单片机原理与应用技术整套课件电子教案整本书课件全套教学教程.ppt
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1、单片机原理与应单片机原理与应用技术用技术前前 言言 单片机原理与应用技术是高等院校计算机技术、电子信息单片机原理与应用技术是高等院校计算机技术、电子信息技术类专业的一门重要专业课程。通过对本课程的学习,学技术类专业的一门重要专业课程。通过对本课程的学习,学生能系统地掌握单片机原理及接口技术,掌握单片机汇编语生能系统地掌握单片机原理及接口技术,掌握单片机汇编语言程序设计方法,熟悉单片机在工业控制中的应用,熟悉单言程序设计方法,熟悉单片机在工业控制中的应用,熟悉单片机应用系统的开发技术。片机应用系统的开发技术。本教材从课程教学的要求出发,以培养学生的基本素质及本教材从课程教学的要求出发,以培养学生
2、的基本素质及综合应用能力为目标,充分体现内容的实用性、适用性、先综合应用能力为目标,充分体现内容的实用性、适用性、先进性。本书具有以下特色。进性。本书具有以下特色。返回下一页第第1章章 单片微型计算机基础知识单片微型计算机基础知识1.1 单片机的发展概况单片机的发展概况1.2 计算机中数的表示方法计算机中数的表示方法1.3 计算机语言计算机语言1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况1.1.1什么是单片机什么是单片机 随着大规模、超大规模集成电路技术的发展和计算机微型随着大规模、超大规模集成电路技术的发展和计算机微型化的需要,把微型计算机的基本功能部件化的需要,把微型计算机的基本功能部件:中央
3、处理器中央处理器(CPU)、存储器、输入存储器、输入/输出接口、定时器输出接口、定时器/计数器、中断系统等多种计数器、中断系统等多种资源集成在一个半导体芯片上,使得一块集成电路芯片就能资源集成在一个半导体芯片上,使得一块集成电路芯片就能构成一个完整的微型计算机,这种集成电路芯片被称为单片构成一个完整的微型计算机,这种集成电路芯片被称为单片微型计算机微型计算机(Single Chip Microcomputer),简称单片机。由,简称单片机。由于它的结构及功能均是按照工业控制要求设计的,所以其确于它的结构及功能均是按照工业控制要求设计的,所以其确切的名称应是单片微控制器。切的名称应是单片微控制器
4、。返回下一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 在单片机的结构设计上,它的硬、软件系统及在单片机的结构设计上,它的硬、软件系统及I/O接口控制接口控制能力等方面都有独到之处,具有较强而有效的功能。从其组能力等方面都有独到之处,具有较强而有效的功能。从其组成、逻辑功能上来看,单片机都具备了微机系统的基本部件。成、逻辑功能上来看,单片机都具备了微机系统的基本部件。但是需要指出的是,单片机毕竟还只是一个芯片,只有在配但是需要指出的是,单片机毕竟还只是一个芯片,只有在配置了应用系统所需的接口芯片、输入置了应用系统所需的接口芯片、输入/输出设备等,才可以构输出设备等,才可以构成实用的单片机应用系统
5、。成实用的单片机应用系统。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况1.1.2单片机发展历程及产品近况单片机发展历程及产品近况 自从自从1975年美国德克萨斯仪器公司年美国德克萨斯仪器公司(TI公司公司)的第一个单片的第一个单片机机TMS1000问世以来,迄今为止单片机技术已成为计算机问世以来,迄今为止单片机技术已成为计算机技术的一个独特分支,在众多领域尤其是在智能化仪器仪表、技术的一个独特分支,在众多领域尤其是在智能化仪器仪表、检测和控制系统中有着广泛的应用。检测和控制系统中有着广泛的应用。单片机技术发展十分迅速,产品种类也非常多。纵观整个单片机技术发展十分迅速,产品种类也非常
6、多。纵观整个单片机技术的发展过程,可以分为以下单片机技术的发展过程,可以分为以下3个主要阶段。个主要阶段。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 1.单芯片微机形成阶段单芯片微机形成阶段 1976年,年,Intel公司推出了公司推出了MCS-48系列单片机。该系列单系列单片机。该系列单片机早期产品在芯片内集成有片机早期产品在芯片内集成有:8位位CPU,1 KB程序存储器程序存储器(ROM)、64B数据存储器数据存储器(RAM),27根根I/O线和线和1个个8位定时位定时/计数计数器。器。此阶段单片机的主要特点是此阶段单片机的主要特点是:在单个芯片内完成了在单个芯片内完成了CP
