单片机原理与应用教案.doc
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《单片机原理与应用》—电子教案
课题
第1章单片机概述
学时
2学时
授课类型
理论讲授
教学目标
1．知识目标
了解单片机的组成、发展、特点及MCS-51单片机的系列产品，熟悉单片机技术的学习方法。
2．能力目标
通过直观教学和教师的具体讲解，培养学生的逻辑思维和抽象思维能力；培养学生归纳总结问题的能力。
3．情感目标
通过对专业入门知识的生动形象的教学，使学生对本课程的产生浓厚兴趣，激发学生的学习热情。
教学重点
1．单片机的组成及发展。
教法
采用“媒体演示——分析概括——巩固提高”的教学模式
教学过程
过程设计
创设情景
导入：
单片机作为一个非常有前途的计算机技术，其应用遍及多种领域。
通过对单片机组成及其发展的了解，为以后深入学习单片机做好铺垫。
选取一个常见的采用单片机控制的实物（仪表或玩具），通过介绍该实物的功能导入单片机的应用，并适当拆解实物，观察单片机芯片。
通过示意图详细讲解各部件功能
详细讲解各发展阶段及其代表性产品
对比讲授，让学生对单片机的发展进行深入理解
一、单片机的组成
单片机又称单片微型计算机，是将微型计算机的中央处理器、存储器、输入/输出接口电路集成在同一块芯片上，具有独特功能的微型计算机。
图1.1单片机的基本组成框图
运算器和控制器合在一起称为中央处理器，即CPU，它是计算机的核心部件。
存储器一般分为只读存储器（ROM）（又称程序存储器）和随机存储器（RAM）。
输入/输出接口电路，又称I/O接口电路，用来连接CPU和输入/输出设备，完成信号转换与驱动、数据传输和控制等功能。
二、单片机的特点
·抗干扰性强，工作温度范围宽。
·高可靠性。
·控制功能强，数值计算能力相对较差。
·指令系统比通用微机简单，并具有许多面向控制的指令。
三、单片机的应用领域
单片机主要面向工业控制，实现在线控制。
·家用电器领域
·办公自动化领域
·商业营销领域
·工业自动化
·智能控制
四、单片机的发展方向
1．低功耗CMOS化
2．微型单片化
3．主流与多种产品共存
五、MCS-51系列单片机产品
MCS-51系列单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。
MCS-51系列的8051、8052单片机的主要性能见表1.1。
表1.1MCS-51系列的8051、8052单片机的主要性能
片内ROM形式
片内ROM容量
片内RAM容量
寻址
范围
I/O特性
中断源
无
ROM
EPROM
计数器
并行口
串行口
8031
8051
8751
4KB
128B
2´64KB
2´16bit
4´8bit
1个
5个
8032
8052
8752
8KB
256B
2´64KB
3´16bit
4´8bit
1个
6个
六、单片机技术的学习方法
1．学习条件和环境
硬件环境：
个人计算机（PC）1台，常用工具1套（含万用表），单片机仿真器或实验开发板1台。
软件环境：
用于编辑、编译、调试源程序的工具软件1套（如“伟福”模拟调试软件或者Kilec软件），用于下载目标代码的ISP（在系统编程）下载软件1套。
2．学习方法
·熟悉单片机的内部资源
·熟悉单片机的指令系统
·理论与实践相结合
·软件设计与硬件电路设计相结合
3．单片机实验开发板
单片机实验开发板可以完成大量的单片机学习、开发实验，对学习单片要有极大的帮助。
图1.2是一种ISP单片机实验开发板，该板具有单片机程序下载功能。
在下载软件的作用下，可将编辑、编译、调试好的单片机代码下载到AT89S51单片机中，下载完成以后，实验板即可脱机工作。
七、任务演示
选取一个真实的产品，观察单片机芯片，并记录该芯片型号，通过网络或工具书查询该芯片的生产厂家和主要技术参数。
总结
本章通过对单片机产品的观察任务，让读者初步认识单片机。
思考题
1．MCS-51单片机包含哪些主要逻辑部件？
2．单片机的特点是什么？
主要应用在哪些领域？
课题
