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1、 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术孙剑孙剑 主讲主讲 黄山学院信息工程学院黄山学院信息工程学院E-mail:目 录第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 MCS-51MCS-51单片机的结构及原理单片机的结构及原理第第3 3章章 MCS-51MCS-51单片机的指令系统单片机的指令系统第第4 4章章 汇编语言程序设计汇编语言程序设计第第5 5章章 定时定时/ /计数器计数器第第6 6章章 串行接口串行接口第第7 7章章 中断系统中断系统第第8 8章章 MCS-51MCS-51单片机的系统扩展单片机的系统扩展第第9 9章章 MCS-51MCS-51单片机的接口技术单片机的接口技术第第10
2、10章章 MCS-51MCS-51单片机应用举例单片机应用举例 单片机的名称单片机的名称 单片微型计算机简称单片机（单片微型计算机简称单片机（Single Chip Microcomputer），），又称微制器（又称微制器（Microcomputer Unit）。）。 将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上。片内含将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上。片内含有有CPUCPU、ROMROM、RAMRAM、并行并行I/OI/O、串行串行I/OI/O、定时器定时器/ /计数器、中断控计数器、中断控制、系统时钟及总线制、系统时钟及总线等随后，按照面向对象、突出控制功能，在等随后，按照
3、面向对象、突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义的计算机片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义的计算机结构，发展成结构，发展成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器为微控制器MCUMCU（Micro Controller UnitMicro Controller Unit）。）。 鉴于它完全作嵌入式应用，故又称为嵌入式微控制器鉴于它完全作嵌入式应用，故又称为嵌入式微控制器Embedded MicrocontrollerEmbedded Microcontroller）。）。 通用单片机和专用单片机
4、通用单片机和专用单片机 根据控制应用可分为：通用型和专用型两大类。根据控制应用可分为：通用型和专用型两大类。1 1、早期、早期通用型单片微机。通用型单片微机。 通过不同的外围扩展来满足不同的应用对象要求。通过不同的外围扩展来满足不同的应用对象要求。2 2、随着应用领域的不断扩大出现了专门为某一类应用而设计、随着应用领域的不断扩大出现了专门为某一类应用而设计的单片机的单片机专用型单片微机。专用型单片微机。目的：降低成本、简化系统结构、提高可靠。目的：降低成本、简化系统结构、提高可靠。如：如：用于计费率电表、用于电子记事簿的单片机用于计费率电表、用于电子记事簿的单片机 等。等。单片机与单片机系统单
5、片机与单片机系统 单片机单片机通常是指芯片本身，集成的是一些基本组成部分。是通常是指芯片本身，集成的是一些基本组成部分。是典型的嵌入式系统的主要构成单元，只能作为嵌入式应用，即嵌典型的嵌入式系统的主要构成单元，只能作为嵌入式应用，即嵌入到对象环境、结构、体系中作为其中的一个智能化控制单元。入到对象环境、结构、体系中作为其中的一个智能化控制单元。 单片微机应用系统结构通常分三个层次单片微机应用系统结构通常分三个层次，即即单片机单片机、单片机系统单片机系统、单片机应用系统单片机应用系统。 单片机应用系统单片机应用系统中包括了满足对象（如洗衣机）要求的全部中包括了满足对象（如洗衣机）要求的全部硬件电
