第1章 概述 1.1 单片机概念及其主要发展阶段 1.2 单片机的特点及分类 1.3 单片机中常用的计数方法

引入：单片机能作什么？ 1.1 单片机概念及其主要发展阶段 1、工业控制  1、工业控制 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 数控线切割机床 数控车床

结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。 2、智能仪器仪表 数字压力表 交直流电压电流表 位移传感器 结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

 3、家用电器 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣 机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 1. 智能冰箱 2．智能饭煲 3．智能食品配料机

4、计算机网络和通信领域 手机 电话机 程控交换机 楼宇自动通信呼叫系统 列车无线通信 日常工作中随处可见的移动电话 集群移动通信 无线电对讲机等。 现代的单片机普遍具备 通信接口，可以很方便地与 计算机进行数据通信，为在 计算机网络和通信设备间的 应用提供了极好的物质条 件，现在的通信设备基本上 都实现了单片机智能控制。

 5、医用设备 医用呼吸机 各种分析仪 监护仪 数字血压计 病床呼叫系统等等 医用监护仪 数字血压计 医用呼吸机 以及未列举的很多其他应用

1.1.1 单片机的概念 单片微型计算机简称单片机，由于它的结构及功能均按 工业控制要求设计，所以又称单片微控制器（single chip Microcontroller），即SCM。 它是将组成微型计算机机所必须的部件（中央处理器 CPU、程序存贮器（ROM)、数据存贮器（RAM)、输入/ 输出（I/O)接口、定时/计数器、串行口、系统总线等）集 成在一个超大规模集成电路芯片上。 单片机应用系统是指为实现特定的功能，由单片机、外 围接口电路及合适的软件等构成的应用系统。 目前国内外逐渐采用微控制器（Micro Controller Unit） 即用MCU代替SCM。

单片机的初级发展阶段，元件集成规模小，功能简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上。 1.1.2 单片机的发展历程 1、单片机诞生于20世纪70年代 1946: 第一台电子计算机诞生 1973:  TI公司注册了世界上第一个单片机专利 单片机的初级发展阶段，元件集成规模小，功能简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上。 单片机诞生于20世纪70年代(Fairchid公司研制的F8单片微型计算机，Zilog公司的Z80微处理器。) 单片机的发展，应用里程碑(1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，起到8位机的引领和带头作用，Zilog公司的Z8系列在其带领下产生的。) 80年代初，单片机发展高性能阶段。(INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列，此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。)

1974 1976 2、单片机的发展、应用里程碑 TI 公司推出 TMS1000单片机 TI 公司高速反雷达导航器 INTEL公司推出了MCS-48单片机，起到8位机的引领和带头作用，Zilog公司的Z8系列在其带领下产生的。 1976

Intel公司对MCS-48单片机进行了全面完善，推出了8位MCS-51单片机，并获得巨大成功，奠定了嵌入式系统的单片机应用模式。 1980

3、80年代初，单片机发展高性能阶段 1982年以后，16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8KB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。

4、九十年代以后，单片机获得了飞速的发展 世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。

1.1.3 单片机的发展趋势 1、低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。 象80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

2、微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。 单片机厂商可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。 现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

1.2 单片机的特点及分类 1.2.1 单片机的特点 控制功能强 集成度高、体积小、可靠性高 价格比高 低电压、低功耗 接口丰富 可扩展性 1.2 单片机的特点及分类 1.2.1 单片机的特点 控制功能强 集成度高、体积小、可靠性高 价格比高 低电压、低功耗 接口丰富 可扩展性 1.2.2 单片机的分类 按地域、公司或内核系列分：80C51、PIC、MSP430等 按照CPU处理能力分： 8位、16位、32位 按使用目的分：通用单片机和专用单片机

