单片机原理及应用讲解

单片机原理及应用设计

一、课程的性质和目的

单片机是微型计算机应用技术的一个重要分支，近年来在工业智能仪器仪表、光机电设备、自动检测、信息处理、家电等的得到广泛应用和迅速发展。

《单片机原理及应用设计》是为电子信息工程、测控技术类专业及计算机应用专业学生开设的专业基础必修课或专业基础选修课，本课程的教学目的是通过理论教学与实验环节，使学生正确理解单片机的基本概念、基本原理，掌握单片机程序设计和微机接口应用的基本方法，并能综合运用单片机的软、硬件技术分析实际问题，为工业生产、科学研究和实验设备等领域的单片机应用和开发打下良好的基础，也是进一步学习计算机原理和有关接口知识重要环节。二、课程教学内容本课程以理论教学为主要环节，以学生课堂实验为辅，同时使用计算机辅助教学，44学时理论课和28学时实验课，具体安排如下:1.计算机基础（4学时）（1）单片机的基本概念

主要介绍单片机的发展概况（现状、未来的发展）、特点、应用和当前单片机的系列产品。

（2）单片机的数制表示法

主要介绍数制的转换、原码、反码、补码

及计算机中常用的编码。

（3）单片机常用逻辑电路简介

包括基本门电路、触发器、寄存器、计数器、三态门与缓冲器、译码器。

2.单片机的内部结构及工作原理（4学时）主要内容：掌握MCS-51单片机的内部结构及基本工作原理；单片机并行I/O口的结构特点；单片机最小系统的设计方法；单片机存储器的扩展方法。3.单片机的指令系统（4学时）主要内容：MCS-51单片机指令的格式、分类和寻址方式；汇编语言的各种指令类型；伪指令的使用及汇编语言程序的完整格式。

４.程序设计(共8学时，4学时讲授，4学时实验)主要内容：MCS-51单片机汇编语言程序设计的步骤；循环程序、分支程序、延时程序、查表程序的结构及使用方法；数制的转换原理；定点数、浮点数运算程序。5.单片机的中断系统（共6学时，4学时讲授，2学时实验）主要内容：MCS-51单片机中断源的种类及工作方式；外部中断的结构及原理中断控制寄存器IE、中断优先级寄存器IP及定时器/计数器及外部中断控制寄存器TCON的使用方法；

6.单片机的定时器/计数器(共6学时，4学时讲授，2学时实验）

主要内容：单片机定时器/计数器的结构、原理、工作方式及使用方法。7.单片机的串行通信（共6学时，4学时讲授，2学时实验）主要内容：单片机串行通信I/O接口的结构及工作方式；串行通信控制寄存器的使用方法；MCS-51单片机串行通信波特率的设置方法；MCS-51单片机的双机通信和多机通信的基本原理。8.单片机C51程序设计（共14学时，6学时讲授，8学时实验）

主要内容：C51的结构及特点；C51的的数据类型；C51的常量与变量、C51的运算符及程序的格式；C51的基本语句及C51的程序设计方法。

9.并行I/O口的应用与扩展（共8学时，2学时讲授，6学时实验）

MCS-51单片机基本I/O口的应用与扩展；键盘与显示器的扩展原理及方法；常用外围电路接口芯片8255、8155、8279的性能特点及使用方法；存储器的扩展原理与方法。10.A/D、D/A转换器的应用（共6学时，4学时讲授，2学时实验）

主要内容：MCS-51单片机与8位A/D和D/A转换的原理；MCS-51单片机与12位A/D转换器的串、并行接口技术；MCS-51单片机与具有总线接口芯片PCF8591的使用方法。11.单片机的应用实例（共6学时，4学时讲授，2学时实验）主要内容：MCS-51单片机在步进电机控制系统中的应用；数据采集系统的设计；单片机在温度控制系统中的应用；IC卡读写器的设计。单片机原理及应用课程特点①知识点既分散又连贯，结构和指令系统是基础；②与电子线路尤其是数字电子线路关系密切；学习方法①预习、复习；②多动手（硬件、软件实验）；③多看参考书(包括利用网上资料)；④其它（上课、作业、答疑）。第1章单片机系统基础知识

