《单片机原理及应用》教学大纲（德州学院版)

一、课程简介

《单片机原理及应用》是一门面向应用的、具有很强实践性与综合性的课程，是机械设计制造及其自动化专业学生专业课程之一。本课程主要以51系列单片机，讲述单片机内部结构、仿真软件使用、软件编程、定时计数器、中断系统、串口通信、接口技术等，通过本课程的学习，使学生掌握单片机硬件方面的知识，能进行单片机编程，掌握单片机应用系统设计和开发的基本技能，并能够通过仿真软件进行编译、仿真。学完本课程，可以使学生掌握单片机的应用技术，能够学到单片机在不同领域的实际应用，具有初步的微控制技术设计思想体系，为后续的控制系统开发、毕业设计提供理论和实践依据，并在将来走向工作岗位后，能在设计、生产或科研团队中担任研发或组织管理的角色。

课程教学的主要内容：单片机计算机概述；MCS-51单片机的组成及结构分析；指令系统；定时／计数器的结构及工作原理；串行通信及其接口；中断系统的结构及工作原理；常用接口芯片的功能及与MCS-51单片机的连接方法；单片机系统的扩展及单片机的开发与开发系统。

二、课程教学目标与要求

（一）课程教学目标

知识目标：

1、掌握51系列单片机的基本组成和工作原理、特点、应用领域、程序设计的基本方法。

2、能够根据设计要求，正确的进行系统方案设计，包括硬件系统和软件系统。能够掌握单片机的外部中断、定时器中断及串口中断涉及的中断控制寄存器和工作方式寄存器的各个位及功能，具备在程序设计中合理设计和使用中断的能力，能设计简单的单片机应用系统。

能力目标：

3、锻炼学生的动手能力，能够熟练掌握单片机的开发软件（Protues、keil）的设计和使用，具备软件使用和软件程序设计和仿真能力，启迪学生的创新意识，培养学生综合应用单片机知识解决实际工程问题的能力，促使学生全面素质的提高。

思政目标：

4、通过对芯片发展历史的介绍，结合当前形势，激发学生的爱国情怀以及为祖国芯片事业发展贡献力量的决心。

（二）课程教学目标与专业毕业要求对应关系

表1 本课程对专业毕业要求及其指标点支撑

三、教学内容及要求

（一）理论教学

第1章 单片机基础知识概述

1.教学内容

了解单片机的发展历史及分类;了解单片机应用系统的开发过程;掌握单片机中各种编码方法以及数制的表示方法。

2．教学重点、难点

重点：各种编码方法和数制的表示方法及相互转换。

难点：各种编码方法和数制的表示方法及相互转换。

3.教学要求

通过学习，要求学生了解单片机的发展历程和发展方向，了解单片机的应用领域。掌握单片机的概念、特点。

（1）单片机的基本概念、单片机的应用领域、主流单片机及其特点、单片机的发展、    结合当前形势，激发学生的爱国情怀以及为祖国芯片事业发展贡献力量的决心。

（2）单片机的预备知识：掌握单片机常用的数制有十进制、二进制、十六进制及其数制之间的转换；

（3）掌握位、字节、字及BCD码、ASCII码的概念；

（4）掌握基本逻辑门电路。

4.支撑的课程目标

本单元各知识点的讲授和学习，可以支撑“课程目标1：掌握51系列单片机的基本组成和工作原理、特点、应用领域、程序设计的基本方法。”和“课程目标4：通过对芯片发展历史的介绍，结合当前形势，激发学生的爱国情怀以及为祖国芯片事业发展贡献力量的决心。”

本单元的教学通过问题导入、现场展示的教学方法，引导学生了解什么单片机及单片机应用领域及其特点，使学生理解学习单片机对本专业的重要性，并根据单片机的发展和现状，引导学生努力学习，为国奋斗，为我国的微控制领域发展做出贡献。

第2章 MCS-51单片机的结构及原理

1.教学内容

　　掌握MCS-51单片机的内部结构和外部引脚的功能及工作时序;掌握单片机存储器的空间配置及功能结构;掌握特殊功能寄存器的的功能及用法。

2．教学重点、难点

重点：外部引脚的功能及工作时序;P0口、P1口、P2口及P3口的内部结构与特性。

难点：P0口、P1口、P2口及P3口的内部结构与特性。

3.教学要求

本章介绍了MCS-51系列单片机的硬件结构，包括CPU基本模型、存储器配置、单片机外部引脚及功能等。通过对本章的学习，学生应了解单片机概貌，理解震荡器、时钟电路和CPU时序。掌握存储器的配置、机器周期和震荡器周期的关系、4个并行输入/输出口的工作原理、复位条件、复位电路和复位状态；

