单片机原理与应用 - xhu.edu.cnkczx.xhu.edu.cn/G2S/eWebEditor/uploadfile/... · 单片机应用系统单片机应用系统单片机＋接口电路及外设等＋软

单片机原理与应用单片机原理与应用

Principles and Application of Principles and Application of MicrocontrollerMicrocontroller

西华大学机械工程与自动化学院西华大学机械工程与自动化学院

机械电子工程与自动化系机械电子工程与自动化系

讲授：黄惟公讲授：黄惟公教授教授

四川省精品课

单片机原理与应用

第第11章章单片机基础知识概述单片机基础知识概述

11.1.1 单片机概述单片机概述

11.2.2 单片机的特点及应用领域单片机的特点及应用领域

11.3.3 单片机学习的预备知识单片机学习的预备知识

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西华大学机械工程与

自动化学院黄惟公教授编

常见的微型计算机常见的微型计算机

台式微机台式微机便携式微机便携式微机立式微机立式微机

11.1.1 .1.1 什么叫单片机什么叫单片机

11.1.1 单片机概述单片机概述

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微型计算机机硬件组成微型计算机机硬件组成

显示器

主机

键盘

鼠标

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打印机

硬件系统硬件系统————构成微机构成微机

的实体和装置的实体和装置

软件系统软件系统————微机系统所微机系统所

使用的各种程序的总称使用的各种程序的总称

软件系统与硬件系统共同软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统，两构成实用的微机系统，两者是者是相辅相成、缺一不可相辅相成、缺一不可的。的。

软

件

系

统

软

件

系

统

+

微型计算机系统微型计算机系统

运算器运算器

控制器控制器

CPU

存储器存储器

输入接口电路

输入接口电路

输入设备

输入设备

输出设备

输出设备

输出接口电路

输出接口电路

硬件系统


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CPU

输入设备

输入设备

输出设备

输出设备

软

件

系

统

软

件

系

统

+


硬件系统

输入接口设备

输入接口设备

输出接口设备

输出接口设备

运算器运算器

控制器控制器

存储器存储器

单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机 —— 单片机实质上就是一个芯片。

单片微型计算机单片微型计算机

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单片机内部结构示意图单片机内部结构示意图

C P U

存储器

定时器 / 计数器中断系统

P0-P3 TxD

RxD

T INT

并行I/O口

串行I/O口

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单片机应用系统


单片机＋

接口电路及外设等

＋软软件件

硬件硬件

注：本课程的重点注：本课程的重点

2.掌握单片机应用系统硬件分析和设计的基本方法。

1.掌握软件设计与调试的基本技术。

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注：本课程的重点注：本课程的重点

2.掌握单片机应用系统硬件分析和设计的基本方法。

1.掌握软件设计与调试的基本技术。

将将CPUCPU、存储器、定时器、存储器、定时器//计数器、多种计数器、多种I/OI/O接口等接口等电路集成在一块芯片上所构成的计算机。电路集成在一块芯片上所构成的计算机。

*Single Chip Microcomputer*Single Chip Microcomputer（（SCMSCM）；）；

*Micro Controller *Micro Controller Unit(MCUUnit(MCU))；；

**EmbddedEmbdded Controller.Controller.

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DIPDIP封装封装 TQFPTQFP封装封装PLCCPLCC封装封装

11.1.1 .1.1 什么叫单片机什么叫单片机

1.1.1 1.1.1 单片机发展历史单片机发展历史

• 1976-1978 初级8位单片机 Intel MCS-48 系列

• 1978-1982 高档8位单片机 Intel MCS-51系列，

• 89c51

• 1983-1990 16位单片机、Intel MCS-96 系列

8098/8096、80C198/80C196, DSP

• 1991- 各类增强型单片机、32位单片机 ARM

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1.2 1.2 单片机的特点和应用单片机的特点和应用

控制功能强控制功能强,,指令丰富。如转移指令丰富。如转移,,逻辑判断逻辑判断,,位操作指令等；位操作指令等；

体积小体积小,,可靠性高可靠性高,,结构灵活结构灵活,,易于组成各种微机应用系统。易于组成各种微机应用系统。

低功率、低电压、便于便携式、网络化等产品；低功率、低电压、便于便携式、网络化等产品；

外部设备接口集成度高。如：可以集成外部设备接口集成度高。如：可以集成 ADAD、、DADA、、LCDLCD驱动、驱动、串口、串口、USBUSB、、CANCAN，，PWMPWM等；等；

