单片机原理及应用

陇东学院课程教案2013 2014 学年 第 1 学期 课程名称：单片机原理及应用 授课专业：信息工程学院计算机科学与技术 授课班级：2011级本科班，2013级专升本 主讲教师：杜 俊 所属院系：信息工程学院 教 研 室：通信工程教研室 教材名称： 单片机KEIL C 和Proteus仿真 2012年3月陇东学院课程教案（首页）院系部：教研室：信息工程学院系统结构教研室课程类别专业方向课课程代码0711627课程所属专业信息工程学院总学时72学分4讲授学时54实践学时 实验学时18授课专业计算机科学与技术授课班级信息工程学院计算机科学与技术2011级嵌入式方向，2013级专升本教室逸夫教学楼301教室任课教师杜俊职 称 助教课标分析最终顺利完成课程标准对该门课程的基本要求和应达到的标准，使编程技术能真正服务于学生以后的学习、工作、科研。学情分析学生会有很高的学习热情，但基本技能的反复训练，是枯燥乏味的。教材分析教学重点、难点主要教学策略课堂教学主要采用多媒体操作演示、典型案例分析演示，课后完成实验作业，E-Mail发送教师信箱教学准备充分利用成熟的网络免费教学视频，来为学生补充课外拓展性的技能技巧，使学习不再局限于课堂陇东学院课程教案课题及课时：第1章 单片机基础知识概述授课类型理论课授课时间第1周2 9-10节教学目标：1.了解什么是单片机。2.理解单片机的特点。3.了解单片机的应用。教学要点： 1.掌握单片机的概念。2.理解单片机的特点，3.了解单片机的应用。教学重点和难点：1.单片机的概念2.理解单片机的特点。 教学手段与方法：多媒体教学，讲授、演示、启发。借助产品、作品演示,一方面可以使课堂生动,另一方面可以腾出大量时间加强对重难点知识的讲解,增强学生对知识的理解,同时提高他们对本学科的兴趣。教学过程：一、单片机的概念及应用1.什么是单片机？单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。（1）单片机的部件 CPU字长；RAM的功能、大小、作用；ROM的功能、大小；定时/计数器的功能；I/O可编程接口的功能；串行接口的功能。（2）单片机和通用计算机的区别计算机系统基本上分为两类：第一类是常见的普通计算机。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。第二类是嵌入式计算机，这种计算机往往为控制/监控目的而集成到另外的系统中。 嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。 比较普通计算机和嵌入式计算机的差异，说明这是由于它们应用场合和应用环境的不同而造成的，而单片机则属于低端嵌入式计算机。 2.单片机的应用（1）数字电压表控制A/D转换芯片采集电压并量化为数字量，单片机接收该数字量并将其转换为十进制数，然后单片机将该数输出到显示设备上。（2）函数信号发生器单片机控制方波产生电路、正弦波产生电路、锯齿波产生电路的切换，并且控制上述电路中的关键电阻调幅、电容或电感调频。由于单片机具有体积小、 重量轻、 价格便宜、功耗低, 控制功能强及运算速度快等特点, 因而在国民经济建设、 军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。 （1）家用电器领域目前国内各种家用电器已普遍采用单片机控制取代传统的控制电路，而做成单片机控制系统。例如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭煲、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。（2）办公自动化领域现代办公室中所使用的大量通信、信息产品多数都采用了单片机，如通用计算机系统中的键盘译码、磁盘驱动、打印机、绘图仪、复印机、电话、传真机、考勤机等。（3）智能仪表。 用单片机改造原有的测量、 控制仪表, 促进仪表向数字化、 智能化、 多功能化、 综合化、 柔性化方向发展。 （4）机电一体化产品。 单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。（5）商业营销领域由于在商业营销系统已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保鲜系统等中，目前已纷纷采用单片机构成专用系统，主要由于这种系统有明显的抗病菌侵害、抗电磁干扰等高可靠性能的保证。（6）汽车电子与航空航天电子系统通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等都要构成冗余的网络系统。二、单片机的特点（1）集成度高，体积小，重量轻。