电子教案《单片机原理及应用》

单片机原理及应用课程教案课程名称：单片机原理及应用课程代码：0340424授课对象：年级：13级专业：机械设计制造及自动化层次：本科******教师职称：高工课型：专业学时：3学时/周合计：36学时教材名称：单片机原理及应用（第3版）开课系部：机电工程系教学日期：2015年～2016年学年第一学期广东技术师范学院天河学院教案第1章概述概述本章教学目的及基本要求：教学目的：主要介绍单片机的概念，发展过程，应用特点及单片机类型等。基本要求：了解单片机的概念，发展过程等。重点掌握应用特点及单片机类型等。本章教学内容的重点和难点：重点：掌握应用特点及单片机类型。难点：单片机概念。本章教学内容的深化和拓宽：介绍目前国内外发展情况。本章教学方法、方式：采用多媒体课件；讲授和现场演示相结合；本章主要参考资料：马淑华：《单片机原理与接口技术》，北京邮电大学出版社，2005谢维成《单片机原理与应用及C51程序设计(第3版）》.清华大学出版社,2014文武松《单片机实战宝典：从入门到精通》.机械工业出版社,2014张元良.《单片机原理及应用教程》.清华大学出版社,2011广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：第1章概述教学方法：讲授+演示教学目的：课次：1教具：计算机、多媒体1、介绍单片机概念，应用特点及相关结构特点等内容。教学重点：1、掌握应用特点及单片机类型。教学难点：1、单片机概念。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟作业分析：3～5分钟讲授新课：78～82分钟新课小结：1～2分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：1.1单片机的基本概念1.1.1单片机的发展历程电子数字计算机诞生于1946年，在其后的一个历史进程中，计算机始终是被供养在特殊的机房中、实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代微处理器的出现，才使得计算机以小型、廉价、高可靠性的特点，迅速走出机房，并被逐渐嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。这样一来，计算机便失去了原来的形态，其功能也有所不同。为了区别于原有计算机系统，把嵌入到对象体系中实现对象体系智能化控制的计算机称做嵌入式计算机系统。早期，人们通过改装通用计算机系统，在大型设备中实现嵌入式应用。然而，在众多的对象系统(如家用电器、仪器仪表、控制单元等)中，无法嵌入通用计算机系统，且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同。因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术的两大分支。单元教案续页1.1.2单片机技术的多学科交叉特点嵌入式系统的嵌入式应用特点，决定了它多学科交叉的特点。作为计算机的内容，要求计算机专业领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究。然而，要了解对象体系的控制要求，实现系统控制模式，则必须具备对象领域的专业知识。因此，由嵌入式系统发展的历史过程以及嵌入式应用的多样性，形成了两种应用模式，这两种应用模式是电子系统设计模式和计算机应用设计模式。电子系统设计模式是指单片机以器件形态进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现电子系统的智能化。电子技术应用工程师以自己习惯的电子技术应用模式，从事单片机的应用开发。这种应用模式最主要的特点是：软/硬件的底层性、随意性，对象系统专业技术的密切相关性，缺少计算机工程设计方法。计算机应用设计模式是指基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用，从计算机专业角度介入嵌入式系统应用，带有明显的计算机工程应用特点。1.1.3单片机的功能结构特征1．单片机与微型计算机的基本功能组成部分由于单片机是从通用微型计算机分化出来的一个应用分支，因此，它的基本功能组成部分和工作原理与通用微型计算机具有一致性。微型计算机(简称微机)的基本组成结构如图1.1所示。广东技术师范学院天河学院教案第2章51系列单片机的硬件结构概述本章教学目的及基本要求：本章介绍单片机内部结构、引脚及功能；单片机处理器，存储器，接口，中断，复位及低功耗运行等知识，由于本章知识重要，要求学生多记多理解。本章教学内容的重点和难点：重点：单片机内部结构、引脚及功能；单片机处理器，存储器，接口，中断，复位及低功耗运行等。难点：引脚及功能，接口，中断。本章教学内容的深化和拓宽：通过实例加强理解与知识掌握本章教学方法、方式：采用多媒体课件；讲授和现场演示相结合；本章主要参考资料：马淑华：《单片机原理与接口技术》，北京邮电大学出版社，2005谢维成《单片机原理与应用及C51程序设计(第3版）》.清华大学出版社,2014文武松《单片机实战宝典：从入门到精通》.机械工业出版社,2014张元良.《单片机原理及应用教程》.清华大学出版社,2011广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：第2章51系列单片机的硬件结构2.1-2.3引脚及CPU课次：2教学方法：讲授+演示教具：计算机、多媒体教学目的：1、掌握CPU引脚分布，功能；2、掌握分时工作原理。3、掌握CPU内部结构，原理。教学重点：1、掌握CPU引脚分布，功能；2、掌握分时工作原理。3、掌握CPU内部结构，原理。教学难点：CPU内部结构，原理。