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1、单片机应用技术单片机应用技术教师：教师：贾贾 磊磊 手机：手机：13837811504 邮箱：邮箱： 2010年年9月月1日日 目目 录录一、一、单片机概述单片机概述二、二、80C5180C51单片机硬件结构单片机硬件结构三、三、单片机开发系统单片机开发系统四、四、单片机的程序设计单片机的程序设计五、定时五、定时/计数器与中断系统计数器与中断系统六、单片机系统的扩展六、单片机系统的扩展七、单片机接口技术七、单片机接口技术八、串行通信技术八、串行通信技术九、单片机应用系统设计九、单片机应用系统设计十、单片机的十、单片机的C C语言应用设计语言应用设计单片机应用技术单片机应用技术黄河水利职业技术学
2、院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术第一章第一章 单片机概述单片机概述1.1 单片机简介单片机简介 单片机（Single-Chip-Microcomputer）又称微控制器（Microcontroller），其最基本的结构是将CPU和计算机外围功能单元如存储器、I/O口、定时器/计数器、中断系统等集成在一个芯片上构成的。微处理器微处理器MPU 中央处理器中央处理器CPU单片微型计算机单片微型计算机SCM 微控制器微控制器MCU 黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术
3、单片机应用技术黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术1.2 单片机的应用领域单片机的应用领域 控制性能和可靠性高控制性能和可靠性高 可可对对I/OI/O端口直接操作，位操作能力更是其它端口直接操作，位操作能力更是其它计计算机算机无法比无法比拟拟的。由于的。由于CPUCPU、存、存储储器及器及I/OI/O接口集成在同一芯接口集成在同一芯片内，数据在片内，数据在传传送送时时受
4、干受干扰扰的影响的影响较较小，且不易受小，且不易受环环境境条件的影响。条件的影响。体积小、价格低、易于产品化体积小、价格低、易于产品化 应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术 智能智能仪仪器器仪仪表表 机电一体化产品机电一体化产品 实时工业控制实时工业控制 分布式系统的前端模块分布式系统的前端模块 家用电器家用电器黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势 CMOS
5、CMOS化化 低低电压电压、低功耗化（、低功耗化（MSP430MSP430）大容量化大容量化 高速化（高速化（AVRAVR系列）系列）低噪声和高可靠性低噪声和高可靠性 小容量、低价格化（小容量、低价格化（PICPIC系列）系列）集成多种外集成多种外设设功能功能黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术1.4 单片机单片机MCS-51系列系列1946年年2月月15日，第一台日，第一台电电子数字子数字计计算机算机问问世，世，标标志着志着计计算机算机时时代的代的到来。到来。开开开开创创创创了了了了计计计计算算算算机机机机科科科科学学学学技技技技术术术术的
6、的的的新新新新纪纪纪纪元元元元，对对对对人人人人类类类类的的的的生生生生产产产产和生活方式和生活方式和生活方式和生活方式产产产产生了巨大的影响生了巨大的影响生了巨大的影响生了巨大的影响 。冯冯诺依曼诺依曼提出提出“程序存储程序存储”和和“二进制运算二进制运算”的思想，构建了计算机经典结构：的思想，构建了计算机经典结构：黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术 电子计算机经历了五个时代：电子计算机经历了五个时代：电子管计算机电子管计算机晶体管计算机晶体管计算机集成电路计算机集成电路计算机大规模集成电路计算机大规模集成电路计算机超大规模集成电路计算机
7、超大规模集成电路计算机结结结结构构构构仍仍仍仍然然然然没没没没有有有有突突突突破破破破冯冯冯冯 诺诺诺诺依依依依曼曼曼曼提提提提出出出出的的的的计计计计算算算算机机机机的的的的经经经经典典典典结结结结构构构构框框框框架架架架黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术1.2.2 1.2.2 微型计算机的组成及其应用形态微型计算机的组成及其应用形态 19711971年年1 1月，月，INTELINTEL公司公司的特德的特德霍夫在与日本商霍夫在与日本商业业通通讯讯公司合作研制台式公司合作研制台式计计算器算器时时，将原始方案的，将原始方案的十几个芯片十几个
8、芯片压缩压缩成三个集成三个集成成电电路芯片。其中的两个路芯片。其中的两个芯片分芯片分别别用于存用于存储储程序和程序和数据，另一芯片集成了运数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存算器和控制器及一些寄存器，称器，称为为微微处处理器（即理器（即Intel 4004Intel 4004）。）。4004微微处处理器理器黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术 微处理器、存储器加上微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机接口电路组成微型计算机黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术微型计算机的应用
