单片机原理及应用教学教案.docx

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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（SingleChipComputer），简称单片机，也可称为微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）。

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（CentralProcessingUnit）、随机存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器（ReadOnlyMemory）、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2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004,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Intel8008,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4KB）,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64KB,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4KB增至8KB;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630mW,而80C51的功耗只有120mW。

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子系列

片内ROM形式

片内ROM容量

片内RAM容量

定时器/计数器

中断源

无

ROM

EPROM

E2PROM

MCS-51子系列

8031

8051

8751

8951

4KB

128B

2×16

5

MCS-52子系列

8032

8052

8752

8952

8KB

256B

3×16

6

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4KBROM的8051。

8951：

是以4KB的E2PROM（或FlashROM）代替4KBROM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

二进制数

000

001

010

011

100

101

110

111

相应的十进制数

0

1

2

3

4

5

6

7

　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

二进制数

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

十进制数

0

1

2

3

4

5

6

7

十六进制数

0

1

2

3

4

5

6

7

二进制数

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

十进制数

8

9

10

11

12

13

14

15

十六进制数

8

9

A

B

C

D

E

F

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。

低位

高位

  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

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 100110 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   　  0X0=0

0＋1＝1       0X1=0

1＋0＝1       1X0=0

1＋1＝0（进位1）       1X1=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：

 08A3H

     +4B89H

       542CH

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：

05C3H

        －3D25H

          C89EH

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：

①0的原码有两种表示法：

　     [+0]原=00000000B

     　[－0]原=10000000B

②N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：

①0的反码有两种表示法：

[+0]反=00000000B

[－0]反=11111111B

②N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：

①0的补码只有一种表示法：

[+0]=[—0]=00000000B；

②n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

       01010100B

  + 11110000B

    01000100B

   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

00110000B

+ 10101000B

11011000B

 　所以[X]补=11011000B，