单片机原理与应用教学教案

1、第一讲一、授课内容：1、什么是单片机2、单片机的开展二、授课类型：讲授三、授课时数：2学时四、教学目标：了解单片机的开展,应用领域和应用模式,掌握单片机的特点五、教学重、难点：重点/难点：单片机的特点六、教学设想：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增强对重难点知识的讲解,增强学生对知识的理解,同时提升他们对本学科的兴趣.七、教学过程：(板书)一、什么是单片机随着微电子技术的不断开展,计算机技术也得到迅速开展,并且由于芯片的集成度的提升而使计算机微型化,出现了单片微型计算机(SingleChipComputer),简称单片机,也可称为微限制器MCU(Microco

2、ntrollerUnit)定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件.二、单片微型计算机开展概况单片机出现的历史并不长,但开展十分迅猛.它的产生与开展和微处理器的产生与开展大体同步,自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器(4004)以来,它的开展到目前为止大致可分为5个阶段：第1阶段(19711976):单片机开展的初级阶段.1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004,并配有RAM、ROM和移位存放器,构成了第一台MCS-4微处理器,而后乂推出了8位微处理器Intel8008,以及其它各公司相继推出的8位微处理器.第2

3、阶段(19761980)：低性能单片机阶段.以1976年Intel公司推出的MCS48系列为代表,采用将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构,虽然其寻址范围有限(不大于4KB),也没有串行I/O,RAM、ROM容量小,中断系统也较简单,但功能可满足一般工业限制和智能化仪器、仪表等的需要.造的80C51芯片的功耗为120mW,这么低的功耗用一粒钮扣电池就可以工作.单片机型号中包含有“C的产品就是指它的制造工艺是CHMOS工艺.例如80c51,就是指用CHMOS工艺制造的8051o三、单片机的特点1体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比

4、高.2数据大都在单片机内部传送,运行速度快,抗干扰水平强,可靠性高.3结构灵活,易于组成各种微机应用系统.4应用广泛,既可用于工业自动限制等场合,乂可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器等领域.5内含有Flash存储器由于片内含有Flash存储器,因此在系统开发过程中可以十分容易地进行程序的修改.同时,在系统工作过程中,能有效地保存数据信息,即使外界电源损坏也不影响信息的保存.6和AT80c51插座兼容AT89系列单片机的引脚和MCS-51系列单片机的引脚是一样的.只要用相同引脚的AT89系列单片机就可以取代MCS-51系列单片机.7静态时钟方式AT89系列单片机采用静态时钟方式,节省电能,这对于

5、降低便携式产品的功耗十分有用.第二讲一、授课内容：1MCS-51和80C51系列简介2、单片机的应用领域和应用模式二、授课类型：讲授三、授课时数：2学时四、教学目标：了解单片机的开展,应用领域和应用模式,掌握单片机的特点五、教学重、难点：重点/难点：单片机的特点六、教学设想：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增强对重难点知识的讲解,增强学生对知识的理解,同时提升他们对本学科的兴趣.七、教学过程：板书一、单片机系列简介目前世界上单片机生产厂商很多,如：Intel、MotorolaPhilips、Siemens、NEC、ADM、Zilog等公司,其主流产品有几十个系

6、列,几百个品种.尽管其各具特色,名称各异,但作为集CPU、RAM、ROM或EPROM、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机,其原理大同小异.现以Intel公司的系列产品为例,说明各系列之间的区别.Intel公司从其生产单片机开始,开展到现在,大体上可分为3大系列：MCS-48系列、MCS51系列、MCS96系列.MCS51单片机系列：MCS51系列单片机虽已有10多种产品,但可分为两大系列：MCS51子系列与MCS52子系列.MCS51子系列中主要有8031、8051、8751三种类型.而MCS52子系列也有3种类型8032、8052、8752.在某些性能上略有差异.由此可见,在