单片机与单片机应用系统单片机与单片机应用系统

单片机单片机是指一块芯片，它不能完成特定的应用任务；是指一块芯片，它不能完成特定的应用任务；

单片机应用系统单片机应用系统指在一块单片机芯片的基础上，扩展了如指在一块单片机芯片的基础上，扩展了如

显示、键盘、及其它外围芯片等，所构成的系统。显示、键盘、及其它外围芯片等，所构成的系统。

1.2.1 1.2.1 单片机的特点单片机的特点

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1.2.2 单片机的应用领域

提高仪器仪表的使用功能和精度，

简化了仪器仪表的硬件结构。

◆智能仪器仪表◆实时工业控制

用于电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制。

利用单片机作为控制器，采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。

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1.2.2 单片机的应用领域

机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。

◆机电一体化产品

经济型数控车床经济型数控车床

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经济型数控铣床经济型数控铣床四川省精品课




◆分布式系统的前端模块

在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。

◆家用电器

家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。

另外，在交通领域中，

汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。

◆其他用途

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◆新理论与新技术的载体

单片机技术的应用遍布国民经济与人民生活的各个领域

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单片机应用单片机应用

工业方面工业方面

民用方面民用方面

仪表方面仪表方面

电讯方面电讯方面

数据处理方面数据处理方面

汽车方面汽车方面

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有关本课程学习的几点建议

本课程是一门实践性、应用性很强的课程仅仅听懂还不够,重在培养动手能力

硬件/软件同样重要、不可偏废硬件是骨架，软件是皮肉器脏及思想

预习、听课、复习、作业、实验环节都重要用科学的方法学习

学习方法：动手实践（含仿真）学习方法：动手实践（含仿真）

Practice is a best way to learning.Practice is a best way to learning.

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用C语言进行单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势;教材将C语言模块化的编程方法贯穿始终 ;;教材实验采用“实验板”和“Proteus”虚拟实验;;

精化教学内容、合理安排教学顺序、精心攻克难点，适合少学时学习。

《单片机应用设计培训教程》是为配合单片机职业培训的需要而编写的，是信息产业部中国电子企业协会、全国单片机应用设计师考试认证委员会指定的职业认证培训系列教材，本书是《单片机应用设计培训教程》套书中的实践篇。本教程分为入门训练、基础训练、应用设计、综合设计4部分，共4章，分别介绍了单片机应用开发的入门训练，单片机应用开发的基础训练，单片机系统的串并行扩展内容和综合设计。

