基于Proteus的51系列單片機設計與仿真課件

1、基于Proteus的51系列單片機設計與仿真 沈陽理工大學裝備工程學院涉及內容Proteus：電路原理圖的繪制與仿真及PCB的制作Keil c51軟件開發(fā)平臺：匯編語言與C語言程序設計51系列：軟件程序設計與仿真、通用I/O口的控制（P1口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng) 、串行口、存儲器、顯示與鍵盤、接口設計等）控制系統(tǒng)設計：溫度測量、步進電動機的轉動等。課程要求本課程是實踐性較強的課程。通過本課程的學習，掌握軟件編程和硬件電路設計的方法，能夠進行單片機應用系統(tǒng)的設計、調試工作。第1講 單片微型計算機概述及其硬件結構 1.1 單片微型機計算機概述 1.2 MCS-51單片機的硬件結構1.1 單片微型

2、計算機概述1.1.1 微型機計算機概述1.1.2 單片機簡介1.1.3 單片機的應用1.1.1 微型計算機概述微型計算機的概念微處理器（Microprocessor）又稱CPU,芯片內部集成運算器和控制器，是構成微型計算機系統(tǒng)和網絡工作站的核心部件。1971年Intel公司制成第一個CPUInter 4004微型計算機單片機將CPU、存儲器、I/O接口、中斷系統(tǒng)集成在一塊芯片上，程序存放在ROM中。單板機-將CPU、存儲器、I/O接口、中斷系統(tǒng)集成在一塊印制電路板上，程序存放在ROM中。多板機- 將CPU、存儲器、I/O接口、中斷系統(tǒng)集成在多塊印制電路板上，程序存放在ROM中。微型計算機系統(tǒng)，

3、在多板機基礎上發(fā)展而來，有更為豐富的軟硬件資源(計算機，電腦)。返回本章首頁1.1.1微型計算機概述微型計算機的發(fā)展返回本章首頁電子管 半導體晶體管 小規(guī)模集成電路 大規(guī)模集成電路 1.1.1微型計算機概述微型計算機的應用舉例：返回本章首頁1.1.2 單片機簡介1.1.2.1 單片機的特點1.1.2.2 單片機的發(fā)展返回本章首頁1.1.2.1 單片機的特點（1）體積小、重量輕、功耗低、功能強、性價比高。（2）數(shù)據(jù)大都在單片機內部傳送，運行速度快，抗干擾能力強，可靠性高。（3）指令豐富，結構靈活，易于組成各種微機 應用系統(tǒng)。（4）應用廣泛。返回本節(jié)首頁1.1.2.2 單片微型計算機發(fā)展概況在微型

4、計算機的發(fā)展過程中，單片機是大規(guī)模集成電路發(fā)展的產物。五個發(fā)展階段：4位、8位、高端8位、16位、32位單片機的發(fā)展趨勢；高性能化大容量內裝化返回本節(jié)首頁1.1.3 單片機應用領域1.1.3.1單機應用1.1.3.1多機應用1.1.3.1典型應用舉例1.1.3.應用系統(tǒng)設計內容返回本章首頁1.1.3.1 單機應用測控系統(tǒng)在線控制，將計算機與控制系統(tǒng)組合在一起，進行實時監(jiān)控，體積小，功耗低，可靠性高；適用于單片機。離線控制，對控制系統(tǒng)進行設計、建模、仿真、數(shù)據(jù)處理等，對計算機軟硬件性能要求較高；適用于微機系統(tǒng)。智能接口數(shù)據(jù)采集卡、處理卡、圖形顯示卡、通信接口智能儀表家電返回本節(jié)首頁1.1.3.2

5、 多機應用分布式控制系統(tǒng) DCS（Distributed Control Systems）由一臺主機通過軟件組態(tài)，對單機控制的模塊化系統(tǒng)進行離線控制，從而實現(xiàn)復雜控制?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS （Fieldbus Control System）把單個分散控制的測量設備變成網絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，把他們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網絡控制系統(tǒng)。返回本節(jié)首頁1.1.3.3 典型應用系統(tǒng)典型的較全面的單片機測控系統(tǒng)系統(tǒng)特點 受集成度限制/系統(tǒng)擴展/在線控制功能強典型通道及特點 前向通道、后向通道、人機通道最小系統(tǒng)返回本節(jié)首頁1.1.3.4 應用系統(tǒng)設計內容（1）總體設計，硬件和軟件