第2章MCS-51系列单片机的系统结构
2.1内部结构与引脚功能
学时
2学时
授课类型
理论讲授
教学目标
1．知识目标
掌握89S51单片机的内部结构和引脚功能。
2．能力目标
通过直观教学和教师的具体讲解，培养学生的逻辑思维和抽象思维能力；培养学生归纳总结问题的能力。
3．情感目标
通过对专业入门知识的生动形象的教学，使学生对本课程产生浓厚兴趣，激发学生的学习热情。
教学重点
1．89S51单片机的内部结构。
2．89S51芯片引脚功能。
教法
采用“媒体演示——分析概括——巩固提高”的教学模式
教学过程
过程设计
创设情景
导入：
通过上节课的对实际芯片的观察，由教师讲解所选实物的控制过程的实现，从而导入到单片机的内部结构和工作过程。
结合89S51芯片内部结构框图介绍各组成部分的功能
对照实物认识芯片各引脚名称并熟记各引脚功能
一、89S51单片机的内部结构
89S51芯片的内部结构框图如图2.1所示。
图2.189S51芯片内部结构框图
·CPU是整个单片机的核心，主要功能是完成指令的运行控制、8位数据运算和位处理等。
·4KB片内程序存储器主要用于存放程序、常数和表格。
·128B数据存储器RAM,主要用于存放可随机读写的数据。
·4个8位并行I/O口P0、P1、P2和P3主要用于完成数据的并行输入和输出。
·两个16位的定时器/计数器,主要功能是用于定时或计数。
·一个可编程全双工串行口,用于实现单片机与其他设备之间的串行数据传递。
·具有5个中断源、两个优先级的中断系统。
·片内带有时钟振荡器,89S51振荡频率范围为0~33MHz。
·89S51还拥有看门狗电路（用于防止程序进入无序或是非法状态）和内部FLASHROM编程逻辑电路。
二、芯片引脚功能
89S51的DIP（双列直插）封装芯片共有40个引脚，采用引脚复用技术。
引脚排列如图2.2所示。
图2.289S51芯片引脚图
·MCS-51采用引脚复用技术。
·各引脚名称和功能
工作电源引脚：
VCC：
电源端。
GND：
接地端。
工作电压范围：
4.0~5.5V。
晶振引脚：
XTAL1：
芯片内部振荡电路输入端。
XTAL2：
芯片内部振荡电路输出端。
当外接晶振时，XTAL1和XTAL2各接晶振的一端。
I/O引脚：
P0.0～P0.7：
P0口8位双向口线。
第一功能为基本输入/输出，第二功能是为扩展系统分时提供数据总线和低8位地址总线。
P1.0～P1.7：
P1口8位双向口线，用于完成8位数据的并行输入/输出。
P2.0～P2.7：
P2口8位双向口线。
第一功能为基本输入/输出，第二功能是在系统扩展时作为高位地址线使用。
P3.0～P3.7：
P3口8位双向口线。
它是一个双功能口，即P3口的每一条口线都具有第二功能，其功能如表2.1所示。
表2.1P3口线的第二功能
口线
第二功能信号
第二功能
P3．0
RXD
串行数据输入
P3．1
TXD
串行数据输出
P3．2
外部中断0请求输入
P3．3
外部中断1请求输入
P3．4
T0
定时器/计数器0外部输入
P3．5
T1
定时器/计数器1外部输入
P3．6
外部RAM写选通
P3．7
外部RAM读选通
控制引脚：
ALE/：
地址锁存控制/片内ROM编程脉冲输入信号。
RST：
复位信号。
/VPP：
访问外部程序存储器控制信号/片内FLASHROM编程电源输入。
：
外部程序存储器选通信号。
以上各引脚的功能在以后的章节有详细介绍。
总结
通过视图掌握89S51芯片每部结构和各引脚名称及功能。
思考题
1．89S51单片机内部有哪些主要部件？
其功能是什么？
2．简述89S51几个控制引脚的功能。
课题
第2章MCS-51系列单片机的系统结构
2.2并行I/O口
学时
2学时
授课类型
理论讲授
教学目标
1．知识目标
掌握MCS-51单片机并行I/O的功能和使用方法
2．能力目标
通过直观教学和教师的具体讲解，培养学生的逻辑思维和抽象思维能力；培养学生归纳总结问题的能力。
3．情感目标
通过对专业入门知识的生动形象的教学，使学生对本课程的产生浓厚兴趣，激发学生的学习热情。
