第1章概述(石偉)

單片機原理與應用

(石教材：《單片機原理與應用系統(tǒng)設計》

歐偉明何靜凌云劉劍等編著

參考書：《單片機的C語言應用程序設計》（第3版）北航出版社馬忠梅

授課方式：

A專題授課（合班） B實踐設計與討論（單班）授課要求：

A課前預習

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（主要側重應用）；

B實踐性、應用性很強（聽練結合）；微機、單片機、PLC一脈相承，都是微控制器微機原理：微機側重原理，8086\8088，80386、80486、Pentium系列。單片機原理：主要側重應用，MCS-48,MCS-51,MCS-96。可編程控制器：主要側重應用，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》的關系單片機系統(tǒng)是一種集成電路，以PCB為基礎，將單片機和其它器件進行組合，再依據具體控制要求，通過專業(yè)人員設計并固化相應的軟件，最終構成控制系統(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）和單片機的關系PLC和單片機的選擇PLC應用領域：A單項工程或重復數極少的項目；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)單片機應用領域：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的電子產品。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單片機應用系統(tǒng)開發(fā)流程1.4開發(fā)軟件簡介1.1.1微機結構（一）馮·諾依曼結構數據和程序，統(tǒng)一編址。由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備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）哈佛結構哈佛結構是一種將程序存儲和數據儲存分開的存儲器結構。哈佛結構是一種并行體系結構；哈佛結構處理器：AVR、ARM9、ARM10、ARM11等51單片機屬于哪一種結構馮·諾依曼結構理由：（1）運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備組成的系統(tǒng)。（2）程序存儲器的數據線地址線與數據存儲器的數據線地址線復用；哈佛結構理由：復用是因為51IO口不夠，但代碼空間和數據空間是分開的.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，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。主存容量越大，可容納的程序和數據就越多，處理問題的能力就越強。十進制ND

有十個數碼:0～9,逢十進一。二進制NB

兩個數碼:0、1,逢二進一。十六進制NH

十六個數碼:0～9、A～F,逢十六進一。

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

微型計算機常用數制的特點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

加權展開式以10為基數，各位系數為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

加權展開式以2為基數，各位系數為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，各位系數為0～9，A～F。 一般表達式：

1.4.2常用數制間的轉換

1、二進制和十進制數間的轉換

⑴二進制數轉換十進制數：把二進制數按權展開后求和。例如：

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

(2)十進制數轉換成二進制數

整數轉換法

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

舉例：52轉換成二進制數

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

“乘基取整”：用轉換進制的基數2乘以小數部分，直至小數為0或達到轉換精度要求的位數。每乘一次取一次整數，從最高位排到最低位。舉例：

0.625轉換成二進制數

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間的轉換

（1）十六進制數轉換十進制數：把十六進制數按權展開后求和。例如：

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

十進制整數轉換成十六進制數和十進制數轉換成二進制整數類似，十進制整數轉換成十六進制數可以采用“除16取余法”。十進制小數轉換成十六進制數可以采用“乘16取整法”。3、二進制與十六進制數之間的轉換

24=16，四位二進制數對應一位十六進制數。

舉例：

3AF.2H=0011

1010

1111.0010=1110101111.001B 3AF2

1111101.11B=0111

1101.1100=7D.CH 7DC注意：從小數點開始，往兩邊依次取4位二進制數對應一位十六進制數。1.1.4微型計算機中數的表示方法1、真值

真值：機器數所代表的實際數值。舉例:一個8位機器數與它的真值對應關系如下：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“－”。

數值位與真值數值位相同。

例:8位原碼機器數：真值： x1=+1010B

x2=－1010B

機器數：[x1]原=00001010

[x2]原=10001010

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

正數數值位與真值數值位相同，負數數值位與真值數值位相反。

例:8位反碼機器數：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

正數的補碼表示與原碼相同。負數補碼的符號位為1，數值位等于求反加1。

例：求8位補碼機器數： 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。一、8421BCD碼

例：求十進制數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之間傳遞信息。

1、工業(yè)控制數控車床數控線切割機床

用單片機可以構成形式多樣的控制系統(tǒng)、數據采集系統(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)，與計算機聯網構成二級控制系統(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，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、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字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（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、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。

4、計算機網絡和通信領域

現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據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，現在的通信設備基本上都實現了單片機智能控制。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)用設備醫(yī)用呼吸機各種分析儀監(jiān)護儀超聲診斷設備病床呼叫系統(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。由于它的結構及功能均按工業(yè)控制要求設計，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)、數據存貯器（RAM)、輸入/輸出（I/O)接口、定時/計數器、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。單片機應用系統(tǒng)是指為實現特定的功能，由單片機、外圍接口電路及合適的軟件等構成的應用系統(tǒng)。1.2.1單片機及其應用系統(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、應用里程碑。TI公司推出TMS1000單片機TI公司高速反雷達導航器INTEL公司推出了MCS-48單片機，起到8位機的引領和帶頭作用，

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，代表產品是INTEL公司的MCS-96系列，16位單片機比起8位機，數據寬度增加了一倍，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轉換通道，高速的I/O處理單元，適用于更復雜的控制系統(tǒng)。

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

生產廠家單片機型號荷蘭Philips公司80C552系列臺灣華邦公司W78C51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，而現在的單片機普遍都在100mW左右，現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體工藝)。80C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導體工藝)和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導體工藝)。

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驅動電路都集成在單一的芯片上。C單片機廠商可以根據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W78C51系列（高速低價） 美國Atmel公司AVR系列1.2.4單片機的存儲技術狀態(tài)1.片內無ROM：80312.片內掩膜ROM：8051。3.片內EPROM：8751。4.片內Flash：AT89C51、AT89S515鐵電存儲技術FRAM：MSP430FR57xx

系列MCS-51單片機存儲技術狀態(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資料。1.3.1單片機應用系統(tǒng)的硬件組成1.3單片機應用系統(tǒng)開發(fā)流程應用實例：烘箱溫度自動控制系統(tǒng)單片機 AT89S51溫度采集和模數轉換輸入控制晶體振蕩、復位電路輸出顯示輸出控制1.3.2單片機應用系統(tǒng)的程序設計1、單片機編程語言機器語言、匯編語言、高級語言（C51）2、單片機應用程序設計用單片機編程語言設計滿足系統(tǒng)要求的應用程序。3、單片機應用程序的調試采用軟件仿真和硬件仿真方法，檢查應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，串口調試。1.3.3學習條件

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單片機學習方法

一本筆記本，記錄學習心得。

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，網上收集例程?？?、練、做結合，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：外圍硬件設置

Xtal（MHZ）：單片機工作頻