單片機最小系統(tǒng)的設計與制作

單片機最小系統(tǒng)的設計與制作演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有53頁\編輯于星期一優(yōu)選單片機最小系統(tǒng)的設計與制作現(xiàn)在是2頁\一共有53頁\編輯于星期一一、單片機基本知識

1．單片機的概念

單片微型計算機簡稱單片機。它把組成微型計算機的中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、I/O接口電路、定時/計數(shù)器及串行通信接口等功能部件制作在一塊集成芯片中，構成一個完整的微型計算機。國際上通常稱單片機為微控制器(MCU)，又稱為嵌入式微控制器(EMCU)。第1章、認識AT89S51單片機現(xiàn)在是3頁\一共有53頁\編輯于星期一

2．單片機的發(fā)展概況

單片機誕生至今，已發(fā)展成上百種系列的近千個品種。單片機的發(fā)展大致分為如下5個階段。

(1)單片機的誕生：1971年美國Intel公司研制的4位微處理器Intel4004。

(2)單片機的初級階段：以1976年Intel公司研制的MCS-48為代表。

(3)單片機的完善階段：以Intel公司的MCS-51系列為代表。由于這類單片機的應用領域極其廣泛，各大公司競相研制，共約有幾十個系列、300多個品種。其中，MCS-51系列單片機因其優(yōu)良的性能價格比處于主導地位?，F(xiàn)在是4頁\一共有53頁\編輯于星期一

(4)單片機向微控制器過渡階段：實時處理能力更強，主頻更高，同時配置了多路的A/D、D/A轉換通道，適用于更復雜的控制系統(tǒng)。以MCS-51兼容的8位單片機為主流。

(5)微控制器全面發(fā)展階段：世界各大單片機研制公司相繼推出了高速、大尋址范圍、強運算能力的通用型或專用型的單片機?，F(xiàn)在是5頁\一共有53頁\編輯于星期一

3．單片機的應用

單片機的應用范圍十分廣泛，主要的應用領域如下：

(1)工業(yè)控制方面的應用：單片機可以構成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如數(shù)控機床、自動生產線控制、電機控制、溫度控制、航空航天導航系統(tǒng)、電梯智能控制等。

(2)儀器儀表方面的應用：如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器、各種物理量的測量儀器等。

(3)計算機外部設備與智能接口方面的應用：如圖形終端機、傳真機、復印機、打印機、繪圖儀、磁盤/磁帶機、程控交換機、通信終端等。現(xiàn)在是6頁\一共有53頁\編輯于星期一

(4)商用產品方面的應用：如自動售貨機、電子收款機、電子秤等。

(5)家用電器方面的應用：如微波爐、電視機、空調、洗衣機、錄像機、音響設備等。

單片機在工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、金融、教育、科研、國防等領域有著十分廣泛的應用?，F(xiàn)在是7頁\一共有53頁\編輯于星期一

二、AT89S51單片機的封裝及引腳功能

AT89S51采用40引腳DIP封裝。圖1-1AT89S51的實物圖現(xiàn)在是8頁\一共有53頁\編輯于星期一

AT89S51共40個引腳，如圖1-2所示，大致分為如下四類。圖1-2AT89S51的引腳分布圖

(1)電源引腳。

VCC(40腳)：電源端，接+5V電源。

VSS(20腳)：接地端(GND)。

(2)時鐘電路引腳。

XTAL1(19腳)：外接晶振輸入端。

XTAL2(18腳)：外接晶振輸出端。現(xiàn)在是9頁\一共有53頁\編輯于星期一

(3)控制線引腳。

RESET/VPD(9腳)：復位端/備用電源輸入端。在單片機正常工作狀態(tài)下，當RESET端出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期以上的高電平時，單片機實現(xiàn)復位操作。VPD端可外接備用電源，以便在VCC掉電或電壓降到一定值時向單片機供電。

/VPP(31腳)：片外程序存儲器選擇輸入端/Flash存儲器編程電源端。端為低電平時，訪問外部程序存儲器（片外ROM），為高電平時，直接訪問片內ROM。VPP端是對AT89S51片內Flash存儲器編程時作為編程允許電源?+12V的輸入端?，F(xiàn)在是10頁\一共有53頁\編輯于星期一

ALE/

(30腳)：地址鎖存允許端/編程脈沖輸入端。當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE端輸出的脈沖用于鎖存P0口(即P0.0～P0.7)分時送出的低8位地址(下降沿有效)。當不訪問外部存儲器時，該端以時鐘頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，可用作外部定時脈沖源。對內部Flash存儲器編程期間，該引腳用于輸入編程脈沖。