教学重点
1．I/O口P0、P1、P2、P3的工作过程。
教法
采用“媒体演示——分析概括——巩固提高”的教学模式
教学过程
过程设计
创设情景
导入：
89S51芯片的I/O口P0、P1、P2、P3主要用于完成数据的并行输入和输出，那么它们是怎么工作的呢？
根据结构图讲解各组成部分
P1口、P2口
、P3口工作过程的相似与不同；注意P3口的第二功能
一、P0口
1．P0口的一位结构
P0口的一位结构图如图2.3所示。
图2.3P0口的一位结构
2．工作过程
P0口有两种方式：
通用I/O口、地址/数据总线。
·通用I/O口的工作过程
P0输出数据时：
写信号加在锁存器的时钟端CL上，内部总线上的数据通过锁存器，再经过V2管，输出在引脚上。
此时为漏极开路输出，因此外接负载时要接提升电阻，否则不能正常工作。
P0输入数据时：
分为读引脚和读锁存器两种工作方式，分别用到两个输入缓冲器。
读引脚操作：
即为单片机执行端口输入指令（如MOVA，P0）时的操作。
这时由“读引脚”信号将三态缓冲器2打开，引脚上的数据经三态缓冲器2输入内部总线。
读锁存器操作：
即为单片机执行“读－修改－写”类指令（如ANLP0，A）时的操作。
在执行这类指令时，由“读锁存器”信号使三态缓冲器1打开，读入P0口在锁存器中的数据，然后进行相关逻辑运算，再把结果写回到P0口。
·地址/数据总线的工作过程
当系统片外扩展时，控制信号使多路转换开关MUX接通A端，P0口就可以作为地址/数据总线。
二、P1口
P1口的一位结构图如图2.4所示。
图2.4P1口的一位结构
P1口作为通用I/O口输入和输出数据的工作过程与P0口相似。
P1口与P0口的区别是读锁存器操作时不需要向锁存器写1；输出数据时，由于位结构中含有上拉电阻，不需外接上拉电阻。
三、P2口
P2口既可作为通用I/O口使用,又可作为系统扩展时的高8位地址使用。
其一位结构图如图2.5所示。
图2.5P2口的一位结构
·P2口作通用I/O，其输入和输出的工作过程与P0口相似。
·P2口作高8位地址线：
多路开关接通A端，地址信号经非门、场效应管V，由引脚输出。
四、P3口
P3口可作为通用I/O口使用,同时P3口又是一个双功能口，其一位结构图如图2.6所示。
图2.6P3口的一位结构
·P3口作通用I/O，结构和工作过程与P2口完全相同。
·P3口的某一位用作第二功能输出：
该位的锁存器自动置1，与非门的输出只受“第二功能输出”端控制。
“第二功能输出”端的信号经与非门和场效应管输出到该位引脚上。
·P3口的某一位用作第二功能输入：
该位的锁存器和“第二功能输出”端都为1，与非门输出为低电平，场效应管截止，引脚上的信号经缓冲器进入单片机内部第二功能输入端。
小结：
P0~P3口都是双向I/O口，同时又是双功能口。
在输入引脚信息前，必须向对应的锁存器写1，就驱动能力来说，P0口的驱动能力最强，为8个TTL门，其余3个口驱动能力为4个TTL门，在接口使用时应注意其负载能力。
总结
分析I/O口P0、P1、P2和P3的工作过程，注意之间的相似和区别。
思考题
89S51单片机的四个I/O口工作过程？
课题
第2章MCS-51系列单片机的系统结构
2.3存储器的组织结构
学时
2学时
授课类型
理论讲授
教学目标
1．知识目标
掌握MCS-51单片机存储器空间分布及特点；掌握五种常用的特殊功能寄存器。
2．能力目标
通过直观教学和教师的具体讲解，培养学生的逻辑思维和抽象思维能力；培养学生归纳总结问题的能力。
3．情感目标
通过对专业入门知识的生动形象的教学，使学生对本课程的产生浓厚兴趣，激发学生的学习热情。
教学重点
1．片内数据存储器的寻址地址。
2．五种常用的特殊功能寄存器的作用。
教法
采用“媒体演示——分析概括——巩固提高”的教学模式
教学过程
过程设计
创设情景
导入：
在下面的三节中，着重介绍单片机的存储器。
在MCS-51单片机中,程序存储器和数据存储器是分开的,他们有各自的寻址系统、控制信号和功能。
本节详细介绍片内数据存储器。
