1、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单片机是微型计算机应用技术的一个重单片机是微型计算机应用技术的一个重要分支，近年来在工业智能仪器仪表、光要分支，近年来在工业智能仪器仪表、光机电设备、自动检测、信息处理、家电等机电设备、自动检测、信息处理、家电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。单片机原理及应用设计单片机原理及应用设计是为电子信是为电子信息工程、测控技术类专业及计算机应用专息工程、测控技术类专业及计算机应用专业学
2、生开设的专业基础必修课或专业基础业学生开设的专业基础必修课或专业基础选修课，本课程的教学目的是通过理论教选修课，本课程的教学目的是通过理论教学与实验环节，使学生正确理解单片机的学与实验环节，使学生正确理解单片机的基本概念、基本原理，掌握单片机程序设基本概念、基本原理，掌握单片机程序设计和微机接口应用的基本方法，并能综合计和微机接口应用的基本方法，并能综合运用单片机的软、硬件技术分析实际问题，运用单片机的软、硬件技术分析实际问题，为工业生产、科学研究和实验设备等领域为工业生产、科学研究和实验设备等领域的单片机应用和开发打下良好的基础，也的单片机应用和开发打下良好的基础，也是进一步学习计算机原理和
3、有关接口知识是进一步学习计算机原理和有关接口知识重要环节。重要环节。二、课程教学内容二、课程教学内容本课程以理论教学为主要环节，以学本课程以理论教学为主要环节，以学生课堂实验为辅，同时使用计算机辅助生课堂实验为辅，同时使用计算机辅助教学，教学，4444学时理论课和学时理论课和2828学时实验课，学时实验课，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）单片机常用逻辑电路简介包括
4、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：MCS-51单片机汇编语言程序设计的
5、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/计数器的结构、原理、工作方式及使用方法。7.7.单片机的
6、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的程序设计方法。q 9.9.并行并行I/OI/O口的应用与扩展口的应
7、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）q MCS-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.A/D10.A/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单片机与具有总线接口芯片PCF8591的使用方法。11.11.单片机的
8、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
9、念q1.微处理器的概念微处理器的概念qMPUMPU是微处理器的缩写（是微处理器的缩写（MicroprocessorMicroprocessor），简称），简称为为MPMP。MPUMPU是集成在同一块芯片上的具有运算和控制是集成在同一块芯片上的具有运算和控制功能逻辑的中央处理器。微处理器不仅是构成微型计功能逻辑的中央处理器。微处理器不仅是构成微型计算机、单片微型计算机系统、嵌入式系统的核心部件，算机、单片微型计算机系统、嵌入式系统的核心部件，而且也是构成多微处理器系统和现代并行结构计算机而且也是构成多微处理器系统和现代并行结构计算机的基础。的基础。q1.1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念q
10、2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 microcontroller）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
11、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
12、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是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SOC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用子系统全部集成在一个芯片中。在使用SOC技术设计技术设计应用系统时，除了那些无法集成的外部电路或机械部应用系统时，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。分以外，
13、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）可靠性好，适应温度范围宽。q（3）易扩展，很容易构成各种规模的
14、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 q1二进制二进制 q以2为基数的数制叫二进制，
15、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：q N=Xn12n-1Xn22n2q X020X12-1X22-2q Xm2-m q或：i1nmii2XN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：q 122021120121022123q =5.625 2十进制十进制 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-1Xn210n2
16、q X0100X110-1X210-2q Xm10-mq 或：i1nmii01XN3十六进制十六进制 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：q N=Xn116n-1Xn216n2q X0160X116-1X216-2q Xm16-m q 或：i1nmii61XN1.2.2 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=123122021120121122=13.75 q2十六进制十六进制十进制的转换十进制的转换q例如：q3BH=316111160=59 q1A6C
17、H=116310162616112160=6764 3十进制十进制二进制的转换二进制的转换 q把一个十进制整数依次除以把一个十进制整数依次除以2，并记下每次所得的，并记下每次所得的余数（余数（1或或0），最后所得的余数的组合即为转换的十），最后所得的余数的组合即为转换的十进制数。第一位余数为最低位（进制数。第一位余数为最低位（LSB），最后一个余），最后一个余数为最高位（数为最高位（MSB）。）。q例如：例如：126=1111110126=1111110B B1 2 66 33 11 5 7 31111110q例如：例如：213=11010101B 213=11010101B q 2 1 31