1.1概述1.1.1单片机的基本概念1.微处理器的概念MPU是微处理器的缩写（Microprocessor），简称为MP。MPU是集成在同一块芯片上的具有运算和控制功能逻辑的中央处理器。微处理器不仅是构成微型计算机、单片微型计算机系统、嵌入式系统的核心部件，而且也是构成多微处理器系统和现代并行结构计算机的基础。1.1.1单片机的基本概念2．微型计算机的概念微型计算机（microcomputer）是指由微处理器加上采用大规模集成电路制成的程序存储器和数据存储器，以及与输入/输出设备相连接的I/O接口电路，微型计算机简称MC。1.1.1单片机的基本概念3．单片机的基本概念单片机SCMC(SingleChipMicroComputer)—属于微型机的一种—具有一般微机的基本组成和功能其它名称：微控制器MCU（MicroControllerUnit）

嵌入式微控制器（embeddedmicrocontroller）单片机是单片微型计算机的简称，也就是把微处理器（CPU）、一定容量的程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）、输入/输出接口（I/O）、时钟及其它一些计算机外围电路，通过总线连接在一起并集成在一个芯片上，构成的微型计算机系统。1.掉1.绩1单片搂机的挡基本挤概念4．弹嵌入礼式系战统的性基本阵概念嵌入涂式系皇统泛寄指嵌床入于互宿主沿设备墓的系钳统中塑，嵌钓入的渔目的号主要干是用美智能炭化提蔑升宿股主设菜备的敢功能券。嵌入积式系斜统是站以应臭用技沃术产踏品为巡寿核心水，以洋计算馅机技谋术为久基础瓦，以彼通信溜技术村为载圈体，捉以消清费类僚产品不为对师象，竖引入情各类秘传感弱器加朱入，眼进入遍In裂te配rn溜et糊网络柳技术透的连狂接，秒而适泼应应志用环迟境的狐产品隶。特点铅：（1）迷嵌入准式微线处理高器对粘实时冤多任熄务有晋很强热的支咸持能倍力；（2捏）嵌父入式含微处跳理器薄具有正功能乱很强卸的存鲁储区写保护密功能饺。（3叫）嵌风入式赶微处鉴理器夫功耗堤很低锡，1.环1.仿1单片每机的项基本挽概念5．SO每C的基骑本概晴念SO舒C是片滥上系嘱统的荒简称鸭。所误谓SO喘C是一浊种高奥度集觉成化羊、固晶件化融的系避统集堪成技挂术。喉使用SO宰C技术姐设计蔽系统融的核嗓心思严想，渔就是衫要把薯整个适应用升电子副系统习全部树集成铸在一僚个芯摸片中突。在倡使用SO挠C技术廊设计棍应用舅系统粥时，逢除了瞧那些跑无法位集成望的外裤部电予路或晕机械谊部分判以外准，其熔他所旋有的舟系统遵电路午全部倒集成樱在一崇起。1.述1.县2吉单秧片机辨的发肃展概报况1．单密片机仪的发债展阶界段（1）单齿片机励的初里级阶穿段（2）单银片机惭的中市级（退成熟焦）阶胀段（3）单惹片机扶的高锻级（掘发展蜘）阶眼段1.柿1.庙2仆单基片机流的发秒展概漫况2．单愿片机隐技术衣的发喂展方亲向（1）内始部结葛构（2）功欠耗和森电源猎电压循方面（3）工艇艺的熄进步阅及抗歼干扰考能力赖的提凉高（4）存奶储能摊力和In稳te饶rn雾et连接1.刷1.烈3单片但机的供特点串和应呈用1.单片茅机的飘特点（1）体秩积小腾、使塑用灵顺活、膛成本租低、车易于点产业预化。（2）可宵靠性示好，馒适应傻温度壶范围橡宽。（3）易狐扩展坐，很谣容易争构成尘各种画规模宫的应附用系惭统、裂控制月功能鉴强。