（1）单片机的基本结构：单片机内部结构及外部引脚功能；

（2）单片机的存储器结构：存储器划分方法、程序存储器、数据存储器；

（3）单片机的复位与时序：复位电路及时序；

（4）单片机的并行I/O口：P0口、P1口、P2口及P3口的内部结构与特性。

4.支撑的课程目标

本单元各知识点的讲授和学习，可以支撑“课程目标1：掌握51系列单片机的基本组成和工作原理、特点、应用领域、程序设计的基本方法。”

本单元的教学通过问题导入、现场展示的教学方法，结合计算机的组成情况，引导学生了解单片机内部结构及其各部分之间的联系，结合第一章的介绍的案例，使学生认识到I/O口是单片机联系外界的通道，也是信号输入、输出的主要通道。

第3章 单片机的C51基础知识

1.教学内容

理解C51的数据结构，掌握C5l语言的编程方法。

2．教学重点、难点

重点：C5l语言的编程方法。

难点：C5l语言的编程方法。

3.教学要求

本章介绍了MCS-51系列单片机的、指令系统和程序设计技术。通过对本章的学习，学生应理解并掌握51单片机的C51语言编程方法，掌握全部指令的格式及程序框架结构。

（1）C51软件概述：介绍汇编语言与C语言之间的关系，并介绍C51与C语言的异同点。

（2）C51软件工具：介绍KEIL的安装与使用方法，如何利用软件进行编程及调试，编译成单片机仿真可用的模式。

（3）掌握C51的基本执行语句、 C51的变量、C51的指针、C51的数组、C51的函数。

（4）仿真软件Protues的安装与使用方法，如何利用KEIL和Protues联合仿真，观察软件运行情况及运行效果。

4.支撑的课程目标

本单元各知识点的讲授和学习，可以支撑“课程目标1：掌握51系列单片机的基本组成和工作原理、特点、应用领域、程序设计的基本方法以及单片机的接口技术。”和“课程目标3：锻炼学生的动手能力，能够熟练掌握单片机的开发软件（Protues、keil）的设计和使用，具备软件使用和软件程序设计和仿真能力，启迪学生的创新意识，培养学生综合应用单片机知识解决实际工程问题的能力，促使学生全面素质的提高。”

第4章 单片机I/O口方式的应用

1.教学内容

I/O端口的简单应用及实践进阶：主要讲解输入、输出端口的使用方法及软件编程方法。

2．教学重点、难点

重点：数码管显示及键盘输入。

难点：数码管动态显示和行列式键盘输入。

3.教学要求

中断系统是单片机的重要组成部分，利用中断技术可以更好地发挥单片机系统的处理能力，及时响应突发事件，有效地解决CPU与外设之间的速度匹配问题，提高CPU的工作效率和实时处理能力。通过学习使学生了解单片机的中断系统，理解中断响应的过程及单片机中断系统的应用

（1）讲解发光二极管与应用编程：拉电流、灌电流特点及独立按键识别和按键控制流水灯。

（2）数码管静态显示原理与编程：数码管的编码原理、计数显示器。

（3）数码管动态显示：静态显示和动态显示差别，多个数码管动态显示案例。

（4）行列式键盘原理与编程：独立按键和行列式键盘的差别，行列式键盘信号输入的基本原理，4×4键盘输入举例。

4.支撑的课程目标

本单元各知识点的讲授和学习，可以支撑“课程目标1：掌握51系列单片机的基本组成和工作原理、特点、应用领域、程序设计的基本方法以及单片机的接口技术。”和“课程目标3：锻炼学生的动手能力，能够熟练掌握单片机的开发软件（Protues、keil）的设计和使用，具备软件使用和软件程序设计和仿真能力，启迪学生的创新意识，培养学生综合应用单片机知识解决实际工程问题的能力，促使学生全面素质的提高。”

第5章 单片机中断系统

1.教学内容

了解MCS-51单片机中断系统的结构;理解中断的概念、原理和中断实现的方法;掌握中断程序设计方法和编程技术。

学重点、难点

重点：中断程序设计方法和编程技术。

难点：中断程序设计方法和编程技术。

3.教学要求

本章主要介绍了51系列单片机的中断系统和定时器/计数器的工作原理及使用方法，并给出了一些典型应用实例。使用定时器/计数器可以实现定时控制、延时、脉冲计数、脉冲宽度测量和频率测量等。通过对本章的学习应理解并掌握定时方式和计数方式的工作原理，掌握硬件定时器/计数器的应用。