（2）可靠性高、抗干扰能力强。（3）功耗低、功能强、性价比高。（4）片内存储容量小，I/O引脚少。三、单片机发展过程1.单片机经历了四个发展阶段。第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS-96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS-51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。第四阶段（1990现在）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。2.单片机的发展趋势（1）高集成度。（2）高性能。（3）低功耗。（4）高性价比。思考题、讨论题及其他形式的作业：1. 什么叫单片机？除了“单片机”之外，单片机还可以称为什么？2. 单片机主要使用汇编语言，而编写汇编语言程序要求设计人员除了熟练掌握指令系统外，还必须精通什么？参考资料（含参考书、文献、网址等）：板书设计：课后记载与教学反思： 陇东学院课程教案课题及课时：第2章 MCS-51单片机的结构及原理授课类型理论课授课时间第1周4 3-4节教学目标：1.掌握数制转换及表示。2.了解单片机的发展趋势。3.了解单片机实验仿真软件proteus。教学要点：1.单片机的基本组成。2.8051单片机的引脚及功能。教学重点和难点：1.单片机内部资源及其功能。2.8051单片机的引脚及功能。 教学手段与方法：多媒体教学，讲授、演示。教学过程：一、数制转换、表示1.二进制、八进制、十进制、十六进制介绍2.进制间的转换。3.数的表示4.有符号数的原码、反码和补码。二、单片机的发展趋势现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统)，而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。1.单片机构成的现代电子系统将成为主流电子系统单片机是器件级计算机系统，它可以嵌入到任何对象体系中去，实现智能化控制。小到微型机械，如表、助听器。集成器件级的低价位，低到几元、十几元，足以使单片机普及到许多民用家电、电子玩具中去。单片机构成的现代电子系统已深入到各家各户，正改变我们的生活，如家庭中的音响、电视机、洗衣机、微波炉、电话、防盗系统、空调机等。2.嵌入式系统带动了整个电子产业目前电子元器件产业除了微处理器、嵌入式系统器件外，大多是围绕现代电子系统配套的元器件产业，例如满足人机交互用的按键，LED/LCD显示驱动、满足通信要求的各种总线驱动器、电平转换器等。三、proteus软件介绍介绍Proteus绘制电路图、元件库、虚拟仪器、电路连线、仿真方法。四、MCS-51单片机的基本组成1.一个8位微处理器CPU。2.数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。3.内部程序存储器ROM。4.两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器。5.四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口，每个端口既可做输入，也可做输出。6.一个串行端口，用于数据的串行通信。7.中断控制系统。8.内部时钟电路。五、8051引脚及功能1.单片机8051封装及引脚DIP封装，40引脚。2.引脚功能（1）主电源引脚Vcc和Vss VCC: 接+5 V电源正端; VSS: 接+5 V电源地端。 （2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1: 接外部石英晶体的一端。 在单片机内部, 它是一个反相放大器的输入端, 这个放大器构成了片内振荡器。 当采用外部时钟时, 对于HMOS单片机, 该引脚接地; 对于CHMOS单片机, 该引脚作为外部振荡信号的输入端。 XTAL2: 接外部晶体的另一端。 在单片机内部, 接至片内振荡器的反相放大器的输出端。 当采用外部时钟时, 对于HMOS单片机, 该引脚作为外部振荡信号的输入端; 对于CHMOS芯片, 该引脚悬空不接。（3）输入/输出（I/O）引脚P0口、 P1口、 P2口及P3口P0口（39脚32脚）: P0.0P0.7统称为P0口。P1口（1脚8脚）: P1.0P1.7统称为P1口, 可作为准双向I/O接口使用。 P2口（21脚28脚）: P2.0P2.7统称为P2口, 一般可作为准双向I/O接口。 P3口（10脚17脚）: P3.0P3.7统称为P3口。（4）控制引脚RST：复位。