电子教案设计《单片机原理及应用》.docx
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电子教案设计《单片机原理及应用》
单片机原理及应用课程教案
课程名称：
单片机原理及应用
课程代码：
0340424
授课对象：
年级：
13级专业：
机械设计制造及自动化层次：
本科
授课教师：
钟奇
教师职称：
高工
课型：
专业
学时：
3学时/周合计：
36学时
教材名称：
单片机原理及应用（第3版）
开课系部：
机电工程系
教学日期：
2015年～2016年学年第一学期
广东技术师范学院天河学院
教案
第1章概述
概述
本章教学目的及基本要求：
教学目的：
主要介绍单片机的概念，发展过程，应用特点及单片机类型等。
基本要求：
了解单片机的概念，发展过程等。
重点掌握应用特点及单片机类型等。
本章教学内容的重点和难点：
重点：
掌握应用特点及单片机类型。
难点：
单片机概念。
本章教学内容的深化和拓宽：
介绍目前国内外发展情况。
本章教学方法、方式：
采用多媒体课件；
讲授和现场演示相结合；
本章主要参考资料：
马淑华：
《单片机原理与接口技术》，北京邮电大学出版社，2005
谢维成《单片机原理与应用及C51程序设计（第3版）》.清华大学出版社,2014
文武松《单片机实战宝典：
从入门到精通》.机械工业出版社,2014
张元良.《单片机原理及应用教程》.清华大学出版社,2011
广东技术师范学院天河学院
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年月日第周
课题：
第1章概述课次：
1
教学方法：
讲授+演示教具：
计算机、多媒体
教学目的：
1、介绍单片机概念，应用特点及相关结构特点等内容。
教学重点：
1、掌握应用特点及单片机类型。
教学难点：
1、单片机概念。
教学过程时间分配（包括组织教学：
复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）
组织教学：
2～3分钟作业分析：
3～5分钟
讲授新课：
78～82分钟新课小结：
1～2分钟
布置作业：
1～2分钟
课后记：
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教学过程设计：
组织教学：
复习旧课：
作业分析：
讲授新课：
1.1单片机的基本概念
1.1.1单片机的发展历程
电子数字计算机诞生于1946年，在其后的一个历史进程中，计算机始终是被供养在特殊的机房中、实现数值计算的大型昂贵设备。
直到20世纪70年代微处理器的出现，才使得计算机以小型、廉价、高可靠性的特点，迅速走出机房，并被逐渐嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。
这样一来，计算机便失去了原来的形态，其功能也有所不同。
为了区别于原有计算机系统，把嵌入到对象体系中实现对象体系智能化控制的计算机称做嵌入式计算机系统。
早期，人们通过改装通用计算机系统，在大型设备中实现嵌入式应用。
然而，在众多的对象系统（如家用电器、仪器仪表、控制单元等）中，无法嵌入通用计算机系统，且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同。
因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术的两大分支。
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1.1.2单片机技术的多学科交叉特点
嵌入式系统的嵌入式应用特点，决定了它多学科交叉的特点。
作为计算机的内容，要求计算机专业领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究。
然而，要了解对象体系的控制要求，实现系统控制模式，则必须具备对象领域的专业知识。
因此，由嵌入式系统发展的历史过程以及嵌入式应用的多样性，形成了两种应用模式，这两种应用模式是电子系统设计模式和计算机应用设计模式。
电子系统设计模式是指单片机以器件形态进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现电子系统的智能化。
电子技术应用工程师以自己习惯的电子技术应用模式，从事单片机的应用开发。
这种应用模式最主要的特点是：
软/硬件的底层性、随意性，对象系统专业技术的密切相关性，缺少计算机工程设计方法。
计算机应用设计模式是指基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用，从计算机专业角度介入嵌入式系统应用，带有明显的计算机工程应用特点。
1.1.3单片机的功能结构特征
