单片机及应用

1、单片机及应用单片机及应用 主讲老师：来智勇主讲老师：来智勇 联系电话：联系电话：1348492740913484927409 电子邮件：电子邮件： QQQQ：610811402610811402 单片机主要应用于控制和仪器单片机主要应用于控制和仪器 仪表等智能化设备中，其应用范围仪表等智能化设备中，其应用范围 非常广泛。通过本课程的学习，大非常广泛。通过本课程的学习，大 家要掌握单片机的特点及其基本组家要掌握单片机的特点及其基本组 成，要掌握成，要掌握MCS-51MCS-51系列单片机的特系列单片机的特 点、结构及其应用开发的基本理论点、结构及其应用开发的基本理论 知识与实践技能，进而更加深刻

2、地知识与实践技能，进而更加深刻地 理解计算机的组成原理和工作原理。理解计算机的组成原理和工作原理。 学习目的 数控直流稳压电源（大学生电子设计竞赛）数控直流稳压电源（大学生电子设计竞赛） 灌溉控制设备（灌溉控制设备（ZigbeeZigbee模块模块 CC2530CC2530） 课堂教学课堂教学 v 翻转课堂：第翻转课堂：第3 3、4 4、6 6章章 v 课堂讨论：课堂讨论： u 实用单片机应用系统实用单片机应用系统 u 单片机与嵌入式系统单片机与嵌入式系统 实验、作业实验、作业 课外自学课外自学 教学方法教学方法 先修课程先修课程 1、数字逻辑与数字系统、数字逻辑与数字系统 2、计算机组成原理

3、、计算机组成原理 3、接口技术、接口技术 4、C语言程序设计语言程序设计 教科书教科书 李广弟、朱月秀、冷祖祁李广弟、朱月秀、冷祖祁 编著，单片机基础（第编著，单片机基础（第 3版），北京航空航天大学出版社，版），北京航空航天大学出版社，2007.6（ 2010年第九次印刷）年第九次印刷） 教学参考书教学参考书 1、张毅刚、彭喜元编著，单片机原理与应用设计、张毅刚、彭喜元编著，单片机原理与应用设计 ，北京：电子工业出版社，北京：电子工业出版社，2008.4（2013.5第第10次次 印刷）印刷） 2、周向红等编著，、周向红等编著，51单片机课程设计，单片机课程设计， 华中科华中科 技大学出版社

4、，技大学出版社，2011.1 课时安排课时安排 课堂教学：课堂教学：4242学时；学时； 实验：实验： 1414学时学时； 总学时：总学时： 5656。 考核及成绩评定考核及成绩评定 平时成绩占平时成绩占40%40%。 终期考试成绩占终期考试成绩占60%60%。 1课代表课代表/1班班 课时安排课时安排 周次周次内容内容 八八 1 1 单片机概述单片机概述 2 2 80C5180C51单片机的硬件结构单片机的硬件结构 九九 2 2 80C5180C51单片机的硬件结构单片机的硬件结构 十十 3 3 80C5180C51单片机指令系统单片机指令系统 十一十一 4 80C514 80C51汇编语言

5、程序设计汇编语言程序设计 十二十二 5 80C515 80C51单片机的中断与定时单片机的中断与定时 实验实验1 1 两两字节十进制加法实验字节十进制加法实验 课时安排课时安排 周次周次内容内容 十三十三 6 6 单片机并行存储器扩展单片机并行存储器扩展 实验实验2 2 计时器实验计时器实验 十四十四 7 7 单片机并行单片机并行I/OI/O扩展扩展 实验实验3 3 跑马灯跑马灯实验实验 十五十五 7 7 单片机并行单片机并行I/OI/O扩展扩展 8 80C518 80C51单片机串行通信单片机串行通信 综合实验一（楼道照明灯、交通灯、综合实验一（楼道照明灯、交通灯、 秒表）秒表） 周次周次内

