最新 单片机原理及应用课程教案.docx
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教 师 教 案
（2017~2018学年度第2学期）
课程名称单片机原理及应用使用班级 机电一体化1班教研室 机电一体化
任课教师
职 务 教师
职 称
教案首页
2017-2018学年第2学期 顺序号：
（1）
主讲教师
职称
系、部
机电与信息工程系
课程名称 单片机原理及应用
本教案
授课学时
2
1.1微机基础知识概述
本次课标题 1.2单片机概述
机电一体化1班 2018年
授课班级
及时间 年
年
月
月月
日
日日
本章主要介绍微机基础知识，单片机的基本概念、发展过程、应用特点
教学目标 和概况。
教学 微机基础知识，单片机的基本概念、发展过程、应用特点和概况
主要内容
教学重点和难点：
教学重点、 教学重点：
微型计算机基础知识，了解单片机的概念以及应用范围难点
教学难点：
教学手段、
方法 通过课件进行图文并茂的讲解
●新课导入：
复习电路原理的基本知识
●教学过程和教学内容设计：
步骤一 复习原计算机概论相关 微型计算机
硬件结构引入新课
•1.硬件结构
运算器、控制器、存储器、输入设 备、输出设备五大部分组成
名词解释：
CPU,存储器，ROM,RAM,I/O 口，总线
（AB,DB,CB）
地址总线的计算方法：
2^n方
2.微机软件
（1）指令和程序，名词解释：
•软件是指使用和管理计算机的各种程序（Program），而程序是由一条条指令（Instruction）组成的。
•1．指令
•2．程序
（2）机器语言，汇编语言，高级语言
（3）汇编，编译，解释程序1．1．2计算机中的数制
1.计算机中的数制
十进
制
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
二进
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
制
十六
进制
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
为了区别十进制数、二进制数及十六进制数3种数制，可在数的右下角注明数制，或者在数的后面加一字母。
如B（binary）表示二进制数制；D（decimal）或不带字母表示十进制数制；H（hexadecimal）表示十六进制数制。
2.带符号数的表示：
原码、反码、补码
3.带符号数的溢出及判断
1.1.3计算机中常用编码
1.英文字符的表示方法——ASCⅡ码（见P256附录A）如何查表
6
2.BCD码（二进制编码的十进制数）解释：
压缩、非压缩BCD码表示
3. 简介汉字编码步骤二：
导入新课，1.2单片机概述
自从20世纪70年代推出单片机以来，作为微型计算机的一个分支，单片机经过30多年的发展，已经在各行各业得到了广泛的应用。
由于单片机具有可靠性高、体积小、干扰能力强、能在恶劣的环境下工作等特点，且有较高的性价比，因此广泛应用于工业控制、仪器仪表智能化、机电一体化、家用电器等领域。
本章主要介绍单片机的基本概念、发展过程、应用特点和概况。
讲授新课
？
？
单片机主要用在什么地方呢？
我们平常能够接触到吗？
一、单片机的应用领域
在工业控制、智能仪表、自动化装置、通信系统、信号处理等领域以及家用电器、高级玩具、办公自动化设备等方面均得到广泛的应用。
（1）工业测控：
对工业设备（如机床、汽车、高档中西餐厨具、锅炉、供水系统、生产自动化、自动报警系统、卫星信号接收等）进行智能测控，大大降低了劳动强度和生产成本，提高了产品质量的稳定性。
（2）智能设备：
用单片机改造普通仪器、仪表、读卡机等，使其（集测量、处理、控制功能为一体）智能化、微型化，如智能仪器、医疗器械、数字示波器等。
（3）家用电器：
如高档的洗衣机、空调器、电冰箱、微波炉、彩电、DVD、音响、手机、高档电子玩具等，用单片机做自动控制。
（4）商用产品：
如自动售货机、电子收款机、电子秤等。
（5）网络与通信的智能接口：
在大型计算机控制的网络或通信电路与外围设备的接口电路中，用单片机来控制或管理，可大大提高系统的运行速度和接口的管理水平。
如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机等。
？
？
那单片机为什么能够有这么多用途呢？
到底什么是单片机呢？
它有些什么特点呢？
二、单片机的概念
单片机是将CPU、存储器（RAM和ROM）、定时/计数器以及I/O接口等主要部件集成在一块芯片上的微型计算机。