ALE：当用作外部存储器地址锁存控制信号，地址锁存使能输出，用作地址低8位锁存控制信号。当不用作外部存储器地址锁存控制信号时，该引脚仍以时钟脉冲频率的1/6固定输出正脉冲。PSEN：输出访问外部程序存储器读选通信号，用作片外ROM芯片的使能信号，低电平有效。EA：外部ROM允许访问信号，EA=1时，CPU从片内ROM开始读取指令。当程序计数器PC的值超过4KB地址范围时，将自动转向执行片外ROM的指令。当EA=0时，CPU仅访问片外ROM。思考题、讨论题及其他形式的作业：1. 单片机发展方向是什么？2.MCS-51单片机内部由哪些功能部件组成，各有什么功能？3.MCS-51单片机的外部引脚的名称是什么，各有什么功能？4.MCS-51单片机的封装有哪些类型？参考资料（含参考书、文献、网址等）课后记载与教学反思：第2周4课题及课时：第2章 单片机的结构及原理 2学时授课类型理论课授课时间教学目标：1.掌握MCS-51的存储器结构。2.掌握单片机的复位、时钟与时序。教学要点：1.掌握单片机存储空间的划分，各类存储空间的地址范围、使用。2.掌握单片机的复位电路。3.理解单片机时钟与时序的概念。教学重点和难点：单片机的时钟与时序。教学手段与方法：1、借助多媒体教学,一方面可以使课堂生动,另一方面可以腾出大量时间加强对重难点知识的讲解。2、借助KEIL软件做演示实验,增强学生对知识的理解,同时提高他们对本学科的兴趣。教学过程：1.存储器配置(1) 片内数据存储器(2) 片外数据存储器(3) 程序存储器(4) 片内数据存储器片内数据存储器结构如图2-9（a）所示；其具体位地址单元如表2-3所示；专用寄存器的地址映像如表2-4所示。特殊功能寄存器通用RAM区位寻址区00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位寻址外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外 部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器（a）外部数据存储器（b）程序存储器（c）工作寄存器区2.特殊功能寄存器符号名称地址符号名称地址P0#P0锁存器80HP1#P1锁存器0HSP堆栈指针81HSCON#串行口控制寄存器98HDPL数据指针低位字节82HSBUF串行数据缓冲器99HDPH数据指针高位字节83HP2#P2锁存器A0HPCON电源控制及波特率选择87HIE#中断允许寄存器A8HTCON#定时器/计数器控制寄存器88HP3#P3锁存器B0HTMOD定时方式选择寄存器89HIP#中断优先级寄存器B8HTL0定时器/计数器0低位字节8AHB#B寄存器B8HTL1定时器/计数器1低位字节8BHPSW#程序状态寄存器F0HTH0定时器/计数器0高位字节8CHACC#累加器E0HTH1定时器/计数器1高位字节8DH 3.单片机复位电路及复位状态（1）复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。（2）单片机复位后的状态单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。 3时钟电路振荡周期 / 时钟周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。若89C51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期1/12MHz1/12s0.0833s时钟周期1/6s0.167s机器周期1s指令周期14s4MSC-51指令时序（1）51单片机的取址/执行时序 MCS-51单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段（此处将分析指令阶段也包括在内）。取指令阶段把程序计数器PC中的指令地址送到程序存储器，选中指定单元并从中取出需要执行的指令。指令执行阶段对指令的操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。（2）51单片机访问外部RAM时序 访问外部RAM的操作包括读操作和写操作，主要区别是利用不同的P3第二功能口。写操作时要用到WR输出命令，读操作时要用到RD输入命令。思考题、讨论题及其他形式的作业：1.通常的微机系统存储器结构有哪几种？MCS-51单片机存储器属于哪一类？MCS-51可寻址多大空间？2.片内RAM中低于128个单元划分为哪三个主要部分？各部分的主要功能是什么？3.什么是复位？单片机复位电路有哪几种，工作原理分别是什么？4.什么是时钟周期、机器周期、指令周期？当振荡频率为12MHz时，一个机器周期是多少微秒？