《单片机原理与应用》 课程教学大纲

《单片机原理与应用》课程教学大纲

（执笔人：陈浩强   审核人： 姜文彪   ）

一、课程简介

（一）课程代码：

（二）课程名称（含英文名称）：

单片机原理与应用

Application and principle of single chip microcomputer

（三）课程类别：

　　专业基础课

（四）修读对象：

　　生物医学工程专业

（五）总学时与学分：

72学时。其中理论54学时、实验18学时。4学分（理论3分+实验1分）。

（六）相关课程：

先修课程：汇编语言程序设计、C语言程序设计、模拟电路、数字电路

后续课程：嵌入式系统设计

（七）内容提要

全面介绍MCS-51单片机的结构原理、系统扩展及接口技术。在软件基础方面，讲解指令系统与汇编语言程序设计及C语言程序设计；在硬件基础方面，课程按MCS-51单片机内部集成的功能单元和片外扩展的单元两大部分分别介绍单片机内部的I/O接口、中断系统、定时器/计数器、串行口，以及存储器扩展、I/O接口扩展的技术与应用；最后，通过多个实例讲解单片机应用系统的设计与仿真技术。

二、教学目的和教学方法

教学目的：随着信息技术的飞速发展，计算机技术的应用领域越来越广，特别单片机技术，在工程测量和控制领域得到了广泛应用。通过本课程的学习，使学生较系统地掌握单片机的原理、接口和应用技术及应用，为将来进行机电一体化和智能化产品的开发设计提供技术准备。本课程主要以MCS-51单片机为代表，通过学习，使学生了解单片机原理与接口技术领域的概貌、掌握MCS-51单片机的内部结构、原理、指令系统、汇编语言和程序设计、中断系统，以及系统扩展、接口技术。初步建立起以单片机为核心的电子系统的开发调试方法，为从事综合单片机开发方面的工作奠定基础。和应用系统的设计方法。具有初步的单片机系统开发能力。

教学方法：系统原理解析辅助图片解构、启发思考、实际演示操作；在课程中穿插使用相关开发软件和仿真软件。让学生既能在实践中形象地演示相关知识之应用，又可以掌握业界先进的开发工具

3. 理论与实践教学学时分配

四、选用教材和主要教学参考书

1．赵嘉蔚，张家栋，霍凯，肖燕彩，单片机原理与接口技术，清华大学出版社，2013-1-11

2.《MCS-51单片机原理、系统设计与应用》.万福君等著.清华大学出版社.2008.6第1版.ISBN 978-7-302-16959-8

3.《MCS-51系列单片机使用接口技术》.李华.北京航空航天大学出版社.2008.6第1版.ISBN7-81012-420-X/TP.091

4.《单片机原理与接口技术》.肖金球.清华大学出版社.2004.12第1版. ISBN978-7-302-10255-7

5.《爱上单片机》.杜洋.人民邮电出版社.2011.10第2版. ISBN978-7-115-25512-9

6.《8051实验指导书》.北京精仪达盛科技有限公司

7.《MCS-51单片机接口及应用实验和训练指导》.董国增.机械工业出版社.2005.1第1版.ISBN7-111-07106-9

8.《Keil 与proteus 完美结合教程》. 