1．单片机与微型计算机的基本功能组成部分
由于单片机是从通用微型计算机分化出来的一个应用分支，因此，它的基本功能组成部分和工作原理与通用微型计算机具有一致性。
微型计算机（简称微机）的基本组成结构如图1.1所示。
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教案
第2章 51系列单片机的硬件结构
概述
本章教学目的及基本要求：
本章介绍单片机内部结构、引脚及功能；单片机处理器，存储器，接口，中断，复位及低功耗运行等知识，由于本章知识重要，要求学生多记多理解。
本章教学内容的重点和难点：
重点：
单片机内部结构、引脚及功能；单片机处理器，存储器，接口，中断，复位及低功耗运行等。
难点：
引脚及功能，接口，中断。
本章教学内容的深化和拓宽：
通过实例加强理解与知识掌握
本章教学方法、方式：
采用多媒体课件；
讲授和现场演示相结合；
本章主要参考资料：
马淑华：
《单片机原理与接口技术》，北京邮电大学出版社，2005
谢维成《单片机原理与应用及C51程序设计（第3版）》.清华大学出版社,2014
文武松《单片机实战宝典：
从入门到精通》.机械工业出版社,2014
张元良.《单片机原理及应用教程》.清华大学出版社,2011
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年月日第周
课题：
第2章51系列单片机的硬件结构
2.1-2.3引脚及CPU课次：
2
教学方法：
讲授+演示教具：
计算机、多媒体
教学目的：
1、掌握CPU引脚分布，功能；
2、掌握分时工作原理。
3、掌握CPU内部结构，原理。
教学重点：
1、掌握CPU引脚分布，功能；
2、掌握分时工作原理。
3、掌握CPU内部结构，原理。
教学难点：
CPU内部结构，原理。
教学过程时间分配（包括组织教学：
复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）
组织教学：
2～3分钟；复习旧课：
1～2分钟
作业分析：
3～5分钟讲授新课：
76～80分钟
新课小结：
1～2分钟布置作业：
1～2分钟
课后记：
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教学过程设计：
组织教学：
复习旧课：
作业分析：
讲授新课：
第2章 51系列单片机的硬件结构
2.1 51系列单片机简介
51系列单片机是8051系列单片机的简称,是指MCS51系列单片机和其他公司的8051派生产品。
2.1.1 MCS51系列单片机
MCS51系列单片机最早是由Intel公司推出的通用型单片机。
MCS51系列单片机产品可分为两大系列:
51子系列和52子系列。
2.1.2 8051派生产品
8051派生产品是各个厂家以8051为基本内核而推出的单片机产品。
这些派生产品在8051内核基础上增加了存储器、通信接口和实时控制部件的数量与种类,增强了8051单片机的调试与应用能力。
这些增强型的8051单片机产品都是基于CMOS工艺的,通常称为80C51系列单片机。
例如,ATMEL公司的AT89C52、AT89C2051就属于80C51系列单片机。
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2.2 51单片机的内部结构与引脚信号
2.2.1 51单片机的基本组成
51系列单片机的内部结构框图如图2.1所示
各引脚功能说明如下:
1.主电源引脚
VCC（40脚）:
接+5V电源正端;
VSS（20脚）:
接+5V电源地端。
2.外接晶体引脚
XTAL1（19脚）:
接外部石英晶体的一端。
XTAL2（18脚）:
接外部石英晶体的另一端。
2.3 微处理器
微处理器又称CPU,是单片机内部的核心部件,它决定了单片机的主要功能特性。
CPU由运算部件和控制部件两大部分组成。
2.3.1 运算部件
运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心,再加上累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW等部件而构成的。
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年月日第周
课题：
2.4-2.5存储器、并行输入/输出接口1
课次：
3
教学方法：
讲授+演示+上机指导教具：
计算机、多媒体
教学目的：
1、掌握存储器工作原理，组成。
2、掌握存储器编址方式，
3、掌握寄存器。
教学重点：
1、存储器编址与寻址。
2、寄存器。
教学难点：
1、存储器编址与寻址。
教学过程时间分配（包括组织教学：