7、本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM;MCS51与S52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4KB增至8KB;片内数据存储器由128个字节增至256个字节;定时器/计数器增加了一个；中断源增加了12个.另外,对于制造工艺为CHMOS的单片机,由于采用CMOS技术制造,因此具有低功耗的特点,如8051功耗约为630mW,而80C51的功耗只有120mW.MCS-51是一个单片机系列产品,具有多种芯片型号.具体说,按其内部资源配置的不同,MCS-51可分为两个子系列和四种类型.MCS子系列片内ROM形式片内ROM容量片内RAM容量定时器/计数器中断源无ROMEPROMET

8、R0MMCS-51子系列803514KB128B2X165MCS-52子系列889528KB256B3X166MCS-51子系列包含4个产品,这4个产品具有不同的应用特性.8051：单片机8051内部包含了4KB的ROM、128B的RAM、21个特殊功能存放器、4个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/计数器以及一个处理功能很强的中央处理器,是一台完整的微型计算机8751：是以4KB的EPROM代替4KBROM的8051o8951：是以4KB的E2PR0M或FlashROM代替4KBROM的8051.8031：是内部无ROM的8051o单片机8031不构成完整计算机,必须外接EPRO

9、M作为程序存储器.52子系列也包含4个产品,分别是51子系列的增强型.由于资源数量的增加,芯片的功能有所增强.片内ROM容量从4KB增加到8KB；RAM容量从128B增加到256B：定时器数目从2个增加到3个；中断源从5个增加到6个等.80C51单片机系列是在MCS-51系列的根底上开展起来的.最早推出80C51系列芯片的是Intel公司,并且作为MCS-51系列的一局部,按原MCS-51系列芯片的规那么命名,例如80c51、80c31、87c51等至于89c51,我们把它归入89系列单片机,将在下一节介绍.后来越来越多的公司生产80c51芯片,而且型号的命名已面目全非,功能上也做了不同程度的

10、改良,如增加了A/D转换、高速I/O口等.有些还在总线结构上做了重大改良,出现了廉价的非总线型单片机芯片.但是万变不离其宗：CHMOS工艺芯片80C51/80C31/87C51/89C51的根本特征是低功耗、允许的电源电压波动范围较大为5V20%,并有三种功耗限制方式增加了待机和掉电保护两种方式.习惯上,我们仍然把80c51系列作为MCS-51的子系列.二、单片机的应用由于单片机具有体积小、重量轻、价格廉价、功耗低,限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限制取代传统的限制电路,而做成单片机

11、限制系统.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限制器.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、机、考勤机等.3智能仪表.用单片机改造原有的测量、限制仪表,促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向开展.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,限制智能化.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、仓储平安监测系统、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

12、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、动力监测限制系统、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.习题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？3 .8051、8751、8031单片机的主要区别是什么？4 .与8051比拟,80c51的最大特点是什么？5 .AT89系列单片机的最大优点是什么？6 .单片机开展方向是什么？第三讲一、授课内容：进位计数制及

13、相互转换二、授课类型：讲授三、授课时数：2学时四、教学目标：掌握各数制之间的相互转换五、教学重、难点：重点/难点：掌握各数制之间的相互转换六、教学设想：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增强对重难点知识的讲解,增强学生对知识的理解,同时提升他们对本学科的兴趣.七、教学过程：板书一、进位计数制按进位的原那么进行计数的方法称之为进位计数制,简称进位制.人们日常生活中习惯上使用十进制,而二进制使于实现、存储、传输,所以计算机中采用二进制.但二进制不易书写和阅读,因此乂引入了八进制和十六进制.1 .十进制后缀或下标D表示十进制计数原那么：逢十进一十进制的基数为：10十进

14、制的数码为：0123456789十进制数第K位的权为：10公笫K位的权为基数的K次方,第K位的数码与笫K位权的乘积表示第K位数的值.例如：8846.78=8X103+8X10:+4X106X106+7X10-1+8X10,2该数中共出现三次数码8,但各自的权不一样,故其代表的值也不一样.2 .二进制后缀或下标B表示二进制计数原那么：逢二进一二进制的基数为：2二进制的数码为：01二进制数第K位的权为：2k例如：11010101.01B=lX27+1X26+0X2S+1X2*+0X23+1X2=+0X2X+1X2+0X2-1+1X2-2=213.25N位二进制数可以表示2、个数.例如3位二进制数可