(29腳)：讀片外程序存儲器選通信號輸出端。當AT89S51從外部程序存儲器取指令時，端產生負脈沖，作為外部ROM的選通信號。在訪問外部RAM或片內ROM時，不產生有效的PSEN非信號。現(xiàn)在是11頁\一共有53頁\編輯于星期一

(4)?I/O引腳(P0～P3口)。

P0口(32～39腳)：P0.7/AD7～P0.0/AD0，是8位雙向I/O口，也是地址/數(shù)據(jù)總線復用口。當P0口作輸入/輸出口用時，必須外接上拉電阻。當訪問片外存儲器時，P0口用作地址/數(shù)據(jù)分時復用口線。

P1口(1～8腳)：P1.0～P1.7，是8位雙向I/O口，內部帶上拉電阻。P1口的第二功能：ISP在系統(tǒng)編程。

P1.5MOSI(主機發(fā)送從機接收）；

P1.6MISO(主機接收從機發(fā)送）；

P1.7SCK(主機發(fā)送的時鐘信號）；現(xiàn)在是12頁\一共有53頁\編輯于星期一

P2口(21～28腳)：P2.0/A8～P2.7/A15，是8位雙向I/O口，內部帶上拉電阻。當訪問片外存儲器時，P2口用作高8位地址總線。

P3口(10～17腳)：P3.0～P3.7，是8位雙向I/O口，內部帶上拉電阻。P3口的每一個引腳可作為一般I/O口用，此外還具有第二功能：現(xiàn)在是13頁\一共有53頁\編輯于星期一表1-1P3口的第二功能

現(xiàn)在是14頁\一共有53頁\編輯于星期一

三、AT89S51單片機的內部結構現(xiàn)在是15頁\一共有53頁\編輯于星期一

1、存儲器

單片機的存儲器分兩種：程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。單片機存儲器采用哈佛結構，它將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開編址，各自有自己的尋址方式。

(1)程序存儲器：用于存放已編寫好的程序及數(shù)據(jù)表格。AT89S51中采用的是Flash，其存儲容量為4?KB。需要指出的是，在64KB的ROM中，0003H、000BH、0013H、001BH和0023H5個單元地址在AT89S51單片機中是系統(tǒng)專用的，用戶不能更改。

(2)數(shù)據(jù)存儲器：用于存放輸入/輸出數(shù)據(jù)、中間運算結果，常用類型為RAM。AT89S51中的數(shù)據(jù)存儲器較小，存儲容量僅為128B。若存儲器空間不夠用，可以外部擴展。現(xiàn)在是16頁\一共有53頁\編輯于星期一現(xiàn)在是17頁\一共有53頁\編輯于星期一低128B數(shù)據(jù)存儲器的地址空間分配：現(xiàn)在是18頁\一共有53頁\編輯于星期一①工作寄存器區(qū)：地址范圍為0000H～001FH，共32個存儲單元，分為四組，每組有8通用寄存器R0～R7。每組均可作為CPU當前的工作寄存器，可通過程序狀態(tài)字(PSW)的RS1、RS0兩位進行當前工作狀態(tài)的設置，如表1-2所示。當復位時，自動選中第0組工作寄存器。一旦選中了一組，其他三組的地址空間只用于數(shù)據(jù)存儲器，不能作為寄存器，如果有需要必須重新設置?，F(xiàn)在是19頁\一共有53頁\編輯于星期一表1-2工作寄存器組選擇表現(xiàn)在是20頁\一共有53頁\編輯于星期一②位尋址區(qū)：地址范圍為0020H～002FH，共16個字節(jié)，每個字節(jié)8位，共128位，其地址編碼為0000H～007FH，這些地址單元構成了位尋址區(qū)，如表1-3所示。位尋址區(qū)既可采用位尋址方式訪問，也可采用字節(jié)尋址方式訪問。

③用戶RAM區(qū)：地址范圍為30H～7FH，共80個單元，可作為堆?；驍?shù)據(jù)緩沖使用。現(xiàn)在是21頁\一共有53頁\編輯于星期一表1-3位尋址區(qū)地址分配表

現(xiàn)在是22頁\一共有53頁\編輯于星期一2、特殊功能寄存器：AT89S51單片機中共有21個SFR并分布在80H～FFH地址范圍中?，F(xiàn)在是23頁\一共有53頁\編輯于星期一現(xiàn)在是24頁\一共有53頁\編輯于星期一

