MCS-51单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术讲辅：苏淑靖2009年3月办公室：新主楼1201联系电话：Email：1一、课程的性质和目的一、课程的性质和目的 本课程的性质本课程的性质v单单片片机机是是微微型型计计算算机机应应用用技技术术的的一一个个重重要要分分支支，在在工工业业控控制制、智智能能仪仪器器仪仪表表、光光机机电电设设备备、自自动动检检测测、信信息息处处理理、家家电电等等电子设备中得到广泛应用，并迅速发展。电子设备中得到广泛应用，并迅速发展。v该该课课程程是是为为电电子子信信息息工工程程、测测控控技技术术及及计计算算机机应应用用、机机电电一一体体化化等等专专业业的的学学生生开开设的专业基础必修课或专业基础选修课。设的专业基础必修课或专业基础选修课。2本课程的教学本课程的教学目的目的 通通过过理理论论学学习习与与实实验验，正正确确理理解解单单片片机机的的基基本本概概念念、基基本本原原理理，掌掌握握单单片片机机程程序序设设计计和和微微机机接接口口应应用用的的基基本本方方法法，并并能能综综合合运运用用单单片片机机的的软软、硬硬件件技技术术分分析析和和解解决决实实际际问问题题，为为以以后后单单片片机机的的应应用用与与开开发发打打下下良良好好的的基基础础，也也是是进进一一步步掌掌握握计计算算机机原理和有关接口知识重要环节。原理和有关接口知识重要环节。3二、课程教学内容二、课程教学内容本本课课程程共共4848学学时时，其其中中课课堂堂教教学学2424学时，实验学时，实验2424学时。学时。p单片机概述单片机概述（2学时）学时） 主要介绍单片机的发展概况（现状、未主要介绍单片机的发展概况（现状、未来的发展）、特点、分类、应用、当前单来的发展）、特点、分类、应用、当前单片机的系列产品和常用工具软件。片机的系列产品和常用工具软件。4q单片机的内部结构及工作原理单片机的内部结构及工作原理 （12学时，学时，4学时讲授，学时讲授，8学时实验）学时实验） 掌握MCS-51单片机的内部结构及基本工作原理； 单片机并行I/O口的结构、功能、特点； 单片机的存储器；单片机的时钟电路与CPU时序。5q单片机的寻址方式和指令系统单片机的寻址方式和指令系统 （4学时，学时，4学时讲授）学时讲授）MCS-51单片机指令的格式、分类和寻址方式；汇编语言的各种指令类型；q程序设计（程序设计（共共2学时，学时，2学时讲授）学时讲授）伪指令的使用及汇编语言程序的完整格式。MCS-51单片机汇编语言程序设计的一般步骤；6q单片机的中断系统单片机的中断系统（共（共4学时，学时，2学时讲授，学时讲授，2学学时实验）时实验）MCS-51单片机中断源类型及工作方式；外部中断的结构及原理中断控制寄存器IE、中断优先级寄存器IP及定时器/计数器及外部中断控制寄存器TCON的使用方法；q单片机的定时器单片机的定时器/计数器计数器 (共共4学时，学时，2学时讲授，学时讲授，2学时实验）学时实验） 单片机定时器/计数器的结构、原理、工作方式及使用方法。7q单单片片机机的的串串行行通通信信（共共6学学时时，2学学时时讲讲授授，4学学时时实验）实验） 单片机串行通信I/O接口的结构及工作方式； 串行通信控制寄存器的使用方法； MCS-51单片机串行通信波特率的设置方法； MCS-51单片机的双机通信和多机通信的基本原理。8q单单片片机机的的系系统统扩扩展展（共共4学学时时，2学学时讲授，时讲授，2学时实验）学时实验） 存储器的扩展原理与方法。q单单片片机机的的接接口口技技术术（共共10学学时时，4学时讲授，学时讲授，6学时实验）学时实验）单片机与LED显示器接口技术；DACA接口9三、课程特点三、课程特点知识点既分散又连贯，结构和指令系统是基础；与电子线路尤其是数字电子线路关系密切；四、学习方法四、学习方法预习、复习；多动手（硬件、软件实验）；多看参考书(包括利用网上资料)；其它（上课、作业、答疑）。10五、课程的教学基本要求五、课程的教学基本要求课程教学要求分为掌握、理解和了解三个层次，闭卷考试。掌握内容掌握内容：8051单片机的的应用领域、系统结构、指令系统、程序设计方法、系统扩展方法。理解内容理解内容：单片机常用接口等应用技术。了解内容了解内容：通过查资料读懂较为复杂的接口原理图及编写相应的控制程序。11 六、网上资源六、网上资源1.中国单片机公共实验室2.单片机世界广州站3.乐清单片机联盟4.科宇单片机工作室5.51单片机世界12 1.1 单片机的概念单片机的概念 1.2 单片机的发展单片机的发展 1.3 MCS-51单片机系列单片机系列第第1 1章章 单片机概述单片机概述131.1.1单片机的名称1.1.2单片机和PC机的区别1.1.3单片机与单片机系统1.1.4单片机应用系统与单片机开发系统1.1.5单片机的程序设计语言和软件1.1单片机的概念14 单 片片 机机 是是 单 片片 微微 型型 计 算算 机机 （ Single-Chip Single-Chip MicrocomputerMicrocomputer）的的简称称，也也称称微微控控制制器器（Micro Micro Controller Controller UnitMCUUnitMCU）。它它是是把把组成成单片片机机的的各各功功能能部部件件：中中央央处理理器器CPUCPU、随随机机存存取取存存储器器RAMRAM、只只读存存储器器ROMROM、I/OI/O接接口口电路路、定定时/ /计数数器器、中中断断系系统以以及及串串行行通通信信接接口口等等制制作作在在一一块集集成成芯芯片片中中构构成成一一个个完完整的微型整的微型计算机。