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟；复习旧课：1～2分钟作业分析：3～5分钟新课小结：1～2分钟讲授新课：76～80分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：第2章51系列单片机的硬件结构2.151系列单片机简介51系列单片机是8051系列单片机的简称,是指MCS51系列单片机和其他公司的8051派生产品。2.1.1MCS51系列单片机MCS51系列单片机最早是由Intel公司推出的通用型单片机。MCS51系列单片机产品可分为两大系列:51子系列和52子系列。2.1.28051派生产品8051派生产品是各个厂家以8051为基本内核而推出的单片机产品。这些派生产品在8051内核基础上增加了存储器、通信接口和实时控制部件的数量与种类,增强了8051单片机的调试与应用能力。这些增强型的8051单片机产品都是基于CMOS工艺的,通常称为80C51系列单片机。例如,ATMEL公司的AT89C52、AT89C2051就属于80C51系列单片机。单元教案续页2.251单片机的内部结构与引脚信号2.2.151单片机的基本组成51系列单片机的内部结构框图如图2.1所示广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：2.4-2.5存储器、并行输入/输出接口1课次：3教学方法：讲授+演示+上机指导教具：计算机、多媒体教学目的：1、掌握存储器工作原理，组成。2、掌握存储器编址方式，3、掌握寄存器。教学重点：1、存储器编址与寻址。2、寄存器。教学难点：1、存储器编址与寻址。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟作业分析：3～5分钟讲授新课：78～82分钟新课小结：1～2分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：2.4存储器51单片机系统的存储器组织方式与通用单片机系统不同，程序存储器地址空间和数据存储器地址空间相互独立。51单片机存储器从物理结构上可分为片内、片外程序存储器(8031和8032没有片内程序存储器)与片内、片外数据存储器4个部分；从功能上可分为程序存储器、片内数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间和片外数据存储器5个部分；其寻址空间可划分为程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器3个独立的地址空间。2.4.1程序存储器1．编址与访问51单片机的程序存储器用于存储程序代码和一些固定表格常数。它可由只读存储器ROM或EPROM等组成。为了有序地读出指令，设置了一个专用寄存器—程序计数器PC，用以存放将要执行的指令地址。每取出指令的１个字节后，其内容自动加１，指向下一字节地址，依次使CPU从程序存储器取指令并加以执行。2．程序的入口地址程序地址空间可由用户根据需要任意安排使用。但有几个地址是CPU执行特殊程序的入口地址，用户必须按规定存放相应程序。特殊程序的入口地址规定见表2.3。2.4.2数据存储器1.编址与访问51单片机片内、外数据存储器是两个独立的地址空间,应分别单独编址。片内数据存储器除RAM块外,还有特殊功能寄存器(SFR)块。对于51子系列,前者有128个字节,其编址为00H~7FH;后者也占128个字节,其编址为80H~FFH;二者连续而不重叠。对于52子系列,前者有256个字节,其编址为00H~FFH;后者占128个字节,其编址为80H~FFH;后者与前者高128个字节的编址是重叠的,由于访问所用的指令不同,因而并不会引起混乱。片外数据存储器一般是16位编址。广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：2.4-2.5存储器、并行输入/输出接口2课次：4教学方法：讲授+演示+上机指导教具：计算机、多媒体教学目的：1、掌握定时器，计数器。2、掌握串行接口的原理，教学重点：1、掌握定时器，计数器。2、掌握串行接口的原理，教学难点：1、串行接口。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟作业分析：3～5分钟讲授新课：78～82分钟新课小结：1～2分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：2.4.2数据存储器1.编址与访问51单片机片内、外数据存储器是两个独立的地址空间,应分别单独编址。片内数据存储器除RAM块外,还有特殊功能寄存器(SFR)块。对于51子系列,前者有128个字节,其编址为00H~7FH;后者也占128个字节,其编址为80H~FFH;二者连续而不重叠。对于52子系列,前者有256个字节,其编址为00H~FFH;后者占128个字节,其编址为80H~FFH;后者与前者高128个字节的编址是重叠的,由于访问所用的指令不同,因而并不会引起混乱。片外数据存储器一般是16位编址。数据存储器的编址如图2.８所示。寻址程序存储器的唯一方式是通过PC。由于51单片机的程序计数器为16位，因此，可寻址的程序存储器地址空间为64KB。51系列单片机从物理配置上有片内、片外程序存储器，但作为一个编址空间，其编址规律为：先片内，后片外，片内、外连续，二者一般不重叠。图2.7给出了程序存储器编址图。并行通信是构成一组数据的各位同时进行传送,例如8位数据或16位数据并行传送。其特点是传送速度快,但当距离较远、位数又多时,会导致通信线路复杂且成本高。串行通信是数据一位接一位地顺序传送。其特点是通信线路简单,只要一对传输线就可以实现通信(如电话线),从而大大降低了成本,特别适用于远距离通信。其缺点是传送速度慢。