1.2.3 常用单片机系列介绍 1．80C51系列及其兼容单片机 80C51系列：Intel公司，已经停产 AT89系列：美国ATMEL公司 STC系列：宏晶科技公司 LPC系列：NXP（恩智浦半导体）公司 2．MC68系列单片机 Motorola公司生产，接口丰富 3．PIC系列单片机 Microchip公司生产，采用精简指令集，抗干扰能力业界公认 4． MSP430系列单片机 TI公司（美国德州仪器）生产，超低功耗 5． STM系列单片机 意法半导体公司生产，主要有STM8系列和STM32系列

1.2.4 控制系统组成实例

单片机 AT89S51 温度采集和模数转换 输入控制 晶体振荡、 复位电路 输出显示 输出控制 应用实例：水箱温度自动控制系统

补充： 学习单片机技术的方法 1. 学习条件和学习环境 硬件准备 软件准备 补充： 学习单片机技术的方法 1. 学习条件和学习环境 硬件准备 计算机：普通计算机一台。安装WINDOWS操作系统。 实验板：用来进行单片机开发设计实践，能完成的项目较多为好。 仿真器：进行较复杂设计时用来调试单片机。方便实用，但价高。 软件准备 集成开发软件：伟福软件WAV6000，Keil uVision2/3/4等。 仿真软件：Proteus, DBG8051等。 其它工具软件：ISP下载，串口调试，PCB设计等。

计算机一台：无特殊要求，可选用经济型电脑。能上网最佳。 知识准备 C语言（或其它基础语言）：打好编程基础。 电子技术：特别是数字电子技术，是必备的电路基础。 计算机基础：对计算机基础知识有较好的准备。 初学者推荐的软件硬件准备 计算机一台：无特殊要求，可选用经济型电脑。能上网最佳。 开发实验板一块：可由学校统一提供，可完成多个实用课题。 ISP下载线一条：用于对单片机进行编程下载，可自制。 相关软件：开发软件、仿真软件、ISP下载软件等。 工具书：教材一本，较详细的手册类书一本。 其它资料：器件资料、应用文档、实例等，主要由网络收集。 U盘：用于保存资料（选购）。

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十进制 有十个数码:0～9,逢十进一。 二进制 两个数码:0、1, 逢二进一。 十六进制 十六个数码:0～9、A～F, 逢十 六进一。 1.3 单片机中常用的计数方法 1.3.1 常用数制 十进制 有十个数码:0～9,逢十进一。 二进制 两个数码:0、1, 逢二进一。 十六进制 十六个数码:0～9、A～F, 逢十 六进一。 不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带下标或后缀。 如:101、101D、101B、101H

1、数制 1）十进制 符号集：0～9 规则：逢十进一。 例： 符号集：0～9 规则：逢十进一。 例： 138.38=1×102 +3×101 +8×100 +3×10－1 +8×10-2 加权展开式以10为基数，各位系数为0～9。 一般表达式：

2）二进制 符号集：0、1 规则：逢二进一。 例： 1011.011B=1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3 加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。 一般表达式：

3）十六进制 符号集：0～9、A～F 规则：逢十六进一。 例： 70F.B1H=7×162 +0×161 +15×160 +11×16-1 +1×16-1 展开式以十六为基数，各位系数为0～9，A～F。 一般表达式：

1）二进制和十进制数间的转换 2、数制间的转换 ⑴ 二进制数转换十进制数： 把二进制数按权展开后求和。例如： 11011.01B=1×24+1×23+1×21+1×20+1×2-2 =27.25

(2) 十进制数转换成二进制数 整数转换法 举例： 52转换成二进制数 52 =110100B “除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数2，直至商为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。 举例： 52转换成二进制数 52 =110100B 2 52 0 （ b0） 2 26 0 （ b1） 2 13 1 （ b2） 2 6 0 （ b3） 2 3 1 （ b4） 2 1 1 （ b5） 0

