《《片机原理及应用设计》单片机系统.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《片机原理及应用设计》单片机系统.ppt（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单片机原理及应用设计单片机原理及应用设计 胡辉主编胡辉主编王晓王晓 戴永成戴永成 副主编副主编中国水利水电出版社ISBN 7-5084-2910-921 21世纪世纪高等院校规划教材高等院校规划教材一、课程的性质和目的一、课程的性质和目的 v单单片片机机是是微微型型计计算算机机应应用用技技术术的的一一个个重重要要分分支支，近近年年来来在在工工业业智智能能仪仪器器仪仪表表、光光机机电电设设备备、自自动动检检测测、信信息息处处理理、家家电电等等的得到广泛应用和迅速发展。的得到广泛应用和迅速发展。 单单片片机机原原理理及及应应用用设设计计是是为为电电子子信信息息工工程程、测测控控技技术术类类专专业业
2、及及计计算算机机应应用用专专业业学学生生开开设设的的专专业业基基础础必必修修课课或或专专业业基基础础选选修修课课，本本课课程程的的教教学学目目的的是是通通过过理理论论教教学学与与实实验验环环节节，使使学学生生正正确确理理解解单单片片机机的的基基本本概概念念、基基本本原原理理，掌掌握握单单片片机机程程序序设设计计和和微微机机接接口口应应用用的的基基本本方方法法，并并能能综综合合运运用用单单片片机机的的软软、硬硬件件技技术术分分析析实实际际问问题题，为为工工业业生生产产、科科学学研研究究和和实实验验设设备备等等领领域域的的单单片片机机应应用用和和开开发发打打下下良良好好的的基基础础，也也是是进进一
3、一步步学学习习计计算算机机原原理理和和有有关关接接口口知知识识重要环节。重要环节。二、课程教学内容二、课程教学内容本本课课程程以以理理论论教教学学为为主主要要环环节节，以以学学生生课课堂堂实实验验为为辅辅，同同时时使使用用计计算算机机辅辅助助教教学学，4444学学时时理理论论课课和和2828学学时时实实验验课课，具体安排如下具体安排如下: :1.1.计算机基础（计算机基础（4 4学时）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
4、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。 2.2.单片机的内部结构及工作原理单片机的内部结构及工作原理 （4 4学时）学时）q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. 3. 单片机的指令系统单片机的指令系统（4 4学时）学时）q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。. .程序设计程序设计( (共共8 8学时，学时，4 4学时讲授，学时讲授，4 4学时实验学时实验) )主要内容：MC
5、S-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. 5. 单片机的中断系统单片机的中断系统 （共（共6 6学时，学时，4 4学时讲授，学时讲授，2 2学时实验）学时实验）q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；6.6.单片机的定时器单片机的定时器/ /计数器计数器( (共共6 6学时，学时，4 4学时讲授，学时讲授，2 2学时实验）学时实验） q主要内容：单片机定时器/计数器的结
6、构、原理、工作方式及使用方法。7. 7. 单片机的串行通信单片机的串行通信（共（共6 6学时，学时，4 4学时讲授，学时讲授，2 2学时实验）学时实验）q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. 8. 单片机单片机C51C51程序设计程序设计（共（共1414学时，学时，6 6学时讲授，学时讲授，8 8学时实验）学时实验） q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
7、法。q9. 9. 并行并行I/OI/O口的应用与扩展口的应用与扩展（共（共8 8学时，学时，2 2学时讲授，学时讲授，6 6学时实验）学时实验） qMCS-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. 10. A/DA/D、D/AD/A转换器的应用转换器的应用（共（共6 6学时，学时，4 4学时讲授，学时讲授，2 2学时实验）学时实验） q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