算机。1.1.1 单片机的名称单片机的名称15161.1.2 单片机与单片机与PC机的区别机的区别 PCPC机：机： 将将CPU、存储器、存储器、I/O接口电路接口电路和总线接口等若干电路或芯片组装在一块主和总线接口等若干电路或芯片组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，就构成了一台完整光驱等装在同一机箱内，就构成了一台完整的微型计算机。再配上系统软件，就构成微的微型计算机。再配上系统软件，就构成微型计算机系统（简称系统机）。型计算机系统（简称系统机）。 单片机：单片机： 是一个集成电路，其内部集成了是一个集成电路，其内部集成了微机的基本功能部件。微机的基本功能部件。17单片机单片机通常是指芯片本身，集成一些基本功能部件。是典型的嵌入式系统的主要构成单元，只能作为嵌入式应用，即嵌入到对象环境、结构、体系中作为其中的一个智能化控制单元。如：洗衣机、电视机等家用电器，打印机、复印机、通信设备、智能仪表、现场总线中的控制单元等。单片机系统单片机系统是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成具有一定应用功能一定应用功能的计算机系统。1.1.3 单片机与单片机系统单片机与单片机系统181.1.4 单片机应用系统与单片机单片机应用系统与单片机开发系统开发系统单片机应用系统：单片机应用系统：以单片机为电路系统的主机构成各种嵌入式应用的电路系统统称为单片机应用系统。一个完整的单片机应用系统包括满足对象（如洗衣机）要求的全部硬件电路硬件电路和应用软件应用软件。单片机开发系统单片机开发系统是单片机开发调试的工具，实现单片机应用系统的软、硬件开发。有单片单板机和仿真器。19 单板机单板机 将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。单板机板机20仿真器仿真器应用用编程器编程器21指令指令：控制计算机进行各种操作的命令。MOVA,40H操作码：表示该指令执行何种操作；操作数：表示运算的数据或数据所在的地址。程序程序：为了实现一个算法或控制一个过程，需要事先制定计算机的计算步骤或操作步骤，这些步骤由一条条指令来实现。这种一系列指令的有序集合称为程序。软件软件：使用和管理计算机的各种程序。1.1.5单片机的程序设计单片机的程序设计语言和软件语言和软件22汇编语言：汇编语言：用助记符（指令功能的英文单词缩写）表示操作码，字符（字母、数字、符号）表示操作数的指令称为汇编指令。用汇编指令编写的程序称为汇编语言程序。是面向机器的语言。MCS-51两个寄存器相加汇编语言指令： ADD A，R0 汇编语言汇编语言 ( (Assemble) ) 高级语言高级语言 ( (High Level Language) ) 机器语言机器语言（Machine Language) )23 高级语言：面向过程的语言，常用的VB、VC、C+等，高级语言编写的程序主要着眼于算法，而不别了解单片机的硬件结构和指令系统。是独立于机器的。一般同一程序可在任何种类的机器中使用。机器语言：直接用二进制代码指令表达的计算机语言,单片机应用系统只使用二进制代码。这种二进制代码形式的程序就是机器语言程序。二进制代码形式指令又称机器指令或机器码。MCS-51两个寄存器相加的机器语言指令：0010100024源程序通过编译得到机器能执行的目标程序。汇编语言程序可以高效率利用计算机资源，目标程序占用内存少，执行速度快，适合于自动测控系统反应快速、结构紧凑的要求。特别适应于实时控制。高级语言程序容易掌握，通用性好，但编译程序系统开销大，目标程序占用内存多，且执行时间比较长，多用于科学计算、工业设计、企业管理。汇编语言程序汇编语言程序高级语言程序高级语言程序机器语机器语言程序言程序汇编程序汇编程序编译程序编译程序源程序源程序目标程序目标程序251.2.1单片机发展概述1.2.2单片机的特点和应用1.2.3单片机应用案例1.2.4单片机分类1.2 单片机的发展26一、电子计算机的发展历史1、第一代（19461958）：电子管计算机。用于：科学计算2、第二代（19581964）：晶体管计算机。用于：科学计算、数据处理、工业控制3、第三代（19641971）：集成电路计算机、网络。用于：科学计算、数据处理、工业控制、事务管理。4、第四代（1971）：大规模集成电路计算机。用于：计算量极大的高尖技术及国民经济领域出现了微型机。5、第五代：智能型计算机。用于：模拟人的智能，识别图像、语言和物体，联想、推理、解答问题，使用自然语言进行会话处理。1.2.1单片机发展概述27二、单片微型计算机的发展历史单片机的核心部分：微处理器的发展已经历了五代。