6、路和应用软件。构成各种嵌入式应用的电路系统，统称硬件电路和应用软件。构成各种嵌入式应用的电路系统，统称为单片机应用系统为单片机应用系统。 单片机系统单片机系统是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。如数字频率计等。成的具有一定应用功能的计算机系统。如数字频率计等。如如：洗衣机、电视机、：洗衣机、电视机、VCD、DVD等家用电器，打印机、复印机、通信设备、智能等家用电器，打印机、复印机、通信设备、智能仪表、现场总线控制单元等。仪表、现场总线控制单元等。单片机：单片机： 通常是应用系统的通常是应用系统的主机主机，设计单片
7、机应用系统时，为所选择，设计单片机应用系统时，为所选择的单片机系列器件。的单片机系列器件。单片机系统：单片机系统： 单片微机资源的扩展，外围接口电路进入片内，最终向单片应单片微机资源的扩展，外围接口电路进入片内，最终向单片应用系统集成发展。用系统集成发展。最终产品的目标系统，除了硬件电路外，最终产品的目标系统，除了硬件电路外，还须嵌入还须嵌入系统应用程序系统应用程序。按照所选择的单片机，以及单片机的技。按照所选择的单片机，以及单片机的技术要求和嵌入对象对单片机的资源要求构成术要求和嵌入对象对单片机的资源要求构成单片机系统单片机系统。单片机应用系统：单片机应用系统： 按照单片机要求在外部配置单片
8、机运行所需要的时钟电路复按照单片机要求在外部配置单片机运行所需要的时钟电路复位电路等，构成了单片机的最小应用系统。在单片机中位电路等，构成了单片机的最小应用系统。在单片机中CPUCPU外围外围电路不能满足嵌入对象功能要求时，在单片机外部扩展电路不能满足嵌入对象功能要求时，在单片机外部扩展CPUCPU外围外围电路，如存储器、定时器计数器、中断源等，形成能满足具体电路，如存储器、定时器计数器、中断源等，形成能满足具体嵌入嵌入应用应用的一个计算机系统。的一个计算机系统。 单片机应用系统与单片机开发系统单片机应用系统与单片机开发系统 单片机开发系统单片机开发系统是单片机的开发调试的工具，有单是单片机的
9、开发调试的工具，有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。开发。 MDSMDS（微型机开发系统）、微型机开发系统）、ICEICE（在线仿真器在线仿真器） 单片机的程序设计语言和软件单片机的程序设计语言和软件 机器语言：机器语言： 单片机应用系统只使用机器语言（指令的二进制代码，又称单片机应用系统只使用机器语言（指令的二进制代码，又称指令代码）。机器语言指令组成的程序称目标程序。指令代码）。机器语言指令组成的程序称目标程序。 MCS-51MCS-51两个寄存器相加的机器语言指令：两个寄存器相加的机器语言指令：00101000001010
10、00 汇编语言汇编语言： 与与机机器器语语言言指指令令一一一一对对应应的的英英文文单单词词缩缩写写，称称为为指指令令助助记记符符。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。 MCS-51MCS-51两个寄存器相加汇编语言指令：两个寄存器相加汇编语言指令：ADD AADD A，R R0 0 机器语言机器语言（Machine Language) )有三类有三类 汇编语言汇编语言 ( (Assemble) ) 高级语言高级语言 ( (High Level Language) ) 高级语言：高级语言： 高级语言源程序高级语言源程序C-51C-51、C C、PL/M51PL
11、/M51等。等。简单简单控制程序不太长。控制程序不太长。复杂复杂多种多样的控制对象，少有现成程序借鉴。多种多样的控制对象，少有现成程序借鉴。简单系统简单系统不含管理和开发功能。不含管理和开发功能。复杂系统复杂系统实时系统，需要监控系统实时系统，需要监控系统 （甚至实时多任务操作系统）。（甚至实时多任务操作系统）。编译型高级语言可生成机器代码；编译型高级语言可生成机器代码；解释型高级语言必须在解释程序支持下直接解释执行。解释型高级语言必须在解释程序支持下直接解释执行。因此，只有编译型高级语言才能作为微机开发语言。不同计算机语言的应用：不同计算机语言的应用：源程序通过编译得到机器能执行的目标程序。