9.《Proteus ISIS 入门》.http://www.elecfans.com 电子发烧友

10.《Proteus 入门教程》作者：archeng504

11.Keil Software Help System

12.Proteus VSM Model Help System

五、理论教学内容

（一）第一章微型计算机基础和单片机概述

主要讲授内容：

1.微型计算机概述（0.5学时）

1）基本概念

2）计算机的基本构成

3）微型计算机的基本构成

4）微型计算机的基本工作原理

2.微型计算机的基础知识（1学时）

1）数制及其转换

2）二进制算术与逻辑运算

3）微型计算机的码制与编码

3.单片机概述（1.5学时）

1）单片机的结构特点

2）单片机的主要产品系列

3）单片机的应用

4）单片机应用系统开发

教学时数：

3学时

重点与难点：

1、单片机的概念。

2、单片机的特点及应用领域。

3、数制转换与编码的基本方法。

4、单片机应用系统开发的过程。

思考题或练习题：

1.微处理器、微型计算机、微型计算机系统及单片机之间的关系是什么？

2.为什么计算机要采用二进制？十六进制有什么特点？为什么研究十六进制数？

3.将下列十六进制数转换为十进制数和二进制数

129D、253D、01000011BCD、00101001BCD

4.什么叫原码、反码及补码？

5.当微机将下列数看成无符号数时，它们相应的十进制数值是什么？若将它们看成是补码，最高位为符号位，那么它们相应的十进制数值是什么？

6.单片机有哪些特点

7.按照片内配置存储器的不同，单片机分为哪几类？

（二）第二章MCS-51单片机结构原理

主要讲授内容：

1.MCS-51单片机内部结构（1学时）

1）MCS-51单片机内部的结构图示

2）CPU结构

3）存储器结构特点

4）并行I/O接口

5）中断系统

6）定时器/计数器

7）串行I/O接口

2.MCS-51单片机存储器结构（2学时）

1）MCS-51单片机存储器的结构图

2）MCS-51单片机程序存储器的组成

3）MCS-51单片机数据存储器的组成

3.MCS-51单片机的引脚信号（1学时）

1）MCS-51单片机引脚图

2）MCS-51单片机引脚的逻辑功能

4.MCS-51单片机的工作方式（0.5学时）

1）复位电路与复位方式

2）程序执行方式

3）节电方式

4）EPROM的编程与校验方式

5.MCS-51单片机的时钟电路与时序（1学时）

1）时钟电路

2）振荡周期、机器周期和指令周期

3）典型指令的时序

4）外部ROM访问时序

5）外部RAM访问时序

6.MCS-51单片机的应用系统（0.5学时）

1）MCS-51单片机外部总线结构

2）8051/8751/AT89C51最小应用系统

3）8031最小应用系统

教学时数：

6学时

重点与难点：

1．单片机的基本结构

2．单片机的引脚

3．单片机的存储器结构。

4. 单片机的并行接口结构与规则

思考题或练习题：

课后习题1、5、8、9、13、14、15

1.MCS-51单片机内部由哪些部分组成？

2.MCS-51单片机存储器的组织结构是怎样的？

3.MCS-51单片机的工作寄存器有多少个？共分为多少个区域？如何选择工作寄存器区？

4.SP是什么寄存器？它有什么作用？有什么特别的注意事项？

5.程序计数器PC的功能是什么？MCS-51单片机复位后，PC的值是多少？这意味着复位后MCS-51单片机从哪里开始执行程序？

6.什么是时钟周期、机器周期和指令周期？MCS-51单片机的一个机器周期包含多少个时钟周期？

7.对照MCS-51单片机的外部RAM访问时序图，简述单片机对外部RAM存储器的读/写操作过程。P0口和P2口用于传送什么信号？RD/WR信号有什么作用？

（三）第三章MCS-51单片机指令系统与汇编语言程序设计

主要讲授内容：(共9学时)

1.MCS-51指令系统概述（0.5学时)

1）指令及指令格式

2）MCS-51单片机指令分类

3）MCS-51单片机指令系统

2.寻址方式（0.5学时）

3.数据传送指令（1学时）

1）内部传送指令

2）外部传送指令

4.算术与逻辑运算和移位指令（1学时）

1）算术运算指令

2）逻辑运算指令

3）移位指令

5.控制转移指令和位操作指令（2学时）

1）控制转移指令

2）位操作指令

6.汇编语言程序设计（4学时）

1）汇编语言的语句种类和格式

2）汇编语言源程序的设计与汇编

3）汇编语言程序设计的结构

教学时数：

9学时

重点与难点：

1.寻址方式（七种）

2.指令的使用

3．源程序编辑与手工汇编技能。

4．四种基本程序结构（顺序结构、分支结构、循环结构、子程序）。3

5.汇编程序设计

思考题或练习题：

1.MCS-51单片机的指令有哪些寻址方式？它们的具体含义是什么？

2.分析下列指令的寻址方式（针对源操作数）

MOV A，#30H

MOV A，30H

MOV A，@R1

MOV A，R1

MOVC A，@A+PC

SJMP LOOP

MOV C，20H

MOV @R0，#05H

3.已知（A）=7AH，(R0)=30H，(30H)=A5H，(PSW)=80H，试问如下指令执行后的结果是什么。

　　（1）ADDC A，30H

INC 30H

　　（2）SUBB A，30H

INC A

　　（3）SUBB A，#30H

DEC R0

　　（4）SUBB A，R0

DEC 30H

4.基本的程序结构有哪些种？各有什么特点？

5.设有50个无符号8位二进制数，存放在8031单片机内部RAM以BUFER为首地址的连续单元中，请编程实现：把其中最小数存放在内部RAM的MIN单元的程序并画出相应的流程图。

6.设在片内RAM的20H单元中有一个数，其值在0~100之间，要求利用查表法球次数的平方值并将结果存入片外RAM的20H和21H单元（20H单元中放低字节，21H单元中放高字节），请编写相应程序。