目录

第1章入门训练

1.1 汇编语言及C51语言编程方法介绍

1.1.1 汇编语言

1.1.2 C51语言

1.2 集成开发环境

1.2.1 Keil C51集成开发环境介绍

1.2.2 程序固化

第2章基础训练

2.1 单片机内部功能单元简介

2.1.1 80C51单片机的内部结构

2.1.2 80C51的内部存储器组织

2.2 实验1运算功能实验

2.3 实验2单片机I／O口实验

2.4 实验3定时器／计数器实验

2.5 实验4中断实验

2.6 实验5串行扩展实验

第3章应用设计

3.1 并行扩展与串行扩展

3.1.1 并行扩展

3.1.2 I2C总线简介

3.1.3 One-wire协议简介

3.1.4 SPI协议简介

3.2 实验6并行扩展液晶显示器实验

3.3 实验7 ZLG7290扩展键盘显示实验

3.4 实验8一日历时钟PCF8563实验

3.5 实验9 A／D、D／A转换器PCF8591实验

3.6 实验10 DSl8820数字温度采集实验

3.7 实验11 X5045看门狗实验

第4章综合设计

4.1 多功能时钟及温度采集实验

4.2 uC／OSII嵌入式实时多任务操作系统实验

4.2.1 嵌入式实时多任务操作系统

4.2.2 uC／OSII实时操作系统

4.2.3 uC／OSII的移植

4.2.4 uC／OSII下的多功能时钟及温度采集实验

附录A 实验板电路图

附录B 实验使用的芯片引脚图

附录C MCS一51指令系统特点及速查表

C.1 指令系统格式及标识

C.2 指令系统分类

C.3 MCS～51指令速查表

参考文献

• （1）十进制十进制NNDD

• 符号集：0～9 规则：逢十进一。

例 1234=1×103 +2×102 +3×101 +4×100

• 加权展开式以10称为基数，各位系数为0～9。

一般表达式：

• ND= dn-1×10n-1+dn-2×10n-2 +…+d0×100

11..数制数制

11.3.1 .3.1 数制及其转换（整数）数制及其转换（整数）

11.3 .3 预备知识预备知识

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• （2）二进制二进制NNBB

• 符号集：0、1 规则：逢二进一。。

例 1101B=1×23+1×22+0×21+1×20

• 加权展开式以2为基数，各位系数为0、1。

一般表达式：

NB = bn-1×2n-1 + bn-2×2n-2 +…+b0×20

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• （3）十六进制十六进制NNHH

• 符号集：0～9、A～F 规则：逢十六进一。

例：DFCH=13×162 +15×161 +12×160

• 展开式以十六为基数，各位系数为0～9，A～F。

一般表达式：

NH= hn-1×16n-1+ hn-2×16n-2+…+ h0×160



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不同进位制数以下标或后缀区别,十进制数可不带下标。

如:101、101D、101B、101H、101H

表 1-2-1 不同进位记数制对照表

十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制

0 0000 0 8 1000 8 1 0001 1 9 1001 9 2 0010 2 10 1010 A 3 0011 3 11 1011 B 4 0100 4 12 1100 C 5 0101 5 13 1101 D 6 0110 6 14 1110 E 7 0111 7 15 1111 F



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2.2. 不同进位计数制之间的转换不同进位计数制之间的转换

• 先展开，然后按照十进制运算法则求和。

• 例：

1011B=1×23+1×21+1×20=11

DFC8H=13×163+15×162+12×161+8×160 = 57288

（（11））二、十六进制数转换成十进制数二、十六进制数转换成十进制数



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•• （（22））二进制与十六进制数之间的转换二进制与十六进制数之间的转换

24=16 ，四位二进制数对应一位十六进制数。

• 举例：

• 3AF2H = 0011 1010 1111 0010 = 11101011110010B

3 A F 2

• 1111101B = 0111 1101 = 7DH



7 D7 D

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（（33））十进制数转换成二、十六进制数十进制数转换成二、十六进制数

“除基取余”：十进制整数不断除以转换进制基数，直至商

为0。每除一次取一个余数，从低位排向高位。举例：

39转换成二进制数

39 =100111B

2 39 1 （ b0）2 19 1 （ b1）2 9 1 （ b2）2 4 0 （ b3）2 2 0 （ b4）2 1 1 （ b5）

0

208转换成十六进制数

208 = 0D0H

16 208 余 016 13 余 13 = D

0



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11.3.2 .3.2 带符号数的表示方法带符号数的表示方法