12、 汇汇编编语语言言程程序序可可以以高高效效率率利利用用计计算算机机资资源源，目目标标程程序序占占用用内内存存少少，执执行行速速度度快快，适适合合于于自自动动测测控控系系统统反反应应快快速速、结结构构紧紧凑的要求。实际应用中，常与凑的要求。实际应用中，常与C C语言配合使用。语言配合使用。 高高级级语语言言程程序序容容易易掌掌握握，通通用用性性好好，但但编编译译程程序序系系统统开开销销大大，目目标标程程序序占占用用内内存存多多，且且执执行行时时间间比比较较长长，多多用用于于科科学学计计算、工业设计、企业管理。算、工业设计、企业管理。源程序源程序目标程序目标程序编译编译程序程序电子计算机的发展历史
13、 1、第一代（、第一代（19461958）：电子管计算机。）：电子管计算机。 用于：科学计算用于：科学计算2、第二代（、第二代（19581964）：晶体管计算机。）：晶体管计算机。 用于：科学计算、数据处理、工业控制用于：科学计算、数据处理、工业控制3、第三代（、第三代（19641971）：集成电路计算机、网络。）：集成电路计算机、网络。 用于：科学计算、数据处理、工业控制、事务管理。用于：科学计算、数据处理、工业控制、事务管理。4、第四代第四代（1971 ）：大规模集成电路计算机。）：大规模集成电路计算机。 用于：计算量极大的高尖技术及国民经济领域出现了用于：计算量极大的高尖技术及国民经济领
14、域出现了微型机。微型机。5、第五代：、第五代：智能型计算机智能型计算机正在研制中。正在研制中。 用于：模拟人的智能，识别图像、语言和物体，联想、推理、用于：模拟人的智能，识别图像、语言和物体，联想、推理、 解答问题，使用自然语言进行会话处理。解答问题，使用自然语言进行会话处理。单片机发展概述单片机发展概述微型计算机的发展历史微型计算机的发展历史微型机算计的核心部分：微型机算计的核心部分：微处理器微处理器的发展已经历了五代。的发展已经历了五代。第一代（第一代（1971197119731973）：）：4 4位位8 8位（初级）位（初级）第二代（第二代（1973197319751975）：）：8 8
15、位（初级）位（初级）第三代（第三代（1975197519781978）：初级）：初级8 8位单片机位单片机 Intel MCSIntel MCS4848系列单片机系列单片机第四代（第四代（197819788080年代中期）：高档年代中期）：高档8 8位单片机位单片机 Intel MCSIntel MCS5151系列单片机系列单片机1616位、位、3232位位第五代（第五代（8080年代中期至今）：年代中期至今）：6464位位1976- 1976- ：初级：初级8 8位单片机位单片机 Intel MCS-48Intel MCS-48系列系列1980- 1980- ：高档：高档8 8位单片机位单片
16、机 Intel MCS-51Intel MCS-51系列：系列： 5151子系列：子系列：80318031/8051/8751/8051/8751 52 52子系列：子系列：80328032/8052/8752/8052/8752 低功耗型低功耗型80C31 80C31 高性能型高性能型80C252 80C252 廉价型廉价型89C89C20512051/ /105110511983- 1983- ：1616位单片机位单片机 Intel MCS-96 Intel MCS-96 系列：系列： 8098/80968098/8096、80C198/80C19680C198/80C196 32 32位
17、单片机位单片机 8096080960 低档型：8021、8022MCS48 基本型：8048、8748、8038 （从1976年起） 改进型：8049、8749、8039和8050、 8750、8040 基本型：8051、8751、8031MCS51 改进型：8052、8752、8032 （从1980年起） 低功耗型：80C51、87C51、80C31 强性能型：83C252、87C252、80C252 早期产品： 8X9X（8096）MCS96 改进型： 8X9XBH、8X9XJF （从1983年起） 新产品： 8098（准） 强功能型：80C196、80C198（准）MCS-51MCS-5