6、容内容 十六十六 9 9 单片机与数单片机与数/ /模及模模及模/ /数转换器的接口数转换器的接口 10 10 单片机应用实例及开发技术单片机应用实例及开发技术 综合实验一综合实验一 十七十七 10 10 单片机应用实例及开发技术单片机应用实例及开发技术 课堂讨论：课堂讨论：实用单片机应用系统实用单片机应用系统 综合实验二综合实验二 十八十八 课堂讨论：单片机与嵌入式系统课堂讨论：单片机与嵌入式系统 综合实验二综合实验二 课时安排课时安排 主要内容：主要内容： 1.1 单片机的概念单片机的概念 1.2 单片机的特点单片机的特点 1.3 单片机的发展单片机的发展 1.4 MCS-51系列单片机系

7、列单片机 1.5 单片机的应用单片机的应用 第一章第一章 单片机概述单片机概述 1.1 单片机的概念单片机的概念 计算机计算机：由运算器、控制器、存储器、输入设备：由运算器、控制器、存储器、输入设备 和输出设备组成的机器。和输出设备组成的机器。 微型计算机组成结构框图微型计算机组成结构框图 微型计算机微型计算机：微处理器微处理器(CPU)(CPU)、存储器、存储器、I/OI/O接口接口 电路由总线有机地连接在一起构成的计算机。电路由总线有机地连接在一起构成的计算机。 1.1 单片机的概念单片机的概念 单片机：单片机：就是单片计算机（就是单片计算机（Single Chip Computer/Mi

8、cro-Computer），是把），是把CPU、 存储器和存储器和I/O接口等集成在一块芯片上的计接口等集成在一块芯片上的计 算机。算机。 1.1 单片机的概念单片机的概念 单片机与通用微型计算机的不同：单片机与通用微型计算机的不同： 1、通用微机的通用微机的CPUCPU主要主要面向数据处理面向数据处理，其发展主，其发展主 要围绕数据处理功能、计算速度和精度的进一步要围绕数据处理功能、计算速度和精度的进一步 提高。而单片机主要提高。而单片机主要面向控制面向控制，控制中的数据类，控制中的数据类 型及数据处理相对简单，所以单片机的数据处理型及数据处理相对简单，所以单片机的数据处理 能力比通用微机的

9、要相对弱一些，计算速度和精能力比通用微机的要相对弱一些，计算速度和精 度也相对要低一些。度也相对要低一些。 2、通用微机中存储器的组织结构主要、通用微机中存储器的组织结构主要针对增大针对增大 存储容量和提高存取速度存储容量和提高存取速度；而单片机中存储器的；而单片机中存储器的 组织结构组织结构比较简单，通过物理地址直接读写，寻比较简单，通过物理地址直接读写，寻 址空间一般为址空间一般为64 KB。 单片机与通用微型计算机的不同：单片机与通用微型计算机的不同： 3、通用微机中、通用微机中I/O接口主要考虑接口主要考虑标准外设标准外设 ，用户通过标准总线连接外设，能达到即，用户通过标准总线连接外设

10、，能达到即 插即用。而单片机应用系统的插即用。而单片机应用系统的外设都是非外设都是非 标准的标准的，且千差万别，种类很多。单片机且千差万别，种类很多。单片机 的的I/O接口实际上是向用户提供的与外设连接口实际上是向用户提供的与外设连 接的物理界面。用户对外设的连接要设计接的物理界面。用户对外设的连接要设计 具体的接口电路，需有熟练的接口电路设具体的接口电路，需有熟练的接口电路设 计技术。计技术。 1.1 单片机的概念单片机的概念 1.1 单片机的概念单片机的概念 微控制器微控制器（MCUMCU: Micro-Controller Unit: Micro-Controller Unit ）：由于

11、单片机在控制应用方面已相当普）：由于单片机在控制应用方面已相当普 及，其控制功能亦不断增强，从控制的角及，其控制功能亦不断增强，从控制的角 度又被称作微控制器。度又被称作微控制器。 嵌入式微控制器嵌入式微控制器（Embedded Micro-Embedded Micro- Controller UnitController Unit）：由于单片机是作为一）：由于单片机是作为一 个部件嵌入在被控设备或机器中使用，所个部件嵌入在被控设备或机器中使用，所 以又称之为嵌入式微控制器。以又称之为嵌入式微控制器。 1.2 单片机的特点单片机的特点 1、单片机的、单片机的程序存储器（程序存储器（ROM）和数

