单片机原理及应用教学教案

第一讲

一、授课内容：

1、什么是单片机

2、单片机的发展

二、授课类型：讲授

三、授课时数：2学时

四、教学目标：了解单片机的发展,应用领域和应用模式，掌握单片机的特点

五、教学重、难点：

重点/难点：单片机的特点

六、教学设想：

借助产品、作品演示,一方面可以使课堂生动,另一方面可以腾出大量时间加强对重难点知识的讲解,增强学生对知识的理解,同时提高他们对本学科的兴趣.

七、教学过程：（板书）

一、什么是单片机

随着微电子技术的不断发展，计算机技术也得到迅速发展，并且由于芯片的集成度的提高而使计算机微型化，出现了单片微型计算机（Single Chip Computer），简称单片机，也可称为微控制器MCU（Micro controller Unit）。单片机，即集成在一块芯片上的计算机，集成了中央处理器CPU（Central Processing Unit）、随机存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器（Read Only Memory）、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件。

二、单片微型计算机发展概况

单片机出现的历史并不长, 但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步, 自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器（4004）以来, 它的发展到目前为止大致可分为5个阶段:

第1阶段（1971～1976）: 单片机发展的初级阶段。 1971年11月Intel 公司首先设计出集成度为2 000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位寄存器, 构成了第一台MCS—4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。

第2阶段（1976～1980）: 低性能单片机阶段。以1976年Intel公司推

出的MCS—48系列为代表, 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、 8位定时/计数器、 RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址范围有限（不大于4 KB）, 也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。

第3阶段（1980～1983）: 高性能单片机阶段。这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。片内RAM、 ROM的容量加大,且寻址范围可达64 KB, 个别片内还带有A/D转换接口。

第4阶段（1983～80年代末）: 16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS—96系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。

第5阶段（90年代）: 单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

单片机的应用特性：

（1）集成度高

MCS-51系列单片机代表产品为8051，8051内部包含4KB的ROM、128B的RAM、四个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/计数器以及一个处理功能强大的中央处理器。

（2）系统结构简单

MCS-51系列单片机芯片内部采用模块化结构，增加或更换一个模块就能获得指令系统和引脚兼容的新产品。另一方面，MCS-51系列单片机具有64KB的外部程序存储器寻址能力和64KB的外部RAM和I/O口寻址能力。Intel公司标准的I/O接口电路和存储器电路都可以直接连到MCS-51系列单片机上以扩展系统功能，应用非常灵活。

（3）可靠性高

单片机产品和其他产品一样，出厂指标有军用品、工业品和商用品之分。其中军用品要求绝对可靠，在任何恶劣的环境下都能可靠工作，主要用于武器系统、航空器等方面。单片机属于工业品，能在常温下工作，不需要在温度恒定的机房内工作。由于单片机总线大多在芯片内部不易受干扰，而且单片机应用系统

体积小，易于屏蔽，所以单片机的可靠性较高。（4）处理功能强，速度快 MCS-51系列单片机指令系统中具有加、减、乘、除指令，各种逻辑运算和转移指令，还具有位操作功能。CPU时钟频率高达12MHz，单字节乘法和除法仅需要4μs，而且具有特殊的多机通信功能，可作为多机系统中的子系统。

单片机的制造工艺：

制造单片机的工艺只有两种：HMOS工艺和CHMOS工艺。

早期的MCS-51系列芯片都采用HMOS工艺，即高密度、短沟道MOS工艺。8051、8751、8031、8951等产品均属于HMOS工艺制造的产品。

CHMOS工艺是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS工艺的高密度、高速度之外，还具有CMOS工艺低功耗的特点。例如HMOS工艺制造的8051芯片的功耗为630mW，而用CHMOS工艺制造的80C51芯片的功耗为120mW，这么低的功耗用一粒钮扣电池就可以工作。单片机型号中包含有“C”的产品就是指它的制造工艺是CHMOS工艺。例如80C51，就是指用CHMOS工艺制造的8051。

三、单片机的特点

（1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。

（2）数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。（3）结构灵活，易于组成各种微机应用系统。

（4）应用广泛，既可用于工业自动控制等场合，又可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器等领域。

（5）内含有Flash存储器

由于片内含有Flash存储器，因此在系统开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。同时，在系统工作过程中，能有效地保存数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。

（6）和AT80C51插座兼容

AT89系列单片机的引脚和MCS-51系列单片机的引脚是一样的。只要用相同引脚的AT89系列单片机就可以取代MCS-51系列单片机。

（7）静态时钟方式

AT89系列单片机采用静态时钟方式，节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。

第二讲

一、授课内容：

1 、MCS-51和80C51系列简介

2、单片机的应用领域和应用模式

二、授课类型：讲授

三、授课时数：2学时

四、教学目标：了解单片机的发展,应用领域和应用模式，掌握单片机的特点

五、教学重、难点：

重点/难点：单片机的特点

六、教学设想：

借助产品、作品演示,一方面可以使课堂生动,另一方面可以腾出大量时间加强对重难点知识的讲解,增强学生对知识的理解,同时提高他们对本学科的兴趣.