单片机是单片微机（SingleChipMicrocomputer）的简称，但准确反映单片机本质的名称应是微控制器MCU（MicroControllerUnit）。
目前国外已普遍称之为微控制器。
鉴于它完全作嵌入式应用，故又称为嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontroller）。
三、单片机的特点
单片机作为微型计算机的一个分支，与一般的微型计算机没有本质上的区别，同样具有快速、精确、记忆功能和逻辑判断能力等特点。
但单片机是集成在一块芯片上的微型计算机，它与一般的微型计算机相比，在硬件结构和指令设置上均有独到之处，主要特点有：
（1）目前大多数单片机采用哈佛（Harvard）结构体系，存储器ROM和RAM是严格区分、相互独立的。
（2）I/O引脚通常是多功能的。
由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。
引脚处于哪种功能可由指令来设置或由机器状态来区分。
（3）有面向控制的指令系统。
为满足控制的需要，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令、I/O
接口的逻辑操作以及位处理指令。
所以，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。
（4）外部扩展能力强。
在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展，如扩展存储器、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等，可与许多通用的微机接口芯片兼容，系统设计方便灵活。
正因为如此，单片机具有功能强、体积小、成本低、功耗小、配置灵活等特点，使其在工业控制、
智能仪表、自动化装置、通信系统、信号处理等领域以及家用电器、高级玩具、办公自动化设备等方面均得到广泛的应用。
？
？
那么单片机是怎么发展而来的呢？
其发展状况又如何呢？
四、发展概况
1．第一代：
单片机探索阶段（1974—1978年）
2．第二代：
单片机完善阶段（1978—1983年）
3.第三代：
微控制器形成阶段
4.第四代：
微控制器百花齐放
5.单片机技术发展方向
（1）CPU的发展：
8位à16位à32位
（2）片内存储器的发展：
①扩大存储容量；②片内EPROM开始E2PROM化；③片内程序的保密措施
（3）加强片内输入输出接口功能
（4）单片机在工艺上的提高
（5）相关开发软件的发展
？
？
常用的单片机有哪些呢？
五、常用单片机系列介绍
目前世界上单片机生产厂商很多,如:
Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、ADM、Zilog等公司,其主流产品有几十个系列,几百个品种。
尽管其各具特色,名称各异,但作为集CPU、RAM、ROM（或EPROM）、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机,其原理大同小异。
现以Intel公司的系列产品为例,说明各系列之间的区别。
从1976年8位单片微机诞生以来，在单片微机领域中一直是以8位机为主流机型的，预计这种情况还将继续下去。
自1976年Intel公司推出MCS-48系列单片机以来，单片机经过了30年的迅猛发展，有了繁多的系列和五花八门的机种，现介绍几种主要的系列。
1．8051单片机
8051单片机最早由Intel公司推出，其后多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU
系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛。
2.WINBOND单片机（华邦公司）
3.LG公司生产的GMS90系列单片机
应用于：
多功能电话、智能传感器、电量表、工业控制、防盗报警装置、各种计费器、各种IC卡装置、DVD、VCD、CD-ROM。
4.MSP430单片机
TI的MSP430单片机是最近引进中国的品种。
它在超低功耗方面有突出的表现，经常被电池应用设计师所选用，被业界称为绿色MCU。
5.Motorola单片机
Motorola是世界上最大的单片机厂商。
Motorola
单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强。
更适合于工业控制领域及恶劣的环境。
6.MicroChip单片机
7.Atmel公司的AVR单片机
8.EM78系列OTP型单片机