7、U、存、存储器、储器、I/O接口、定时接口、定时/计数器、中断系统、时钟等部件的集计数器、中断系统、时钟等部件的集成。但存储器容量较小,寻址范围小成。但存储器容量较小,寻址范围小(不大于不大于4 K),无串行接,无串行接口,指令系统功能不强。口,指令系统功能不强。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 2.性能完善提高阶段性能完善提高阶段 1980年,年,Intel公司推出公司推出MCS-51系列单片机。该系列单片机系列单片机。该系列单片机在芯片内集成有在芯片内集成有:8位位CPU,4KB程序存储器程序存储器(ROM)、128 B数据数据存储器存储器(RAM)、4个个8位并行
8、接口、位并行接口、1个全双工串行接口、个全双工串行接口、2个个16位定时位定时/计数器,寻址范围为计数器,寻址范围为64 K,并集成有控制功能较强的,并集成有控制功能较强的布尔处理器布尔处理器(完成位处理功能完成位处理功能)。此阶段单片机的主要特点是此阶段单片机的主要特点是:结构体系完善,性能已大大提结构体系完善,性能已大大提高,面向控制的特点进一步突出。现在,高,面向控制的特点进一步突出。现在,MCS-51已成为公认已成为公认的单片机经典机种。的单片机经典机种。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 3.微控制器化阶段微控制器化阶段 1982年,年,Intel公司推出公司推
9、出MCS-96系列单片机。该系列单片机系列单片机。该系列单片机在芯片内集成有在芯片内集成有:16位位CPU,8KB程序存储器程序存储器(ROM)、232 B数数据存储器据存储器(RAM)、5个个8位并行接口、位并行接口、1个全双工串行接口、个全双工串行接口、2个个16位定时位定时/计数器。寻址范围最大为计数器。寻址范围最大为64K,片上还有片上还有8路路10位位ADC,1路路PWM (D/A)输出及高速输出及高速I/)部件等。部件等。此阶段单片机的主要特点是此阶段单片机的主要特点是:片内面向测控系统外围电路增片内面向测控系统外围电路增强,使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设强,使单
10、片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。至此,备。至此,“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。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 近年来,许多半导体了商以近年来,许多半导体了商以MCS-51系列单片机的系列单片机的8051为内为内核,将许多测控系统中的接口技术、可靠性技术及先进的存核,将许多测控系统中的接口技术、可靠性技术及先进的存储器技术及工艺技术集成至单片机中,生产出了多种功能强储器技术及工艺技术集成至单片机中,生产出了多种功能强大、使用灵活的新一代大、使用灵活的新一代8051系列单片机。系列单片机。随着微电子设计技术及计
11、算机技术的不断发展,单片机产随着微电子设计技术及计算机技术的不断发展,单片机产品和技术日新月异。单片机产品近况可以归纳为以下两个方品和技术日新月异。单片机产品近况可以归纳为以下两个方面。面。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 1)8051系列单片机产品繁多,主流地位已经形成系列单片机产品繁多,主流地位已经形成 通用微型计算机计算速度的提高主要体现在通用微型计算机计算速度的提高主要体现在CPU位数的提位数的提高高(16位、位、32位、位、64位位),而单片机更注重的是产品的可靠性、,而单片机更注重的是产品的可靠性、经济性和嵌入性。所以,单片机经济性和嵌入性。所以,单片机CP
12、U位数的提高需求并不十位数的提高需求并不十分迫切。而多年来的应用实践已经证明,分迫切。而多年来的应用实践已经证明,8051的系统结构合的系统结构合理、技术成熟。因此,许多单片生产了商倾力于提高理、技术成熟。因此,许多单片生产了商倾力于提高8051单单片机产品的综合功能,从而形成了片机产品的综合功能,从而形成了8051的主流产品地位。近的主流产品地位。近年来推出与年来推出与8051兼容的主要产品有兼容的主要产品有:返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 (1)ATMEL公司融入公司融入Flash存储器技术推出的存储器技术推出的AT89系列单系列单片机。片机。(2)Philips
13、公司推出的公司推出的80C51,80C552系列高性能单片机。系列高性能单片机。(3)华邦公司推出的华邦公司推出的W78C51,W77C51系列高速低价单片机。系列高速低价单片机。(4)ADI公司推出的公司推出的ADuC8xx系列高精度系列高精度ADC单片机。单片机。(5)LG公司推出的公司推出的DMS90/97系列低压高速单片机。系列低压高速单片机。(6)MAXIM公司推出的公司推出的D589C420高速高速(50 MIPS)单片机。单片机。(7)Cygnal公司推出的公司推出的C8051 F系列高速系列高速SOC单片机等。单片机等。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况