图2.1９为以上两种通信方式的示意图。由图可知,假设并行传送N位数据所需时间为T,那么串行传送的时间至少为N×T,而实际上总是大于N×T的。单片机多机通信概括为以下几点：(1)使所有的从机的SM2位置1，以便接收主机发来的地址。(2)主机发出一帧地址信息，其中包括8位从机地址，第9位为1(地址标志)。(3)所有从机接收到地址帧后，各自与本机地址相比较，对于地址相同的从机，使SM2位清0，以接收主机随后发来的所有信息；对于地址不符合的从机，仍保持SM2 = 1的状态，对主机随后发来的数据不予理睬，直至发送新的地址帧。(4)主机给已被寻址的从机发送控制指令和数据(数据帧的第9位为0)。单片机执行指令时,是从片内程序存储器取指令,还是从片外程序存储器取指令,这首先由单片机EA引脚电平的高低来决定。EA=1为高电平时,先执行片内程序存储器的程序,当PC的内容超过片内程序存储器地址的最大值(51子系列为0FFFH,52子系列为1FFFH)时,将自动转去执行片外程序存储器中的程序;EA=0为低电平时,CPU则从片外程序存储器中取指令。对于片内无程序存储器的51单片机,EA引脚应接低电平。对于片内有程序存储器的单片机,如果EA引脚接低电平,将强行执行片外程序存储器中的程序。此时多在片外程序存储器中存放调试程序,以使单片机工作在调试状态。请读者注意:片外程序存储器存放调试程序的部分,其编址与片内程序存储器的编址是可以重叠的,借EA的换接可实现分别访问。现在以8051为内核的单片机大都带有内部的FLASH程序存储器,如AT89C51或AT89S51均自带4KB的FLASH程序存储器,还有的单片机带有20KB甚至更广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：2.6定时器/计数器课次：5教学方法：讲授+演示+上机指导教具：计算机、多媒体教学目的：1、掌握的概念。2、掌握复位的概念，相关电路，3、掌握低功耗方式教学重点：1、中断。2、复位原理，教学难点：1、中断。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟作业分析：3～5分钟讲授新课：78～82分钟新课小结：1～2分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：2.6定时器/计数器定时器/计数器是51单片机的重要功能模块之一。在检测、控制及智能仪器等应用中,常用定时器作实时时钟来实现定时检测、定时控制;还可用定时器产生毫秒宽的脉冲,来驱动步进电机一类的电器机械。2.9.1复位状态对于定时器/计数器来说,不管是独立的定时器芯片还是单片机内的定时器,大都具有以下特点:(1)定时器/计数器有多种方式,可以是计数方式,也可以是定时方式。(2)定时器/计数器的计数值是可变的,当然计数的最大值是有限的,这取决于计数器的位数。计数的最大值也就限定了定时的最大值。(3)在到达设定的定时或计数值时发出中断申请,以便实现定时控制。51单片机(51子系列)内带有两个16位定时器/计数器T0和T1,它们均可作为定时器或计数器使用。片机默认选择工作寄存2.6.1定时器/计数器T0、T1的结构定时器/计数器T0、T1的结构框图如图2.15所示。它由加法计数器、TMOD寄存器、TCON寄存器等组成广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：2.7串行输入/输出接口教学方法：讲授+演示+上机指导教学目的：课次：4教具：计算机、多媒体1、通过实例掌握移动对象、实例几何体等命令。2、掌握布尔运算，如求和、求差、求交。教学重点：1、全面了解移动对象命令。2、掌握布尔运算，如求和、求差、求交。教学难点：1、对实体模型建立过程中，建模命令的操作技巧。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟作业分析：3～5分钟讲授新课：78～82分钟新课小结：1～2分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：2.7串行输入/输出口2.7.1串行通信的基本概念计算机与外界的信息交换称为通信。通信的基本方式分为并行和串行通信两种。并行通信是构成一组数据的各位同时进行传送,例如8位数据或16位数据并行传送。其特点是传送速度快,但当距离较远、位数又多时,会导致通信线路复杂且成本高。串行通信是数据一位接一位地顺序传送。其特点是通信线路简单,只要一对传输线就可以实现通信(如电话线),从而大大降低了成本,特别适用于远距离通信。其缺点是传送速度慢。图2.1９为以上两种通信方式的示意图。由图可知,假设并行传送N位数据所需时间为T,那么串行传送的时间至少为N×T,而实际上总是大于N×T的。单元教案续页串行通信又可分为异步传送和同步传送两种方式。1.异步传送方式异步传送的特点是数据在线路上的传送不连续。传送时,数据是以一个字符为单位进行传送的。它用一个起始位表示字符的开始,用停止位表示字符的结束。异步传送的字符格式如图2.20所示。一个字符又称为一帧信息。一帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位4个部分组成。起始位为信号0,占1位;其后是数据位,可以是5位、6位、7位或8位,传送时低位在先、高位在后;再后面的1位为奇偶检验位(可要可不要);最后是停止位,它用信号1来表示一帧信息的结束,可以是1位、1位半或2位。异步传送中,字符间隔不固定。在停止位后可以加空闲位,空闲位用高电平表示,用于等待传送。这样,接收和发送可以随时或间断进行,而不受时间的限制。图2.18(b)为有空闲位的情况。在串行异步传送中,通信双方必须事先约定:(1)字符格式。双方要事先约定字符的编码形式、奇偶校验形式及起始位和停止位的规定。