单片机原理及应用

“单片机原理及应用”课程教案武汉科技学院电子信息工程学院自动化教研室主讲：罗维平2006年8月5日1、课程性质：专业技术课2、考核方式：闭卷考试3、教材：单片机基础（改编版） 编著：李广弟等 北京航空航天大学出版社4、教学目的：通过理论授课与上机实践，使学生掌握单片机的基本原理与应用，让学生了解单片机的内部结构、各硬件部分的工作原理及使用方法和单片机应用系统的组成原理，掌握单片机的汇编语言或C语言的指令功能、编程方法及软件开发技术，通过实例介绍单片机系统常用接口、扩展电路及其C语言应用程序设计，使学生较为熟练地掌握一种单片机产品的应用开发技术，从而有能力进一步对其它单片机产品的应用系统从事研制和开发工作。第1章 单片机概述一、教学要求：了解：计算机的发展、分类、特点与应用，单片机的概念、发展及应用领域，典型单片机系列的基本情况。二、教学内容：1.1 计算机的发展、分类、特点与应用1.2 单片机的概念1.3 单片机的发展1.4 单片机的应用三、教学重点：单片机的概念四、教学难点：单片机的应用五、建议学时：2学时六、教学内容：1.1 单片机的概念1.1.1单片机的名称单片微机是早期Single Chip Microcomputer的直译，它忠实地反映了早期单片微机的形态和本质。单片微型计算机简称单片机（Single Chip Microcomputer），又称微控制器（Microcomputer Unit）。将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及总线等。随后，按照面向对象、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结构，发展成microcontroller的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器MCU（Micro Controller Unit）。鉴于它完全作嵌入式应用，故又称为嵌入式微控制器Embedded Microcontroller）。1.1.2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。1、早期通用型单片微机。通过不同的外围扩展来满足不同的应用对象要求。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的单片机专用型单片微机。目的：降低成本、简化系统结构、提高可靠。如：用于计费率电表、用于电子记事簿的单片机等。1.1.3单片机与单片机系统单片机通常是指芯片本身，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。如：洗衣机、电视机、VCD、DVD等家用电器，打印机、复印机、通信设备、智能仪表、现场总线控制单元等。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成的具有一定应用功能的计算机系统。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。单片微机应用系统结构通常分三个层次，即单片机、单片机系统、单片机应用系统。单片机：通常是应用系统的主机，设计单片机应用系统时，为所选择的单片机系列器件。单片机系统：单片微机资源的扩展，外围接口电路进入片内，最终向单片应用系统集成发展。最终产品的目标系统，除了硬件电路外，还须嵌入系统应用程序。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单片机系统。单片机应用系统：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CPU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CPU外围电路，如存储器、定时器/计数器、中断源等，形成能满足具体嵌入应用的一个计算机系统。1.1.4单片机应用系统与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，有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。MDS（微型机开发系统）、ICE（在线仿真器）1.1.5单片机的程序设计语言和软件机器语言 (Machine Language)有三类 汇编语言 (Assemble) 高级语言 (High Level Language)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，又称指令代码）。机器语言指令组成的程序称目标程序。MCS-51两个寄存器相加的机器语言指令：00101000汇编语言：与机器语言指令一一对应的英文单词缩写，称为指令助记符。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。MCS-51两个寄存器相加汇编语言指令：ADD A，R0高级语言：高级语言源程序C-51、C、PL/M51等。简单控制程序不太长。复杂多种多样的控制对象，少有现成程序借鉴。简单系统不含管理和开发功能。复杂系统实时系统，需要监控系统（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；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：源程序通过编译得到机器能执行的目标程序。源程序目标程序编译程序汇编语言程序可以高效率利用计算机资源，目标程序占用内存少，执行速度快，适合于自动测控系统反应快速、结构紧凑的要求。实际应用中，常与C语言配合使用。高级语言程序容易掌握，通用性好，但编译程序系统开销大，目标程序占用内存多，且执行时间比较长，多用于科学计算、工业设计、企业管理。1.2 单片机的发展1.2.1单片机发展概述一、电子计算机的发展历史1、第一代（19461958）：电子管计算机。 用于：科学计算2、第二代（19581964）：晶体管计算机。 用于：科学计算、数据处理、工业控制3、第三代（19641971）：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。4、第四代（1971 ）：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微型机。5、第五代：智能型计算机正在研制中。 用于：模拟人的智能，识别图像、语言和物体，联想、推理、解答问题，使用自然语言进行会话处理。二、微型计算机的发展历史微型机算计的核心部分：微处理器的发展已经历了五代。第一代（19711973）：4位8位（初级）第二代（19731975）：8位（初级）第三代（19751978）：初级8位单片机 Intel MCS48系列单片机第四代（197880年代中期）：高档8位单片机 Intel MCS51系列单片机16位、32位第五代（80年代中期至今）：64位 1976- ：初级8位单片机 Intel MCS-48系列 1980- ：高档8位单片机 Intel MCS-51系列： 51子系列：8031/8051/8751 52子系列：8032/8052/8752 低功耗型80C31 高性能型80C252 廉价型89C2051/1051 1983- ：16位单片机 Intel MCS-96 系列：8098/8096、80C198/80C196 32位单片机 80960MCS48（从1976年起）：低档型：8021、8022基本型：8048、8748、8038改进型：8049、8749、8039和8050、8750、8040MCS51（从1980年起）：基本型：8051、8751、8031改进型：8052、8752、8032低功耗型：80C51、87C51、80C31强性能型：83C252、87C252、80C252早期产品： 8X9X（8096）MCS96（从1983年起）：改进型： 8X9XBH、8X9XJF新产品： 8098（准）强功能型：80C196、80C198（准）1.2.2MCS-51单片机系列MCS-51系列基本产品型号：8051、8031、8751称为 51子系列。