七、教学过程：（板书）

一、单片机系列简介

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。

Intel公司从其生产单片机开始, 发展到现在, 大体上可分为3大系列: MCS —48系列、 MCS—51系列、 MCS—96系列。

MCS—51单片机系列：

MCS—51系列单片机虽已有10多种产品, 但可分为两大系列: MCS—51子系列与MCS—52子系列。 MCS—51子系列中主要有8031、 8051、 8751 三种类型。而MCS—52子系列也有3种类型8032、 8052、 8752。

在某些性能上略有差异。由此可见, 在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM; MCS—51与MCS—52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4 KB增至8 KB; 片内数据存储器由128个字节增至256个字节;定时器/计数器增加了一个; 中断源增加了1～2个。另外, 对于制造工艺为CHMOS

的单片机, 由于采用CMOS技术制造, 因此具有低功耗的特点, 如8051功耗约为630 mW, 而80C51的功耗只有120 mW。

MCS-51是一个单片机系列产品，具有多种芯片型号。具体说，按其内部资源配置的不同，MCS-51可分为两个子系列和四种类型.

MCS-51子系列包含4个产品，这4个产品具有不同的应用特性。

8051：单片机8051内部包含了4KB的ROM、128B的RAM、21个特殊功能寄存器、4个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/计数器以及一个处理功能很强的中央处理器，是一台完整的微型计算机

8751：是以4KB的EPROM代替4KB ROM的8051。

8951：是以4KB的E2PROM（或Flash ROM）代替4KB ROM的8051。

8031：是内部无ROM的8051。单片机8031不构成完整计算机，必须外接EPROM 作为程序存储器。

52子系列也包含4个产品，分别是51子系列的增强型。由于资源数量的增加，芯片的功能有所增强。片内ROM容量从4KB增加到8KB；RAM容量从128B增加到256B；定时器数目从2个增加到3个；中断源从5个增加到6个等。

80C51单片机系列是在MCS-51系列的基础上发展起来的。最早推出80C51系列芯片的是Intel公司，并且作为MCS-51系列的一部分，按原MCS-51系列芯片的规则命名，例如80C51、80C31、87C51等（至于89C51，我们把它归入89系列单片机，将在下一节介绍）。

后来越来越多的公司生产80C51芯片，而且型号的命名已面目全非，功能上也做了不同程度的改进，如增加了A/D转换、高速I/O口等。有些还在总线结构上做了重大改进，出现了廉价的非总线型单片机芯片。但是万变不离其宗： CHMOS工艺芯片80C51/80C31/87C51/89C51的基本特征是低功耗、允许的电源电压波动范围较大（为5V±20%），并有三种功耗控制方式（增加了待机和掉电保护两种方式）。

习惯上，我们仍然把80C51系列作为MCS-51的子系列。

二、单片机的应用

由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低, 控制功能强及运算速度快等特点, 因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。

（1）家用电器领域

目前国内各种家用电器已普遍采用单片机控制取代传统的控制电路，而做成单片机控制系统。例如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭煲、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。

（2）办公自动化领域

现代办公室中所使用的大量通信、信息产品多数都采用了单片机，如通用计算机系统中的键盘译码、磁盘驱动、打印机、绘图仪、复印机、电话、传真机、考勤机等。

（3）智能仪表。

用单片机改造原有的测量、控制仪表, 促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。

（4）机电一体化产品。

单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。（5）商业营销领域

由于在商业营销系统已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保鲜系统等中，目前已纷纷采用单片机构成专用系统，主要由于这种系统有明显的抗病菌侵害、抗电磁干扰等高可靠性能的保证。

（6）汽车电子与航空航天电子系统

通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等都要构成冗余的网络系统。

习题

1. 什么叫单片机？除了“单片机”之外，单片机还可以称为什么？

2. 单片机主要使用汇编语言，而编写汇编语言程序要求设计人员除了熟练掌握指令系统外，还必须精通什么？

3. 8051、8751、8031单片机的主要区别是什么？

4. 与8051比较，80C51的最大特点是什么？

5. AT89系列单片机的最大优点是什么？

6. 单片机发展方向是什么？

第三讲

一、授课内容：

进位计数制及相互转换

二、授课类型：讲授

三、授课时数：2学时

四、教学目标：掌握各数制之间的相互转换

五、教学重、难点：

重点/难点：掌握各数制之间的相互转换

六、教学设想：

借助产品、作品演示,一方面可以使课堂生动,另一方面可以腾出大量时间加强对重难点知识的讲解,增强学生对知识的理解,同时提高他们对本学科的兴趣.