18、1单片机系列单片机系列 MCS-51MCS-51系列基本产品型号：系列基本产品型号：80518051、80318031、87518751称为称为 5151子系列。子系列。 不不同同型型号号MCS-51MCS-51单单片片机机CPUCPU处处理理能能力力和和指指令令系系统统完完全全兼兼容容，只是存储器和只是存储器和I/OI/O接口的配置有所不同。接口的配置有所不同。 硬件配置硬件配置硬件配置硬件配置基本基本基本基本配置配置配置配置：1.1. 8 8位位位位CPUCPU2. 2. 片内片内片内片内ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM3. 3. 片内并行片内并行片内并行片内并行 I/O
19、I/O接口接口接口接口4. 4. 片内片内片内片内1616位定时器位定时器位定时器位定时器/ /计数器计数器计数器计数器5. 5. 片内中断处理系统片内中断处理系统片内中断处理系统片内中断处理系统6. 6. 片内全双工串行片内全双工串行片内全双工串行片内全双工串行I/OI/O口口口口 MCS51系列单片机的系列单片机的3种基本产品种基本产品8051：片内含有掩膜片内含有掩膜ROM型程序存储器；型程序存储器； 只能由生产厂家代为用户固化；只能由生产厂家代为用户固化； 批量大、永久保存、不修改时用。批量大、永久保存、不修改时用。8751：片内含片内含EPROM型程序存储器；型程序存储器； 用户可固
20、化，可用紫外线光照射擦除；用户可固化，可用紫外线光照射擦除； 但价格高但价格高。8031：片内无程序存储器，可在片外扩展；片内无程序存储器，可在片外扩展； 方便灵活，价格便宜。方便灵活，价格便宜。80C5180C51单片机系列单片机系列INTEL公司先后推出了三个系列的单片机： MCS48系列 MCS51系列 MCS96系列典型产品： 8096 8098 （准） 80C196 80C198 （准） 新一代80C51增加了一些外部接口功能单元， 如A/D，PCA，WDT等。PHILIPS ：80C51ATMEL(Flash ROM)：AT89C51CHMOS：低功耗，高速度和高密度(HMOS)待
21、机和掉电保护 单片机应用的特点单片机应用的特点计算机的控制应用分为计算机的控制应用分为控制系统离线应用：控制系统的计算机辅助设计控制系统离线应用：控制系统的计算机辅助设计 （控制系统（控制系统CADCAD）控制系统在线应用：计算机控制系统控制系统在线应用：计算机控制系统 使用单片机使用单片机工业控制领域与通用计算机系统不同的要求工业控制领域与通用计算机系统不同的要求: :(1)(1)面对控制对象。面对物理量传感变换的信号输入；面对控制对象。面对物理量传感变换的信号输入； 面对人机交互的操作控制；面对人机交互的操作控制； 面对对象的伺服驱动控制。面对对象的伺服驱动控制。(2)(2)嵌入到工控应用
22、系统中的结构形态。嵌入到工控应用系统中的结构形态。(3)(3)工业现场环境中可靠性品质。工业现场环境中可靠性品质。(4)(4)突出控制功能。对外部信息及时捕捉；突出控制功能。对外部信息及时捕捉； 对控制对象能灵活地实时控制；对控制对象能灵活地实时控制； 有突出控制功能的指令系统，有突出控制功能的指令系统， 如如I/OI/O口控制、位操作、口控制、位操作、 丰富的转移指令等。丰富的转移指令等。单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域单片机的应用领域单片机的应用领域1 1、用单片机构成智能化产品、用单片机构成智能化产品：在智能仪器仪表中的应用；在智能仪器仪表中的应用；在家用产品中的应用；在家用产品中的应用；在医疗仪器中的应用；在医疗仪器中的应用；在计算机外部设备中的应用。在计算机外部设备中的应用。2 2、单片机在工业测控领域中的应用：、单片机在工业测控领域中的应用：过程控制：过程控制： 数控铣床、步进控制、生产流水线等；数控铣床、步进控制、生产流水线等；数据采集；数据采集；信号处理；信号处理；旧设备的改造。旧设备的改造。