（4）系弃统内寄无监室控或极系统油管理六程序汗。2．热单片长机的体应用（1）测郑控系心统（2）智制能仪种器仪保表（3）通漠讯产掘品（4）民立用产汗品（5）军爽用产滩品（6）计巡寿算机烤外部协设备1.浇1.投4单片秩机的兴系列莲产品坏介绍1．80慕51类单瓣片机2．Mo消to烧ro较la单片析机3．Mi负cr渣oc码hi栗p单片呈机4．华这邦单公片机5．Ep悟so笼n单片抢机6．Ep挺so皆n单片梁机7．NS单片稼机8．其铃它单垂片机9.骗A膜T8蚂9系列1.东2单片泳机的韵数制造表示锐法1.赴2.师1二进液制、呼十进危制与畅十六茅进制1．二缸进制以2为基那数的究数制望叫二柿进制律，它放只包珠括“0”和“1”两个唯符号二进价制数核以B作为掘标识爷符。一个骄含有n位整使数，m位小知数的严二进拔制数臭可表骑示为赠：N=Xn－1×2n-药1＋Xn－2×2n－2＋…＋X0×20＋X－1×2-1＋X－2×2-2＋…＋X－m×2-m或：举例例如宏：二锋进制钩数10医1.熊10命1B等于播十进陵制的5.迎62燥5其各坑位数捆码代害表的偏数值山为：1×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋0×2－2＋1×2－3=5稀.6疾252．料十进共制以10为基贩数的篇数制享叫十爆进制茄，十贪进制淘用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9等10个符汉号来润表示辽。进话位规管则是膀“逢兴十进改一”置。十拾进制劳数以D作为吹标识棚符。一个堪含有n位整厘数，m位小瞎数的呢十进焦制数休可表棋示为帝：N=Xn－1×1拨0n-哀1＋Xn－2×1价0n－2＋…＋X0×1沙00＋X－1×1米0-1＋X－2×1赌0-2＋…＋X－m×1唯0-m或：3．术十六惠进制以16为基克数的详数制绒叫十渴六进蝇制，章进位纽奉规则跟是“馋逢十翅六进引一”比。十患六进探制数板以H作为佳标识缸符。一个话含有n位整浪数，m位小辰数的认十六抬进制肚数可末表示暖为：N=Xn－1×1佩6n-恭1＋Xn－2×1草6n－2＋…＋X0×1壮60＋X－1×1掠6-1＋X－2×1惹6-2＋…＋X－m×1许6-m或：1.易2.型2数制弄的转帅换1．二凝进制叶→十垄进制稻的转篇换例如驶：11处01诱.1说1B秆=1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋1×2－2=1敲3.刑752．十六馅进制诊→十毕进制撑的转滑换例如哄：3B尽H=清3×161＋11×160=5顶91A稳6C添H=皮1×163＋10×162＋6×161＋12×160=6珍76吓43．殿十进铜制→桐二进史制的郊转换把一岔个十爷进制塞整数怜依次桌除以2，并比记下涛每次娃所得俯的余禾数（1或0），有最后支所得吓的余傲数的佛组合倚即为笑转换弟的十招进制导数。闹第一把位余话数为昌最低畜位（LS缠B），最后彻一个壤余数桥为最观高位蹈（MS卧B）。例如献：12茄6=注1判11群11贱10永B例如丑：21磨3=赢11鸦01件01宽01融B十进朗制数方转换变成二泛进制例如光：0.贞31压8=跨01叨01决00旱01求0…B4．践十六吊进制绢→二么进制暖的转厅换将每抄位十结六进垄制数聪转换护成相闻应的拿四位凯二进峡制数花即可供。5．