9.Zilog单片机
六、MCS-51系列单片机的分类
MCS-51系列单片机共有二十多种芯片。
1.按片内不同程序存储器的配置来分
MCS-51系列单片机按片内不同程序存储器的配置来分，可以分为以下3种类型。
（1）片内带MaskROM（掩膜ROM）型：
8051、80C51、8052、80C52。
此类芯片是由半导体厂家在芯片生产过程中，将用户的应用程序代码通过掩膜工艺制作到ROM中。
其应用程序只能委托半导体厂家“写入”，一旦写入后不能修改。
此类单片机适合大批量使用。
（2）片内带EPROM型：
8751、87C51、8752。
此类芯片带有透明窗口，可通过紫外线擦除存储器中的程序代码，应用程序可通过专门的编程器写入到单片机中，需要更改时可擦除重新写入。
此类单片机价格较贵，不宜于大批量使用。
（3）片内无ROM（ROMLess）型：
8031、80C31、8032。
此类芯片的片内没有程序存储器，使用时必须在外部并行扩展程序存储器存储芯片。
此类单片机由于必须在外部并行扩展程序存储器存储芯片，造成系统电路复杂，目前较少使用。
2.按片内不同容量的存储器配置来分
按片内不同容量的存储器配置来分，可以分为以下两种类型。
（1）51子系列型：
芯片型号的最后位数字以1作为标志，51子系列是基本型产品。
片内带有4KBROM/EPROM（8031、80C31除外）、128BRAM、2个16位定时器/计数器、5个中断源等。
（2）52子系列型：
芯片型号的最后位数字以2作为标志，52子系列是增强型产品。
片内带有8KBROM/EPROM（8032、80C32除外）、256BRAM、3个16位定时器/计数器、6个中断源等。
3．按芯片的半导体制造工艺上的不同来分
按芯片的半导体制造工艺上的不同来分，可以分为以下两种类型。
（1）HMOS工艺型：
8051、8751、8052、8032。
HMOS工艺，即高密度短沟道MOS工艺。
（2）CHMOS工艺型：
80C51、83C51、87C51、80C31、80C32、80C52。
此类芯片型号中都以字母“C”来标识。
此两类器件在功能上是完全兼容的，但采用CHMOS工艺的芯片具有低功耗的特点，常用于构成低功耗的应用系统。
七、AT89系列单片机分类
在MCS-51系列单片机8051的基础上，Atmel公司开发的AT89系列单片机自问世以来，以其较低廉的价格和独特的程序存储器——快闪存储器（FlashMemory）为用户所青睐。
采用了快闪存储器（FlashMemory）的AT89系列单片机，不但具有一般MCS-51系列单片机的基本特性（如指令系统兼容，芯片引脚分布相同等），而且还具有以下一些独特的优点。
（1）片内程序存储器为电擦写型ROM（可重复编程的快闪存储器）。
整体擦除时间仅为10ms，可写入/擦除1000次以上，数据保存10年以上。
（2）两种可选编程模式，即可以用12V电压编程，也可以用VCC电压编程。
（3）宽工作电压范围，VCC为2.7～6V。
（4）全静态工作，工作频率范围为0～24MHz，频率范围宽，便于系统功耗控制。
（5）3层可编程的程序存储器上锁加密，使程序和系统更加难以仿制。
总之，AT89系列单片机与MCS-51系列单片机相比，前者和后者有兼容性，但前者的性能价格比
等指标更为优越。
！
！
友情提醒：
初学单片机时总觉得这也不清楚那也不明白，学了半天还是一头雾水，这一是与现行的教材只讲理论，理论与实验脱离有关，二是对单片机的整个开发过程不知有关。
实际上学习单片机要换一种思路来学，单片机的有些知识你不要问为什么，你照着做就行了。
例如：
对于每条指令你能问为什么这样吗？
不能，这是设计工程师设计时设计的。
要知道单片机种类很多，但不管哪种单片机，厂家都要配套提供编程器（固化程序）、硬件仿真器、开发软件（编译软件）、指令系统，芯片使用说明书，没有这些你很难进行二次开发，除非你是绝对高手，破解芯片。
知道了这些，就懂得了我们所做的工作就是按厂家提供的方法怎样使用好这个芯片、设计好你所需要的电路、按产品所要实现的功能编好程序。
步骤三 课堂小结
单片机是微型计算机的一个分支，由硬件系统和软件系统构成。
单片机是将CPU、存储器（RAM和ROM）、定时器/计数器以及I/O接口等主要部件集成在一块芯片上的微型计算机。
它具有功能强、体积小、抗干扰能力强、性价比高等特点，可作为常规器件应用于各种智能化系统中。
单片机与一般的微型计算机相比，在硬件结构和指令设置上有以下主要特点。
（1）大多数单片机采用哈佛（Harvard）结构体系，存储器ROM和RAM是严格区分、相互独立的。
