单片机原理与应用 李亚妹 1.

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1 单片机原理与应用 李亚妹 1

2 学习方法 理论教学 软件编程 实验验证 本门课程提倡的是：学习的整体性，基础性和实 践性，先对单片机的系统知识结构，系统的概念 有一个整体的认识，然后重点讲述学习单片机必 须掌握的基本知识点,同时进行针对知识点的实验 训练，强调多分析多动手。 本门课程的目标是让大家能独立的实现简单单片 机系统的开发设计，同时培养学习者的自学能力 和综合能力。 2

3 第1章 单片机基础知识 本章主要介绍单片机的发展，基本的结构和特 点，单片机的应用模式和领域，单片机的供电 状态等。
单片微型计算机就是将CPU、RAM、ROM、定时/ 计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片 上的微型计算机。因此，一块芯片就构成了一 台计算机。它已成为工业控制领域、智能制造、 智能仪器仪表、尖端武器、子系统控制器等日 常生活中最广泛使用的计算机。 3

4 什么是单片机 ? 常见的微机外形 台式微机 便携式微机 立式微机 4

5 微型计算机硬件结构 ——微机硬件组成 显示器 主机 鼠标 键盘 5

6 单片微型计算机 单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机 —— 单片机实质上就是一个芯片 微型计算机系统 + 输 入 设
CPU 输 入 设 备 出 软 件 系 统 + 微型计算机系统 硬件系统 输 入 接 口 设 备 出 运 算 器 控 制 器 存 储 器 单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机 —— 单片机实质上就是一个芯片 6

7 1.1 单片机的基本概念 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）。或 微控制器(Microcontroller). 英文简写为： MCU/MPU 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，形成芯片级的微型计算机称为单 片微型计算机。 7

8 单片机与个人PC机相比较 优点：使用单片机做设计，降低硬件成本；体积小，适合设计小型而且较简单的控制系统。
缺点：由于单片机芯片设计及制造技术方面的原因，在有限的芯片上无法设计出太多的内存空间，因此单片机上的ROM及RAM的容量都比较小。 8

9 个人PC中的CPU一块要卖多少块钱？ 单片机的？
单片机：价格并不高，从几元人民币到几百元人民币，体积也不大，一般用40脚封装，当然功能多一些单片机也有引脚比较多的，如68引脚，功能少的只有10多个或20多个引脚，有的甚至只8只引脚。 9

10 1. 单片机的特点 单片机的特点及应用 体积小，重量轻 电源单一，功耗低 功能强，价格低 运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高
可以嵌入到电子产品中——嵌入式应用系统 10

11 2. 单片机应用 电讯方面 工业方面 汽车方面 民用方面 仪表方面 数据处理方面 11

12 一个液晶显示的数字式电脑温度计 12

13 出租车计价器及电子秤 13

14 14

15 一、单片机的发展概况 单片机发展的起步阶段
最早期（1971年）的单片机只有4位，功 能简单，只能用于简单的控制。1974年出现了8位 单片机，由美国仙童公司首先推出,典型的产品有 Intel公司的MCS—48系列，Motorola公司的 MC6800等，单片机的性能有了较大提高，并正式 命名为Single Chip Microcomputer。 15

16 单片机发展的成熟阶段 1978~1983年单片机发展进入成熟阶段， 单片机内部的体系结构得到进一步完善，面向对 象、突出了控制功能，寻址的空间范围扩大，规 范了数据线、地址线的总线结构，有了多功能的 异步串行接口UART，设置位地址空间，提供位寻 址和位操作和大量的控制转移指令等。形成了单 片机标准结构。这时期最典型的产品就是Intel公 司的MCS—51系列单片机。 16

17 微控制器形成阶段 1983~1990年单片机完成向微控制器的转换， 为进一步满足测控要求，将许多测控对象的接口电路集成 到单片机内部，如A/D、D/A、PWM等。形成了不同于 Single Chip Microcomputer特点的微控制器——MCU 。 17