七、教学过程：（板书）

一、进位计数制

按进位的原则进行计数的方法称之为进位计数制，简称进位制。人们日常生

活中习惯上使用十进制，而二进制使于实现、存储、传输，所以计算机中采用二进制。但二进制不易书写和阅读，因此又引入了八进制和十六进制。

1．十进制（后缀或下标D表示）

十进制计数原则：逢十进一

十进制的基数为：10

十进制的数码为：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

十进制数第K位的权为：10k

（第K位的权为基数的K次方，第K位的数码与第K位权的乘积表示第K位数的值）。

例如：8846.78=8×103+8×102+4×101+6×106+7×10—1+8×10—2

该数中共出现三次数码8，但各自的权不一样，故其代表的值也不一样。

2．二进制（后缀或下标B表示）

二进制计数原则：逢二进一

二进制的基数为：2

二进制的数码为：0 1

二进制数第K位的权为：2K

例如：11010101.01B=1×27+1×26+0×25+1×24+0×23+1×22+0×21+1×20+0×2—1+1×2—2=213.25

N位二进制数可以表示2N个数。例如3位二进制数可以表示8个数，如附表1所示：

附表1

3．八进制（后缀或下标O表示）

八进制计计数原则：逢八进一

八进制的基数为：8

八进制的数码为：0 1 2 3 4 5 6 7

八进制数第K位的权为：8K

例如：127O=1×82+2×81+7×80=87D

4．十六进制（后缀或下标H表示）

十六进制计数原则：逢十六进一

十六进制的基数为：16

十六进制的数码为：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

十六进制第K位的权为：16k

例如：64.4H=6×161+4×160+4×16—1=100.25D

十六进制数、二进制和十进制数的对应关系如附表2所示：

附表2

二、不同进位制之间的转换。

1．二进制数转换为十制数。

转换原则：按权展开求和。

例如： 10001101.11B=1×27+0×26+0×25+0×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2—1+1× 2—2 =141.75D

八进制十六进制转换为十进制数也同样遵循该原则，不再单独介绍了。

2．十进制数转换为二进制数

十进制数转换为二进制数的原则：①整数部分：除基取余，逆序排列

②小数部分：乘基取整，顺序排列

例将十进数186和0.8125转换成二进制数。

因此 ： 186D = 10111010B

0.8125D = 0.11011B

注意：当十进制小数不能用有限位二进制小数精确表示时，根据精度要求，采用“0舍1入”法，取有限位二进制小数近似表示。

十进制数转换为八进制，十六进制数同样遵循该原则。 3．二进制转换为十六进制

由于十六进制的基数是2的幂，所以二进制与十六进制之间的转换是十分方便的，二进制转换为十六进制的原则：整数部分从低位到高位四位一组不足补零，直接用十六进制数来表示；小数部分从高位到低位四位一组不足补零，直接用十六进制数表示。

例附—2 将二进制数 10011110.00111转换成十六进制数。 1001 1110 . 0011 1000

9

E

3 8

所以10011110.00111B ＝9E.38H 。

4．十六进制数转换为二进制数

十六进制数转换为二进制数的原则：十六进制数中的每一位用4位二进制数来表示。

例如：将十六进制数A87.B8转换为二进制数。 A 8 7 . B 8 1010 1000 0111 1011 1000

高位 低位 低位

高位

所以A87.B8H=101010000111.10111000B。

八进制的基数同样是2的幂，因此二进制与十六进制之间的转换也遵循以上的原则，只是将原则中的四位改成三位。

例如：将二进制数11010110.110101B转换成八进制数。

将八进制数746.42O转换成二进制数。

011 010 110 . 110 101 7 4 6 . 4 2

3 2 6 6 5 111 100 110 100 01 所以，11010110.110101B=326.65O， 746.42O=111100110.100010B