“乘基取整”：用转换进制的基数2乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。 小数转换法 “乘基取整”：用转换进制的基数2乘以小数部分，直至小数为0或达到转换精度要求的位数。每乘一次取一次整数，从最高位排到最低位。 举例： 0.625转换成二进制数 1) 0.625 × 2 2) 1.250 1 (b- × 2 3) 0.5 0 0 (b- × 2 1.0 1 (b- 0.625 = 0.101B

2）十六进制和十进制数间的转换 （1） 十六进制数转换十进制数： 把十六进制数按权展开后求和。例如： 3FEBH=3×163+15×162+14×161+11×160 =16363 （2）十进制数转换十六进制数： 十进制整数转换成十六进制数和十进制数转换成二进制整数类似，十进制整数转换成十六进制数可以采用“除16取余法”。十进制小数转换成十六进制数可以采用“乘16取整法”。

注意：从小数点开始，往两边依次取 4位 二进制数对应一位十六进制数。 3）二进制与十六进制数之间的转换 24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。 举例： 3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 = 1110101111.001B 3 A F 2 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 7 D C 注意：从小数点开始，往两边依次取 4位 二进制数对应一位十六进制数。

1、无符号数的表示方法 2、有符号数的表示方法 没有符号位，所有的二进制位均为数值位。 1.3.2 计算机中数的表示及运算 1、无符号数的表示方法 没有符号位，所有的二进制位均为数值位。 2、有符号数的表示方法 单片机（机器）中，数的符号用“0”、“1” 表示。最高位作符号位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。 机器数：机器中数的表示形式，其位数通常为8的倍数 真值： 机器数所代表的实际数值。

1） 原码 举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下： 真值： X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B 机器数：[X1]机= 01010100 [X2]机= 11010100 1） 原码 最高位为符号位，0表示 “+”，1表示“-”。 数值位与真值数值位相同。 例: 8位原码机器数： 真值： x1 = +1010B x2 =－1010B 机器数： [x1]原 = 00001010 [x2]原 = 10001010 原码表示简单直观,但0的表示不唯一，加减运算复杂。

2）反码 最高位为符号位，0表示 “+”，1表示“-”。 正数数值位与真值数值位相同，负数数值位与真值数值位相反。 例: 8位反码机器数： 例: 8位反码机器数： 真值： x1 = +1101101B x2 = -0110110B 机器数： [x1]反 = 01101101 [x2]反 = 11001001 反码主要用于求取后面的补码。

3）补码 正数的补码表示与原码相同。负数补码的符号位 为1，数值位等于求反加1。 例：求 8位补码机器数： x=+1101101B [x]补= 01101101 x=-0110110B [x]反 = 11001001 [x]补 = 11001010

数的补码与“模”有关，“模”即计数系统的量程。 当X<0，[X]补= 模-｜X｜。 8位二进制数的模为： 28 = 256 当X<0，[X]补= 28 -｜X｜ = 256 -｜X｜ = 255 -｜X｜+1 = [X]反 + 1 规则：求反加1，符号位不变。 如： 1000 1101B 其补码：1111 0010 规定：0000 0000B 为0 1000 0000B 不是－0，而是－128

3、有符号数的运算 原码：直观，容易识别；需要单独处理符号位，加减法计算复杂。 补码：0的表示唯一；无需单独处理符号位，加减运算方便。 4、计算机中二进制数的几个概念 位：二进制中的1位表示“0”或者“1”。 字节：计算机中，将8位二进制数看成1字节（Byte）。 字：计算机一次能够处理的二进制数据长度，通常由1个或多个字节组成。

8位机器数表示的真值

例：求十进制数876的BCD码 [876]BCD = 1000 0111 0110 876 = 36CH= 11 0110 1100B 1.3.3 常用代码 1、 BCD码 BCD码(Binary Coded Decimal) 二进制代码表示的十进制数。常用 8421 BCD码。 例：求十进制数876的BCD码 [876]BCD = 1000 0111 0110 876 = 36CH= 11 0110 1100B

2、 ASCII码 美国标准信息交换码ASCII码，用于计算机与计算机及外设之间传递信息。

休 息 一 下