复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）
组织教学：
2～3分钟作业分析：
3～5分钟
讲授新课：
78～82分钟新课小结：
1～2分钟
布置作业：
1～2分钟
课后记：
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教学过程设计：
组织教学：
复习旧课：
作业分析：
讲授新课：
2.4 存储器
51单片机系统的存储器组织方式与通用单片机系统不同，程序存储器地址空间和数据存储器地址空间相互独立。
51单片机存储器从物理结构上可分为片内、片外程序存储器（8031和8032没有片内程序存储器）与片内、片外数据存储器4个部分；从功能上可分为程序存储器、片内数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间和片外数据存储器5个部分；其寻址空间可划分为程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器3个独立的地址空间。
2.4.1 程序存储器
1．编址与访问
51单片机的程序存储器用于存储程序代码和一些固定表格常数。
它可由只读存储器ROM或EPROM等组成。
为了有序地读出指令，设置了一个专用寄存器—程序计数器PC，用以存放将要执行的指令地址。
每取出指令的１个字节后，其内容自动加１，指向下一字节地址，依次使CPU从程序存储器取指令并加以执行。
2．程序的入口地址
程序地址空间可由用户根据需要任意安排使用。
但有几个地址是CPU执行特殊程序的入口地址，用户必须按规定存放相应程序。
特殊程序的入口地址规定见表2.3。
2.4.2 数据存储器
1.编址与访问
51单片机片内、外数据存储器是两个独立的地址空间,应分别单独编址。
片内数据存储器除RAM块外,还有特殊功能寄存器（SFR）块。
对于51子系列,前者有128个字节,其编址为00H~7FH;后者也占128个字节,其编址为80H~FFH;二者连续而不重叠。
对于52子系列,前者有256个字节,其编址为00H~FFH;后者占128个字节,其编址为80H~FFH;后者与前者高128个字节的编址是重叠的,由于访问所用的指令不同,因而并不会引起混乱。
片外数据存储器一般是16位编址。
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年月日第周
课题：
2.4-2.5存储器、并行输入/输出接口2
课次：
4
教学方法：
讲授+演示+上机指导教具：
计算机、多媒体
教学目的：
1、掌握定时器，计数器。
2、掌握串行接口的原理，
教学重点：
1、掌握定时器，计数器。
2、掌握串行接口的原理，
教学难点：
1、串行接口。
教学过程时间分配（包括组织教学：
复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）
组织教学：
2～3分钟作业分析：
3～5分钟
讲授新课：
78～82分钟新课小结：
1～2分钟
布置作业：
1～2分钟
课后记：
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教学过程设计：
组织教学：
复习旧课：
作业分析：
讲授新课：
2.4.2 数据存储器
1.编址与访问
51单片机片内、外数据存储器是两个独立的地址空间,应分别单独编址。
片内数据存储器除RAM块外,还有特殊功能寄存器（SFR）块。
对于51子系列,前者有128个字节,其编址为00H~7FH;后者也占128个字节,其编址为80H~FFH;二者连续而不重叠。
对于52子系列,前者有256个字节,其编址为00H~FFH;后者占128个字节,其编址为80H~FFH;后者与前者高128个字节的编址是重叠的,由于访问所用的指令不同,因而并不会引起混乱。
片外数据存储器一般是16位编址。
数据存储器的编址如图2.８所示。
寻址程序存储器的唯一方式是通过PC。
由于51单片机的程序计数器为16位，因此，可寻址的程序存储器地址空间为64KB。
51系列单片机从物理配置上有片内、片外程序存储器，但作为一个编址空间，其编址规律为：
先片内，后片外，片内、外连续，二者一般不重叠。
图2.7给出了程序存储器编址图。
并行通信是构成一组数据的各位同时进行传送,例如8位数据或16位数据并行传送。
其特点是传送速度快,但当距离较远、位数又多时,会导致通信线路复杂且成本高。
串行通信是数据一位接一位地顺序传送。
其特点是通信线路简单,只要一对传输线就可以实现通信（如电话线）,从而大大降低了成本,特别适用于远距离通信。
其缺点是传送速度慢。
图2.1９为以上两种通信方式的示意图。
由图可知,假设并行传送N位数据所需时间为T,那么串行传送的时间至少为N×T,而实际上总是大于N×T的。