14、2)非非8051结构单片机不断推出,给用户提供了更为广泛的结构单片机不断推出,给用户提供了更为广泛的选择空间选择空间 在在8051及其兼容产品流行的同时,一些单片机芯片生产了及其兼容产品流行的同时,一些单片机芯片生产了商也推出了一些非商也推出了一些非8051结构的产品,影响较大的有结构的产品,影响较大的有:(1)Intel公司推出公司推出 MCS-96系列系列16位单片机。位单片机。(2)Microchip公司推出公司推出 PIC系列系列RISC单片机。单片机。(3)TI公司推出公司推出MSP430F系列系列16位低电压、低功耗单片机。位低电压、低功耗单片机。(4)ATMEL公司推出公司推出A
15、VR系列系列RISC单片机。单片机。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 目前,单片机正朝着高性能和多品种的方向发展,但由于目前,单片机正朝着高性能和多品种的方向发展,但由于MCS-51系列的系列的8位单片机仍能满足绝大多数应用领域的需要,位单片机仍能满足绝大多数应用领域的需要,所以以所以以MCS-51系列为主的系列为主的8位单片机,现在及以后的相当一位单片机,现在及以后的相当一段时期内仍然将占据单片机应用市场的主导地位。段时期内仍然将占据单片机应用市场的主导地位。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况1.1.3单片机的应用及发展趋势单片机的应用及发展趋势
16、 1.单片机的应用领域单片机的应用领域 单片机的应用极为广泛,已深入到国民经济的各个领域,单片机的应用极为广泛,已深入到国民经济的各个领域,对各行业的技术改造和产品的更新换代起着积极的推动作用。对各行业的技术改造和产品的更新换代起着积极的推动作用。单片机的应用领域主要有以下几个方面。单片机的应用领域主要有以下几个方面。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 1)生产自动化生产自动化 自动化生产不但能够降低劳动强度,而且可以提高经济效自动化生产不但能够降低劳动强度,而且可以提高经济效益、改善产品质量,广泛应用于机械、汽车、电子、石油、益、改善产品质量,广泛应用于机械、汽车、电子
17、、石油、化工、食品等工农业生产领域。自动化生产线、机械手、数化工、食品等工农业生产领域。自动化生产线、机械手、数控机床等自动化生产设备都能由单片机实现其智能化的自动控机床等自动化生产设备都能由单片机实现其智能化的自动控制功能。控制功能。2)实时测控实时测控 测控系统的工作环境往往比较恶劣,干扰繁杂,并且要求测控系统的工作环境往往比较恶劣,干扰繁杂,并且要求实时测量控制,如工业窑炉的温度、酸度、化学成分的测量实时测量控制,如工业窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制等。单片机工作稳定、可靠,抗干扰能力强,体积小,和控制等。单片机工作稳定、可靠,抗干扰能力强,体积小,使用灵活,适用于各种恶劣环境,
18、最宜承担测控工作。使用灵活,适用于各种恶劣环境,最宜承担测控工作。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 3)智能化产品智能化产品 现代工业产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程现代工业产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度,而智能化的提高离不开单片机。传统的机电产品与单片度,而智能化的提高离不开单片机。传统的机电产品与单片机结合后,可简化产品结构、升级产品功能、并实现控制智机结合后,可简化产品结构、升级产品功能、并实现控制智能化。单片机与机械技术相结合,称为机电一体化,是机械能化。单片机与机械技术相结合,称为机电一体化,是机械工业的发展方向。单片机在家电产品上更是
19、得到了普遍应用,工业的发展方向。单片机在家电产品上更是得到了普遍应用,出现了程控洗衣机、电脑空调机等。为提高汽车的动力性、出现了程控洗衣机、电脑空调机等。为提高汽车的动力性、经济性、舒适性、稳定性以及减少污染排放,汽车上都大量经济性、舒适性、稳定性以及减少污染排放,汽车上都大量使用了单片机。使用了单片机。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 4)智能化仪表智能化仪表 用单片机改造、设计制造仪器仪表,大大促进了仪表向数用单片机改造、设计制造仪器仪表,大大促进了仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化和柔性化方向发展,并能字化、智能化、多功能化、综合化和柔性化方向发展,并能同时提