9、形态可以分为微型计算机的应用形态可以分为3种：种：多板机（系统机）多板机（系统机）工业工业PC机机 也属于多板机。也属于多板机。单板机单板机 单片机单片机:集成了集成了CPU、存储器、存储器、I/O接口电路的单芯片接口电路的单芯片微型计算机微型计算机。黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术三种应用形态的比较三种应用形态的比较：单单板机板机单单片机片机系系统统机（多板机）机（多板机）黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术 系系统统机机（桌桌面面应应用用）属属于于通通用用计计算算机机，主主要要用用于
10、于数据处理、办公自动化及辅助设计。数据处理、办公自动化及辅助设计。单单片片机机（嵌嵌入入式式应应用用）属属于于专专用用计计算算机机，主主要要用用于于智智能能仪仪表表及及传传感感器器、智智能能家家电电、智智能能办办公公设设备备、汽车及军事电子设备等系统。汽车及军事电子设备等系统。单单片片机机体体积积小小、价价格格低低、可可靠靠性性高高，其其非非凡凡的的嵌嵌入入式式应应用用形形态态对对于于满满足足嵌嵌入入式应用需求具有独特的优势。式应用需求具有独特的优势。黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术1.3 1.3 单片机的发展过程及产品近况单片机的发展过
11、程及产品近况1.4.1 单片机的发展过程单片机的发展过程三个主要三个主要阶阶段：段：单单芯片微机形成芯片微机形成阶阶段段 1976年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-48系列系列单单片片机机。8位位CPU、1K字字节节ROM、64字字节节RAM、27根根I/O线线和和1个个8位定位定时时/计计数器。数器。特点：存特点：存储储器容量小，器容量小，寻寻址范址范围围小（不大于小（不大于4K），无串行接口，指令系），无串行接口，指令系统统功能不功能不强强。黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术 特点是：结构体系完善，性能已大大提高，特点是：结
12、构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种已成为公认的单片机经典机种。性能完善提高阶段性能完善提高阶段 1980年，年，Intel公司推出了公司推出了MCS-51系列系列单单片片机：机：8位位CPU、4K字字节节ROM、128字字节节RAM、4个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工串行口、2个个16位定位定时时/计计数器。数器。寻寻址范址范围围64K，并有控制功能，并有控制功能较较强强的的布布尔尔处处理器。理器。黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技
13、术 微控制器化阶段微控制器化阶段 特点：片内面向测控系统电路增强，使之可特点：片内面向测控系统电路增强，使之可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。的称谓更能反应单片机的本质。1982年，年，Intel推出推出MCS-96系列单片机。芯系列单片机。芯片内集成：片内集成：16位位CPU、8K字节字节ROM、232字节字节RAM、5个个8位并口、位并口、1个全双工串行口、个全双工串行口、2个个16位定时位定时/计数器。寻址范围计数器。寻址范围64K。片上还有。片上还有8路路10位位ADC、1路路PWM输出
14、及高速输出及高速I/O部件等。部件等。黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术1.3.2 1.3.2 单片机产品近况单片机产品近况 ATMELATMEL公司融入公司融入FlashFlash存存储储器技器技术术的的AT89AT89系列系列 PhilipsPhilips公司的公司的80C5180C51、80C55280C552系列系列 华华邦公司的邦公司的W78C51W78C51、W77C51W77C51高速低价系列高速低价系列 ADIADI公司的公司的ADC8xxADC8xx高精度高精度ADCADC系列系列 LGLG公司的公司的GMS90/97GM
15、S90/97低低压压高速系列高速系列 MaximMaxim公司的公司的DS89C420DS89C420高速（高速（50MIPS50MIPS）系列）系列 CygnalCygnal公司的公司的C8051FC8051F系列高速系列高速SOCSOC单单片机片机 80C5180C51系列系列产产品繁多，主流地位已形成，已推品繁多，主流地位已形成，已推出的与出的与80C5180C51兼容的主要兼容的主要产产品有：品有：黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术 非非80C51结构单片机新品不断推出，给用户结构单片机新品不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间提