6、的功能劃分（2）硬件設計方法系統(tǒng)擴展通道與接口設計系統(tǒng)抗干擾設計（3）軟件設計（4）單片機應用系統(tǒng)的調試（5）脫機運行調試返回本節(jié)首頁1.2 MCS-51單片機的硬件結構1.2.1 MCS-51單片機的基本結構1.2.2 MCS-51單片機的引腳及片外總線結構1.2.3 MCS-51單片機內部存儲器及特殊功能寄存器1.2.4 并行I/O口電路結構1.2.5 MCS-51單片機時鐘電路與時序1.2.6 MCS-51單片機工作方式1.2.1 MCS-51單片機的基本結構一、 MCS-51單片機的基本組成二、CPU構成及工作原理返回本章首頁1.2.1 MCS-51單片機的基本結構一、MCS-51單片

7、機的基本組成返回本節(jié)時鐘電路SFR和RAM ROMCPU定時/計數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系 統(tǒng) 總 線時鐘源 T0 T1 P0 P1 P2 P3TXD RXD INT0 INT1（5）四個8位I/O并行端口。（6）一個串行端口。 （7）中斷控制系統(tǒng)。（8）內部時鐘電路。一、MCS-51單片機的基本組成（1）一個8位微處理器CPU。（2）數(shù)據(jù)存儲器RAM和特殊 功能寄存器SFR。（3）內部程序存儲器ROM。（4）兩個定時/計數(shù)器。通道0驅動器通道2驅動器RAM地址鎖存器RAM通道0鎖存器通道2鎖存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器緩沖器PC程序計數(shù)增量器PC程序計數(shù)器DPTR數(shù)據(jù)指針

8、寄存器VCCGNDP1.0P1.7SP堆棧指針寄存器ACCTMP2PSW通道3鎖存器通道1鎖存器通道1驅動器通道3驅動器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中斷、串行口和定時器邏輯振蕩器P3.0P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定時和控制邏輯指令譯碼器圖1-2 MCS-51片內總體結構框圖P0.0P0.7P2.0P2.7返回本節(jié)1.2.1 MCS-51單片機的基本結構二、CPU構成及工作原理1、構成微控制器運算部件時序控制電路一組特殊功能寄存器例：Y=5+10求解過程ROM地址 機器代碼 指令

9、代碼2000H 7405H MOV A, #05H2002H 240AH ADD A, #0AH2004H 80FEH SJMP $ 2、工作原理由PC地址取指令通過IR、ID指令譯碼由微控制其控制指令執(zhí)行返回本節(jié)1.2.2 MCS-51單片機的引腳及片外總線結構一、MCC-51引腳描述二、MCC-51片外總線結構返回本章首頁1.2.2 MCS-51單片機的引腳及片外總線結構一、MCC-51引腳描述1、分類主電源引腳VCC和VSS外接晶振引腳XTAL1和XTAL2控制或電源復用引腳RST/ Vpd（復位備用電源）ALE/PROG（地址鎖存編程）EA/Vpp（片外程序存儲器/編程電源）PSEN

10、（片外程序存儲器讀選通）輸入I/輸出O引腳(共4組32根) P0、P1、P2、P3P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P

11、2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0返回本節(jié)1.2.2 MCS-51單片機的引腳及片外總線結構一、MCC-51引腳描述2、雙功能引腳3條控制總線： 地址總線：P2、P0； 數(shù)據(jù)總線：P0； 控制總線：ALE、EA、PSEN、RST +P3P3.2P3.3位線引腳第二功能P3.010RXD（串行輸入口）P3.111TXD（串行輸出口）12INT0（外部中斷0）13INT1（外部中斷1）P3.414T0（定時器0的計數(shù)輸入）P3.515T1（定時器1的計數(shù)輸入）16WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖）17RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）P3.7 P3.6 P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1

12、.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0返回本節(jié)1.2.2 MCS-51單片機的引腳及片外總線結構二、MCC-51片外總