（四）第四章 MCS-51单片机的内部接口单元

主要讲授内容：

1.I/O接口电路概述（1学时）

1）I/O接口电路的作用

2）端口与接口

3）外设的编址方式

4）CPU与外设之间的数据传送方式

2.MCS-51单片机的内部并行I/O接口及应用（2学时）

1）MCS-51单片机的内部并行I/O接口结构

2）MCS-51单片机的内部并行I/O接口应用

3.MCS-51的中断系统（3学时）

1）中断系统概述

2）MCS-51的中断系统结构

3）中断系统的应用

4.MCS-51的定时器/计数器（3学时）

1）定时器/计数器T0和T1的结构及工作原理

2）定时器/计数器T0和T1的工作方式

3）定时器/计数器对输入信号的要求

4）定时器/计数器T0和T1的编程与应用

5.MCS-51的串行接口（3学时）

1）串行通信基础

2）MCS-51串行接口结构

3）串行接口控制寄存器（SCON）和电源控制寄存器（PCON）

4）MCS-51串行接口的工作方式

5）MCS-51串行接口的应用

教学时数：

12学时

重点与难点：

1. 了解内部并行I/O接口的结构和工作原理

2．了解单片机的中断系统结构及其中断控制

3．掌握单片机中断处理的过程

4．掌握单片机定时/计数器的使用

6. 掌握单片机串行通信的原理和应用

思考题或练习题：

1.什么是I/O接口？I/O接口的作用是什么？

2.CPU与外设之间传递的信息有哪些？端口有哪些类型？

3.什么是中断和中断源？微型计算机中有哪些中断类型？

4.8051单片机有几个中断源？个字对应的中断标志是什么？对应的中断服务子程序入口地址是什么？IE寄存器的作用是什么？

5.MCS-51单片机内部定时器有几种工作方式？如何通过定时器方式控制寄存器进行设置？

6.设单片机时钟为12MHz，请分别计算定时器工作在方式0和方式1时定时2ms所需要的定时器初始值

7. 设单片机时钟为12MHz，请分别计算定时器工作在方式2和方式3时定时0.2ms所需要的定时器初始值

8.串行通信有哪几种制式？各有什么特点？

9.MCS-51串行接口工作方式有哪4中？如何进行设定？

（五）第五章半导体存储器及并行I/O接口扩展

主要讲授内容：

1.半导体存储器的扩展（2学时）

1）半导体存储器基础

2）只读存储器（ROM）

3）随机存取存储器（RAM）

4）MCS-51存储器的外部扩展

2.MCS-51并行I/O接口的扩展（3学时）

1）8155的结构和原理

2）8255的结构和原理

3.LED显示器的设计（2学时）

1）LED数码显示管显示原理

2）MCS-51对LED的控制

4.按键和键盘的设计（2学时）

1）独立式非编码键盘的设计

2）行列式非编码键盘的设计

教学时数：

9学时

重点与难点：

1．存储器扩展

2．I/O扩展及其控制方式

思考题或练习题：

1.单译码编址存储器通常由哪几部分组成？地址线和字线间的关系是什么？

2.现有存储容量为512K*4、1K*4、2K*8、4K*1、8KB、512KB和4MB的存储器，试问这些存储器分别有多少条地址线和数据线（假设它们均是非动态RAM）

3.某ROM存储容量为64KB，内部采用双译码编址结构。试问共有X地址选择先和Y地址选择先多少条？位线多少条？每条位线应与多少个基本存储电路相连？如果改用单译码编址方式，试问共需要字线多少条？

4.试写出图示#1~#7存储器的寻址范围，片选信号低电平有效，其中，#1~#3为2KB的ROM；#4~#7为1KB的RAM。

5.决定8155端口地址的引脚有哪些？IO/M的作用是什么？T/IN和T/OUT的作用是什么？

6.LED数码管显示器在单片机系统中有哪几种显示方式？

7.什么是显示缓冲区？显示缓冲区中存放到是什么？

8.一直30H单元中有一个带符号数，如果他是正数，则在图5-41中所示的接口电路中自左至右不断的一次显示0；如果它是负数，则从右到左不断的一次显示1，试编写响应的程序。