16、供了更为广泛的选择空间，近年来推出的非，近年来推出的非80C51系列的主要产品有：系列的主要产品有：Intel的的MCS-96系列系列16位单片机位单片机 Microchip的的PIC系列系列RISC单片机单片机 TI的的MSP430F系列系列16位低功耗单片机位低功耗单片机 黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术1.5 1.5 单片机应用系统开发简介单片机应用系统开发简介1.4.2 单片机应用系统的开发单片机应用系统的开发 单单片机自身没有开片机自身没有开发发功能，必功能，必须须借助开借助开发发机机来完成如下任来完成如下任务务：排除硬件故障和
17、排除硬件故障和软软件件错误错误 程序固化到程序存程序固化到程序存储储器芯片中。器芯片中。正确的硬件设计和良好的软件功能设计是一正确的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成该个实用的单片机应用系统的设计目标。完成该目标的过程称为单片机应用系统的开发。目标的过程称为单片机应用系统的开发。黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术指令的表示形式指令的表示形式指令是让单片机执行某种操作的命令。指令指令是让单片机执行某种操作的命令。指令按一定的顺序以二进制码的形式存放于程序存按一定的顺序以二进制码的形式存放于程序存储器中。如：
18、储器中。如：04H:累加器累加器A的内容加的内容加1，难记！，难记！INC A，记忆容易。，记忆容易。称为符号指令。称为符号指令。0000 0100B04H黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术 汇编或编译汇编或编译 将符号指令转换成机器码的过程称为汇编。将符号指令转换成机器码的过程称为汇编。常用的汇编方法有三种：常用的汇编方法有三种：手工汇编手工汇编 利用开发机的驻留汇编程序进行汇编利用开发机的驻留汇编程序进行汇编 交叉汇编交叉汇编现在常采用高级语言（如现在常采用高级语言（如C51）进行单片机）进行单片机应用程序的设计。应用程序的设计。黄河水
19、利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术 仿真开发仿真开发1.5.2 1.5.2 单片机应用系统传统开发方式单片机应用系统传统开发方式黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术 SST公司推出的公司推出的SST89C54和和SST89C58芯片有芯片有SuperFLASH存储器，利用这种存储存储器，利用这种存储器可以进行高速读写的特点，能够实现：器可以进行高速读写的特点，能够实现：在系统编程（在系统编程（ISP）在应用编程（在应用编程（IAP）。）。1.5.3 1.5.3 单片机开发方式的发展单片机开发方式
20、的发展应用程序应用程序的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载。然后实现目标程序的串行下载。黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术 Microchip公司推出的公司推出的PIC16F87X中中内置有在线调试器内置有在线调试器ICD功能功能 还还配置了具有配置了具有ICSPICSP功能的功能的简单简单仿真器和仿真器和烧烧写器。通写器。通过过PCPC机串行机串行电缆电缆就可以完成就可以完成对对目目标标系系统统的仿真的仿真调试调试 。黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片
21、机应用技术单片机应用技术复习：复习：数制与编码数制与编码 十进制（十进制（D）：）：二进制（二进制（B）：）：十六进制（十六进制（H）:8421BCD码：码：四位四位B表示一位表示一位D（0-9）黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术数制之间的转换数制之间的转换 R进制进制 十进制十进制 D D 按位权展开求和按位权展开求和 十进制十进制 D D R进制进制 整数部分整数部分:除除R取余法取余法 小数部分小数部分:乘乘R取整法取整法 然后相加然后相加黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术数制之间
22、的转换数制之间的转换 二二进制进制 B B 十六进制十六进制 H H 四位变一位四位变一位 十六进制十六进制 H H 二进制二进制 B B 一位变四位一位变四位 黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术8 8位机器数的编码位机器数的编码1.原码：原码：符号位（符号位（1位）位）+真值（真值（7位）位）最高位最高位:0-正数正数 1-负数负数 取值范围：取值范围：-127+127 正数的补码正数的补码=反码反码=原码原码2.反码：反码：负数的反码负数的反码=正数的原码正数的原码3.补码：补码：负数的补码负数的补码=正数的原码正数的原码+1（求反加一求反加一）负数的补码负数的补码=00H-正数的原码正数的原码 取值范围：取值范围：-128+127 一个数的补码的补码等于原码一个数的补码的补码等于原码黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术带符号二进制数运算法则带符号二进制数运算法则 公公 式式：X+Y补X补+Y补 X-Y补X补+-Y补运算规则运算规则：按二进制运算规则运算，即逢二进一；两个数的符号位参加运算；由符号位产生的进位自然舍掉。黄河水利职业技术学院机电工程系黄河水利职业技术学院机电工程系单片机应用技术单片机应用技术