13、線結構 總線：CPU與各部件之間傳 遞信息的公共通道數(shù)據(jù)總線（DB） 8位由P0提供地址總線（AB）16位由P2提供高8位 P0提供低8位控制總線（CB）控制線+P3DBAB地址鎖存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCC P0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2P0.4

14、返回本節(jié)1.2.3 MCS-51單片機的內部存儲器一、片內數(shù)據(jù)存儲器(Internal RAM)二、特殊功能寄存器(Special Function Register)三、片內程序存儲器(Interal ROM)四、MCS-51單片機系統(tǒng)的存儲器結構特點分析返回本章首頁1.2.3 MCS-51單片機的內部存儲器一、片內數(shù)據(jù)存儲器（Internal RAM）低128單元用途：供用戶管理、使用，存放程序的變量、中間結果、堆棧等。特點：受集成度限制，容量非常有限，51系列僅為128B。注意合理分配、使用。擴展：常通過擴展片外RAM，提高數(shù)據(jù)存放量。按用途分三個區(qū)通用寄存器區(qū)位尋址區(qū)堆棧/數(shù)據(jù)緩沖區(qū)3

15、0H2FH00H20H1FH7FH通用寄存器區(qū)(4組)位尋址區(qū)128bit00H7FH堆棧/數(shù)據(jù)緩沖區(qū)80Byte16Byte32Byte返回本節(jié)1.2.3 MCS-51單片機的內部存儲器一、片內數(shù)據(jù)存儲器（Internal RAM）低128單元1、通用寄存器區(qū)（32Byte）地址范圍：00H1FH，共4組，每組R0R7。當前寄存器組選擇：通過設置PSW中的位 RS1、RS0完成。僅當前R組以寄存器方式工作,其他組以存儲器方式功能：存放常用變量，提高訪問速度;在中斷或程序調用時使用，可減少堆棧中的數(shù)據(jù)保護30H2FH07H00H20H1FH7FHR3組R2組R1組R0組位尋址區(qū)128bit00

16、H7FH堆棧/數(shù)據(jù)緩沖區(qū)80Byte16ByteRS1 RS011100100工作寄存器組設置參數(shù)返回本節(jié)1.2.3 MCS-51單片機的內部存儲器一、片內數(shù)據(jù)存儲器（Internal RAM）低128單元2、位尋址區(qū)（16Byte）地址范圍：20H2FH對應位地址：00H7FH功能可進行位操作，設置用戶標志未作位操作單元，可進行字節(jié)操作3、堆棧/用戶數(shù)據(jù)區(qū)地址范圍：30H7FH功能程序堆棧區(qū)常選高端連續(xù)地址（如：50H7FH）用戶數(shù)據(jù)區(qū)30H2FH00H20H1FH7FH通用寄存器區(qū)(4組)位尋址區(qū)堆棧/數(shù)據(jù)緩沖區(qū)80Byte16Byte(128bit)32Byte00H7FH返回本節(jié)1.2

17、.3 MCS-51單片機的內部存儲器二、特殊功能寄存器（SFR）高128單元地址范圍：物理地址分布在80HFFH中；未作定義單元，操作無效。數(shù)量：51系列共有SFR 21個，如圖； 52系列SFR 26個。操作方式：訪問時，可用寄存器符號或地址；字節(jié)操作位操作（表中帶*號的SFR）專用寄存器簡介返回本節(jié)1.2.3 MCS-51單片機的內部存儲器二、特殊功能寄存器（SFR）高128單元專用寄存器簡介返回本節(jié)程序計數(shù)器 （Program Counter）16位計數(shù)器，尋址范圍64KB；自動加1，保證指令順序執(zhí)行；PC無地址，不能直接操作。累加器A（AccAccumulator）8位寄存器 （The

18、 most versatile使用頻率最高 register)B寄存器8位寄存器，用于乘除運算。也可作一般數(shù)據(jù)寄存器 。1.2.3 MCS-51單片機的內部存儲器二、特殊功能寄存器（SFR）高128單元專用寄存器簡介程序狀態(tài)字（Program Status Word）8位寄存器，存放指令執(zhí)行的狀態(tài)信息。（無符號數(shù)）（帶符號數(shù)）返回本節(jié)1.2.3 MCS-51單片機的內部存儲器二、特殊功能寄存器（SFR）高128單元專用寄存器簡介數(shù)據(jù)指針DPTR（Data Pointer）16位寄存器，尋址范圍64KB;由兩個8位寄存器（DPH DPL）組成；用于存放ROM及片外RAM地址。如：MOV DPTR