二因进制电→十隶六进划制的福转换只需量从二莲进制踪蝶数的垫最低翠位算牌起，鹊每四绩位一第个数脏，到遭最高建位不邻够四刺位填0，即虹可按顶位转公换成铲十六岗进制椒数。6．验十进牲制→佩十六舍进制宅的转界换十进崇制转亭换成睡十六响进制哭与十死进制蓄转换户成二简进制捆方法启一样窜，只证是除均数为16而不序是2。而欢余数须是0～F中的竖任一洽个数洞。例如醒：91选68背=2栏3D自0H1.侨2.倚3原码午、反怜码与貌补码在计疮算机特中，毒为了枝运算堪的方冷便，母数的登最高朋位用拔来表扣示正筋、负讲数。抄最高焦位为启“0”表示恨正数洞，最种高位昨为“1”表示菠负数篇。为了枕区别甲原来飘的数略与它柏在计根算机另中的英表示附形式辈，我肝们将菊已经捕数码孤化了袜的带滩符号迈数称易为机器木数。而直把原妙来的每数称带为机粉器数吹的真值。机器倒数有旁三种屯表示椅方法亚：原快码、师反码米、补彩码。1．原姑码在符辣号位某用0表示狱正数蕉，在怀符号朴位用l表示据负数仓，而叶数值左位保井持原胀样的途数，晨这样混的机眼器数马称为芒原码司。8位二泉进制纯原码扰表示夹的数惩的范洋围为砍：－12朝7～＋12若7。（1）正之数正数崖的原中码与万原来血的数勾相同夜。（2）负托数负数扎的原秋码为妖符号谷位置1，而编数值父位不迹变。（3）0的原岗码表肢示0的原忠码表桌示法脉有两丙种，糖即正0和负0。[+激0]原＝00作00吊00幅00[-宏0]原＝10艘00毁00袄002．反诊码8位二绵进制升反码潜表示皂的数电的范朱围为恰：－12色7～＋12套7（1）正柳数鄙正卫数的义反码齿与正密数的够原码国相同只。（2）负分数娱负不数的槽反码祥为数双值位配的值丧按位苦求反娇后，陡符号盖位取堆“1”。(3）0的反梯码表弯示0在反杂码中炎也有阅两种本表示搬法，稀正0和负0。[+看0]反＝00穗00乖00脂00[-抵0]反＝11朵11侄11膛113．补猛码8位二使进制夕补码揭表示榨的数逐的范锡围为嫩：－12喝8～＋12座7。补码湿概念名举例大：（1）正额数正数穴的补敞码与患正数进的原蠢码相臭同。（2）负拔数创负拒数的共补码间由它笑的绝阳对值击求反讨加1后得番到。（3）0的补午码表训示0的补兆码表搭示只备有一馒种，割其表离达式振为：[+乌0]补=[剂-0标]补＝00抖00代00链00芳B补码且的加间法规凉则是缸：[X＋Y]补=[考X]补＋[Y乞]补补码笋的减补法规泽则是鉴：[X－Y]补=[递X]补＋[-轮Y]补补码国运算问举例误1：求十牺进制抄数76－28的运方算76的2进制乌是01喊00限11纱0028的2进制直是00遣01进11闸00-捐28的补蜂码是00尽01巴11爽00补码运算惠举例2：求十握进制偶数36－52的运线算[-弯16典]补=1究11御10壶00沫0总结倡：对于晌正数棵：[x欢]原＝[x牧]反＝[x助]补对于应负数江：[x习]反＝[x伪]原数值象位取戴反，咳符号犯位不咬变。[x奔]补=[态x]反＋1采取挖求补歪运算袭，可问以将毙计算兔机中狂的减眠法运府算转寸换成默加法很运算板，从津而节恐约了雕计算纳机的烫硬件庸成本鹿。1.扁2.填4任计锤算机塞中常选用的粘编码1．BC置D（84炎21）码采用录二进句制数感对每招一位译十进束制数易字编丽码，夸这种播编码裁方式舌称为BC欣D码（Bi铜na柱ry桐c趴od码ed磁D拢ec饥im拆al雀C今od胸e）。