8、片机与具有总线接口芯片PCF8591的使用方法。 11. 11. 单片机的应用实例单片机的应用实例 （共（共6 6学时，学时，4 4学时讲授，学时讲授，2 2学时实验）学时实验）q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。单片机原理及应用单片机原理及应用q课程特点课程特点知识点既分散又连贯，结构和指令系统是基础；与电子线路尤其是数字电子线路关系密切；学习方法学习方法预习、复习；多动手（硬件、软件实验）；多看参考书(包括利用网上资料)；其它（上课、作业、答疑）。第第1 1章章 单片机系统基础知识单片机系统基础知
9、识 q1.1 1.1 概述概述 q1.1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念q1.微处理器的概念微处理器的概念qMPUMPU是是微微处处理理器器的的缩缩写写（MicroprocessorMicroprocessor），简简称称为为MPMP。MPUMPU是是集集成成在在同同一一块块芯芯片片上上的的具具有有运运算算和和控控制制功功能能逻逻辑辑的的中中央央处处理理器器。微微处处理理器器不不仅仅是是构构成成微微型型计计算算机机、单单片片微微型型计计算算机机系系统统、嵌嵌入入式式系系统统的的核核心心部部件件，而而且且也也是是构构成成多多微微处处理理器器系系统统和和现现代代并并行行结结构构计计算算机机的
10、的基基础。础。q1.1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念q2微型计算机的概念微型计算机的概念q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。 q1.1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念q3单片机的基本概念单片机的基本概念单片机SCMC(Single Chip MicroComputer) 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（MicroController Unit） 嵌入式微控制器（embedded microcontroll
11、er） 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。q1.1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念4嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的基本概念 嵌入式系统泛指嵌入于宿主设备的系统中，嵌入的目的主要是用智能化提升宿主设备的功能。 嵌入式系统是以应用技术产品为核心，以计算机技术为基础，以通信技术为载体，以消费类产品为对象，引入各类传感器加入，进入Internet网络技术的连接，而适应应用环境的产品。特点： （1）嵌入式
12、微处理器对实时多任务有很强的支持能力； （2）嵌入式微处理器具有功能很强的存储区保护功能。 （3）嵌入式微处理器功耗很低， q1.1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念q5SOC的基本概念的基本概念qSOCSOC是片上系统的简称。所谓是片上系统的简称。所谓SOCSOCq是是一一种种高高度度集集成成化化、固固件件化化的的系系统统集集成成技技术术。使使用用SOC技技术术设设计计系系统统的的核核心心思思想想，就就是是要要把把整整个个应应用用电电子子系系统统全全部部集集成成在在一一个个芯芯片片中中。在在使使用用SOC技技术术设设计计应应用用系系统统时时，除除了了那那些些无无法法集集成成的的外外部部电
13、电路路或或机机械械部部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。 1.1.2 单片机的发展概况单片机的发展概况q1单片机的发展阶段单片机的发展阶段q（1）单片机的初级阶段q（2）单片机的中级（成熟）阶段q（3）单片机的高级（发展）阶段1.1.2 单片机的发展概况单片机的发展概况q2单片机技术的发展方向单片机技术的发展方向q（1）内部结构q（2）功耗和电源电压方面q（3）工艺的进步及抗干扰能力的提高q（4）存储能力和Internet连接1.1.3 单片机的特点和应用 q1.单片机的特点单片机的特点q（1）体积小、使用灵活、成本低、易于产业化。q（2）可靠
14、性好，适应温度范围宽。q（3）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统、控制功能强。q（4）系统内无监控或系统管理程序。2单片机的应用单片机的应用 q（1）测控系统q（2）智能仪器仪表q（3）通讯产品q（4）民用产品q（5）军用产品q（6）计算机外部设备1.1.4 单片机的系列产品介绍 q18051类单片机类单片机 q2Motorola单片机单片机 q3Microchip单片机单片机 q4华邦单片机华邦单片机 q5Epson单片机单片机 q6Epson单片机单片机 q7NS单片机单片机 q8其它单片机其它单片机q9. AT89系列系列1.2 单片机的数制表示法 q1.2.1二进制、十进制与十六进制