18、 0 65 32 61 36301001111十进制数转换成二进制例如：0.318=010100010B溢出整数 小数部分2 剩余小数部分 0 0.3182=0.636 0.636 1 0.6362=1.272 0.272 0 0.2722=0.544 0.544 1 0.5442=1.088 0.088 0 0.0882=0.176 0.176 0 0.1762=0.352 0.352 0 0.3522=0.65 0.65 1 0.652=1.3 0.3 4十六进制十六进制二进制的转换二进制的转换 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
19、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=23D0H 9 1 6 85 7 303 51 3231.2.3 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器数的真值。D7D6D5D4D3D2D1D0符号数值q
20、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在符号位用在符号位用0表示正数，在符号位用表示正数，在符号位用l表示负数，而表示负数，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的原码表示的原码表示 0的原码表示法有两种，即正的原码表示法有两种，即正0和和负
21、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）负数）负数 负数的反码为数值位的值按位求反后，负数的反码为数值位的值按位求反后，符号位取符号位取“1”1”。q(3(3）0 0的反码表示的反码表示 0 0在反码中也有两种表示法，正在反码中也有两种表示法，正0 0和负和负0 0。+0+0反反00000000 00000000-0-0反反1111111111111111 q3补码补码 q8
22、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：q XY补=X补Y补 q补码的减法规则是：q XY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 000111007 62 84 8-0100110011100100+00110000q补码运算举例2：q求十进制数3652的运算q-16补=
23、11110000 3 65 21 6-0010010011001100+11110000-q总结：总结：q对于正数：x原x反x补 q对于负数：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 十进制 BCD码 十进制 BCD码 0 0000 5 0101 1 0001 6 0110 2 0010 7 011
24、1 3 0011 8 1000 4 0100 9 1001 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修正。q例如：BCD码X=59，Y=78，求X+YqX=0101 1001，Y=0111 10000101 10010111 1000+1101 0001高4位9 低4位有进位0110 0110+1 0011 0111q（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
25、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 0101 01010011 1000-0001 1101低4位有借位 0110-0001 0111低4位减6修正q2ASC码码qASC编码表（编码表（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）qASC码用码用7位二进制数表示，可表达位二进制数表示，可表达128个字
26、符，个字符，其中包括数码其中包括数码09，英文大小写字母，标点符号和控，英文大小写字母，标点符号和控制字符。制字符。7位位ASC码分成二组：高码分成二组：高3位一组，低位一组，低4位位一组，分别表示这些符号的列序和行序，一组，分别表示这些符号的列序和行序，ASC码的码的分组如图分组如图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 q1.3.1 基本门电路q1与门电路与门电路 q 电路
27、符号：YAB 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：YAB+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）、74LS01/03（集电极开路型四2
28、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：YAB+YABqRS触发器的工作状态 q1.3.2 触发器触发器q1基本RS触发器&SRQQq电路图 R S Q Q 0 0 Qn-1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 不定 不定 D触发器真值表q2D触发器 q内部结构&DQQ&CP CP D Q Q X?Qn-1 0 上升沿 0 0 1 上升沿 1 1 0 JK触发器真值表q3JK触发器触发器q内部结构&JKQQ&CP CP J K Q 0
29、Qn-1 1 0 0 Qn-1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 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。1DC1D1CPQ0Q1D01DC1Q0Q11DC1Q0D0K01DC1K11DC1Q3K21DC1K3Q2Q1CPD1q常用的这类移位寄存器有74LS194、74LS195、74LS164、74L
30、S165、74LS166等。q1.3.4 计数器计数器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。1J1KC1Q0T0=1FF01J1KC1Q1T1FF1CP1J1KC1Q2T2FF21J1KC1Q3T3FF3&G12G2&C计计数数脉脉冲冲 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7 4 L S 2 9 0、74LS90、异步二进制计数器有74LS293、74LS197与 11JFF0C11JFF1C11JFF2C1CP0Q0Q1Q21K1K1K 1
31、JFF0C11JFF1C1CP0Q0Q1Q21K1JFF2C11K1K1JFF3C11K&Q3二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 输 入 输 出 S1 S2+S3 A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 q3补码 q8q3补码 q8
