单片机原理与应用教程

单片机原理与应用

PrinciplesandApplicationofMicrocontroller课号及课序号：12024002-100讲授：栗华

山东大学信息科学与工程学院课程的重要性：实践性很强的课程重要的硬件课程：就业、保研学好可大大提高实践能力课程安排讲课学时：实验学时=36：18自主学习、创新实验学习要求：认真做好实验主动寻找实践时机学习方法：动手实践Practiceisabestwaytolearning.作业、考核实验报告全部上交考核分笔试和实验两种形式笔试成绩占60%实验及平时成绩占40%学时安排〔共32学时〕第1章单片机简介……2学时第2章MCS-51单片机硬件结构………4学时第3章MCS-51的软件系统设计………6学时第4章定时器、串行口及中断系统…5学时第5章系统扩展……4学时第6章人机交互接口………………5学时第7章信号的输入输出技术…………4学时第8章MCS-51单片机应用系统设计…2学时1.1什么是单片机1.2单片机的历史1.3单片机的开展趋势1.4单片机的应用1.5单片机的主要厂商及产品系列第一章单片机简介单片机即单片微型计算机，是将计算机主机(CPU、内存和I/O接口和几种根本外设)集成在一小块硅片上的微型机1.1什么是单片机单片机的特点：集成度高、体积小可靠性高控制功能强低功耗可扩展性好性价比高第一章 单片机简介1.1什么是单片机1.2单片机的历史1.3单片机的开展趋势1.4单片机的应用1.5单片机的主要厂商及产品系列计算机的开展概况1946-1958:第一代电子管计算机。磁鼓存储器，机器语言汇编语言编程。世界上第一台数字计算机ENIAC。1958-1964:第二代晶体管计算机。磁芯作主存储器,磁盘作外存储器，开始使用高级语言编程。1964-1971:第三代集成电路计算机。使用半导体存储器，出现多终端计算机和计算机网络。1971-:第四代大规模集成电路计算机。出现微型计算机、单片微型计算机，外部设备多样化。1981-:第五代人工智能计算机。模拟人的智能和交流方式。1.2单片机的开展历史1946年，由美国宾夕法尼亚大学研制“埃尼阿克〞ENIAC〔ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator〕，运算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，重达30吨。造价48万美元。计算机开展趋势微型化─

便携式、低功耗巨型化─

尖端科技领域的信息处理，需要超大容量、高速度智能化─

模拟人类大脑思维和交流方式，多种处理能力系列化、标准化─

便于各种计算机硬、软件兼容和升级网络化─

网络计算机和信息高速公路多机系统─大型设备、生产流水线集中管理(独立控制、 故障分散、资源共享)微型计算机的应用形态从应用形态上，微型计算机可以分成三种：〔1〕多板机〔系统机〕将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板〔即微机主板〕上，再通过系统总线和其它多块外设适配板卡连接键盘、显示器、打印机、软/硬盘驱动器及光驱等设备。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统〔简称系统机〕。工业PC机也属于多板机。〔2〕单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备〔小键盘、LED显示器〕等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序〔固化在ROM中〕，就构成了一台单板微型计算机〔简称单板机〕。单板机图片

单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。3〕单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。三种应用形态的比较：系统机〔多板机〕单板机单片机系统机〔桌面应用〕属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。单片机〔嵌入式应用〕属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。

单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。单片机的开展过程：

(1)第一阶段(1976一1978)

初级8位单片机以Intel公司首先推出的MCS-48系列单片机为代表。它以体积小、功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用，成为单片机开展过程中的一个重要阶段。(2)第二阶段(1978—1982)高档8位单片机Intel公司推出了完善、典型的MCS-51单片机系列。

①MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口。

②CPU外围功能单元的集中管理模式。

③表达工控特性的位地址空间及位操作方式。

④指令系统趋于丰富和完善，增加了许多突出控制功能的指令。IntelMCS-51系列：51子系列：8031/8051/875152子系列：8032/8052/8752低功耗型80C31高性能型80C252廉价型89C2051/1051(3)第三阶段(1982—1990)16位单片机，也是单片机向微控制器开展的阶段。

随着MCS—5l系列的广泛应用，许多电气厂商竞相使用80C51的内核技术，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A／D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，强化了智能控制器的特征。16位单片机IntelMCS-96系列8098/8096、80C198/80C196(4)第四阶段(1990之后)

高速、大寻址范围、强运算能力的8位／16位／32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

16位单片机凌阳系列32位单片机ARM7

、ARM9、ARM10

80960、…….单片机的种类很多，到目前为止，世界各国厂商已研制出大约50个系列、30多个品种的单片机的产品。

最具典型代表的应属Intel公司的MCS-51系列单片机。

直到现在MCS-51仍不失为单片机中的主流机型。这主要由于在工业控制、智能仪表、家用电器、IC卡等诸多应用领域，8位单片机系列在性能、价格两方面都做到了较好的兼顾。