理解MCS-51系列单片机的存储器配置
各存储器的地址范围和位寻址
理解PSW各位的定义和使用
SP的进栈和出栈
MCS-51系列单片机系统中有五种存储器,它们分别是片内RAM、片外RAM、片内ROM、片外ROM和片内特殊功能寄存器（SFR）。
将这5种存储器编排在3个地址空间,即程序存储器空间、片内数据存储器空间、片外数据存储器空间。
存储器空间分配情况如图2.7所示。
图2.7MCS-51系列单片机的内部存储器配置
一、程序存储器空间
程序存储器可寻址的地址空间为64K字节，它包括片内ROM和片外ROM。
MCS-51系列单片机中，有的芯片有片内程序存储器（如89S51），有的芯片内没有程序存储器（如8031）。
下面以89S51为例讲述地址空间的分配。
89S51片内有4KBROM，片外还可以扩展64KBROM。
片内4KBROM和片外低4KBROM地址重复，分配的地址空间为0000H~0FFFH。
由引脚输入的信号决定是使用片内ROM还是片外ROM。
二、片内数据存储器空间
1．内部RAM
89S51芯片内部含有128B的RAM，其地址为00H~7FH。
按用途可分为三个部分：
工作寄存器区、位寻址区和一般RAM区。
如图2.9所示。
图2.9内部RAM结构
·工作寄存器区
共含有32个单元（00H～1FH），平均分成四组，每一组含有8个单元，记作R0～R7。
其作用是用于存放操作数以及指令执行的中间结果。
·位寻址区
共有16个单元（20H～2FH）。
这16个单元中的每一个位都有一个位地址，它们的位地址范围是00H～7FH。
·一般RAM区
共有80个单元（30H～7FH）。
一般把堆栈设置在此区域中。
2．特殊功能寄存器（SFR）
典型的MCS-51单片机共有21个特殊功能寄存器（SFR），分散地分布在80H～0FFH地址空间内。
下面是五种常用的特殊功能寄存器。
·累加器ACC
8位累加器主要完成数据的算术和逻辑运算,也可以存放数据或中间结果,是最常用的特殊功能寄存器。
它也是一个可位寻址的寄存器。
·B寄存器
8位B寄存器主要用于乘、除法运算，与累加器配对使用。
在乘法指令中，在乘法指令中,被乘数取自A,乘数取自B,结果存放于寄存器对BA中。
在除法指令中,被除数取自A,除数取自B,结果商存放于A,余数存放于B。
此外,B寄存器也可作为一般的寄存器使用。
·程序状态寄存器PSW
用来反映指令执行后的状态。
PSW中各位的定义见表2.4。
表2.4PSW中各位的定义
位序
PSW.7
PSW.6
PSW.5
PSW.4
PSW.3
PSW.2
PSW.1
PSW.0
位标志
CY
AC
FO
RS1
RS0
OV
未用
P
CY，进位标志位
AC，辅助进位标志位
FO，用户定义标志位
RS1、RS0，工作寄存器组选择位,其对应关系见表2.5。
表2.5RS1、RS0与寄存器组对应关系
RS1
RS0
寄存器组
地址
0
0
0组
00~07H
0
1
1组
08~0FH
1
0
2组
10~17H
1
1
3组
18~1FH
OV，溢出标志位
P，奇偶标志位
·堆栈指针寄存器SP
堆栈是设置在片内RAM中的一段存储区域，它的存储顺序为先进后出。
就好象一个用水桶存放碟子一样，先放进去的碟子在下面，后放进去的碟子压在上面。
当取碟子时，先取上面后放入的碟子，再取下面先放入的碟子。
这种存储方式需要一个地址指针来指向栈顶（堆栈最上面的数据）的位置。
SP就是用来指示栈顶位置的寄存器。
堆栈有两种操作：
进栈和出栈。
进栈操作后,SP的值自动加1,表明堆栈顶部的位置向上移；出栈操作后,SP的值自动减1,表明堆栈顶部的位置向下移。
·数据指针寄存器DPTR
DPTR是一个16位特殊功能寄存器，可作为两个8位寄存器使用，写作DPH—高8位，DPL—低8位。
在系统扩展中,DPTR作为片外程序存储器和数据存储器的地址指针,指示要访问的存储器单元地址。
四、片外数据存储器空间
片外数据存储器扩展的最大容量为64KB（0000H~FFFFH），由数据指针寄存器DPTR寻址。
总结
理解单片机的存储器结构对后面的编程和应用做基础