例如,用ASCII码通信,有效数据为7位,加一个奇偶校验位、一个起始位和一个停止位,共10位。当然,停止位也可以大于1位。(2)波特率(Baudrate)。波特率就是数据的传送速率,即每秒传送的二进制位数,单位为位/秒。它与字符的传送速率(字符/秒)之间有以下关系:波特率=一个字符的二进制编码位数×字符/秒2.7.251单片机的串行口1.功能与结构51单片机内部有一个功能很强的全双工串行口,可同时接收和发送数据。接收、发送数据均可工作在查询方式或中断方式,使用十分灵活,能方便地与其它计算机或串行传送信息的外部设备(如打印机、CRT终端等)实现双机、多机通信。2.串行口的工作方式1)方式0串行口的工作方式0为移位寄存器方式。图2.2３是串行口方式0的结构示意图。数据从RxD引脚上接收或发送;一帧信息由8位数据组成,低位在前;波特率固定,为fosc/12;同步脉冲从TxD引脚上输出。4.多机通信在实际应用中,经常需要多个单片机之间协调工作,即多机通信。利用51单片机串行口可实现多机通信,串行口用于多机通信时必须使用方式2或方式3。主从式多机通信是多机通信中应用最广,也是最简单的一种。主从式多机通信中只有一台主机,从机则可以有多台。主机发出的信息只能传送到所有从机或指定的从机;而从机发送的信息只能被主机接收,各从机之间不可以直接通信,各从机之间的通信必须通过主机进行.广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：2.8-2.9中断、复位及电路、低功耗方式1课次：5教学方法：讲授+演示+上机指导教具：计算机、多媒体教学目的：1、通过。2、掌握布尔运算，如求和、求差、求交。教学重点：1、全面了解回转命令。2、掌握布尔运算，如求和、求差、求交。教学难点：1、对实体模型建立过程中，建模命令的操作技巧。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟作业分析：3～5分钟讲授新课：78～82分钟新课小结：1～2分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：2.851单片机的中断系统2.8.1中断的基本概念所谓中断,是指CPU对系统中或系统外发生的某个事件的一种响应过程,即CPU暂时停止现行程序的执行,而自动转去执行预先安排好的处理该事件的服务子程序;当处理结束后,再返回到被暂停程序的断点处,继续执行原来的程序。实现这种中断功能的硬件系统和软件系统统称为中断系统。中断系统是计算机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理时往往用到中断系统,计算机与外部设备间传送数据及实现人机联系时也常常采用中断方式。中断系统需要解决的基本问题是:中断源:中断请求信号的来源,包括中断请求信号的产生及该信号怎样被CPU有效地识别,而且要求中断请求信号产生一次,只能被CPU接收处理一次,即不允许一次中断申请被CPU多次响应。这就涉及到中断请求信号的及时撤除问题。单元教案续页中断响应与返回:CPU采集到中断请求信号后,怎样转向特定的中断服务子程序及执行完中断服务子程序后怎样返回被中断的程序继续正确地执行。中断响应与返回的过程中涉及到CPU响应中断的条件、现场保护等问题。(3)优先级控制:一个计算机应用系统,特别是计算机实时测控应用系统,往往有多个中断源,各中断源所要求的处理具有不同的轻重、缓急程度。与人处理问题的思路一样,希望重要、紧急的事件先处理,而且如果当前正在处理某个事件的过程中,有更重要、更紧急的事件到来,就应当暂停当前事件的处理,转去处理新事件。这就是中断系统优先级控制所解决的问题。中断优先级的控制形成了中断嵌套。2.8.251单片机中断源51单片机的中断系统提供了5个(52子系列6个)中断源。这些中断源可分成外部中断源和内部中断源。1.外部中断外部中断是指从单片机外部引脚INT0、INT1输入中断请求信号的中断,即外部中断源有两个。输入/输出的中断请求、实时事件的中断请求、掉电和设备故障的中断请求都可以作为外部中断源,从引脚INT0、INT1输入。2.内部中断内部中断是单片机内部产生的中断。51子系列单片机的内部中断有定时器/计数器C/T0、C/T1的溢出中断，串行口的发送/接收中断。52子系列还有一个定时器/计数器C/T2中断。2.8.3中断控制51单片机中断系统中有两个特殊功能寄存器:中断允许寄存器IE和中断优先级寄存器IP。用户通过对这两个特殊功能寄存器的编程设置,可灵活地控制每个中断源的中断允许或禁止、中断优先级。2.8.4中断响应的条件、过程与时间1.中断响应的条件单片机响应中断的条件为中断源有请求(中断允许寄存器IE相应位置1),且CPU开中断(即EA=1)。这样,在每个机器周期的S5P2期间,对所有中断源按用户设置的优先级和内部规定的优先级进行顺序检测,并可在S6期间找到所有有效的中断请求。广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：2.8-2.9中断、复位及电路、低功耗方式2课次：6教学方法：讲授+演示+上机指导教具：计算机、多媒体教学目的：1、通过实例掌握UG的文字制作功能；2、掌握偏置命令，布尔运算，如求和、求差、求交。。教学重点：1、掌握UG的文字制作功能；2、掌握偏置命令的操作技巧与方法。教学难点：如何作出形状各异的文字功能。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟；复习旧课：1～2分钟作业分析：3～5分钟新课小结：1～2分钟讲授新课：76～80分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：2.9复位状态及复位电路2.9.1复位状态51系列单片机的复位引脚RST上只要出现10ms以上的高电平,单片机就会实现复位。