9.设计具有3个按键的电路并编写相应的程序：当第一个按键按下时，将40H单元置为1；当第二个按键按下时，40H单元置2；当第三个按键按下时，40H单元置0。

（六）第六章A/D和D/A转换器的接口

主要讲授内容：

1.D/A转换器（2.5学时）

1）D/A转换器的原理

2）D/A转换器的性能指标

3）DAC0832转换器介绍

4）DAC0832转换器的应用

2.A/D转换器（2.5学时）

1）逐次逼近式A/D转换器的原理

2）A/D转换器的性能指标

3）ADC0809转换器介绍

4）ADC0809转换器的应用

教学时数：

5学时

重点与难点：

1．D/A转换原理及DAC0832芯片

2．A/D转换原理及ADC0809芯片

思考题或练习题：

1.D/A转换器的功能是什么？D/A转换器主要有那些性能指标？

2.A/D转换器的功能是什么？A/D砖砌主要有那些性能指标？

3.结合DAC0832的内部结构框图说明其内部有那些基本组成部分？各部分的功能是什么？

4.利用8051单片机和DAC0832产生的梯形波（梯形波的斜边采用步幅为1的线性波形，幅度00H~80H，水平段调用延迟程序维持），编写该程序。如果水平段由8051内部定时器/计数器维持，程序应该如何编写？