小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度，同时程序在只读存储器ROM中运行，不易受外界侵害，可靠性高。
（2）I/O引脚通常是多功能的。
（3）有面向控制的指令系统，如丰富的转移指令、I/O接口的逻辑操作以及位处理指令等。
使单片机具有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。
（4）外部扩展能力强。
如扩展存储器、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等，可与许多通用的微机接口芯片兼容，系统设计方便灵活。
步骤四布置作业
●布置作业或思考题：
教案首页
2017-2018学年第2学期 顺序号：
（2）
主讲教师
职称
系、部
机电与信息工程系
课程名称 单片机原理及应用
本教案
授课学时
2
本次课标题 MCS-51系列单片机的内部结构和引脚说明
机电一体化1班 2018年
授课班级
及时间 年
年
月
月月
日
日日
重点要求掌握MCS-51型单片机的内部结构框图以及8051内部组成部件
教学目标
教学
主要内容
MCS-51型单片机的内部结构框图以及8051内部组成部件
教学重点和难点：
教学重点、 教学重点：
重点要求掌握MCS-51型单片机的内部结构框图以及8051内部
难点 组成部件
教学难点：
教学手段、 通过多媒体，结合有关的图形，以及设计作品实物加以讲解
方法
●新课导入：
复习电路原理的基本知识
●教学过程和教学内容设计：
步骤一:
新课引入
MCS-51系列单片机产品有8051，8031，8751，80C51，80C31，89C51等型号（前三种为CMOS芯片，后两种为CHMOS芯片）。
它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上有所不同。
8051内部设有4K字节的掩模ROM程序存储器，8031片内没有程序存储器，而8751是将8051片内的ROM换成EPROM。
89C51将EPROM改成了4K的闪速存储器，可擦写1万次以上不坏，本章将对8051单片机的结构作一介绍。
步骤二:
新课讲解
一、MCS-51型单片机的内部结构框图
8051单片机片内集成了中央处理器（CPU）、4KB程序存储器（ROM）、128B数据存储器（RAM）、128B特殊功能寄存器（SFR）、2个16位的定时器/计数器（T0和T1）、4个8位的并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）、1个串行口、中断系统等。
它们是通过片内单一总线连接起来的。
如图所示为8051单片机功能方框图。
注：
图中4K（4096）字节的ROM存储器部分用EPROM替换就成为8751；图中去掉ROM部分就成为8031
的结构图。
二、8051内部组成部件介绍
1.中央处理器CPU（8位机）
CPU由运算器和控制器组成，是单片机的核心，完成运算和控制操作。
1）运算器ALU
运算器是单片机的运算部件，用于实现二进制的算术运算和逻辑运算。
它由图2.2中的ALU（算术运算单元）、累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW、两个暂存器和位处理机等组成。
（1）算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B。
运算器以ALU为核心，它不仅能完成8位二进制的加、减、乘、除、加1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环移位、求补、清零等逻辑运算，并具有数据传输、程序转移等功能。
累加器（ACC，简称累加器A）为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。
进入ALU作算
5
术和逻辑运算的操作数多来自A，运算结果也常送回A保存。
寄存器B是为ALU进行乘除法运算而设置的。
若不作乘除运算时，则可作为通用寄存器使用。
（2）程序状态字
程序状态字PSW是一个8位的标志寄存器，它保存指令执行结果的特征信息，以供程序查询和判别。
其各位的定义如下：
（3）布尔处理机（位处理机）
它可对直接寻址的位（bit）变量进行位处理，如置位、清零、取反、测试转移以及逻辑“与、”“或”等位操作，使用户在编程时可以利用指令完成原来单凭复杂的硬件逻辑所完成的功能，并可方便地设置标志等。
2）控制器
控制器是单片机的神经中枢，它保证单片机各部分能自动而协调地工作。