（1）讲解中断的概念：中断响应过程、中断源、中断请求、中断函数、中断嵌套及中断优先级。

（2）中断控制系统：中断系统的结构（五个中断源及中断标志）、中断系统控制过程及相关寄存器状态及设置。

（3）中断处理过程：中断请求、中断响应、中断服务等环节。

（4）中断编程及应用：中断扫描法行列式键盘、中断方式的键控流水灯、两级中断嵌套。

4.支撑的课程目标

本单元各知识点的讲授和学习，可以支撑“课程目标2：能够根据设计要求，正确的进行系统方案设计，包括硬件系统和软件系统。能够掌握单片机的外部中断、定时器中断及串口中断涉及的中断控制寄存器和工作方式寄存器的各个位及功能，具备在程序设计中合理设计和使用中断的能力，能设计简单的单片机应用系统。”和“课程目标3：锻炼学生的动手能力，能够熟练掌握单片机的开发软件（Protues、keil）的设计和使用，具备软件使用和软件程序设计和仿真能力，启迪学生的创新意识，培养学生综合应用单片机知识解决实际工程问题的能力，促使学生全面素质的提高。”

第6章 单片机的定时器/计数器

1.教学内容

了解定时器/计数器系统的电路结构;理解定时器特殊功能寄存器的功能和使用方法;掌握定时器/计数器的两种工作模式、四种操作方式、定时/计数器的编程设定以及计数初值的计算。

学重点、难点

重点：定时/计数器的编程设定以及计数初值的计算。

难点：定时/计数器的编程设定以及计数初值的计算。

3.教学要求

（1）定时/计数器的结构与工作原理：纯软件定时/计数方法和单片机软硬件联合定时/计数方法、定时器和计数器的工作原理。定时/计数器的寄存器、控制器及引脚。

（2）定时器的控制：定时/计数器的控制关系、TCON、TMOD的设置及对应位的功能。

（3）定时/计数器的工作方式：四种工作方式的介绍，重点讲解方式一：16位定时器和方式二：8位定时器并举例。

（4）定时/计数器的编程和应用：举例脉冲输出、占空比输出、流水灯定时等。

4.支撑的课程目标

本单元各知识点的讲授和学习，可以支撑“课程目标2：能够根据设计要求，正确的进行系统方案设计，包括硬件系统和软件系统。能够掌握单片机的外部中断、定时器中断及串口中断涉及的中断控制寄存器和工作方式寄存器的各个位及功能，具备在程序设计中合理设计和使用中断的能力，能设计简单的单片机应用系统。”和“课程目标3：锻炼学生的动手能力，能够熟练掌握单片机的开发软件（Protues、keil）的设计和使用，具备软件使用和软件程序设计和仿真能力，启迪学生的创新意识，培养学生综合应用单片机知识解决实际工程问题的能力，促使学生全面素质的提高。”

第7章 单片机的串行口及应用

1.教学内容

了解串行通信的概念和原理，理解串行通信的实现过程，掌握串行口的4种工作方式及串行通信的应用。了解多机通信的原理。

学重点、难点

重点：串口通信参数设置及通信过程。

难点：串口通信参数设置及通信过程。

3.教学要求

单片机广泛应用于现场控制、嵌入式系统、数据采集系统等领域，不仅要实现本地数据采集和现场控制，而且还要完成远距离数据传输，将采集到的信息上送到调度机，接收调度机下发的控制和采集命令，这就要求单片机必须具有通信功能。本章将从实用角度出发，介绍单片机串行通信方式及相关知识。通过对本章的学习，应了解串行通信的概念和原理，理解串行通信的实现过程，掌握串行口的4种工作方式及串行通信的应用。了解多机通信的原理。

（1）串行通信概述：串行口与并行口的差别、特点及应用场合。

（2）MCS-51的串口控制器：串行口内部结构（SBUF发 +SBUF收 +发送控制器 +接收控制器 +波特率发生器 +SCON +RXD（P3.0）+TXD（P3.1））、串行口控制寄存器（口控制寄存器，SCON、电源控制寄存器，PCON）串。