5.结合ADC0809的内部结构框图说明其内部有那些基本组成部分？各部分的功能是什么？

6.如何设计ADS0809与8051单片机的接口电路？

（七）第七章 单片机的串行数据接口

主要讲授内容：

1.串行数据接口RS-232/485（0.5学时）

1）RS-232/485接口标准

2）单片机的RS-232C接口实现

3）单片机的RS-485接口实现

2.I2C总线接口（0.5学时）

1）I2C总线协议

2）I2C总线接口存储器

3.SPI串行总线接口（0.5学时）

1）SPI总线协议

2）SPI总线器件

3）SPI接口时钟日历芯片DS1302

4.1-Wire总线接口（0.5学时）

1）单总线技术简介

2）单总线数据通信协议

3）单总线数字温度传感器DS18B20介绍

教学时数：

2学时

重点与难点：

1. I²C总线协议

2. 1-Wire总线接口

思考题或练习题：

1.简述RS-232C标准接口简化的9针D型连接器的信号描述

2.简述MAX232芯片的功能。如果将2个8051系统的串行口通过MAX232连接，接口应该如何设计？

3.简述单总线器件的特点

4.单总线包括哪几种通信信号类型？

5.I²C总线如何对I²C设备寻址？

（八）第八章 单片机C语言程序设计

主要讲授内容：

1.C51程序设计语言（1学时）

8.1.1标识符与关键字

8.1.2数据类型

8.1.3变量的存储种类和存储器类型

8.1.4绝对地址的访问

8.1.5中断服务程序

8.1.6Cx51的库函数

2.C51的运算符和表达式（1学时）

8.2.1赋值运算符

8.2.2算术运算符

8.2.3关系运算符

8.2.4逻辑运算符

8.2.5位运算符

8.2.6复合运算符

8.2.7指针和地址运算符

3.C51集成开发环境（2学时）

8.3.1安装KeilC51

8.3.2KeilC51的使用方法

教学时数：

4学时

重点与难点：

1.变量的存储种类和存储器类型

2. 中断服务程序和可冲入函数

思考题或练习题：

1.简述ANSIC标准中的32个关键字

2.K诶了 Cx51编译器所能识别的存储器类型有哪些？

3.简述在Cx51程序中定义变量的绝对地址的3种方式。

4.编写程序，把8位新的输入值和前一次的输入值进行比较，然后产生一个8位数。这个数中的位为1的条件是：仅当新输入的位为0，而前一次输入的位为1。

5.C语言中哪一种操作具有最高的优先级？

（九）第九章 单片机应用系统设计

主要讲授内容：

1.按键与MAX7219显示驱动器的应用（0.5学时）

1）设计任务说明

2）电路原理图设计

3）参考程序设计

4）应用KeilC51与Proteus程序进行调试与仿真

2.点阵字符型LCD显示器与4×4键盘的应用（0.5学时）

1）设计任务说明

2）电路原理图设计

3）参考程序设计

4）应用KeilC51与Proteus程序进行调试与仿真

3.DS18B20与点阵式LED显示器的应用（1学时）

1）设计任务说明

2）电路原理图设计

3）参考程序设计

4）应用KeilC51与Proteus程序进行调试与仿真

4.单片机串行通信的应用（2学时）

1）设计任务说明

2）参考程序设计

3）应用KeilC51与Proteus程序进行调试与仿真

教学时数：

4学时

重点与难点：

1. KeilC51

2. Proteus程序

3. KeilC51与Proteus程序进行调试与仿真

思考题或练习题：

1.用Proteus实现实验教程的实验一

2. 用Proteus实现实验教程的实验二

六、实验（见习）教学内容与要求

实验学时分配：

（一）实验一 P1口实验一、P1口实验二

主要讲授内容：

1. P1口实验一

1）实验台的结构

2）实验平台配套指导书使用方法、导线连接规律

3）实验台程序、编写、编译、调试、执行的流程

4）实验一的分析和演示

2. P1口实验二

1）实验二的分析和演示

3.实验1、实验2的C程序代码分析

1）51C程序结构

2）C程序的编写、编译、调试规则

4.实验心得分享与讨论

教学时数：

3学时

重点与难点：

1、实验台调试程序的使用

2、实验台程序连线、运行的方法

3、C程序的代码分析

思考题或练习题：

1.怎样让LED的发光顺序逆转、怎样调整LED切换的速度？

2.试用C51编写代码完成该实验

3.试把交通灯的LED使用数量和位置进行调整修改

4.把对实验代码、输出的修改并记录下来（文字、图片、视频）

（二）实验二简单I/O扩展实验二（实验4）、Proteus

主要讲授内容：

1. 简单I/O扩展实验二

1）汇编程序实现与演示

2）C程序代码分析

2.Proteus下进行仿真的方法介绍

1）元器件的查找和组装

2）连线

3）程序设计和调试

4）仿真与调试

3.实验心得分享与讨论

教学时数：

3学时

重点与难点：

1．实验结构分析、编码、连线

2．C程序的代码分析与编写

3．Proteus软件仿真系统的使用

思考题或练习题：

1.使用Proteus为实验1或实验2搭建软件仿真环境

2. 修改代码调整输出状态（改变实验输出）并记录下来（文字、图片、视频）

（三）第三章 中断实验、定时器实验（实验5、6）

主要讲授内容：

1.中断实验

1）汇编程序实现与演示

2）C程序代码分析

2.定时器实验

1）汇编程序实现与演示

2）C程序代码分析

3.实验心得分享与讨论

教学时数：

3学时

重点与难点：

1．实验连线和代码分析

2．C程序的代码分析与编写

思考题或练习题：

1.修改代码调整输出状态（改变实验输出）并记录下来（文字、图片、视频）

（四）第四章8255A可编程并行接口实验二（实验8）

主要讲授内容：

1. 8255A可编程并行接口实验二（实验8）

1）汇编程序实现与演示

2）C程序代码分析

2.Proteus实现实验4的软件仿真

1）元器件的查找和组装

2）连线

3）程序设计和调试

4）仿真与调试

3.实验心得分享与讨论

教学时数：

3学时

重点与难点：

1. 理解8255的结构和工作原理

2．实验结构分析、编码、连线

3．C程序的代码分析与编写

4．Proteus软件仿真系统的使用

思考题或练习题：

1.修改代码调整输出状态（改变实验输出）并记录下来（文字、图片、视频）

（五）实验五 数码显示实验、8279键盘显示接口实验二（实验9、10）

主要讲授内容：

1.数码管显示实验（实验9）

1）汇编程序实现与演示

2）C程序代码分析

2.键盘显示接口实验二（实验10）

1）汇编程序实现与演示

2）C程序代码分析

3.实验心得分享与讨论

教学时数：

3学时

重点与难点：

1．实验结构分析、编码、连线

2．C程序的代码分析与编写

思考题或练习题：

1.修改代码调整输出状态（改变实验输出）并记录下来（文字、图片、视频）

（六）实验六D/A 转换实验、A/D转换实验(实验14、15)

主要讲授内容：

1. D/A 转换实验（实验14）

1）汇编程序实现与演示

2）C程序代码分析

2. A/D转换实验（实验15）

1）汇编程序实现与演示

2）C程序代码分析

3.实验心得分享与讨论

教学时数：

3学时

重点与难点：

1．实验结构分析、编码、连线

2．C程序的代码分析与编写

思考题或练习题：

1. 修改代码调整输出状态（改变实验输出）并记录下来（文字、图片、视频）

2. 使用Proteus作为软件仿真环境，完成一个综合性的单片机应用系统。

七、考核方式及要求

1.考核方式

考试=终结考核+过程考核

2.考核的主要方面

基础知识、计算能力、分析能力、论述能力、综合能力

　　分值分布：

单片机的结构和原理15

指令系统和汇编语言程序设计20

中断系统和定时器应用15

单片机系统扩展及接口技术15

应用系统配置及接口技术25

串行通信技术10

考核方式及要求：

1、理论考核方式：

期末考试、闭卷

2、实验考核方式：

（1）以个人为单位交一份完整的实验报告的方式考察

（2）由实验小组代表课堂发言，陈述小组实验报告的观点。

3、成绩评定

期末考试（闭卷）占总成绩的70%，平时成绩占30%，其中实验课成绩占平时成绩的15%，出勤占平时成绩的5%，作业占平时成绩的5%，课堂表现占平时成绩的5%。