参考资料（含参考书、文献、网址等）：板书设计： 课后记载与教学反思： 第3周2 课题及课时：第2章 单片机的结构及原理授课类型理论课授课时间教学目标：1.了解并行输入输出端口的电路结构。2.掌握并行输入输出端口的工作方式。教学要点：并行输入输出端口的工作方式。 教学重点和难点： 并行输入输出端口的工作方式。教学手段与方法：讲授、演示。教学过程V21一、并行输入输出端口1、P1口P1口结构图P1.n = 1个锁存器 + 1个场效应管驱动器V + 2个三态门缓冲器三种工作方式：输出方式：如MOV P1，#DATA时，DATA经内部总线送入锁存器存储。不管什么情况下，P1口都能够正常输出数据，不需要特殊设置。读引脚方式：如MOV A，P1时，引脚P1.n上数据经三态门1进入内部总线，并送到累加器A。注意V的状态会影响P1.n的状态：如V导通P1.n电平0（钳位） 读引脚可能出错为正确读出P1.n引脚电平，需要读引脚前应先使T截止令D=1/Q=0V截止读P1.n不会出错所以P1口在输入数据时，应先被初始化为高电平状态，然后再输入数据。如MOV P1,#0FFH，然后再MOV A,P1，这样处理才能正确的将数据输入到A中。读锁存器方式： Q端读锁存器三态门2内部总线问题：读锁存方式进入内部总线的数据送到CPU的什么地方？并口驱动负载的能力。2、P3口输出工作方式时，不需特殊设置。读引脚方式时，先写1。读锁存器方式时，不需特殊设置。3、P0口输出方式时，应该接上拉电阻，输出高电平。读引脚方式时，会产生嵌位0，应该先将其初始化为高电平。4、P2口输出方式时，无需特殊设置读引脚方式时，需先写1。总结：输出时，只有P0口需接上拉电阻，读引脚时，P0硬件自动写1， P1、P2、P3都应先写1，后读数据。典型案例;1、使用Proteus绘制仿真电路图，P0口不接上拉电阻，观测能否输出高电平。P0口无上拉电阻，连接led阳极。程序：ORG 0000H MOV P0，#0FFH END2、P0口接上拉电阻，连接led阳极，观察P0口的读引脚方式。根据硬件电路图知道，P0引脚为高电平，如果在不向P0写1的情况下，读P0引脚状态，看是否为高电平。程序：ORG 0000H MOV P0,#0FFH MOV A,P0 END从仿真结果看出，如果P0口在读引脚之前，不写1，P0引脚电平全为0。思考题、讨论题及其他形式的作业：1.P0、P1、P2、P3口的结构和功能分布是什么？参考资料（含参考书、文献、网址等）：板书设计： 课后记载与教学反思： 第3周4课题及课时：第3章 单片机的汇编语言程序设计授课类型理论课授课时间教学目标：1.掌握MCS-51汇编语言一般格式。2.了解MCS-51的指令系统。3.掌握数据传送与交换类指令。4.掌握MCS-51汇编语言操作数的寻址方式。教学要点： 数据传送与交换类指令；MCS-51汇编语言操作数的寻址方式。教学重点和难点： MCS-51汇编语言操作数的寻址方式。教学手段与方法：讲授、演示。教学过程一、汇编语言（10分钟）1.汇编语言汇编语言（Assembly Language）是面向机器的程序设计语言。在汇编语言中，用助记符（Memoni）代替机器指令的操作码，用地址符号（Symbol）或标号（Label）代替指令或操作数的地址，如此就增强了程序的可读性和编写难度，象这样符号化的程序设计语言就是汇编语言，因此亦称为符号语言。汇编语言是直接面向处理器（Processor）的程序设计语言。处理器是在指令的控制下工作的，处理器可以识别的每一条指令称为机器指令。每一种处理器都有自己可以识别的一整套指令，称为指令集。处理器执行指令时，根据不同的指令采取不同的动作，完成不同的功能，既可以改变自己内部的工作状态，也能控制其它外围电路的工作状态。机器语言和汇编语言进行比较。2.汇编语言的优缺点（1）优点因为用汇编语言设计的程序最终被转换成机器指令，故能够保持机器语言的一致性，直接、简捷，并能像机器指令一样访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等。使用汇编语言，可以访问所有能够被访问的软、硬件资源。目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言，经常与高级语言配合使用，以改善程序的执行速度和效率，弥补高级语言在硬件控制方面的不足，应用十分广泛。（2）缺点汇编语言是面向机器的，处于整个计算机语言层次结构的底层，故被视为一种低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。