思考题
分析五种特殊功能寄存器的功能？
课题
第2章MCS-51系列单片机的系统结构
2.4MCS-51时钟电路与复位电路
学时
2学时
授课类型
理论讲授
教学目标
1．知识目标
掌握MCS-51单片机典型时钟电路；掌握典型复位电路及复位对单片机各部件的影响。
2．能力目标
通过直观教学和教师的具体讲解，培养学生的逻辑思维和抽象思维能力；培养学生归纳总结问题的能力。
3．情感目标
通过对专业入门知识的生动形象的教学，使学生对本课程的产生浓厚兴趣，激发学生的学习热情。
教学重点
1．典型复位电路及复位对单片机各部件的影响。
教法
采用“媒体演示——分析概括——巩固提高”的教学模式
教学过程
过程设计
创设情景
导入：
单片机要保证同步的工作方式必须在统一的时钟信号控制下严格的按照时序进行工作。
而时序则由振荡器和时钟电路产生。
本节将着重研究MCS-51时钟电路和复位电路。
理解单片机的内部和外部时钟信号，熟记它们的接法
理解时序单位关系
理解单片机典型时序的执行
理解各复位电路的实现及操作过程
一、时钟电路
1．振荡器与时钟电路
单片机的内部时钟信号是由振荡器产生的振荡脉冲二分频得到的。
振荡器如下图所示。
其中C1和C2起频率微调作用，外接石英晶体时选30PF左右，外接陶瓷谐振器时选40PF左右。
晶体的振荡频率决定时钟电路的振荡频率，其频率范围一般在0～33MHZ之间。
单片机还可以采用外部时钟信号方式，如图所示。
这种方式主要用于解决多单片机系统中的同步问题。
2．时序的基本概念
时序是指各种信号的时间序列,它表明了指令执行中各种信号之间的相互关系。
为了保证同步工作方式的实现，全部电路应在统一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
MCS-51时序的基本定时单位共有四个（从小到大），参考图2.12。
·时钟振荡周期：
由振荡电路产生的振荡脉冲的周期，又称为拍节。
·S状态周期：
是时钟震荡周期的二倍宽。
·机器周期：
是执行指令的单位周期。
·指令周期：
执行一条指令所需要的时间。
图2.12时序单位关系图
二、单片机系统的复位
复位是单片机进入工作状态的初始化操作。
另外，当程序运行错误或由错误操作而使单片机进入死锁状态时，也可通过复位进行重新启动。
1．复位电路
MCS-51单片机的复位方式有上电自动复位和按键手动复位两种。
按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位两种。
复位电路如图2.13所示。
（a）上电自动复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图2.13复为电路
它们是如何实现的？
分析各工作过程？
2．复位状态
·单片机复位操作的主要作用是使PC值为0000H,这样单片机将从0000H单元开始执行程序。
·复位操作还会影响其他某些专用寄存器,它们的状态见表2.7所示。
表2.7专用寄存器复位状态
专用寄存器
复位状态
专用寄存器
复位状态
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TH0
00H
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0~P3
FFH
SCON
00H
IP
×××00000B
SBUF
不定
IE
0××00000B
PCON
0×××0000B
TMOD
00H
·复位操作还会把ALE和PSEN变为无效状态,即ALE=0,=1。
但复位操作不影响片内RAM单元的内容。
三、任务演示
见动画十——彩灯控制。
总结
复位对单片机来说是一个很重要的概念，涉及到单片机的初始化、可靠性、故障处理等诸多方面，因此必须掌握。
思考题
认真分析彩灯控制的程序。
扩展部分：
2.5MCS－51的典型时序2.689S51芯片的节电方式这两节内容与PPT中相关内容进行链接。
课题
第3章指令系统与汇编语言程序设计
3.1寻址方式
升级会员 