估计在未来十年内，8位单片机仍将是单片机中的主流机型。第一章 单片机简介1.1什么是单片机1.2单片机的历史1.3单片机的开展趋势1.4单片机的应用1.5单片机的主要厂商及产品系列开展趋势主要有以下几个方面

1．多功能

在单片机中尽可能多地把应用所需的存储器、各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，使单片机的功能更加强大。如把LED、LCD或VFD显示驱动器也开始集成在8位单片机中。增加了各种总线接口1.3单片机的开展趋势2．高性能

加快运算速度和提高系统可靠性，采用精简指令系统计算机RISC〔ReducedInstructionSetComputer〕结构和流水线技术，大幅度提高运行速度。现指令速度高者已达100MIPS(MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒)，并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。集成度进—步提高，有的单片机的寻址能力已突破64KB的限制，8位、16位的单片机有的寻址能力已到达1MB和16MB。片内ROM的容量可达64KB，RAM的容量可达2KB。3．低电压、低功耗

允许使用的电压范围越来越宽，一般在3-6V范围内工作，有的已能在1.2V或0.9V电压下工作。几乎所有的单片机都具有省电运行方式。单片机的功耗已从mA级降到μA级，甚至1μA以下，在一粒钮扣电池下就可长期工作。低功耗化同时带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。

4．在线调试有些新型单片机具备使用JTAG接口的在线调试功能，方便了用户的开发。

5.低价格第一章 单片机简介1.1什么是单片机1.2单片机的历史1.3单片机的开展趋势1.4单片机的应用1.5单片机的主要厂商及产品系列单片机为工业测控而设计，又称微控制器。具有三高优势(集成度高、可靠性高、性价比高)。主要应用于工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器等。特别适合于嵌入式微型机应用系统。分为单机应用和多机应用两类1.4单片机的应用单机应用民用电子产品：家用电器、、高档电子玩具计算机系统键盘、打印机、CRT、硬盘驱动智能仪表仪表的数字化、智能化、多功能化工业测控机床、汽车〔点火控制、防滑、变速、排气控制〕、锅炉、自动报警网络和通信的智能接口军工领域导弹控制、鱼雷制导控制多机应用功能集散系统库房温湿度集散测控系统并行多机处理系统并行数据采集系统、处理系统局域网络系统楼宇自动化的自动抄表系统研究说明：一个消费者一天接触到的物品中，就包括100个嵌入式单片机系统：从微波炉、吹风机、无绳、冰箱、洗衣机到汽车、微机、中央空调系统、智能门禁、安防系统等众多产品，都参加了嵌入式单片机来增强可靠性、改善能效、保证平安、提高产品灵活性。单片机市场每年销售量超过50亿片，比制造商每年销售5亿部多得多。市场前景是非常广阔的。单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域第一章 单片机简介1.1什么是单片机1.2单片机的历史1.3单片机的开展趋势1.4单片机的应用1.5单片机的主要厂商及产品系列Intel:MCS-48系列，MCS-51系列〔8031、8051、8751〕，MCS-52系列〔8032、8052、8752〕，MCS-96系列等。1.5单片机的主要厂商及产品系列Atmel ：89C/S系列：1051/2051/4051/51/52/58AT89S51/52和AT89C相比新增加了以下功能：

◆支持在系统编程ISP生产及维护更方便

◆增加了片内看门狗使用户的应用系统更巩固

◆双数据指针使数据操作更加快捷方便

◆速度更高最高可使用33MHZ的晶振AVR系列：ATmega8/16/128等，其特点是：RISC架构具备了1MIPS/MHz〔百万条指令每秒/兆赫兹〕的高速处理能力；采用Harvard双总线结构；具备JTAG仿真和下载功能；都含有片内看门狗电路、片内程序Flash、同步串行接口SPI；多数AVR单片机还内嵌了AD转换器、EEPROM、摸拟比较器、PWM定时计数器等多种功能；AVR片机的I/O接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件，从而省去驱动电路，节约系统本钱。Philips P87LPC系列：760/761/762/764/769…… P89C系列：51RA/RB/RC/RD……P87LPC系列：OTP型,20脚，2个精确模拟比较器,外加RC组成4路8位ADC,PWM，I2C+URAT串口,10个中断源，4级优先级，口线20mA驱动能力……P89C系列：51RA/RB/RC/RD分别含8K—64K字节ROM，512—1K字节RAM，ISP/IAP,20MHz/1TM=6TC，7中断源4优先级……TI：MSP430系列是一款16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。MSP430系列单片机的特点：◆超低功耗：MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压〔1.8~3.6V〕及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。在系统中共有一种活动模式〔AM〕和五种低功耗模式〔LPM0~LPM4〕。在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200~400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。◆高速：RISC架构，单周