15、以表示8个数,如附表1所示：附表1二进制数11相应的十进制数012345673 .八进制后缀或下标0表示八进制计计数原那么：逢八进一八进制的基数为：8八进制的数码为：01234567八进制数第K位的权为：8K例如：1270=lX8,+2X8i+780=87D4 .十六进制后缀或下标H表示十六进制计数原那么：逢十六进一十六进制的基数为：16十六进制的数码为：0123456789ABCDEF十六进制第K位的权为：16k例如：64.4H=6X16MX16+4X16-1=100.25D十六进制数、二进制和十进制数的对应关系如附表2所示:附表2二进制数0101100111十进制数01234567十六进制

16、数01234567二进制数1111101111十进制数891十六进制数89ABCDEF二、不同进位制之间的转换.1 .二进制数转换为十制数.转换原那么：按权展开求和.例如：10001101.11B=1X2,+0X2斗0X25+0X2*+1X23+1X2斗0X2X+1X2+1X2-+1X2二141.75D八进制十六进制转换为十进制数也同样遵循该原那么,不再单独介绍了.2 .十进制数转换为二进制数十进制数转换为二进制数的原那么：整数局部：除基取余,逆序排列小数局部：乘基取整,顺序排列例将十进数186和0.8125转换成二进制数.2186-02竺241-0223-1211-12肘,12-02|T-1

17、低位高位0.8125X2高位.6250X2.2501X20.5X20.0低位11因此：186D=10111010B0.8125D=0.11011B注意：当十进制小数不能用有限位二进制小数精确表示时,根据精度要求,采用“0舍1入法,取有限位二进制小数近似表示.十进制数转换为八进制,十六进制数同样遵循该原那么.3 .二进制转换为十六进制由于十六进制的基数是2的幕,所以二进制与十六进制之间的转换是十分方便的,二进制转换为十六进制的原那么：整数局部从低位到高位四位一组缺乏补零,直接用十六进制数来表示；小数局部从高位到低位四位一组缺乏补零,直接用十六进制数表示.例附一2将二进制数10011110.001

18、11转换成十六进制数.10011110.001110009E38所以10011110.OOU1B=9E.38Ho4.十六进制数转换为二进制数十六进制数转换为二进制数的原那么：十六进制数中的每一位用4位二进制数来表示.例如：将十六进制数A87.B8转换为二进制数.A87.B810101000011110111000所以A87.B8H=1.lOlllOOOBo八进制的基数同样是2的帚,因此二进制与十六进制之间的转换也遵循以上的原那么,只是将原那么中的四位改成三位.例如:将二进制数11010110.110101B转换成八进制数.将八进制数746.420转换成二进制数.011010110.110101

19、746.42746.420=111100110.100010B乘法法那么inloonowooi所以,11010110.110101B=326.650,三、八进制数和十六进制数运算1.二进制数的运算加法法那么0X0=00X1=01+0=11+1=0进位11X0=01X1=1注意：二进制数加法运算中1+1=0进位1和逻辑运算中1V1=1的不同含义.2.十六进制数的运算十六进制数的运算遵循“逢十六进一的原那么.十六进制加法：十六进制数相加,当某一位上的数码之和S小于16时与十进制数同样处理,如果数码之各S叁16时,那么应该用S减16及进位1来取代S.例如：O8A3H+4B89H542cH十六进制减法

20、十六进制减法也与十进制数类似,够减时直接相减,不够减时服从向高位借1为16的原那么.例如：05C3H-3D25HC89EH十六进制数的乘除运算同样根据逢十六进一的原那么处理,这里不再繁述.第四讲一、授课内容：计算机中数和字符的表示二、授课类型：讲授三、授课时数：2学时四、教学目标：熟悉计算机中数和字符的表示五、教学重、难点：重点/难点：计算机中数和字符的表示六、教学设想：+0反=00000000B一0反=11111111BN位反码表示的范围为：1一2广,一2.71；例如8位反码表示的范围为-127+127.符号位为1时,其后不是该数的绝对值.例如反码11100101B的真值为-27,而不是-1