控制器由定时和控制电路单元、程序计数器PC、PC增量器、指令寄存器、指令译码器、堆栈指针SP和数据指针DPTR等部件组成。
其中，程序计数器PC是一个不可寻址的16位专用寄存器（不属于特殊功能寄存器），用来存放下一条指令的地址，具有自动加1的功能。
单片机执行指令是在控制器的控制下进行的当CPU执行指令时，根据程序计数器PC中的地址从程序存储器中读出指令，送入指令寄存器中保存，然后送入指令译码器中进行译码，译码结果送到定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到系统的各个部件去进行相应的操作，随后程序计数器中的地址自动加1，以便为CPU取下一个需要执行的指令码做准备。
当下一条指令码取出执行后，PC又自动加1，使指令被一条条地执行。
这就是执行指令的全过程。
2.内部程序存储器（ROM）
8051单片机内有4KB掩膜ROM，主要用于存放程序、原始数据和表格等内容，因此称为内部程序存储器或片内ROM。
3.内部数据存储器（RAM）
8051单片机中共有256个RAM单元，但其中后128个单元被特殊功能寄存器（SFR）占用，可供用户用来存放可读取数据的只有前128个单元，通常把这部分单元称为内部数据存储器或片内RAM。
4．定时器/计数器
8051单片机片内有2个16位的定时器/计数器（T0、T1），并能以其定时或计数的结果对系统进行控制。
5.并行I/O接口
8051单片机片内有4个8位并行I/O接口（P0、P1、P2、P3）。
它们可双向使用，实现数据的并行输入/输出。
6.串行通信口
8051单片机片内有一个全双工的串行通信口，实现单片机和其他数据设备间的串行数据传送。
该串行通信口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位寄存器使用。
7．中断控制系统
8051单片机共有5个中断源，即如下所列：
（1）2个外部中断源。
（2）2个定时器/计数器中断源。
（3）1个串行中断源。
中断优先级分为高、低两级。
三、MCS-51型单片机外部引脚说明
双列直插式封装（DIP）的8051单片机有40条引脚，其引脚图及逻辑符号如图2.3所示。
除了DIP
封装外，它还有其他封装格式，如TQFP、PLCC等。
使用芯片时，具体的封装格式可查阅有关手册。
这40个引脚按照功能可分成以下几类：
电源线和外接晶振线（4根）：
电源、地各1根，XTAL1和XTAL2（2根）端口线（32条）：
4X8=32
控制线（6条）：
ALE/PROG
EA/VPP
PSEN
RST/VPD
1.电源及外接晶体引脚
（1）VCC（40脚）：
接+5V电源正端。
（2）VSS（20脚）：
接+5V电源地端。
（3）XTAL1、XTAL2：
晶体振荡电路反相输入端和输出端。
XTAL1（19脚）：
接外部石英晶体的一端。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外接晶体振荡器时，该引脚接地。
XTAL1（18脚）：
接外部石英晶体的另一端。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输出端。
当采用
外接晶体振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
2.输入/输出（I/O）引脚
8051共有4个8位并行I/O端口：
P0、P1、P2、P3端口，共32个引脚。
P3端口还具有第二功能，用于特殊信号输入/输出和控制信号（属控制总线）。
（1）P0端口通常用作8位数据总线或低8位地址总线的信息传送。
（2）P1端口一般用作通用数据I/O接口使用。
（3）P2端口通常用作高8位地址总线的信息传送。
（4）P3口常用于以第二功能（有8种）的输入/输出的形式。
详解：
（1）P0端口（39～32脚）：
P0.0～P0.7统称为P0端口，双向8位三态I/O接口。
在不接片外存储器与不
扩展I/O接口时，作为I/O接口使用，可直接连接外部I/O设备。
在接有片外存储器或扩展I/O接口时，
P0端口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。
P0端口能驱动8个TTL负载。
（2）P1端口（1～8脚）：
P1.0～P1.7统称为P1端口，8位准双向I/O接口。
由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O接口。
它的每一位都可以分别定义为输入线或输出
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