三、八进制数和十六进制数运算

1．二进制数的运算

加法法则乘法法则

0＋0＝0 0 X 0=0

0＋1＝1 0 X 1=0

1＋0＝1 1 X 0=0

1＋1＝0（进位1） 1 X 1=1

注意：二进制数加法运算中1＋1＝0（进位1）和逻辑运算中1∨1＝1的不同含义。

2．十六进制数的运算

十六进制数的运算遵循“逢十六进一”的原则。

①十六进制加法：

十六进制数相加，当某一位上的数码之和S小于16时与十进制数同样处理，如果数码之各S≧16时，则应该用S减16及进位1来取代S。

例如：

0 8 A 3 H

+ 4 B 8 9 H

5 4 2 CH

②十六进制减法

十六进制减法也与十进制数类似，够减时直接相减，不够减时服从向高位借1为16的原则。

例如：

0 5 C 3 H

－3 D 2 5 H

C 8 9 E H

十六进制数的乘除运算同样根据逢十六进一的原则处理，这里不再繁述。

第四讲

一、授课内容：

计算机中数和字符的表示

二、授课类型：讲授

三、授课时数：2学时

四、教学目标：熟悉计算机中数和字符的表示

五、教学重、难点：

重点/难点：计算机中数和字符的表示

六、教学设想：

借助产品、作品演示,一方面可以使课堂生动,另一方面可以腾出大量时间加强对重难点知识的讲解,增强学生对知识的理解,同时提高他们对本学科的兴趣.

七、教学过程：（板书）

一、计算机中有符号数的表示。

计算机中的数是用二进制来表示的，有符号数中的符号也是用二进制数值来表示，0表示“＋”号，1表示“－”号，这种符号数值化之后表示的数称之为机器数，它表示的数值称之为机器数的真值。

为将减法变为加法，以方便运算简化CPU的硬件结构，机器数有三种表示方法：即原码、反码和补码。

1．原码

最高位为符号位，符号位后表示该数的绝对值。

例如：

[+112]原=01110000B

[—112]原=11110000B

其中最高位为符号位，后面的7位是数值（字长为8位，若字长为16位，则后面15位为数值）。

原码表示时＋112和－112的数值位相同，符号位不同。

说明：

① 0的原码有两种表示法：

[+0 ]原=00000000B

[－0]原=10000000B

② N位原码的表示范围为：1－2N—1 ～2N—1－1。

例如8位原码表示的范围为：－127～+127

2．反码

最高位为符号位，正数的反码与原码相同，负数的反码为其正数原码按位求反。

[+112 ]反=01110000B

[–112]反=10001111B

说明：

① 0的反码有两种表示法：

[+0 ]反=00000000B

[－0]反=11111111B

② N位反码表示的范围为： 1－2n—1－2n—1－1；

例如8位反码表示的范围为–127－+127。

③符号位为1时，其后不是该数的绝对值。

例如反码11100101B的真值为–27，而不是–101。

3．补码

最高位为符号位，正数的补码与原码相同；负数的补码为其正数原码按位求反再加1。

例如：[+112]补 =01110000B

[—112]补 =10010000B

说明：

① 0的补码只有一种表示法：[+0]=[—0]=00000000B；

② n位补码所能表示的范围为—2n—1－2n—1—1；

例如8位补码表示的范围为－128－+127。

③八位机器数中：[—128]补=10000000B，[－128]原，[－128]反不存在。

④符号位为1时，其后不是该数的绝对值。

例如：补码11110010B的真值为–14，而不是–114。

有符号数采用补码表示时，就可以将减法运算转换为加法运算。因此计算机中有符号数均以补码表示。

例如：

X＝84－16＝（＋84）＋（–16）→[X]补=[+84]补+[–16]补

（+84）补 =01010100B

（–16）补=11110000B

0 1 0 1 0 1 0 0B

+ 1 1 1 1 0 0 0 0B

0 1 0 0 0 1 0 0B

1

所以 [X]补=01000100B，即X=68。

在字长为8位的机器中，第7位的进位自动丢失，但这不会影响运算结果。机器中这一位并不是真正丢失，而是保存在程序状态字PSW中的进位标志Cy中。

又如：X＝48－88＝（＋48）＋（－88）→[X]补=[+48]补+[—88]补

[+48]补 =00110000B

[－88]补=10101000B

0 0 1 1 0 0 0 0B

+ 1 0 1 0 1 0 0 0B

1 1 0 1 1 0 0 0B

所以 [X]补=11011000B，即X=－40。

为进一步说明补码如何将减法运算转换为加法运算，我们举一日常的例子：对于钟表，它所能表示的最大数为12点，我们把它称之为模，即一个系统的量程或所能表示的最大的数。若当前标准时间为6点，现有一只表为9点，可以有两种调时方法：

① 9－3＝6（倒拨）

② 9＋9＝6（顺拨）

即有9＋9＝9＋3＋6＝12＋6＝9－3

因此对某一确定的模，某数减去小于模的一数，总可以用加上该数的负数与其模之各（即补码）来代替。故引入补码后，减法就可以转换为加法。

补码表示的数还具有以下特性：

[X＋Y]补＝[X]补＋[Y]补

[X－Y]补＝[X]补＋[－Y]补

附表3为n＝8和n＝16时n位补码表示的数的范围。

附表3 n位二进制补码数的表示范围