19、,#2000H返回本節(jié)1.2.3 MCS-51單片機的內部存儲器二、特殊功能寄存器（SFR）高128單元專用寄存器簡介30H2FH00H20H1FH7FH通用寄存器區(qū)(4組)位尋址區(qū)128bit00H7FH堆棧/數(shù)據(jù)緩沖區(qū)80B16B32B52H51HSP50H05HACC80HB05H80H入棧05HACC80HB出棧堆棧指針 SP（Stack Pointer） 堆棧概念一種符合FILO/LIFO的數(shù)據(jù)結構；功能：保護恢復斷點(自動)與中斷現(xiàn)場(人工)。堆棧的設置內堆棧，必須設置在內部RAM中的堆棧/用戶數(shù)據(jù)區(qū)；堆棧由棧底、棧頂組成；向上生長型，SP指向棧頂。如：MOV SP, #50H ;

20、則可用51H7FH為堆棧空間堆棧的操作保護恢復斷點，SP自動加1或減1；入棧PUSH ACCPUSH B出棧POP B ；后入先出PUSH ACC返回本節(jié)1.2.3 MCS-51單片機的內部存儲器三、片內程序存儲器（ROM）類型腌膜ROMEPROMEEPROMFlash ROM片內尋址范圍EA=1時： （否則64KB全部限定在片外)51系列，4KB，0000H 0FFFH52系列，8KB，0000H 1FFFH一組特殊單元RESET 地址：0000H中斷向量：0003H 000AH外部中斷（INT0）地址區(qū) 000BH 0012H定時器/計數(shù)器中斷（T0）地址區(qū) 0013H 001AH外部中斷

21、（INT1）地址區(qū) 001BH 0022H定時器/計數(shù)器中斷（T1）地址區(qū)0023H 002AH串行中斷（Serial）地址區(qū)外部ROM內部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH返回本節(jié)1.2.3 MCS-51單片機的內部存儲器四、MCS-51系統(tǒng)存儲器結構特點分析數(shù)據(jù)存儲器（內外地址重疊，通過不同指令訪問） 內部RAM 128B + SFR外部擴展RAM 64KB外部ROM內部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH程序存儲器（c）返回本節(jié)程序存儲器 （由EA確定訪問空間

22、） 內部ROM 4KB或8KB外部擴展ROM 64KB外部數(shù)據(jù)存儲器（b）特殊功能寄存器通用RAM區(qū)位尋址區(qū)00H20H1FH30H2FH80H7FHFFH外 部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH內部數(shù)據(jù)存儲器（a）工作寄存器區(qū)00FFH 1.2.4 MCS-51并行輸入輸出（I/O）端口一、I/O口內部電路結構二、I/O口操作三、各I/O口作用四、負載能力返回本章首頁1.2.4 MCS-51并行輸入輸出（I/O）端口一、I/O口內部電路結構P0口（三態(tài)口：可作為地址/數(shù)據(jù)分時復用， 也可作通用I/O口，位結構原理圖）組成：鎖存器：起輸出鎖存作用三態(tài)門1引腳輸入緩沖，三態(tài)門2 讀鎖存器

23、端口，與門3、反相器4 及模擬轉換開關構成輸出控制電 路場效應管T1、T2組成輸出驅動電 路提高負載能力，驅動8TTL工作原理：通過指令譯碼，CPU發(fā)出不同控制信號CB=1，作AB/DB數(shù)據(jù)地址分時復用輸入AB/DB=1 ，T1(+),T2(-), 輸出1輸入AB/DB=0 ，T1(-),T2(+), 輸出0CB=0，作I/O口線,T1(-),需外接上拉電阻。VCCP0.X鎖存器讀鎖存器地址/數(shù)據(jù)控制CBD讀引腳寫鎖存器內部總線QQMUXT2P0.XT1CL&VCC返回本節(jié)1.2.4 MCS-51并行輸入輸出（I/O）端口二、I/O操作寫操作（作為輸出口使用）指令：MOV P0, A ；P0(