• 机器数：机器中数的表示形式，其位数通常为8的倍数

• 真值：机器数所代表的实际数值。

• 举例:一个8位机器数与它的真值对应关系如下：

真值： X1=+84=+01010100B X2=-84= -01010100B

机器数：[X1]机= 01010100 [X2]机= 11010100

• 机器中，数的符号用“0”、“1” 表示。

最高位作符号位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。

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• 最高位为符号位，0表示 “+”，1表示“－”。

数值位与真值数值位相同。

例 8位原码机器数：

真值： x1 = +01010100B x2 =-01010100B

机器数： [x1]原 = 01010100 [x2]原 = 11010100

• 原码表示简单直观,但0的表示不唯一，加减运算复杂。

有符号数通常使用三种表示方法：

(1)原码(True Form)

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• 正数的反码与原码相同。

• 负数的反码为：

• 符号位不变，数值部分按位取反，如：

• 求8位反码机器数：

• 原码： 1000 0100B

• 反码： 1111 1011B

（（22）反码）反码



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（3）补码（Complement）

• 正数的补码表示与原码相同。

负数补码的符号位为1，数值位等于求反加1。

例：求 8位补码机器数

x=+4 [x]补= 00000100

x=-4 10000100

x1111011

[x]补 = 11111100



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0的补码：

规定：0000 0000B 为0

1000 0000B 不是－0，而是－128



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• 补码表示的优点：

0的表示唯一，加减运算方便。

8位机器数表示的真值



8位机器数有符号数

十六进制二进制

无符号

数原码补码

0001…7F80…FEFF

0000000000000001

…0111111110000000

…1111111011111111

01

…127128…254255

+0+1…

+127- 0…-126-127

+0+1…

+127-128…- 2- 1

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原码、反码和补码对应关系表原码、反码和补码对应关系表

无符号二进制数无符号二进制数无符号十进制数无符号十进制数原码原码反码反码补码补码

0000000000000000 00 +0+0 +0+0 00

0000000100000001 11 +1+1 +1+1 +1+1

0000001000000010 22 +2+2 +2+2 +2+2

…… …… …… …… ……

0111110101111101 125125 +125+125 +125+125 +125+125

0111111001111110 126126 +126+126 +126+126 +126+126

0111111101111111 127127 +127+127 +127+127 +127+127

1000000010000000 128128 --00 --127127 --128128

1000000110000001 129129 --11 --126126 --127127

1000001010000010 130130 --22 --125125 --126126

…… …… …… …… ……

1111110111111101 253253 --125125 --2 2 --33

1111111011111110 254254 --126126 --11 --22

1111111111111111 255255 --127127 --00 --11

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（（44））BCDBCD码码

例：求十进制数876的BCD码

[876]BCD = 1000 0111 0110

876=36CH = 11 0110 1100B

BCDBCD码码(Binary Coded Decimal)

二进制代码表示的十进制数。



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（（55））ASCII码美国标准信息交换码(American Standard Code for Information Interchange)，用于计算机与计算机、计算机与外设之间传递信息。

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11位二进制代码称为位二进制代码称为11位，用位，用““bitbit””表示，简写为表示，简写为““bb””；；

88位二进制代码称为位二进制代码称为11字节，用字节，用““bytebyte””表示，简写为表示，简写为““BB””；；

半字节即半字节即44位二进制数。位二进制数。

11.3.3 位、字节、半字节位、字节、半字节

1.4 1.4 电平电平

数字电路的逻辑中有数字电路的逻辑中有““00””和和““11””两种信号的电压值。两种信号的电压值。

TTLTTL：：输出：输出：2.4V 2.4V 以上为高电平，逻辑以上为高电平，逻辑““11””；；(5V)(5V) 0.4V 0.4V 以下为低电平；逻辑以下为低电平；逻辑““00””；；

输入：输入：2.0V 2.0V 以上为高电平，以上为高电平，

0.8V 0.8V 以下为低电平。以下为低电平。四川省精品课




单片机开发系统单片机开发系统

计算机计算机仿真器仿真器

应用系统应用系统

编程器编程器

仿真器代替了应用板中的CPU

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单片机开发系统单片机开发系统

仿真器代替了应用板中的CPU

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再见再见

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