18 微控制器百花齐放的阶段 进入20世纪90年代，随着半导体 集成电路技术的发展，以及电气制造商和半 导体厂商的广泛参与，出现了适合不同领域， 面对不同对象的微控制器，微控制器进入百 花齐放的发展时期 。 18

19 单片机发展可归结为以下几个方面: 1. 增加字长，提高数据精度和处理的速度 2. 改进制作工艺，提高单片机的整体性能
3.由复杂指令集CISC转向简单指令集RISC技术 4. 多功能模块集成技术，使一块“嵌入式”芯 片具有多种功能 5. 微处理器与DSP技术结合 6. 融入高级语言的编译程序 7. 低电压、宽电压、低功耗 19

20 常用的单片机芯片系列 MCS-51单片机是目前世界上应用最为广泛的单片机系列。
从最早的8031、8051、8751到后来的89C51、 89S51 、 89C2051，兼容MCS-51结构和指令.但具有各种新特性的单片机层出不穷，几乎所以单片机厂家的产品中都可以找到兼容MCS-51的成员，熟悉了MCS-51系列的编程和应用就意味着拥有了一个庞大的单片机家族，可以适合绝大多数单片机应用场合。 20

21 主要讲授目前国内外用的较多的以51内核扩展出的单片机，即我们常说的51单片机。下面以单片机型号为STC89C52RC。
单片机标号信息及封装类型 主要讲授目前国内外用的较多的以51内核扩展出的单片机，即我们常说的51单片机。下面以单片机型号为STC89C52RC。 PDIP封装 PLCC封装 PDIP封装是双列直插式封装技术 PLCC封装为特殊引脚芯片封装,它是贴片封装的一种 21

22 STC—前缀，表示芯片为STC公司生产的产品。其他前缀还有AT、i、Winbond、SST等。 8—表示该芯片为8051内核芯片。
9—表示内部含Flash E2PROM存储器。 C—表示该产品为CMOS产品。 5—固定不变。 2—表示该芯片内部程序存储空间的大小，1为4KB，2为8KB，3为12KB 。 RC—STC单片机内部RAM为512B。 40—工作频率可达40MHz。 C—产品级别，表示芯片温度使用范围。C表示商业级，温度范围为0°C~+70°C。 PDIP—产品封装型号。PDIP表示双列直插。 0826—表示该芯片生产日期为08年第26周。 22

23 单片机的体系结构有两种，一是传统的冯·诺依曼（John Von Neumann）结构；另一种是哈佛（Harvard）结构。
单片机体系结构 单片机的体系结构有两种，一是传统的冯·诺依曼（John Von Neumann）结构；另一种是哈佛（Harvard）结构。 1．冯·诺依曼结构 23

24 2．哈佛结构 数据与程序分别存于两个存储器中，是哈佛结构的重要特点。哈佛结构的数据总线和指令传输总线完全分开。其优点是，指令和数据空间是完全分开的，一个用于取指令，另一个用于存取数据。所以与常见的冯·诺依曼结构不同的第一点是：数据和程序总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但低档、中档和高档系列的指令总线位数分别为12、14和16位。第二点是：由于可以对程序和数据同时进行访问，CPU的取指和执行采用指令流水线结构，当一条指令被执行时允许下一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。 24

25 周期0 周期1 周期2 周期3 周期4 取指0 执行0 取指1 执行1 取指2 执行2 取指3 执行3 指令流水线结构示意图

26 1.2计算机中的数制和码制 计数制 日常生活中广泛使用的数为十进制数，这 是一种逢十进一的计数方法。用的数制还有二 进制、八进制和十六进制等。 26 返回本节

27 位、字节、字的概念 位：就是一位的二进制数，其只能存放“1”或 “0”，可以用来表示两种不同状态信息，如开关的 “通”和“断”，电平的“高”和“低”等 。 字节：8位二进制数组成一个字节，既可以表示实际 的数，也可以表示多个状态的组合信息 。8位单片 机中数是以字节为基本单位 。 字：两个字节组成一个字，也即16位的二进制数。 27