第一代（19711976）：萌芽阶段，发展各种4位单片机；第二代（19761980）：初级8位机阶段；IntelMCS48系列单片机第三代（19801983）：高档8位单片机阶段； IntelMCS51系列单片机第四代（1983）：16位及更高位单片机阶段；IntelMCS96281976- 1976- ：初级：初级8 8位单片机位单片机 Intel MCS-48Intel MCS-48系列系列1980- 1980- ：高档：高档8 8位单片机位单片机 Intel MCS-51Intel MCS-51系列：系列： 5151子系列：子系列：80318031/8051/8751/8051/8751 52 52子系列：子系列：80328032/8052/8752/8052/8752 低功耗型低功耗型80C31 80C31 高性能型高性能型80C252 80C252 廉价型廉价型89C89C20512051/ /105110511983- 1983- ：1616位单片机位单片机 Intel MCS-96 Intel MCS-96 系列：系列： 8098/80968098/8096、80C198/80C19680C198/80C196 32 32位单片机位单片机 809608096029低档型：8021、8022MCS48基本型：8048、8748、8038（从1976年起）改进型：8049、8749、8039和8050、8750、8040基本型：8051、8751、8031MCS51改进型：8052、8752、8032（从1980年起）低功耗型：80C51、87C51、80C31强性能型：83C252、87C252、80C252早期产品：8X9X（8096）MCS96改进型：8X9XBH、8X9XJF（从1983年起）新产品：8098（准）强功能型：80C196、80C198（准）30三、单片机技术的发展方向（1）内部结构 （2）功耗和电源电压方面 （3）工艺的进步及抗干扰能力的提高 （4）存储能力和Internet连接 311.2.2 单片机的特点和应用 一、单片机的特点 （1）可靠性高，抗干扰能力强； （2）控制功能强，运行速度快，使用灵活，速度快； （3）体积小、重量轻、价格低、功耗小； （4）受集成度限制，片内存储器容量较小，一般ROM在8KB以下，内RAM在256B以内。但易扩展，易于开发。 单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器。32二、单片机的应用 以单片机为核心的应用系统广泛应用于：以单片机为核心的应用系统广泛应用于： 家用电器；家用电器； 仪器仪表；仪器仪表； 网络与通信的智能接口；网络与通信的智能接口； 工业过程控制；工业过程控制； 航空、汽车等领域。航空、汽车等领域。33智能智能仪器器仪表表 单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如如各种智能电气测量仪表、智各种智能电气测量仪表、智能传感器能传感器等。等。机机电一体化一体化产品品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。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。34典型产品如机器人、数控机床、点钞机、医疗设备、典型产品如机器人、数控机床、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机、智能终端打印机、传真机、复印机、智能终端等。等。实时工工业控制控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征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。电机转速电机转速控制、温度控制、自动生产线控制、温度控制、自动生产线等等35分布式系统的前端模块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。36371.2.3 单片机应用案例381.2.4单片机的分类单片机的总类很多，主要有INTEL系列MOTOLORA系列PHLIPS系列等其中INTEL公司的8051是比较流行的单片机系列，因此，我们讲述INTEL公司的8051系列，8051系列主要有三种芯片。它们是8031、8051、8751，称为MCS-51子系列。391.2.5MCS-51单片机系列MCS-51系列基本产品型号：8051、8031、8751称为51子系列不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。 硬件硬件硬件硬件基本基本基本基本配置配置配置配置：1.1. 8 8位位位位CPUCPU2. 2. 片内片内片内片内ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM3. 3. 片内并行片内并行片内并行片内并行 I/OI/O接口接口接口接口4. 4. 片内片内片内片内1616位定时器位定时器位定时器位定时器/ /计数器计数器计数器计数器5. 5. 片内中断处理系统片内中断处理系统片内中断处理系统片内中断处理系统6. 6. 片内全双工串行片内全双工串行片内全双工串行片内全双工串行I/OI/O口口口口4041其中：8051：片内含有掩膜ROM型程序存储器；只能由生产厂家代为用户固化程序；批量大、永久保存、不修改时用。8751：片内含EPROM型程序存储器；用户可固化，可用紫外线光照射擦除；但价格高。8031：片内无程序存储器，可在片外扩展；方便灵活，价格便宜。42由表可见：由表可见：增强型与基本型在以下几点不同：增强型与基本型在以下几点不同：片内片内ROM字节数：从字节数：从4K增加到增加到8K；片内片内RAM字节数：从字节数：从128增加到增加到256；定时定时/计数器从计数器从2个增加到个增加到3个个；中断源由中断源由5个增加到个增加到6个个。43 本章主要介绍单片机的发展概况（现状、未来的发展）、特点、应用、当前单片机的系列产品和单片机系统开发中常用到的软硬件工具。44