24、A)實現(xiàn)：D=1，T2(-)，P0.X =1 D=0，T2(+)，P0.X =0 讀操作 （作為輸入口使用）讀鎖存器P為目的操作數(shù)的指令，如：ANL P0, #0FH；指令執(zhí)行過程：讀 修改 寫；避免鎖存器與引腳數(shù)據(jù)不同時（如負載為三極管）,出現(xiàn)錯誤操作。讀引腳：先寫1，再讀 P為源操作數(shù)的指令，如：MOV P0, #0FFH；先寫1MOV A, P0；再讀避免鎖存器D=0時，引腳信號嵌位在0P0.X鎖存器DCLQQT2(+)10VCCP0.X鎖存器讀鎖存器地址/數(shù)據(jù)控制CBD讀引腳寫鎖存器內部總線QQMUXT2P0.XT1CL&VCCVCC1.2.4 MCS-51并行輸入輸出（I/O）端口三

25、、各I/O口結構及作用I/O口，準雙向口,P0需外接上拉電阻外部總線擴展P0：DB, AB（低8位）P2：AB（高8位）P3：CB VCCP1.X鎖存器讀鎖存器D讀引腳寫鎖存器內部總線QQTP1.X內部上拉電阻CLP1口VCCP2.X鎖存器讀鎖存器地址控制D讀引腳 寫鎖存器內部總線QQMUXT內部上拉電阻CLP2.XP2口VCCP3.X鎖存器讀鎖存器第二輸出功能D讀引腳 寫鎖存器內部總線QQT內部上拉電阻第二輸入功能CLP3.XP3口1.2.4 MCS-51并行輸入輸出（I/O）端口四、負載能力P0 驅動8個TTLP1、P2、P2 驅動4個TTL返回本節(jié)1.2.5 MCS-51單片機時鐘電路與

26、時序一、單片機的時鐘電路二、時序單位三、MCS-51典型指令時序返回本章首頁1.2.5 MCS-51單片機時鐘電路與時序一、單片機的時鐘電路通常有兩種形式：內部振蕩方式：由高增益片內反相放大器與作為反饋元件的片外晶體振蕩器連接，構成內部自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖；晶振選擇范圍：1.212MHz。XTAL2XTAL1MCS-51C2C1CYS內部時鐘方式 外部時鐘方式XTAL2XTAL18051+5VVSSTTL外部時鐘源XTAL2XTAL180C51VSS外部時鐘源外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號引入單片機內；適用多機同步工作系統(tǒng)；注意MOS與CMOS單片機芯片的不同接法。

27、1.2.5 MCS-51單片機時鐘電路與時序二、時序單位 CPU從取指令到指令執(zhí)行，是在時序系統(tǒng)控制下順序進行的。振蕩周期（拍節(jié)P=1/fOSC）：為單片機提供時鐘信號的振蕩源的周期。CPU時鐘周期（狀態(tài)S= 2/fOSC ）：是振蕩源信號經二分頻后形成的時鐘脈沖信號。機器周期（T=12/fOSC ）：完成一個基本操作所需的時間稱為機器周期。如： fOSC =12MHz，T=1us指令周期：CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間。有1/2/3/4周期指令。P1P2S1P2振蕩周期時鐘周期機器周期機器周期指令周期fOSCS2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1

28、P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P21.2.5 MCS-51單片機時鐘電路與時序三、MCS-51典型指令時序MCS-51指令按字節(jié)長度分：單字節(jié)指令雙字節(jié)指令三字節(jié)指令MCS-51指令按執(zhí)行指令的機器周期分：單周期指令雙周期指令三周期指令四周期指令MCS-51典型指令時序分析返回本節(jié)1.2.5 MCS-51單片機時鐘電路與時序P2S1讀操作碼讀下一個操作碼（丟棄）（a） 單字節(jié)，單周期指令 例：MOV A, R1 E9HP1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1讀第二字節(jié)P2S1讀操作碼P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1（b） 雙字節(jié)，單周期指令 例：ADD A, #10H 2510H讀下一個操作碼（丟棄）（c）單字節(jié)，雙周期指令 例：INC DPTR A3HP2S1讀操作碼P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1ALEP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2