（3）串口的工作方式：四种工作方式的介绍，重点讲解方式一：10位数据异步通信和方式二：11位数据异步通信。

（4）串行口的编程和应用：双机通信及显示。

4.支撑的课程目标

本单元各知识点的讲授和学习，可以支撑“课程目标2：能够根据设计要求，正确的进行系统方案设计，包括硬件系统和软件系统。能够掌握单片机的外部中断、定时器中断及串口中断涉及的中断控制寄存器和工作方式寄存器的各个位及功能，具备在程序设计中合理设计和使用中断的能力，能设计简单的单片机应用系统。”和“课程目标3：锻炼学生的动手能力，能够熟练掌握单片机的开发软件（Protues、keil）的设计和使用，具备软件使用和软件程序设计和仿真能力，启迪学生的创新意识，培养学生综合应用单片机知识解决实际工程问题的能力，促使学生全面素质的提高。”

第8章 单片机的外围接口技术

1.教学内容

了解单片机外围接口电路及模块组成及接口模式

学重点、难点

重点：接口电路及模块组成。

难点：接口电路及模块组成。

3.教学要求

通过本章的学习使学生了解I/O扩展的目的，掌握简单I/O扩展和可编程接口芯片扩展的方法。了解模数、数模转换的目的，掌握A/D转换器扩展的原理及编程。了解D/A转换的接口及编程。自学键盘/显示接口芯片的内容，为短学期实习做准备同时锻炼自学能力。

4.支撑的课程目标

本单元各知识点的讲授和学习，可以支撑“课程目标2：能够根据设计要求，正确的进行系统方案设计，包括硬件系统和软件系统。能够掌握单片机的外部中断、定时器中断及串口中断涉及的中断控制寄存器和工作方式寄存器的各个位及功能，具备在程序设计中合理设计和使用中断的能力，能设计简单的单片机应用系统。”和“课程目标3：锻炼学生的动手能力，能够熟练掌握单片机的开发软件（Protues、keil）的设计和使用，具备软件使用和软件程序设计和仿真能力，启迪学生的创新意识，培养学生综合应用单片机知识解决实际工程问题的能力，促使学生全面素质的提高。”

第9章 单片机应用系统的设计与开发

1.教学内容

了解单片机系统设计开发过程，掌握一个完整的单片机应用系统由单片机最小应用系统、前向通道、后向通道、人机交互通道与计算机相互通道组成。了解实际的课题和项目，从任务的提出到系统的选型、确定、研制直至投入运行要经过一系列的过程。并以智能仪表为例进行介绍单片机综合应用

学重点、难点

重点：单片机系统设计开发过程、单片机设计开发的综合应用。

难点：单片机设计开发的综合应用。

3.教学要求

通过本章的学习使学生了解单片机开发过程，了解实际课题和项目的一系列过程，对选型、确定研制、硬件设计、软件设计等流程。

4.支撑的课程目标

本单元各知识点的讲授和学习，可以支撑“课程目标2：能够根据设计要求，正确的进行系统方案设计，包括硬件系统和软件系统。能够掌握单片机的外部中断、定时器中断及串口中断涉及的中断控制寄存器和工作方式寄存器的各个位及功能，具备在程序设计中合理设计和使用中断的能力，能设计简单的单片机应用系统。”和“课程目标3：锻炼学生的动手能力，能够熟练掌握单片机的开发软件（Protues、keil）的设计和使用，具备软件使用和软件程序设计和仿真能力，启迪学生的创新意识，培养学生综合应用单片机知识解决实际工程问题的能力，促使学生全面素质的提高。”

四、教学方式、教学方法及课时安排

1.教学方式

表2 课程目标与教学环节

本课程以课堂讲授为主，结合课堂讨论和课后作业以及仿真实验的实践环节，加深对理论教学内容的理解，培养学生综合应用单片机知识解决实际工程问题的能力，促使学生全面素质的提高。

2.教学方法

本课程教学基本按照启发式和讨论式组织课堂，以问题形式引发学生对知识的思考，以问题形式作为主线，由主讲教师把重点、难点、新知识点进行连串，形成知识面传授给学生，个别知识点启发学生发散思维、抽象思考，培养学生的创新能力和独立思考问题的能力，以及解决复杂软件工程中数据库应用问题的能力，达到课程目标的要求。