单片机多机通信概括为以下几点：
（1）使所有的从机的SM2位置1，以便接收主机发来的地址。
（2）主机发出一帧地址信息，其中包括8位从机地址，第9位为1（地址标志）。
（3）所有从机接收到地址帧后，各自与本机地址相比较，对于地址相同的从机，使SM2位清0，以接收主机随后发来的所有信息；对于地址不符合的从机，仍保持SM2 = 1的状态，对主机随后发来的数据不予理睬，直至发送新的地址帧。
（4）主机给已被寻址的从机发送控制指令和数据（数据帧的第9位为0）。
单片机执行指令时,是从片内程序存储器取指令,还是从片外程序存储器取指令,这首先由单片机EA引脚电平的高低来决定。
EA=1为高电平时,先执行片内程序存储器的程序,当PC的内容超过片内程序存储器地址的最大值（51子系列为0FFFH,52子系列为1FFFH）时,将自动转去执行片外程序存储器中的程序;EA=0为低电平时,CPU则从片外程序存储器中取指令。
对于片内无程序存储器的51单片机,EA引脚应接低电平。
对于片内有程序存储器的单片机,如果EA引脚接低电平,将强行执行片外程序存储器中的程序。
此时多在片外程序存储器中存放调试程序,以使单片机工作在调试状态。
请读者注意:
片外程序存储器存放调试程序的部分,其编址与片内程序存储器的编址是可以重叠的,借EA的换接可实现分别访问。
现在以8051为内核的单片机大都带有内部的FLASH程序存储器,如AT89C51或AT89S51均自带4KB的FLASH程序存储器,还有的单片机带有20KB甚至更大容量的程序存储器。
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课题：
2.6定时器/计数器
课次：
5
教学方法：
讲授+演示+上机指导教具：
计算机、多媒体
教学目的：
1、掌握的概念。
2、掌握复位的概念，相关电路，
3、掌握低功耗方式
教学重点：
1、中断。
2、复位原理，
教学难点：
1、中断。
教学过程时间分配（包括组织教学：
复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）
组织教学：
2～3分钟作业分析：
3～5分钟
讲授新课：
78～82分钟新课小结：
1～2分钟
布置作业：
1～2分钟
课后记：
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教学过程设计：
组织教学：
复习旧课：
作业分析：
讲授新课：
2.6 定时器/计数器
定时器/计数器是51单片机的重要功能模块之一。
在检测、控制及智能仪器等应用中,常用定时器作实时时钟来实现定时检测、定时控制;还可用定时器产生毫秒宽的脉冲,来驱动步进电机一类的电器机械。
2.9.1 复位状态
对于定时器/计数器来说,不管是独立的定时器芯片还是单片机内的定时器,大都具有以下特点:
（1）定时器/计数器有多种方式,可以是计数方式,也可以是定时方式。
（2）定时器/计数器的计数值是可变的,当然计数的最大值是有限的,这取决于计数器的位数。
计数的最大值也就限定了定时的最大值。
（3）在到达设定的定时或计数值时发出中断申请,以便实现定时控制。
51单片机（51子系列）内带有两个16位定时器/计数器T0和T1,它们均可作为定时器或计数器使用。
片机默认选择工作寄存2.6.1 定时器/计数器T0、T1的结构
定时器/计数器T0、T1的结构框图如图2.15所示。
它由加法计数器、TMOD寄存器、TCON寄存器等组成
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课题：
2.7串行输入/输出接口课次：
4
教学方法：
讲授+演示+上机指导教具：
计算机、多媒体
教学目的：
1、通过实例掌握移动对象、实例几何体等命令。
2、掌握布尔运算，如求和、求差、求交。
教学重点：
1、全面了解移动对象命令。
2、掌握布尔运算，如求和、求差、求交。
教学难点：
1、对实体模型建立过程中，建模命令的操作技巧。
教学过程时间分配（包括组织教学：
复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）
组织教学：
2～3分钟作业分析：
3～5分钟
讲授新课：
78～82分钟新课小结：
1～2分钟
布置作业：
1～2分钟
课后记：
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教学过程设计：
组织教学：
复习旧课：
作业分析：
讲授新课：
2.7 串行输入/输出口
2.7.1 串行通信的基本概念
计算机与外界的信息交换称为通信。
通信的基本方式分为并行和串行通信两种。
并行通信是构成一组数据的各位同时进行传送,例如8位数据或16位数据并行传送。
其特点是传送速度快,但当距离较远、位数又多时,会导致通信线路复杂且成本高。