12、据存）和数据存 储器（储器（RAM）是严格区分的。这样的结构是严格区分的。这样的结构 主要是考虑到单片机用于控制系统中，有主要是考虑到单片机用于控制系统中，有 较大的程序存储器空间，把开发成功的程较大的程序存储器空间，把开发成功的程 序固化在序固化在ROM中，而把少量的随机数据存中，而把少量的随机数据存 放在放在RAM中。这样，小容量的数据存储器中。这样，小容量的数据存储器 能以高速能以高速RAM形式集成在单片机内，以加形式集成在单片机内，以加 速单片机的执行速度。速单片机的执行速度。 1.2 单片机的特点单片机的特点 2 2、采用、采用面向控制的指令系统面向控制的指令系统。为满足控制。为满足

13、控制 的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，的需要，单片机有更强的逻辑控制能力， 特别是具有很强的位处理能力。特别是具有很强的位处理能力。 3 3、单片机的、单片机的I/OI/O引脚通常是多功能的引脚通常是多功能的。由于。由于 单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际 引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚 功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由 指令来设置或由机器状态来区分。指令来设置或由机器状态来区分。 1.2 单片机的特点单片机的特点 4 4、单片机的、单片机的外部扩展能力强外部

14、扩展能力强。在内部的各种功能。在内部的各种功能 不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展，如不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展，如 扩展扩展ROMROM、RAMRAM、I/OI/O接口、定时器接口、定时器/ /计数器、中断计数器、中断 系统等。另一方面，单片机与许多通用的微机接系统等。另一方面，单片机与许多通用的微机接 口芯片兼容，为其扩展和应用系统设计带来了极口芯片兼容，为其扩展和应用系统设计带来了极 大的方便和灵活性。大的方便和灵活性。 5 5、抗干扰能力强抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣，适用温度范围宽，在各种恶劣 的环境下都能可靠地工作；的环境下都能可靠地工作； 6 6、体积

15、小，成本低体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，能，运用灵活，易于产品化，能 方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到 机电一体化。机电一体化。 1.3 单片机的发展单片机的发展 第一阶段（第一阶段（1971-1973年）：单片机萌芽阶段年）：单片机萌芽阶段 1971年年11月美国月美国Intel公司设计出了含有公司设计出了含有2000只只 晶体管的晶体管的4位单片机位单片机Intel-4004。该单片机配有。该单片机配有RAM 、ROM和移位寄存器等。随后又研制成功了和移位寄存器等。随后又研制成功了8位单位单 片机片机Intel-8008；同期；同

16、期Fairchild公司也研制成功了公司也研制成功了8位位 单片机单片机FS。虽然它们还不是具体意义上的单片机，。虽然它们还不是具体意义上的单片机， 但从此拉开了研制单片机的序幕。但从此拉开了研制单片机的序幕。 1.3 单片机的发展单片机的发展 第二阶段（第二阶段（1974-1977年）：初级单片机阶段年）：初级单片机阶段 1976年年Intel公司开发出了第一代公司开发出了第一代8位单片位单片 机机MCS-48。它以体积小、功能强、价格低等。它以体积小、功能强、价格低等 优点而获得了广泛应用。优点而获得了广泛应用。MCS-48集成了集成了8位位 CPU、并行、并行I/O口和定时器口和定时器/

17、计数器等，可寻址计数器等，可寻址 范围范围4KB。 1.3 单片机的发展单片机的发展 第三阶段（第三阶段（1978-1982年）：高性能单片机阶段年）：高性能单片机阶段 这一阶段的单片机不仅存储容量和寻址范围这一阶段的单片机不仅存储容量和寻址范围 增大，而且中断源、并行增大，而且中断源、并行I/O口和定时器口和定时器/计数器计数器 个数也有增加，还集成了全双工串行通信接口，个数也有增加，还集成了全双工串行通信接口， 在指令系统方面，普遍增设了乘除指令。第二代在指令系统方面，普遍增设了乘除指令。第二代 8位单片机中最具代表性的当属位单片机中最具代表性的当属Intel公司的公司的MCS- 51系列

