據(jù)的基本單位。字(word)：兩個字節(jié)就是一個字，又叫雙字節(jié)。另外，有時還會用到“半字節(jié)”，即4位二進制。例如：1000111011001011B=8ECDH半字節(jié)字節(jié)字（雙字節(jié)）位字節(jié)字節(jié)第1章單片機基礎知識概述5.

BCD碼

BCD碼（BinaryCodedDecimal）——用二進制代碼表示的十進制數(shù)，四位二進制代碼（半字節(jié)）可表示1位十進制數(shù)。用一個字節(jié)表示兩個十進制的數(shù)——壓縮的BCD碼：

如10000111B表示十進制的87用一個字節(jié)僅表示一位十進制的數(shù)——非壓縮的BCD碼：

如00000111B表示十進制的7BCD碼的用途：可使計算機直接進行十進制數(shù)運算例如，23+15=00100011B+00010101B=00111000B=38第1章單片機基礎知識概述第1章單片機基礎知識概述6.

ASCⅡ碼

字母和字符的二進制數(shù)表示——ASCⅡ碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange——美國國家信息交換標準字符碼)。它采用7位二進制編碼表示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?！瓵’→1000001B→41H例如：‘0’-‘9’→30H–39H第1章單片機基礎知識概述7.基本邏輯門電路

計算機是由若干邏輯門電路組成的，所以，計算機對于人們給出的二進制數(shù)識別、運算要靠基本邏輯門電路來實現(xiàn)。在邏輯門電路中我們用1和0分別表示高、低電平。以下介紹幾種常用邏輯電路的邏輯符號和邏輯功能。第1章單片機基礎知識概述（1）與邏輯關系ABY000010100111與邏輯真值表Y與門電路

ABY&ABY與門符號

第1章單片機基礎知識概述（2）或邏輯關系ABY000011101111或邏輯真值表或門電路

ABY≥1ABY