15、q1二进制二进制 q以2为基数的数制叫二进制，它只包括“0”和“1”两个符号q二进制数以B作为标识符。q一个含有n位整数，m位小数的二进制数可表示为：qN=Xn12n-1Xn22n2qX020X12-1X22-2qXm2-mq或：举例举例q例如：二进制数101.101B等于十进制的5.625q其各位数码代表的数值为：q122021120121022123q=5.6252十进制十进制 q以10为基数的数制叫十进制，十进制用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9等10个符号来表示。进位规则是“逢十进一”。十进制数以D作为标识符。q一个含有n位整数，m位小数的十进制数可表示为：qN=Xn110n-1
16、Xn210n2q X0100X110-1X210-2q Xm10-mq或：3十六进制十六进制 q 以16为基数的数制叫十六进制，进位规则是“逢十六进一”。十六进制数以H作为标识符。q一个含有n位整数，m位小数的十六进制数可表示为：qN=Xn116n-1Xn216n2q X0160X116-1X216-2q Xm16-mq或：1.2.2 数制的转换 q1二进制二进制十进制的转换十进制的转换q例如：q1101.11B=123 122 021 120 12 1 122=13.75q2十六进制十六进制十进制的转换十进制的转换q例如：q3BH=316111160=59q1A6CH=11631016261
17、6112160=67643十进制十进制二进制的转换二进制的转换 q把把一一个个十十进进制制整整数数依依次次除除以以2，并并记记下下每每次次所所得得的的余余数数（1或或0），最最后后所所得得的的余余数数的的组组合合即即为为转转换换的的十十进进制制数数。第第一一位位余余数数为为最最低低位位（LSB），最最后后一一个个余余数数为最高位（为最高位（MSB）。）。q例如：例如： 126= 1111110126= 1111110B Bq例如：例如：213=11010101213=11010101B B q 十进制数转换成二进制例如：0.318=010100010B4十六进制十六进制二进制的转换二进制的转换
18、 q将每位十六进制数转换成相应的四位二进制数即可。q5二进制二进制十六进制的转换十六进制的转换q只需从二进制数的最低位算起，每四位一个数，到最高位不够四位填0，即可按位转换成十六进制数。6十进制十进制十六进制的转换十六进制的转换 q十进制转换成十六进制与十进制转换成二进制方法一样，只是除数为16而不是2。而余数是0F中的任一个数。q例如： 9168=23D0H1.2.3 原码、反码与补码 q在计算机中，为了运算的方便，数的最高位用来表示正、负数。最高位为“0”表示正数，最高位为“1”表示负数。q为了区别原来的数与它在计算机中的表示形式，我们将已经数码化了的带符号数称为机器数。而把原来的数称为机
19、器数的真值。 q机器数有三种表示方法：原码、反码、补码。机器数有三种表示方法：原码、反码、补码。q1原码原码q在在符符号号位位用用0表表示示正正数数，在在符符号号位位用用l表表示示负负数数，而而数值位保持原样的数，这样的机器数称为原码。数值位保持原样的数，这样的机器数称为原码。q8位二进制原码表示的数的范围为：位二进制原码表示的数的范围为：127127。 q（1）正数）正数 正数的原码与原来的数相同。正数的原码与原来的数相同。 q（2）负数）负数 负数的原码为符号位置负数的原码为符号位置1，而数值位不变。，而数值位不变。 q（3）0的的原原码码表表示示 0的的原原码码表表示示法法有有两两种种，
20、即即正正0和和负负0。 q +0原原00000000 q -0原原10000000 q2反码反码q8 8位二进制反码表示的数的范围为：位二进制反码表示的数的范围为：127127127127q（1 1）正数）正数 正数的反码与正数的原码相同。正数的反码与正数的原码相同。q（2 2）负负数数 负负数数的的反反码码为为数数值值位位的的值值按按位位求求反反后后，符号位取符号位取“1 1”。q(3(3）0 0的的反反码码表表示示 0 0在在反反码码中中也也有有两两种种表表示示法法，正正0 0和负和负0 0。+0+0反反00000000 00000000 -0-0反反1111111111111111 q3
21、补码补码q8位二进制补码表示的数的范围为：128127。q补码概念举例：q（1）正数正数的补码与正数的原码相同。q（2）负数 负数的补码由它的绝对值求反加1后得到。 q（3）0的补码表示 0的补码表示只有一种，其表达式为： +0补=-0补00000000B q补码的加法规则是：qXY补=X补Y补q补码的减法规则是：qXY补=X补-Y补补码运算举例1：q求十进制数7628的运算q76的2进制是01001100q28的2进制是00011100q-28的补码是00011100q补码运算举例2：q求十进制数3652的运算q-16补=11110000 q总结：总结： q对于正数：x原x反x补 q对于负数