单片机在RST引脚高电平的控制下,特殊功能寄存器和程序计数器PC复位后的状态如表2.9所示。单片机的各功能模块由特殊功能寄存器控制,而程序的运行由PC管理,所以表2.9所列复位状态决定了单片机的初始状态。单片机的各功能模块由特殊功能寄存器控制，而程序的运行由PC管理，所以表2.9所列复位状态决定了单片机的初始工作状态。(PC)=0000H，程序的初始入口地址为0000H。(PSW)=00H，由于RS1(PSW.4)=0，RS0(PSW.3)=0，复位后单片机默认选择工作寄存器0组。(SP)=07H，复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立。单元教案续页TH1、TL1、TH0、TL0的内容为00H，定时器/计数器的初值为0(最大定时值)。(TMOD)=00H，复位后定时器/计数器C/T0、C/T1处在定时器方式0，非门控方式。(TCON)=00H，复位后定时器/计数器C/T0、C/T1停止工作，外部中断0、1为电平触发方式。(T2CON)=00H，复位后定时器/计数器C/T2停止工作。(SCON)=00H，复位后串行口工作在移位寄存器方式、且禁止串行口接收。(IE)=00H，复位后屏蔽所有中断。(IP)=00H复位后所有中断源都设置为低优先级。P0～P3口锁存器都是全1状态，说明复位后4个并行接口设置为输入口。2.9.2复位电路与其它计算机一样,51单片机系统常常有上电复位和按钮复位两种方法。所谓上电复位,是指计算机加电瞬间,要在RST引脚上出现大于10ms的正脉冲,使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮,使单片机进入复位状态。复位是靠外部电路实现的。图2.28是上电复位及按钮复位的一种实用电路。2.1051单片机的低功耗方式51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺,即高密度短沟道MOS工艺;另一种是CHMOS工艺,即互补金属氧化物MOS工艺。CHMOS是CMOS和HMOS的结合,除保持了高速度和高密度的特点外,还具有CMOS低功耗的特点。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上,低功耗是非常有意义的,因此,在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。采用CHMOS工艺的单片机不仅运行时耗电少,而且还提供两种节电工作方式,即空闲(等待、待机)方式和掉电(停机)工作方式,以进一步降低功耗。实现这两种工作方式的内部控制电路如图2.27所示。由图可见,若IDL=0,则进入空闲工作方式。在这种方式下,振荡器仍继续工作,但PD、IDL=0封锁了CPU的时钟信号,而中断、串行口和定时器却在时钟的控制下正常工作。若PD=0,则进入掉电方式,振荡器被冻结。IDL和PD信号由电源控制寄存器PCON中IDL和PD触发器的Q输出端提供。2.10.2空闲(等待、待机)工作方式可通过置位PCON寄存器的IDL位来进入空闲工作方式。在空闲方式下,内部时钟不向CPU提供,只供给中断、串行口、定时器部分。CPU的内部状态维持,即包括堆栈指针SP、程序计数器PC、程序状态字PS、累加器ACC的所有内容保持不变,片内RAM和端口状态也保持不变,所有中断和外围功能仍然有效。2.10.3掉电(停机)工作方式可通过置位PCON寄存器的PD位来进入掉电工作方式。在掉电方式下,内部振荡器停止工作,由于没有振荡时钟,所有的功能部件都将停止工作,但内部RAM区和特殊功能寄存器的内容被保留。退出掉电方式的唯一方法是由硬件复位。复位后将所有特殊功能寄存器的内容初始化,但不改变片内RAM区的数据。广东技术师范学院天河学院教案第3章指令系统与汇编语言概述本章教学目的及基本要求：教学目的：主要介绍单片机的概念，发展过程，应用特点及单片机类型等。基本要求：了解单片机的概念，发展过程等。重点掌握应用特点及单片机类型等。本章教学内容的重点和难点：重点：掌握应用特点及单片机类型。难点：单片机概念。本章教学内容的深化和拓宽：介绍目前国内外发展情况。本章教学方法、方式：采用多媒体课件；讲授和现场演示相结合；本章主要参考资料：马淑华：《单片机原理与接口技术》，北京邮电大学出版社，2005谢维成《单片机原理与应用及C51程序设计(第3版）》.清华大学出版社,2014文武松《单片机实战宝典：从入门到精通》.机械工业出版社,2014张元良.《单片机原理及应用教程》.清华大学出版社,2011广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：第三章指令系统与汇编语言3.1-3.2指令系统与寻址方式课次：7教学方法：讲授+演示+上机指导教具：计算机、多媒体教学目的：1、通过实例掌握拉伸等命令。2、掌握布尔运算，如求和、求差、求交。教学重点：1、全面了解拉伸命令。2、掌握布尔运算，如求和、求差、求交。教学难点：1、对实体模型建立过程中，建模命令的操作技巧。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟作业分析：3～5分钟讲授新课：78～82分钟新课小结：1～2分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：第3章51单片机指令系统和汇编语言3.151系列单片机指令系统概述3.1.1指令与指令系统的概念指令是使计算机内部执行相应动作的一种操作,是提供给用户编程使用的一种命令。指令由构成计算机的电子器件特性所决定,计算机只能识别二进制代码,以二进制代码来描述指令功能的语言,称之为机器语言。