18、单片机，品种全、兼容性强、软硬件资料系列单片机，品种全、兼容性强、软硬件资料 丰富，是当时乃至现在很畅销的单片机品种，在丰富，是当时乃至现在很畅销的单片机品种，在 现在和未来一段时间仍处于单片机产品的主流地现在和未来一段时间仍处于单片机产品的主流地 位。位。 1.3 单片机的发展单片机的发展 第四阶段（第四阶段（1983年年-）：）：8位单片机巩固及位单片机巩固及16位位/32 位单片机推出阶段位单片机推出阶段 随着大规模超大规模集成电路的发展，随着大规模超大规模集成电路的发展，16位位 、32位单片机相继问世，如位单片机相继问世，如Intel公司的公司的MCS-96系系 列、列、NEC公司的

19、公司的783XX系列、美国国家半导体公司系列、美国国家半导体公司 的的HPC16040、Motorola公司的公司的683XX系列等。它系列等。它 们代表了单片机发展的高新技术水平，将单片机们代表了单片机发展的高新技术水平，将单片机 的应用进一步推广到航空航天、高级机器人、军的应用进一步推广到航空航天、高级机器人、军 事装备等方面。与此同时，事装备等方面。与此同时，8位机也在发展，功能位机也在发展，功能 不断增强，性能不断提高。如不断增强，性能不断提高。如8XC522系列增加了系列增加了 A/D转换其器、事件捕捉逻辑、转换其器、事件捕捉逻辑、I2C接口、定时监接口、定时监 视器视器WDT等。等

20、。 1.3 单片机的发展单片机的发展 单片机的发展方向：单片机的发展方向： 性能不断提高，功能不断增强，如性能不断提高，功能不断增强，如1616位位 、3232位单片机，集成了更多处理部件的位单片机，集成了更多处理部件的8 8 位单片机。位单片机。 小型化、低功耗、低成本、专用化方向小型化、低功耗、低成本、专用化方向 发展，如发展，如AT89C2051AT89C2051减少了程序存储空间减少了程序存储空间 和并行接口。和并行接口。 1.3 单片机的发展单片机的发展 单片机的生产厂家及代表产品单片机的生产厂家及代表产品 1、Intel是最早的单片机生产商：是最早的单片机生产商：8位机位机MCS-

21、48, MCS-51系列，系列，16位机位机MCS-96系列。系列。 2、Motorola是最大的单片机生产商：是最大的单片机生产商：8位机位机 68HC05和和68HC08系列产量已超过系列产量已超过20亿片、亿片、8位增位增 强型单片机强型单片机68HC11系列年产量系列年产量1亿片以上、亿片以上、16位位 机机68HC16系列、系列、32位机位机683XX系列。系列。 单片机的生产厂家及代表产品单片机的生产厂家及代表产品 3、Atmel是我们经常使用的单片机的生产厂商：是我们经常使用的单片机的生产厂商： 8位机位机AT89系列和系列和AVR系列。系列。 4、Microship是市场份额增

22、长最快的单片机生产是市场份额增长最快的单片机生产 厂商：厂商：8位机位机PIC16C/F、17C/F和和18F系列。系列。 5、其它厂商：美国国家半导体、其它厂商：美国国家半导体、TI、Zilog、台、台 湾义隆、湾义隆、Micon、EPSON、NEC、东芝、富士通、东芝、富士通 、现代、三星、华邦、现代、三星、华邦、Scenix等。等。 1.3 单片机的发展单片机的发展 1.4 MCS-51系列单片机系列单片机 MCS-51系列单片机：系列单片机：两个子系列两个子系列基本型基本型8051 子系列和增强型子系列和增强型8052子系列，每个子系列有子系列，每个子系列有3个典个典 型芯片。型芯片。