20、高仪器仪表的精度和准确度,简化结构,减小体积。同时提高仪器仪表的精度和准确度,简化结构,减小体积。5)信息通信技术信息通信技术 网络中各计算机之间的通信联系,计算机与其外围设备网络中各计算机之间的通信联系,计算机与其外围设备(键键盘、打印机、传真机、复印机等盘、打印机、传真机、复印机等)之间的协作都有单片机的参之间的协作都有单片机的参与。与。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 6)科学研究科学研究 小到实验测控台,大到卫星、运载火箭,单片机都在其中小到实验测控台,大到卫星、运载火箭,单片机都在其中发挥着极其重要的作用。发挥着极其重要的作用。7)国防现代化国防现代化 在各种
21、军事装备、管理通信系统中,单片机得到了广泛的在各种军事装备、管理通信系统中,单片机得到了广泛的应用。例如,数字化部队的武器、通信等装备都大量应用了应用。例如,数字化部队的武器、通信等装备都大量应用了单片机。单片机。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 2.单片机的应用特点单片机的应用特点 1)面向控制的应用面向控制的应用 由于单片机内部采用了微控制技术,其结构及功能均按自由于单片机内部采用了微控制技术,其结构及功能均按自动控制的要求设计,因而主要应用于控制领域。微控制技术动控制的要求设计,因而主要应用于控制领域。微控制技术从根本上改变了传统的控制系统设计思想,它通过对单片机
22、从根本上改变了传统的控制系统设计思想,它通过对单片机编程的方法代替由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功编程的方法代替由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能,是对传统控制方式的一次革命。能,是对传统控制方式的一次革命。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 2)在线应用在线应用 在线应用就是以单片机代替常规模拟或数字控制电路,使在线应用就是以单片机代替常规模拟或数字控制电路,使其成为测控系统的一部分,在被控对象工作过程中实行实时其成为测控系统的一部分,在被控对象工作过程中实行实时检测,并实时控制。在线应用为实时测控提供了可能和方便。检测,并实时控制。在线应用为实时测控提供了
23、可能和方便。3)嵌入式应用嵌入式应用 单片机在应用时通常装入到各种智能化产品之中,所以又单片机在应用时通常装入到各种智能化产品之中,所以又称嵌入式微控制器称嵌入式微控制器(Embedded Micro Controller Unit EMCU。单片机应用系统就是典型的嵌入式系统。单片机应用系统就是典型的嵌入式系统。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 嵌入式计算机系统,是作为其他系统的组成部分使用的。嵌入式计算机系统,是作为其他系统的组成部分使用的。由于通用计算机系统有限的可靠性、较高的价位及庞大的身由于通用计算机系统有限的可靠性、较高的价位及庞大的身躯,限制了其在嵌入式系
24、统的广泛应用,尤其限制了以嵌入躯,限制了其在嵌入式系统的广泛应用,尤其限制了以嵌入式计算机系统作为核心控制产品的发展。单片机以较小的体式计算机系统作为核心控制产品的发展。单片机以较小的体积、现场运行环境的高可靠性满足了许多对象的嵌入式应用积、现场运行环境的高可靠性满足了许多对象的嵌入式应用要求。在嵌入式系统中,单片机是最重要也是应用最多的智要求。在嵌入式系统中,单片机是最重要也是应用最多的智能核心器件。能核心器件。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 3.单片机应用系统单片机应用系统 由单片机及其外围接口部件组成的单片机系统称为单片机由单片机及其外围接口部件组成的单片机系统
25、称为单片机应用系统,其可以应用于不同的场合。具备工业测控功能的应用系统,其可以应用于不同的场合。具备工业测控功能的单片机应用系统,如单片机应用系统,如图图1-1所示。所示。以下简要说明图中主要部分的作用。以下简要说明图中主要部分的作用。返回下一页上一页1.1 单片机的发展情况单片机的发展情况 通过传感器把被控对象的物理量转换成标准的模拟电量。通过传感器把被控对象的物理量转换成标准的模拟电量。如把温度转换成标准直流电流输出。该输出经滤波器滤除掉如把温度转换成标准直流电流输出。该输出经滤波器滤除掉输入通道的干扰信号,然后将送入多路采样器。多路采样开输入通道的干扰信号,然后将送入多路采样器。多路采样
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