由于机器语言不便于人们识别、记忆、理解和使用,因而给每条机器语言指令赋予助记符号来表示,这就形成了汇编语言。指令的描述形式一般有两种:机器语言形式和汇编语言形式。现在描述计算机指令系统及实际应用中主要采用汇编语言形式。采用机器语言编写的程序称之为目标程序。采用汇编语言编写的程序称之为源程序。计算机能够直接识别并执行的只有机器语言。汇编语言程序不能被计算机直接识别并执行,必须经过一个中间环节把它翻译成机器语言程序,这个中间过程叫做汇编。单元教案续页3.1.251单片机指令系统及其指令格式51单片机指令系统具有功能强、指令短、执行快等特点,共有111条指令。从功能上可将指令系统划分成数据传送、算术运算、逻辑操作、程序转移、位操作等5大类;从空间属性上可分为单字节指令(49条)、双字节指令(46条)和最长的三字节指令(只有16条);从时间属性上可分为单机器周期指令(64条)、双机器周期指令(45条)和只有乘、除法两条4个机器周期的指令。可见,51单片机指令系统在存储空间和执行时间方面具有较高的效率。3.2寻址方式所谓寻址方式,就是CPU执行一条指令时怎样找到该指令所要求的操作数的方式。操作数总是存放在某一存储单元中,找操作数实际就是寻找操作数所在的单元地址,因此就称之为寻址方式。指令通常由操作码和操作数构成,操作数部分实际上只指出操作数的寻址方式。所以,寻址方式是指令的重要组成内容。3.2.1立即寻址操作数直接出现在指令中,紧跟在操作码的后面,作为指令的一部分与操作码一起存放在程序存储器中,可以立即得到并执行,不需要经过别的途径去寻找,故称为立即寻址。在汇编指令中,在一个数的前面冠以“#”符号作前缀,就表示该数为立即寻址。3.2.2寄存器寻址在指令选定的某寄存器中存放或取得操作数的方式，称为寄存器寻址。例如：MOVA，R0指令中的源操作数是寄存器寻址。该指令的功能是把工作寄存器R0中的内容传送到累加器A中，如R0中的内容为30H，则执行该指令后A的内容也为30H单元教案续页3.2.3寄存器间接寻址由指令指出某一寄存器的内容作为操作数地址的寻址方法，称为寄存器间接寻址。间接寻址寄存器中存放着操作数的地址，而不是操作数。寻址过程是：到指令指定的寄存器中得到操作数的地址，再到该地址单元中才能得到操作数。间接寄存器起地址指针的作用。汇编指令中，在寄存器前冠以“@”符号，就表示寄存器间接寻址。3.2.4直接寻址指令中直接给出操作数所在的存储器地址,以供取数或存数的寻址方式称为直接寻址。3.2.5变址寻址基址寄存器加变址寄存器间接寻址,简称变址寻址。它是以数据指针寄存器DPTR或PC作为基址寄存器,累加器A作为变址寄存器,两者内容相加的和作为程序存储器地址,再寻址该单元,读取数据。这种寻址方式常用于访问程序存储器中的常数表。例如:MOVCA,@A+DPTR指令中的源操作数就是这种寻址方式。该指令寻址及操作功能如图3.2所示。3.2.6相对寻址相对寻址是以当前程序计数器PC值加上指令中给出的偏移量rel而构成实际操作数地址的寻址方法。它用于访问程序存储器,常出现在相对转移指令中。3.2.7位寻址位寻址是在位操作指令中直接给出位操作数的地址,可以对片内RAM中的128个位和特殊功能寄存器SFR中的93个位进行寻址。广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：3.3-3.4数据传送指令与算术运算指令课次：8教学方法：讲授+演示+上机指导教具：计算机、多媒体教学目的：通过本例及后续实例的讲解，让学生掌握截面法制作曲面的基本方法。教学重点：1、掌握相关的曲面作图命令：“通过曲线组”、“直纹”等；2、掌握使用命令作曲面时的技巧与方法，并掌握作图时的注意事项。教学难点：使用命令作曲面时的技巧。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟；复习旧课：1～2分钟作业分析：3～5分钟新课小结：1～2分钟讲授新课：76～80分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：3.3数据传送类指令数据传送类指令有29条,是指令系统中最活跃、使用最频繁的一类指令,几乎所有的应用程序都要用到这类指令。为便于找到规律以理解、记忆指令，对数据传送类指令再作如下分类：3.4算术运算类指令算术运算类指令共有24条指令,包括加法、带进位加法、带借位减法、加1、减1、乘除及十进制调整指令,主要完成加、减、乘、除四则运算,以及增量、减量和二十进制调整操作。算术运算结果将影响进位标志CY、半进位标志AC、溢出标志OV。加减法运算结果将影响CY、AC、OV,乘除运算只影响CY、OV。只有加1和减1指令不影响这三种标志。奇偶标志P要由累加器A的值来确定。3.4.1加、减法指令加、减运算指令包括不带进位加、带进位加、带借位减、加1和减1指令。其中前三种指令除操作码助记符不同外，它们的操作数寻址方式组合完全相同，后两种指令的操作数的寻址方式也基本相同。为了抓住这些特点来理解、记忆指令，我们以图3.4所示的形式说明，并在表3.2集中地写出这些指令。3.4.2十进制调整指令DAA；若(A)3~0>9或(AC)=1,则(A)3~0←(A)3~0+06H若(A)7~4>9或(CY)=1,则(A)7~4←(A)7~4+06H若AC=1,CY=1同时发生,或者高4位虽等于9但低4位修正后有进位,则A应加66H修正。十进制调整指令是一条对二十进制的加法进行调整的指令。它是一条单字节指令,机器码为D4H。两个压缩BCD码按二进制相加,必须在加法指令ADD、ADDC后,经过本指令调整才能得到正确的压缩BCD码和数,实现十进制的加法运算3.4.3乘、除法指令乘、除法指令为单字节4周期指令,在指令执行中是周期最长的两条指令。1.乘法指令MULAB;(B)←((A))×((B))15~8(A)←((A))×((B))7~0CY←0机器码：A4H单元教案续页逻辑“与”指令常用于屏蔽(置0)字节中的某些位。