22、：x反x原数值位取反，符号位不变。 qx补=x反1 q采取求补运算，可以将计算机中的减法运算转换成加法运算，从而节约了计算机的硬件成本。 1.2.4 计算机中常用的编码q1BCD（8421）码码 q采用二进制数对每一位十进制数字编码，这种编码方式称为BCD码（Binary coded Decimal Code）。q表1-2十进制与二进制的对照 q（2）BCD码的换算 q（3）BCD码加法 ：“逢十进一” ，若各位的和均在09之间，则其加法运算规则完全同二进制数加法的规则一样；若相加后的低4位（或高4位）二进制数大于9，或大于15（即低4位或高4位的最高位有进位），则应对低4位（或高4位）加6修
23、正。 q例如：BCD码X=59，Y=78，求X+YqX=0101 1001，Y=0111 1000q（4）BCD码减法BCD码进行减法时，也会出现需要修正的现象，BCD码减法修正的条件和方法是：低4位向高4位借位，或低4位出现非法码，低4位减6修正；高4位出现非法码，或高4位向更高的借位，高4位减6修正。q例如：BCD码X=55，Y=38，求X-Y q X=0101 0101，Y=0011 1000 q2ASC码码qASC编编 码码 表表 （ American standard Code for information interchange美国信息交换标准代码）美国信息交换标准代码） qAS
24、C码码用用7位位二二进进制制数数表表示示，可可表表达达128个个字字符符，其其中中包包括括数数码码09，英英文文大大小小写写字字母母，标标点点符符号号和和控控制制字字符符。7位位ASC码码分分成成二二组组：高高3位位一一组组，低低4位位一一组组，分分别别表表示示这这些些符符号号的的列列序序和和行行序序， ASC码码的的分分组如图组如图1-3所示。所示。 常用的与门电路有2输入与门、3输入与门、4输入与门。常用的TTL电路的与门芯片有74LS08（四2输入正与门）、74LS09（四2输入正与门）、74LS11（三3输入正与门）、74LS21（二4输入正与门）等。1.3 单片机常用逻辑电路简介 q
25、1.3.1基本门电路q1与门电路与门电路 q 电路符号： 或门电路的形式也有许多种，常用的或门电路有2输入或门。TTL电路的或门芯片有74LS32（四2输入正或门）。 1.3 单片机常用逻辑电路简介 q1.3.1基本门电路q2或门电路或门电路 q 电路符号： TTL电路的非门芯片有74LS04（六反相器）、74LS05（集电极开路型六反相器）。 1.3 单片机常用逻辑电路简介 q1.3.1基本门电路q3非门电路非门电路 q 电路符号： 常用的TTL电路的与非门芯片有74LS00（四2输入正与非门）、74LS10（三3输入正与非门）、74LS20（二4输入正与非门）、74LS30（8输入正与非门
26、）、74LS01/03（集电极开路型四2输入正与非门）。 或非门芯片有74LS02（四2输入正或非门）、74LS27（三3输入正或非门）、74LS25（带选通端二4输入正或非门）。 q4与非门和或非门电路与非门和或非门电路q电路符号：qRS触发器的工作状态 q1.3.2 触发器触发器q1基本RS触发器q电路图 D触发器真值表 q2D触发器q内部结构JK触发器真值表 q3JK触发器触发器q内部结构常用的TTL电路JK触发器有74LS70（带预置和清除端的正边沿触发器）、74LS72（带预置和清除端的JK主从触发器）、74LS73（带清除端的双JK触发器）、74LS76（带预置和清除端的双JK触发
27、器） q2移位寄存器 q1.3.3寄存器q1简单的寄存器q常用的这类寄存器有74LS75、74LS175、CC4076等。q常 用 的 这 类 移 位 寄 存 器 有 74LS194、 74LS195、74LS164、74LS165、74LS166等。 q1.3.4 计数器数器q1同步计数器 q4位同步二进制计数器有74161，用T触发器构成的同步十六进制加法计数器有CC4520，单时钟同步十六进制加/减计数器有74LS191和74LS193。 q同步十进制加法计数器q2异步计数器q异步十进制计 数 器 有74LS290、74LS90、异步二进制计数器有74LS293、74LS197与 二进制计数器二进制计数器十进制计数器十进制计数器q1.3.5三态门与缓冲器q三态输出门电路可以加到寄存器的输出端上，这样的寄存器就称为三态（缓冲）寄存器。使用三态输出门电路，计算机就可以通过数据总线与一组寄存器接通，而断开另外一组寄存器，从而与任意多个寄存器交换信息。 q1.3.6译码器q3 8译码器q3补码q8q3补码q8