21、01.3.补码最高位为符号位,正数的补码与原码相同；负数的补码为其正数原码按位求反再加1.例如：+112补=01U0000B112补=100100006说明：0的补码只有一种表示法：+0=-0=00000000B；n位补码所能表示的范围为一2L,-2nr1；例如8位补码表示的范围为一128+127.八位机器数中：128补二10000000B,128原,-128反不存在.符号位为1时,其后不是该数的绝对值.例如：补码11110010B的真值为-14,而不是-114.有符号数采用补码表示时,就可以将减法运算转换为加法运算.因此计算机中有符号数均以补码表示.例如：X=84-16=(+84)+(-16

22、)fX补二+84补+16补(+84)补=01010100B(-16)补;llllOOOOB01010100B+11110000Bz01000100B1所以X补二01000100B,即X=68.在字长为8位的机器中,第7位的进位自动丧失,但这不会影响运算结果.机器中这一位并不是真正丧失,而是保存在程序状态字PSW中的进位标志Cy中.又如:X=4888=+48+-88X补+48补+88补+48补=OOUOOOOB-88#=10101000B0011000OB+1010100OB1101100OB所以X|b=U011000B,即X=-40为进一步说明补码如何将减法运算转换为加法运算,我们举一日常的例

23、子：对于钟表,它所能表示的最大数为12点,我们把它称之为模,即一个系统的量程或所能表示的最大的数.假设当前标准时间为6点,现有一只表为9点,可以有两种调时方法：9-3=6倒拨9+9=6顺拨即有9+9=9+3+6=12+6=9-3因此对某一确定的模,某数减去小于模的一数,总可以用加上该数的负数与其模之各即补码来代替.故引入补码后,减法就可以转换为加法.补码表示的数还具有以下特性：X+Y补=X补+丫补/一丫补=X补Y补附表3为n=8和n=16时n位补码表示的数的范围.附表3n位二进制补码数的表示范围十进制数二进制数十六进制数十进制数十六进制数N=8n=16+1277F+327677FFF+1267

24、E+327667FFE+202+20002+101+1000100000000-1FF-1FFFF-2EE-2FFFE-12682-327668002-12781-327678001-12880-327688000二、无符号整数在某些情况下,处理的全是正数时,就不必须再保存符号位.我们把最高有效位也作为数值处理,这样的数称之为无符号整数.8位无符号数表示的范围为：0255.计算机中最常用的无符号整数是表示存储单元地址的数.三、字符表示字母、数字、符号等各种字符例如键盘输出的信息或打印输出的信都是按字符方式输出输出按特定的规那么,用二进制编码在计算中表示.字符的编码方式很多,最普遍采用的是美国标

25、准信息交换码ASCH码.ASCH码是7位二进制编码.计算机中用一个字节表示一个ASCII码字符,最高位默认为0,可用作校验位.第五讲一、授课内容：MCS-51系列单片机二、授课类型：讲授三、授课时数：2学时四、教学目标：掌握MCS51系列单片机的结构引脚功能六、教学重、难点：重点/难点：80c51单片机的引脚功能.七、教学设想：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增强对重难点知识的讲解,增强学生对知识的理解,同时提升他们对本学科的兴趣.八、教学过程：板书一、MCS-51单片机的根本组成如下列图所示1一个8位微处理器CPU.2数据存储器RAM和特殊功能存放器SFR.