若清除某位,则用“0”和该位相与;若保留某位,则用“1”和该位相与。例12(P1)=C5H=11000101B,屏蔽P1口高4位而保留低4位。执行指令:ANLP1,#0FH结果为:(P1)=05H=00000101B逻辑“或”指令常用来使字节中某些位置“1”,其它位保持不变。欲置位的位用“1”与该位相或,保留不变的位用“0”与该位相或。例13若(A)=C0H,(R0)=3FH,(3FH)=0FH执行指令:ORLA,@R0结果为:(A)=CFH=11001111B逻辑“异或”指令常用来使字节中某些位进行取反操作,其它位保持不变。欲使某位取反,则该位与“1”相异或;欲使某位保留，则该位与“0”相异或。还可利用异或指令对某单元自身异或,以实现清零操作。例14若(A)=B5H=10110101B,执行下列操作:XRLA,#0F0H;A的高4位取反,低4位保留,(A)=01000101B=45HMOV30H,AXRLA,30H;(30H)=45H;自身异或使A清零用移位指令还可以实现算术运算,左移一位相当于原内容乘以2,右移一位相当于原内容除以2,但这种运算关系只对某些数成立(请读者自行思考)。例15设(A)=5AH=90且CY=0,则:执行指令RLA后,(A)=B4H=180;执行指令RRA后,(A)=2DH=45;执行指令RLCA后,(A)=B4H=180;执行指令RRCA后,(A)=2DH=45广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：3.5-3.6逻辑运算、控制转移指令教学方法：讲授+演示+上机指导教学目的：课次：9教具：计算机、多媒体1、用截面法作图的另一实例，通过该实例可以让学生掌握复杂截面法作图的技巧和方法；2、掌握截面法作图时各种命令及操作技巧与注意事项。教学重点：1、掌握相关的曲面作图命令：通过曲线网格，已扫掠等。2、掌握草图操作的技巧与方法。教学难点：使用命令作曲面时的技巧。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟；复习旧课：1～2分钟作业分析：3～5分钟新课小结：1～2分钟讲授新课：76～80分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：3.5逻辑运算及移位指令逻辑运算及移位指令共有24条,其中逻辑指令有“与”、“或”、“异或”、累加器A清零和求反等20条,移位指令有4条。该类指令中,累加器A清零和取反、移位指令都是针对累加器A进行操作的单操作数指令。逻辑“与”、“或”、“异或”操作指令除操作码助记符不同外,后跟两个操作数的寻址方式组合完全相同,且有一部分寻址方式组合与加、减法指令相同。为突出这些特点,我们以图3.5所示形式进行说明单元教案续页从图3.5中可看出,逻辑操作指令的目的操作数可以是累加器A或直接寻址。累加器A作目的操作数时,操作数的寻址方式与加、减运算指令完全相同;直接寻址作目的操作数时,源操作数只能是累加器A或立即数。这类指令的特点是不影响程序状态字寄存器PSW中的算术标志位。只有带进位CY循环移位指令才影响CY。所有逻辑运算均按位进行。表3.3中写出了全部逻辑操作指令3.6控制转移类指令控制转移类指令共有17条,可分为无条件转移指令、条件转移指令、子程序调用及返回指令。有了丰富的控制转移类指令,就能很方便地实现程序向前、向后转移,并根据条件实现分支运行、循环运行及调用子程序等。3.6.1无条件转移指令无条件转移指令有4条,列于表3.4中。3.6.2条件转移指令条件转移指令是指当某种条件满足时,程序转移执行;当条件不满足时,程序仍按原来顺序执行。转移的条件可以是上一条指令或更前一条指令的执行结果(常体现在标志位上),也可以是条件转移指令本身包含的某种运算结果。由于该类指令采用相对寻址,因此程序可在以当前PC值为中心的-128～+127的范围内转移。该类指令共有8条,可以分为累加器判零条件转移指令、比较条件转移指令和减1条件转移指令三类。表3.5中列出了这些指令。广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：3.7-3.10子程序调用、位操作及其它指令教学方法：讲授+演示+上机指导课次：10教具：计算机、多媒体教学目的：1、掌握传统装配的基本过程及方法技巧；2、掌握装配约束。教学重点：1、掌握传统装配的基本过程及方法技巧。教学难点：装配约束及运动仿真。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟；复习旧课：1～2分钟作业分析：3～5分钟新课小结：1～2分钟讲授新课：38～32分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：3.7子程序调用与返回指令有了子程序调用与返回指令,才能使模块化程序设计得以实现。用一条子程序调用指令,可将程序执行转向子程序的入口地址。仅从转向子程序入口看,子程序调用指令和转移指令相似,但二者有本质的区别:子程序调用指令使程序执行转向子程序入口,执行完子程序要返回主程序继续执行。为了实现返回,执行子程序调用指令时,首先将断点地址压栈保存,然后才转向子程序入口地址。在子程序的最后用一条子程序返回指令,使断点地址得以恢复,返回主程序继续执行。3.7.1子程序调用指令子程序调用指令有两条：长调用指令LCALL和短调用指令ACALL。3.7.2返回指令返回指令共2条：一条是子程序返回指令RET；另一条是中断服务程序的返回指令RETI。3.7.3空操作指令空操作指令是一条单字节单周期指令，即NOP；(PC)←(PC) + 1它控制CPU不做任何操作，仅仅是消耗一个机器周期的时间。NOP指令在设计延时程序、拼凑精确延时时间及在程序等待或修改程序等场合是很有用的。