因此，不同的处理器有不同的汇编语言语法和编译器，编译的程序无法在不同的处理器上执行，缺乏可移植性；难于从汇编语言代码上理解程序设计意图，可维护性差，即使是完成简单的工作也需要大量的汇编语言代码，很容易产生bug，难于调试；使用汇编语言必须对某种处理器非常了解，而且只能针对特定的体系结构和处理器进行优化，开发效率很低，周期长且单调。3.汇编语言的特点（1）机器相关性。这是一种面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。因为是机器指令的符号化表示，故不同的机器就有不同的汇编语言。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程序。（2）高速度和高效率。汇编语言保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点，可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等，且占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。（3）编写和调试的复杂性。由于是直接控制硬件，且简单的任务也需要很多汇编语言语句，因此在进行程序设计时必须面面俱到，需要考虑到一切可能的问题，合理调配和使用各种软、硬件资源。这样，就不可避免地加重了程序员的负担。与此相同，在程序调试时，一旦程序的运行出了问题，就很难发现。4.汇编语言的编译 用汇编语言等非机器语言书写好的符号程序称为源程序，汇编语言编译器的作用是将源程序翻译成目标程序。目标程序是机器语言程序，当它被安置在内存的预定位置上后，就能被计算机的CPU处理和执行。汇编的调试环境总的来说比较少，也很少有非常好的编译器。编译器的选择依赖于目标处理器的类型和具体的系统平台。一般来说，功能良好的编译器用起来应当非常方便，比如，应当可以自动整理格式、语法高亮显示，集编译、链接和调试为一体，方便实用。二、MCS-51指令系统（15分钟）1.MCS-51指令集简介支持51系列：8051、8751、8031、8951单片机。这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。8051为4KBROM，8751为4KBEPROM，8031片内无程序储存器，8951为4KBEEPROM。其他性能结构一样，有片内128B RAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源。支持52系列：8052、8752、8032、8952单片机。8052的ROM为8KB，RAM为256B；8032的RAM也是256B，它没有ROM，这两种单片机比8051和8031多了一个定时器/计数器，增加了一个中断源。MCS-51指令集共111条指令，分为5类，分别是数据传送与交换类、算术运算类、逻辑运算类、位运算类、转移控制类。2.指令的结构（内部编码结构）指令有操作码和地址码组成。操作码代表指令的功能。地址码代表指令的操作对象（操作数）。我们本节的重点是如何写一条合法指令，给定指令的操作数在什么地方是我们学习的重点。3.MCS-51汇编指令的格式格式：标号： 操作码 操作数 ;注释各区段之间要用分隔符分开。分隔符有冒号、空格、逗号、分号。其中标号与操作码之间用冒号分隔，操作码与操作数之间用空格分隔，操作数之间用逗号分隔，操作数与注释之间用分号分隔。标号区段由用户定义的16个字符组成，以英文字母开始（不区分大小写 ）,冒号结尾。标号代表当前指令的首字节在存储器单元中的存放地址，可以省略。操作码区段是指令的核心部分，不能省略，它由便于记忆的助记字符组成。在MCS-51单片机中共有42种操作码，每个操作码为25个字符，不区分大小写。操作数区段是指令要操作的对象。根据指令的不同功能，操作数可以是3个、2个、1个或没有操作数；操作数大于1时，操作数之间用英文逗号隔开，不区分大小写。注释区段是对指令的解释性说明，用以提高程序的可读性，可以用任何文字描述，以英文分号开始，无需结束符号，可以省略。4.描述指令操作数的简记符号二、数据传送与交换指令数据传送类指令的基本通式为： , 它表示将源单元(src)的内容传送给目的单元 (dest) ，传送后源单元中内容不变。transfer是传送指令的操作码： MOV在片内RAM范围内传送 MOVX在片外RAM范围内传送 MOVC在全部ROM范围内传送四、操作数的寻址方式寻址方式寻找操作数所在地址单元的方式。寻址方式越多，计算机的功能就越强。51单片机共有七种寻址方式：直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、立即寻址、变址寻址、位寻址、相对寻址。思考题、讨论题及其他形式的作业：1.MCS-51单片机有哪几种寻址方式？