26、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中断限制系统.8内部时钟电路.二、80c51单片机的引脚功能结构框图如下列图所示%-140-Vj239-P8位存放器B、程序状态字存放器PSW(ProgramStatusWord)、8位暂存存放器TMP1和TMP2等组成.2 .限制器主要由程序计数器PC、指令存放器IR、指令译码器ID、堆栈指针SP、数据指针DPTR、时钟发生器及定时限制逻辑等组成.四、MCS-51单片机的存储器配置-内部RA

27、M低128单元8051低128个单元是真正的内部数据RAM区,是一个多功能复用性数据存储器,其按用途可分为三个区域.如图22所示：7FK30K用尸RAN区堆拔、数据皴冲字节地址30H-7FH2FH位寻址区20K位地址.DH2FH1FK第3俎通用存放器区17K10K第2俎通用存放器区OFH08K第1组通用存放器区07KOOK第U组通用存放器区囱2-28051内部：RAM低128单元配置1. 工作存放器区OOH1FH也称为通用存放器,该区域共有4组存放器,每组由8个存放单元组成,每个单元8位,各组均以R0R7作存放器编号,共32个单元,单元的OOH1FH.在任一时刻,CPU只能使用其中一组通用存放

28、器,称为当前通用存放器组,具体可由程序状态存放器PSW中RSI.RSO位的状态组合来确定.通用存放器为CPU提供了就近存取数据的便利,提升了工作速度,也为编程提供了方便.2. 位寻址区20H2FH内部RAM的20H2FH,共16个单元,计16X8=128位,位地址为00H7FH.位寻址区既可作为一般的RAM区进行字节操作,也可对单元的每一位进行位操作,因此称为位寻址区,是存储空间的一局部.表71列出了位寻址区的位地址：表71位寻址区的位地址单元地址MSB位地址LSB2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6D

29、H6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14

30、H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H其中：MSB最高有效位.LSB最低有效位.3. 用户RAM区30H7FH所剩80个单元即为用户RAM区,单元地址为30H7FH,在一般应用中把堆栈设置在该区域中.对内部RAM低128单元的使用作几点说明：18051的内部RAM00H7FH单元可采用直接寻址或间接寻址方式实现数据传送.2内部RAM20H2FH单元的位地址空间可实现位操作.当前工作存放器组可通过软件对PSW中的RSI.RSO位的状态设置来选择.（3） 8051的堆栈是自由堆栈,单片机复位后,堆栈底为

31、07H,在程序运行中可任意设置堆栈.堆栈设置通过对SP的操作实现,例如用指令MOVSP,#30H将堆栈设置在内部RAM30H以上单元.二内部RAM高128单元内部RAM高128单元是供应专用存放器使用的,因此称之为专用存放器区也称为特殊功能存放器区SFR区,单元地址为80H、0FFH.8051共有22个专用存放器,其中程序计数器PC在物理上是独立的,没有地址,故不可寻址.它不属于内部RAM的SFR区.其余的21个专用存放器都属于内部RAM的SFR区,是可寻址的,它们的单元地址离散地分布于80HOFFHo表72为21个专用存放器一览表.表7一28051专用存放器一览表存放器符号地Jll:存放器名

32、称ACCEOH累加器BFOHB存放器PSWDOH程序状态字SP81H堆栈指示器DPL82H数据指针低八位DPH83H数据指针高八位IEA8H中断允许限制存放器IPB8H中断优先限制存放器P080HI/O口0Pl90HI/O口1P2AOHI/O口2P3BOHI/O口3PCON87H电源限制及波特率选择存放器SCON98H串行口限制存放器SBUF99H串行口数据缓冲存放器TCON88H定时器限制存放器TMOD89H定时器方式选择存放器TLO8AH定时器0低8位TL18BH定时器1低8位THO8CH定时器0高8位TH18DH定时器1高8位注：带“专用存放器表示可以位操作.(=)8051内部程序存储器

33、(ROM)大多数51系列单片机内部都配置一定数量的程序存储器ROM,如8051芯片内有4KB掩膜ROM存贮单元,AT89C51芯片内部配置了4KBFlashROM,它们的地址范围均为OOOOHOFFFHo内部程序存储器有一些特殊单元,使用时要注意.其中一组特殊单元是0000H0002Ho系统复位后,(PC)=0000H,单片机从0000H单元开始执行程序.如果不是从0000H开始,就要在这三个单元中存放一条无条件转移指令,以便转去执行指定的应用程序.另外,在程序存储器中有各个中断源的入口向量地址,分配如下:0003H000AH：外部中断0中断地址区000BH0012H：定时器/计数器0中断地址区0013H001AH：