不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。硬件配置基本配置：1. 8位CPU2. 片内ROM/EPROM、RAM3. 片内并行 I/O接口4. 片内16位定时器/计数器5. 片内中断处理系统6. 片内全双工串行I/O口MCS51系列单片机的3种基本产品：8051：片内含有掩膜ROM型程序存储器，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。8751：片内含EPROM型程序存储器，用户可固化，可用紫外线光照射擦除；但价格高。8031：片内无程序存储器，可在片外扩展，方便灵活，价格便宜。1.2.380C51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），待机和掉电保护1.3 单片机的应用1.3.1单片机应用的特点单片机的应用很广泛，特点很多，仅从应用的角度来看：计算机的控制应用分为：1、控制系统离线应用：控制系统的计算机辅助设计（控制系统CAD）2、控制系统在线应用：计算机控制系统使用单片机工业控制领域与通用计算机系统不同的要求：(1)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； 面对对象的伺服驱动控制。(2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。(3)工业现场环境中可靠性品质。(4)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； 有突出控制功能的指令系统， 如I/O口控制、位操作、丰富的转移指令等。1.3.2单片机的应用领域 工业自动化方面： 力、热、速度、加速度、位移。 仪器仪表： 降低成本、简化系统结构、提高可靠性。 家用电器： 小家电中要求小型价廉、程序容量不大。 信息和通信产品： PDA 则要求大容量存储、大屏幕LCD显示、极低功耗等。 军事装备方面： 可靠性、极低功耗。单片机的应用领域：1、用单片机构成智能化产品：n 在智能仪器仪表中的应用；n 在家用产品中的应用；n 在医疗仪器中的应用；n 在计算机外部设备中的应用。2、单片机在工业测控领域中的应用：n 过程控制： 数控铣床、步进控制、生产流水线等；n 数据采集；n 信号处理；n 旧设备的改造。小 结1、单片机即单片微型计算机，是将计算机主机（CPU、内存和I/O接口）集成在一小块硅片上的微型机。2、单片机为工业测控而设计，又称微控制器。具有三高优势（集成度高、可靠性高、性价比高）。3、主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。特别适合于嵌入式微型机应用系统。4、单片机开发系统有单片单板机和仿真器。实现单片机应用系统的硬、软件开发。练 习 题（一）填空题（二）选择题As of Microsoft Internet Explorer 4.0, you can applmultimedia-style effects to your Web pages using visual filters and transitions. You can apply visual filters and transitions to standard HTML controls, such as text containers, images, and other windowless objects. Transitions are time-varying filters that create a transition from one visual state to another. By combining filters and transitions with basic scripting, you can create visually engaging and interactive documents.Internet Explorer 5.5 and later supports a rich variety of optimized filters. Click the following button to see a demonstration of many of these filters and how to usetheProcedural surfaces are colored surfaces that display between the content of an object and the objects background. Procedural surfaces define each pixels RGB color and alpha values dynamically. Only the procedure used to compute the surface is stored in memory. The content of an object with a procedural surface applied is not affected by the procedural surface.警告：此类已序列化的对象将不再与以后的 Swing 版本兼容。当前的序列化支持适合在运行相同 Swing 版本的应用程序之间短期存储或 RMI。从 1.4 版开始，已在 java.beans 包中加入对所有 JavaBeansTM 的长期存储支持。请参见 XMLEncoder。引用类型和原始类型的行为完全不同，并且它们具有不同的语义。引用类型和原始类型具有不同的特征和用法，它们包括：大小和速度问题，这种类型以哪种类型的数据结构存储，当引用类型和原始类型用作某个类的实例数据时所指定的缺省值。对象引用实例变量的缺省值为 null，而原始类型实例变量的缺省值与它们的类型有关。当JAVA程序违反了JAVA的语义规则时，JAVA虚拟机就会将发生的错误表示为一个异常。违反语义规则包括2种情况。一种是JAVA类库内置的语义检查。例如数组下标越界,会引发IndexOutOfBoundsException;访问null的对象时会引发NullPointerException。另一种情况就是JAVA允许程序员扩展这种语义检查，程序员可以创建自己的异常，并自由选择在何时用throw关键字引发异常。所有的异常都是java.lang.Thowable的子类。这里我们采用的是Java语言，Java，是由Sun Microsystems公司于1995年5月推出的Java程序设计语言和Java平台的总称。用Java实现的HotJava浏览器（支持Java applet）显示了Java的魅力：跨平台、动态的Web、Internet计算。从此，Java被广泛接受并推动了Web的迅速发展，常用的浏览器现在均支持11