串行通信是数据一位接一位地顺序传送。
其特点是通信线路简单,只要一对传输线就可以实现通信（如电话线）,从而大大降低了成本,特别适用于远距离通信。
其缺点是传送速度慢。
图2.1９为以上两种通信方式的示意图。
由图可知,假设并行传送N位数据所需时间为T,那么串行传送的时间至少为N×T,而实际上总是大于N×T的。
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串行通信又可分为异步传送和同步传送两种方式。
1.异步传送方式
异步传送的特点是数据在线路上的传送不连续。
传送时,数据是以一个字符为单位进行传送的。
它用一个起始位表示字符的开始,用停止位表示字符的结束。
异步传送的字符格式如图2.20所示。
一个字符又称为一帧信息。
一帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位4个部分组成。
起始位为信号0,占1位;其后是数据位,可以是5位、6位、7位或8位,传送时低位在先、高位在后;再后面的1位为奇偶检验位（可要可不要）;最后是停止位,它用信号1来表示一帧信息的结束,可以是1位、1位半或2位。
异步传送中,字符间隔不固定。
在停止位后可以加空闲位,空闲位用高电平表示,用于等待传送。
这样,接收和发送可以随时或间断进行,而不受时间的限制。
图2.18（b）为有空闲位的情况。
在串行异步传送中,通信双方必须事先约定:
（1）字符格式。
双方要事先约定字符的编码形式、奇偶校验形式及起始位和停止位的规定。
例如,用ASCII码通信,有效数据为7位,加一个奇偶校验位、一个起始位和一个停止位,共10位。
当然,停止位也可以大于1位。
（2）波特率（Baudrate）。
波特率就是数据的传送速率,即每秒传送的二进制位数,单位为位/秒。
它与字符的传送速率（字符/秒）之间有以下关系:
波特率=一个字符的二进制编码位数×字符/秒
2.7.2 51单片机的串行口
1.功能与结构
51单片机内部有一个功能很强的全双工串行口,可同时接收和发送数据。
接收、发送数据均可工作在查询方式或中断方式,使用十分灵活,能方便地与其它计算机或串行传送信息的外部设备（如打印机、CRT终端等）实现双机、多机通信。
2.串行口的工作方式
1）方式0
串行口的工作方式0为移位寄存器方式。
图2.2３是串行口方式0的结构示意图。
数据从RxD引脚上接收或发送;一帧信息由8位数据组成,低位在前;波特率固定,为fosc/12;同步脉冲从TxD引脚上输出。
4.多机通信
在实际应用中,经常需要多个单片机之间协调工作,即多机通信。
利用51单片机串行口可实现多机通信,串行口用于多机通信时必须使用方式2或方式3。
主从式多机通信是多机通信中应用最广,也是最简单的一种。
主从式多机通信中只有一台主机,从机则可以有多台。
主机发出的信息只能传送到所有从机或指定的从机;而从机发送的信息只能被主机接收,各从机之间不可以直接通信,各从机之间的通信必须通过主机进行.
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课题：
2.8-2.9中断、复位及电路、低功耗方式1课次：
5
教学方法：
讲授+演示+上机指导教具：
计算机、多媒体
教学目的：
1、通过。
2、掌握布尔运算，如求和、求差、求交。
教学重点：
1、全面了解回转命令。
2、掌握布尔运算，如求和、求差、求交。
教学难点：
1、对实体模型建立过程中，建模命令的操作技巧。
教学过程时间分配（包括组织教学：
复习旧课、作业问题分析、讲授新课、新课小结、布置作业）
组织教学：
2～3分钟作业分析：
3～5分钟
讲授新课：
78～82分钟新课小结：
1～2分钟
布置作业：
1～2分钟
课后记：
单元教案续页
教学过程设计：
组织教学：
复习旧课：
作业分析：
讲授新课：
2.8 51单片机的中断系统
2.8.1 中断的基本概念
所谓中断,是指CPU对系统中或系统外发生的某个事件的一种响应过程,即CPU暂时停止现行程序的执行,而自动转去执行预先安排好的处理该事件的服务子程序;当处理结束后,再返回到被暂停程序的断点处,继续执行原来的程序。
实现这种中断功能的硬件系统和软件系统统称为中断系统。
中断系统是计算机的重要组成部分。
实时控制、故障自动处理时往往用到中断系统,计算机与外部设备间传送数据及实现人机联系时也常常采用中断方式。
中断系统需要解决的基本问题是:
中断源:
中断请求信号的来源,包括中断请求信号的产生及该信号怎样被CPU有效地识别,而且要求中断请求信号产生一次,只能被CPU接收处理一次,即不允许一次中断申请被CPU多次响应。
这就涉及到
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