教学方法包括理论知识、课堂讨论、自学、仿真实验课、答疑。

　　(1)理论知识：以教师课堂讲授为主，读阅参考文献、书籍为辅，使得学生掌握单片机的基本原理知识以及进行单片机应用系统设计和开发的基本方法。

　　(2)课堂讨论：由教师布置内容、提供参考书，学生自己准备，课堂上围绕提出的问题进行讨论，培养学生团队协作精神以及综合应用单片机解决实际问题的能力。

　　(3)自学：由教师布置自学内容，提出重点，指导学生学习，锻炼学生自主分析问题和解决问题的能力。

　　(4)仿真实践：教师指导，学生独立操作，锻炼学生的动手能力，启迪学生的创新意识，促使学生全面素质的提高。

　　(5)答疑：针对课程的重点和难点及学生提出的问题，教师组织进行答疑。

课堂教学主要讲解单片机的理论知识，通过“学生想—教师讲—师生互动”形式开展。在教学过程中要掌握传授知识和培养智能的辩证关系，特变注意培养学生的分析问题和解决问题的能力，始终贯彻教书育人的思想。讲授应灵活多样，始终贯彻启发式教学，做到重点突出、层次清楚、联系实际，充分利用多媒体课件以及视频信息、实物展示等教学手段。提高学生的学习兴趣，激发学生的爱国情怀及热情。仿真实践环节要求在机房分组进行，主要对课本案例及课后习题和教师设置的有针对性的案例进行仿真，学生应在预习的基础上，在教师的指导下进行操作，并做好程序编制、调试、仿真和显示。真正实现学生主体、教师主导的作用，以达到“课程目标1”、“课程目标2”、 “课程目标3”“课程目标4”要求。

课后主要是以书面练习和课下编程、调试、编译、仿真的形式加强课外训练，着力培养学生良好的学习方式与独立思考问题的能力和获取知识的能力，以及利用所学知识解决问题的能力。达到达到“课程目标1”、“课程目标2”和“课程目标3”的要求。

3.课时安排

本课程总学时48学时，其中：理论讲授30学时，习题讲解或课堂讨论6，仿真实践（或上机或综合练习）12学时，具体教学安排如下表。

表3 学时分配与教学方式

五、考核方式及成绩评定办法

（一）考核方式及课程成绩构成

考核成绩=期末考试*50%+平时成绩*50%

本课程为专业选修课程，选修考查课，课程考核内容为本大纲规定内容，期末考核方式为开卷考试。成绩评定一般采用结构成绩，总评成绩=期末考试成绩+平时成绩。通过期末考试，使学生加深了对所学内容的理解，强化了学生对课程的总体把握和理解;平时成绩中的仿真练习，进一步锻炼了学生的动手能力，启迪了学生的创新意识，使其综合应用单片机解决实际工程问题的能力进一步得到提升。也更加坚定了学生为祖国强大而努力奋斗的决心。

期末考试成绩：考查学生对单片机的基本概念和基本理论，学生解决工程问题的能力及查阅文献，撰写单片机系统应用论文的能力。

平时成绩：考查学生平时学习、独立分析问题、解决问题的动手实践能力以及沟通能力等。

课程考核能够体现学生对单片机原理及应用的掌握情况、运用理论知识解决实际问题的能力，分析设计创新项目的能力，支持“课程目标1掌握51系列单片机的基本组成和工作原理、特点、应用领域、程序设计的基本方法”；“课程目标2：能够根据设计要求，正确的进行系统方案设计，包括硬件系统和软件系统。能够掌握单片机的外部中断、定时器中断及串口中断涉及的中断控制寄存器和工作方式寄存器的各个位及功能，具备在程序设计中合理设计和使用中断的能力，能设计简单的单片机应用系统”；“课程目标3：锻炼学生的动手能力，能够熟练掌握单片机的开发软件（Protues、keil）的设计和使用，具备软件使用和软件程序设计和仿真能力，启迪学生的创新意识，培养学生综合应用单片机知识解决实际工程问题的能力，促使学生全面素质的提高”。

（二）课程目标成绩评定办法及依据

表4 考核方式及成绩评定办法

平时成绩的评定

平时成绩=作业成绩×30%+考勤成绩×10%+答疑互动×10%+仿真测试×50%

六、教材及其它教学资源

（一）课程教材

 林立、张俊亮著.《单片机原理及应用（C51语言版）》。北京：电子工业出版社，2022

（二）推荐参考资料

[1] 郭天祥编著，《新概念51单片机C语言教程》，北京：电子工业出版社，2018.

[2] 马忠梅、李元章等编著，《单片机的C语言应用程序设计》，北京：北京航空航天大学出版社，2017.

（三）网络课程资源

国家精品课程：东北大学，单片机原理及应用：https://www.icourse163.org/course/NEU-1003530008?from=searchPage&outVendor=zw_mooc_pcssjg_