单片机原理和应用教学教学案

第一讲

一、授课容：

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RAM、 ROM的容量加大,且寻址围可达64 KB, 个别片还带有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工作。由于单片机总线大多在芯片部不易受干扰，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）含有Flash存储器

由于片含有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, 在本子系列各类芯片的主要区别在于片有无ROM或EPROM; MCS—51与MCS—52子系列间所不同的是片程序存储器ROM 从4 KB增至8 KB; 片数据存储器由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、、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