单片机原理及应用教学教案.docx

1、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

2、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（19711976）: 单片机

3、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MCS4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（19761980）: 低性能单片机阶段。 以1976年Intel公司推出的MCS48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

4、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（19801983）: 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（198380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MCS96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。

5、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

6、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4s，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

7、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。

8、（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

9、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、

10、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: MCS48系列、 MCS51系列、 MCS96系列。 MCS51单片机系列：MCS51系列单片机虽已有10多种产品, 但可分为两大系列: MCS51子系列与MCS52子系列。 MCS51子系列中主要有8031、 8051、 8

11、751 三种类型。而MCS52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; MCS51与MCS52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12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

12、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ROMEPROME2PROMMCS-51子系列80318051875189514KB128B2165MCS-52子系列80328052875289528KB256B3166MCS-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EPR

13、OM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

14、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5V20%），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

15、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

16、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

17、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、

18、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：0123456789十进制数第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=8103+8102+4101+6106+7101+8102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

19、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=127+126+025+124+023+122+021+120+021+122=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000001010011100101110111相应的十进制数012345673八进制（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：01234567八进制数第K位的权为：8K例如：127O=182+281+780=87D4十六进制（后缀或下标

20、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：0123456789A B C D E F十六进制第K位的权为： 16k例如：64.4H=6161+4160+4161=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00000001001000110100010101100111十 进 制 数01234567十六进制数01234567二 进 制 数10001001101010111100110111101111十 进 制 数89101112131415十六进制数89ABCDEF二、不同进位制之间的转换。1二进制数转换为十制数。

21、转换原则：按权展开求和。例如： 10001101.11B=127+026+025+024+123+122+021+120+121+1 22 =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：整数部分：除基取余，逆序排列 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

22、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10011110.00111B9E.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

23、 7. B 81010 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。 011 010 110.110101 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

24、数的运算加法法则 乘法法则000 0 X 0=0011 0 X 1=0101 1 X 0=0110（进位1） 1 X 1=1注意：二进制数加法运算中110（进位1）和逻辑运算中111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。 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S16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 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

25、 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

26、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=01110000B112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： 0的原码有两种表示法： +0 原=00000000B 0原=10000000B N位原码的表示范围为：12N1 2N11。例如8位原码表示的范围为：127+1272反码最高位为符号位，正数的反码与原码相同，负数

27、的反码为其正数原码按位求反。 +112 反=01110000B 112反=10001111B说明： 0的反码有两种表示法：+0 反=00000000B0反=11111111B N位反码表示的范围为： 12n12n11；例如8位反码表示的范围为 127+127。 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： 0的补码只有一种表示法：+0=0=00000000B； n位补码所能表示的范围为2n1

28、2n11；例如8位补码表示的范围为128+127。 八位机器数中：128补=10000000B，128原，128反不存在。 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： X8416（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：X4888（48）（88）X补=+48补+88补+48补 =00110000B88补=10101000B0 0 1 1 0 0 0 0B+ 1 0 1 0 1 0 0 0B1 1 0 1 1 0 0 0B 所以 X补=11011000B，