23、 8051子系列的典型芯片型号和基本性能子系列的典型芯片型号和基本性能 1、8031：片内片内128字节数据存储器字节数据存储器RAM，2个个16 位定时器，位定时器，5个中断源，个中断源，1个全双工串行接口，最个全双工串行接口，最 大可访问程序和数据空间各大可访问程序和数据空间各64K。 2、8051：比比8031多多4K片内片内ROM。 3、8751：比比8031多多4K片内片内EPROM。 1.4 MCS-51系列单片机系列单片机 8052子系列的芯片型号和基本性能子系列的芯片型号和基本性能 1、8032：片内片内256字节数据存储器字节数据存储器RAM，3个个16 位定时器，位定时器，

24、6个中断源，个中断源，1个全双工串行接口，最个全双工串行接口，最 大可访问程序和数据空间各大可访问程序和数据空间各64K。 2、8052：比比8032多多8K片内片内ROM。 3、8752：比比8032多多8K片内片内EPROM。 总之，总之，8052子系列比子系列比8051子系列子系列多多128字节字节RAM ，1个个16位定时器、位定时器、1个中断源（和个中断源（和4K片内片内 ROM/EPROM）。 80C5180C51系列：系列：是对是对MCS-51MCS-51系列的改进，具体表现在所使用的系列的改进，具体表现在所使用的 半导体集成电路工艺上。半导体集成电路工艺上。MCS-51MCS-

25、51系列采用的是系列采用的是HMOSHMOS（Higher Higher performance Metal-Oxide-Semiconductorperformance Metal-Oxide-Semiconductor）工艺，即高密）工艺，即高密 度短沟道度短沟道MOSMOS半导体集成工艺，而半导体集成工艺，而80C5180C51系列采用的是系列采用的是CHMOSCHMOS （Complementary HMOSComplementary HMOS）工艺，即互补金属氧化物的）工艺，即互补金属氧化物的HMOSHMOS半半 导体集成工艺。集成工艺的改进，使得导体集成工艺。集成工艺的改进，使得8

26、0C5180C51系列芯片具有系列芯片具有 抗干扰能力强和低功耗等明显优势。抗干扰能力强和低功耗等明显优势。 80C5180C51系列也有系列也有两个子两个子 系列（系列（80C5180C51和和80C5280C52）6 6个典型芯片（个典型芯片（80C3180C31、80C5180C51、87C5187C51 、80C3280C32、80C5280C52、87C5287C52）。每个型号与。每个型号与MCS-51MCS-51系列的对应系列的对应 型号完全兼容，具有完全相同的结构、指令系统和引脚。型号完全兼容，具有完全相同的结构、指令系统和引脚。 1.4 MCS-51系列单片机系列单片机 80

27、C51/MCS-51系列单片机的结构特点：系列单片机的结构特点： 1、程序存储器和数据存储器是分开的，使用两个、程序存储器和数据存储器是分开的，使用两个 独立的存储空间，片内程序存储器空间比数据存独立的存储空间，片内程序存储器空间比数据存 储器空间大得多；储器空间大得多； 2、使用片内、使用片内RAM单元来做通用寄存器，降低生产单元来做通用寄存器，降低生产 成本；成本； 3、使用特殊功能寄存器（、使用特殊功能寄存器（SFR）控制）控制I/O接口，实接口，实 现多种功能，使用灵活；现多种功能，使用灵活； 1.4 MCS-51系列单片机系列单片机 5、全双工串行口，多种工作方式，用户可根据需、全双

28、工串行口，多种工作方式，用户可根据需 要设定，以扩展要设定，以扩展I/O口或外接同步输入输出设备；口或外接同步输入输出设备； 或用作异步通信口，以实现双机或多机通信，组或用作异步通信口，以实现双机或多机通信，组 成分布式控制系统。成分布式控制系统。 1.4 MCS-51系列单片机系列单片机 4、管脚多功能（复用），减少管脚数量。、管脚多功能（复用），减少管脚数量。 80C51/MCS-51系列单片机的结构特点：系列单片机的结构特点： 1.5 单片机的应用单片机的应用 单片机的应用十分广泛，小到玩具，大到航空航单片机的应用十分广泛，小到玩具，大到航空航 天，到处都有单片机的身影。早在天，到处都有单片机的身影。早在20世纪末世纪末21世世 纪初，单片机纪初，单片机每年的使用量就有每年