单元教案续页3.8位操作类指令位操作类指令在单片机指令系统中占有重要地位,这是因为单片机在控制系统中主要用于控制线路的通、断及继电器的吸合与释放等。位操作也称布尔变量操作,它是以位(bit)为单位进行运算和操作的。51单片机内部有一个功能相对独立的布尔处理机。布尔处理机借用进位标志CY作为位累加器,有位存储器(即位寻址区中的各位)。指令系统中有17条专门进行位处理的指令集。位处理指令可以完成以位为对象的数据转送、运算、控制转移等操作在位操作指令中,位地址的表示有以下不同的方法(以下均以程序状态字寄存器PSW的第5位F0标志为例说明):(1)直接位地址表示,如D5H。(2)点表示(说明是什么寄存器的什么位),如PSW.5,说明是PSW的第5位。(3)位名称表示,如直接用F0表示。(4)用户定义名称表示,如用户定义用FLG这一名称来代替F0,则在指令中允许用FLG表示F0标志位。位操作类指令列于表3.6中。3.9汇编程序格式与伪指令用汇编语言编写的程序称为源程序。它不能直接在计算机上运行，必须经过汇编把它变换成机器代码后，才能执行。编写源程序时，应遵循一定的格式要求，除了使用指令系统中的指令外，还可以使用伪指令。伪指令是给汇编程序提供如何进行汇编的一些信息，在汇编中不产生代码。3.10汇编程序设计示例51单片机汇编语言程序设计方法基本同别的语言程序设计一样,而更接近IBMPC机汇编语言程序设计。限于篇幅,本节只举一些具有51单片机汇编语言特点的程序作为示例,硬件特性使用的应用程序要结合第2章的硬件知识融会贯通。3.10.1算术与逻辑处理程序例21将一个双字节数存入片内RAM。设该待存双字节数高字节在工作寄存器R2中,低字节在累加器A中,要求高字节存入片内RAM的36H单元,低字节存入35H单元,则相应的参考程序如下:3.10.2数制转换程序例28将某8位二进制数转换为BCD码。设8位二进制数已在A中,转换后存于片内RAM的20H、21H单元。程序如下:MOVB,#100DIVAB;该8位二进制数除以100,在A中得到商,即转换为BCD码后的百位数MOVR0,#21H;R0指向21H单元广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：指令应用举例课次：11-12教学方法：讲授+演示+上机指导教具：计算机、多媒体教学目的：1、掌握传统装配的基本过程及方法技巧；2、掌握装配约束。教学重点：1、掌握传统装配的基本过程及方法技巧。教学难点：装配约束及运动仿真。教学过程时间分配（包括组织教学：复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）组织教学：2～3分钟；复习旧课：1～2分钟作业分析：3～5分钟新课小结：1～2分钟讲授新课：38～32分钟布置作业：1～2分钟课后记：单元教案续页教学过程设计：组织教学：复习旧课：作业分析：讲授新课：5.1普通装配要进行普通装配，就得先将一个机器中的所有零件作成三维模型，并存储在一个目录下。由于UG的零件名称的扩展名均为.prt，建议读者给装配取名时加上一定的标记，如作者就喜欢在装配图的后面加上-asm来表示装配图，如mymachine-asm.prt中的-asm就表示本图为UG装配图，值得注意的是，在实际工作中，零件的名称最好是用零件的代号，或者是零件代号加上零件名称的英文缩写或汉语拼音，这样更方便工作。一个机器可能是很复杂的，如果一次性将所有零件都装配上去可能是很困难的，同时也不便于今后的工作，因此正确的思路是：先将机器分为几个功能部件，再装配每一个功能部件，并作出功能部件的部装图；然后将部装图装配成总装配图。这样既便于装配工作，又便于今后工人的实际安装以及设计分析等。5.1.1减速器的装配减速器由小齿轮组件、大齿轮组件、箱体组件三大部件组成，再将这3个部件装配成一个整体，再做其他处理，这样装配便于完整操作。1.安装小齿轮部件a）b）c）图3-110添加轴承a）调用轴承b）设置装配面c）完成轴承装配d）完成小齿轮组件的安装d）2.安装大齿轮组件图3-113大齿轮组件单元教案续页3.安装箱体图3-120完成部分组件装配的结果图3-124全部装配后的效果4.总安装5.作剖面并修改可视化效果图3-127完成的剖切后不同实体有不同的颜色6.作爆炸视图图3-131不同方位的零件炸开后的效果图3-132创建跟踪线前后对比7.作运动仿真作运动仿真，则可以进行静、动力学分析等。广东技术师范学院天河学院教案第6章工程图概述本章教学目的及基本要求：教学目的：使学生掌握国家标准《技术制图》和《机械制图》中的基本规定，并在练习和实践中严格遵守各项规定。基本要求：学会UG工程图的有关命令的使用及操作方法，掌握UG工程图的系统设置；掌握UG工程图中各种视图的操作方法与技巧，通过本章学习，学生完全有能力使用UG作出符合国家标准的工程图。本章教学内容的重点和难点：重点：掌握UG各种视图的操作命令及操作方法。难点：部分特殊符号的如何在UG中实现，需要使用特殊处理方法，是本讲的难点。本章教学内容的深化和拓宽：如何制作自己的UG工程图资料库可作为学生学习UG的知识拓展。本章教学方法、方式：采用多媒体课件；讲授和现场演示相结合；本章主要参考资料：马淑华：《单片机原理与接口技术》，北京邮电大学出版社，2005谢维成《单片机原理与应用及C51程序设计(第3版）》.清华大学出版社,2014文武松《单片机实战宝典：从入门到精通》.机械工业出版社,2014张元良.《单片机原理及应用教程》.清华大学出版社,2011广东技术师范学院天河学院单元教案首页年月日第周课题：第6章工程图工程图实例1--轴的工程图（1）课次：13教学方法：讲授+演示+上机指导教具：计算机、多媒体教学目的：1、介绍图纸幅面、图框格式和尺寸、标题栏格式和内容、常用的比例和字体、图线的种类、应用等；2、掌握工程图的制