表1-陪2十进斜制与献二进播制的贤对照（2）BC刷D码的禾换算（3）BC研D码加傲法虚：“堆逢十兼进一束”圣，若饱各位棕的和巴均在0～9之间维，则驳其加织法运碍算规血则完阴全同楼二进寺制数驰加法乒的规垮则一雨样；才若相典加后忽的低4位（鲁或高4位）身二进寨制数砌大于9，或渐大于15（即居低4位或繁高4位的势最高掉位有念进位螺），裁则应晴对低4位（纹或高4位）届加6修正国。例如虽：BC半D码X=陷59，Y=酒78，求X+找YX=蔽01深01柿1虏00炎1，Y=城01愤11展1跨00赞0（4）BC脏D码减忆法BC饼D码进茶行减护法时宵，也磁会出婚现需甩要修页正的记现象嘴，BC德D码减帆法修盘正的步条件肃和方蝇法是狠：低4位向纽奉高4位借鸟位，尽或低4位出裹现非并法码浓，低4位减6修正牺；高4位出膜现非宝法码种，或物高4位向军更高沈的借星位，堆高4位减6修正饲。例如冬：BC闪D码X=量55，Y=洞38，求X-腥YX=纪01预01巨0雷10文1，Y=额00且11越1偷00苗02．AS右CⅡ码AS草CⅡ编码号表（Am隙er厦ic掀an氧s秒ta山nd替ar捆d旨Co农de悠f详or哲i此nf浪or判ma尘ti掘on域i积nt里er涛ch寺an杰ge美国斤信息因交换阴标准调代码转）AS魂CⅡ码用7位二侧进制雷数表赌示，抢可表年达12顶8个字纲符，通其中惧包括习数码0～9，英引文大电小写院字母子，标橡点符时号和绕控制权字符轻。7位AS逐CⅡ码分吧成二毯组：英高3位一狐组，暴低4位一晓组，衣分别摘表示花这些逼符号番的列倒序和从行序枪，AS桶CⅡ码的便分组陵如图1-途3所示伸。常用粮的与嚷门电伞路有仿2输斜入与拐门、偏3输由入与理门、淘4输蔽入与澡门。丙常用产的T柏TL诊电路虽的与提门芯根片有梳74芒LS议08喊（四碰2输昼入正惨与门疏）、目74剂LS叹09迅（四线2输等入正烦与门削）、卖74漆LS俱11徐（三运3输津入正艇与门迷）、伍74油LS躺21缓（二坦4输史入正俘与门砌）等积。1.厅3单片唇机常盖用逻舱辑电区路简融介1.听3.昨1基本稿门电衰路1．与天门电借路电路闹符号远：或门予电路竿的形渔式也避有许煮多种脑，常纽奉用的久或门葛电路咽有2亮输入姑或门友。T圆TL便电路蛾的或双门芯冤片有骡74绘LS雾32扩（四令2输信入正稳或门排）。1.秤3单片亩机常正用逻寄辑电百路简毙介1.嗓3.鉴1基本拌门电榴路2．或孤门电董路电路谱符号牲：TT暴L电攀路的蔽非门促芯片返有7挎4L吊S0驴4（夸六反匆相器植）、铁74奴LS坐05盗（集绵电极培开路顷型六急反相外器）么。1.趁3单片响机常工用逻穿辑电贴路简鼻介1.向3.驱1基本原门电盒路3．非绵门电步路电路叮符号畜：常用沿的TT宏L电路痒的与姐非门历芯片爆有74盾LS圣00（四2输入抄正与银非门突）、74习LS皱10（三3输入党正与塘非门敏）、74物LS型20（二4输入圾正与僻非门满）、74街LS包30（8输入本正与芝非门笋）、74召LS溉01笛/0斯3（集好电极菌开路深型四2输入衬正与牢非门萄）。或非上门芯灯片有脉74聚LS掘02混（四摧2输摄入正叔或非套门）摔、7豪4L厚S2捧7（球三3氧输入产正或果非门狐）、本74船LS使25饼（带绞选通桃端二冬4输困入正蹈或非漏门）尿。4．与裹非门滚和或颜非门姑电路电路大符号暖：RS触发涌器的剪工作摔状态1.委3.鼻2触发真器1．基酸本RS触发圾器电路驾图D触尊发器斤真值没表2．D触发妈器内部结结构