28 1. http://www.bol-system.com 中国单片机公共实验室
1. 中国单片机公共实验室 2. 单片机世界 广州站 3. 乐清单片机联盟 4. 科宇单片机工作室 单片机世界 28

29 51系列单片机开发概述 单片机应用系统的开发是以单片机为核心，配合一定的外部电路及程序，从而实现特定测量及控制功能的应用系统。其中单片机的选型、资源分配以及程序设计是整个系统设计的关键。 一般来说，一个完整的单片机应用系统设计包括分析测控系统、单片机选型、硬件资源分配、单片机程序设计、仿真测试并最终下载到实际硬件电路中执行。单片机开发的整个流程，如图所示。 29

30 单片机应用的设计环节 硬件设计 软件设计 编程环境 编写程序 编译 目标文件 仿真 编程器 芯片内部 硬件电路设计 程序编写、编译
（1） （2） （3） （4） 硬件电路设计 程序编写、编译 程序下载（编程） 通电运行观察 30

31 任务举例：点亮一个发光管（AT89C51） 拿到一块芯片，想要使用它，首先必须要知道怎样连线
1、 电源：这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电 源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。 2、 振荡电路：单片机内部采用的是一种时序电路，必须 提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡 器，使用晶体振荡器，接18、19脚。只要买来晶振，电容， 连上就可以了，按图1接上即可。  3、 复位引脚：按图1中画法连好，至于复位是何含义及 为何需要复要复位，在单片机功能中介绍。  4、 EA引脚：EA引脚接到正电源端。 至此，一个单片机 就接好，通上电，单片机就开始工作了。 31

32 任务分析：第一个任务是要用单片机点亮一只发光二极管LED 。
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33 要能够让1引脚P1.0按要求变为高或低电平。 CLR P1.0 要P1.0输出低电平
当1脚是高电平时，LED不亮，只有1脚是低电平时，LED才发亮。 要单片机做事，也得要向单片机发命令，计算机能听得懂的命令称之为单片机的指令。 一个引脚输出高电平的指令是SETB，让一个引脚输出低电平的指令是CLR。因此，只要写 SETB P1.0，要P1.0输出高电平， CLR P 要P1.0输出低电平 33

34 怎样才能单片机执行这条指令呢？总不能也对单片机也说一声了事吧。
要解决这个问题，还得有几步要走。 翻译成单片机能懂的方式，再让单片机去读。单片 能懂什么呢？它只懂一样东西——数字。因此我们 得把SETB P1.0变为（D2H,90H ），把CLR P1.0变 为 （C2H,90H ），至于为什么是这两个数字，这 也是由51芯片的设计者--INTEL规定的，我们不去 研究。 第二步，在得到这两个数字后，怎样让这两个数字 进入单片机的内部呢？这要借助于一个硬件工具 “编程器”。 34

35 我们把它的名字设为：001led.asm最后把生成的001led.hex烧入AT89C51里面。
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36 为啥要用单片机搞得这么复杂？接一个电池， 灯不就亮了？
然后把芯片换到试验卡座里，这时候我们可以 看到p1.0这个灯亮了。 为啥要用单片机搞得这么复杂？接一个电池， 灯不就亮了？ 如果我们不要P1.0亮。 而是要 P2.0亮，那么写入clr P2.0就可以啦，不需要你动烙铁来改线。这样我们看到，硬件电路的连线没有做任何改变，只要改变写入单片机中的内容，就可以改变电路的输出效果。 36

37 12864液晶接口 1602液晶接口 4位数码管 P2口插针 P3口插针 USB口 8位LED 开关 红外接口 电源输出 P1口插针
单片机开发平台介绍 12864液晶接口 1602液晶接口 电源 4位数码管 P2口插针 P3口插针 USB口 8位LED 开关 红外接口 电源输出 P1口插针 电机接口 P0口插针 继电器 矩阵键盘 独立键盘 AT或AVR下载 复位 51 AVR选择 37