累加器ACC

累加器ACC(簡稱A寄存器或累加器A)是一個具有特殊用途的8位寄存器，主要用來存放一個操作數(shù)或存放運算的結果。累加器ACC是CPU中使用最頻繁的寄存器，MCS-51指令系統(tǒng)中多數(shù)指令的執(zhí)行都通過它進行。

寄存器B

寄存器B也是一個8位寄存器，在乘法和除法運算中用作ALU的輸入之一。其他情況下，B可作為一個工作寄存器使用?，F(xiàn)在是25頁\一共有53頁\編輯于星期一

程序狀態(tài)字(ProgramStateWord，PSW)

程序狀態(tài)字(PSW)是一個8位寄存器，用來保存指令執(zhí)行結果的狀態(tài)信息，為后續(xù)指令的執(zhí)行提供狀態(tài)條件。其各位定義如下：

CY：進位標志位，又稱為“位累加器”。

AC：輔助進位標志位。

F0：用戶通用狀態(tài)標志位。

RS1、RS0：當前工作寄存器區(qū)選擇位。現(xiàn)在是26頁\一共有53頁\編輯于星期一

OV：溢出標志位。

—：保留位。

P：奇偶標志位。

堆棧指針(StackPointer，SP)

堆棧是指用戶在單片機內部RAM中開辟的、遵循“先進后出”原則、只能從一端存取數(shù)據(jù)的一個存儲區(qū)。把存取數(shù)據(jù)的一端稱為棧頂，用一個專用8位寄存器SP來表示，稱為堆棧指針。MCS-51的堆棧是向上(即向地址增加的方向)生成的，堆棧指針SP的初始值稱為棧底。在堆棧操作過程中，SP始終指向堆棧的棧頂?，F(xiàn)在是27頁\一共有53頁\編輯于星期一

數(shù)據(jù)指針寄存器(DPTR)

數(shù)據(jù)指針寄存器(DPTR)是一個16位的專用寄存器，其高位字節(jié)寄存器用DPH表示，低位字節(jié)寄存器用DPL表示。DPTR既可作為一個16位寄存器DPTR來處理，也可作為兩個獨立的8位寄存器DPH和DPL來處理。

DPTR主要用來存放16位地址，可通過它訪問64?KB外部數(shù)據(jù)存儲器或外部程序存儲器空間。

程序計數(shù)器(ProgramCounter，PC)

PC是CPU的最基本部件，它是一個獨立的16位程序計數(shù)器，但不屬于特殊功能寄存器，不可以訪問，在物理結構上是獨立的，用于存放下一條待執(zhí)行指令的地址?，F(xiàn)在是28頁\一共有53頁\編輯于星期一

PC的基本工作過程可以描述為：PC中的數(shù)作為指令地址輸出給程序存儲器，程序存儲器按此地址輸出指令字節(jié)，同時PC本身自動加1，指向下一條指令。但在執(zhí)行轉移、調用類指令或響應中斷等操作時，PC的工作過程將有所不同。

MCS-51的PC是一個16位寄存器，其尋址范圍是64KB(即216B)。在MCS-51指令系統(tǒng)中有一類基址加變址尋址的指令，PC可用作該類指令的基本地址寄存器。

3、輸入/輸出(I/O)接口

AT89S51的輸入/輸出接口包括4個8位并行口(P0～P3)，共32根口線?，F(xiàn)在是29頁\一共有53頁\編輯于星期一

4、其他內部資源

AT89S51內部還有2個16位定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)和1個全雙工串行口。

定時/計數(shù)器：可以通過對系統(tǒng)時鐘計數(shù)實現(xiàn)定時，也可對外部事件的脈沖進行計數(shù)。

中斷系統(tǒng)：有5個中斷源，其中外部中斷源2個(由單片機的外圍引腳、引入)、內部中斷源3個(分別由2個定時/計數(shù)器及串行口產生)?？梢詫?個中斷源進行中斷允許和中斷優(yōu)先級的控制?，F(xiàn)在是30頁\一共有53頁\編輯于星期一全雙工串行口：一個可編程全雙工串行通信接口，具有通用異步接收/發(fā)送器(UART)的全部功能，可以同時進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，還可以作為一個同步移位寄存器使用?，F(xiàn)在是31頁\一共有53頁\編輯于星期一第2章：單片機的程序下載方法一、用編程器下載：現(xiàn)在是32頁\一共有53頁\編輯于星期一二、ISP下載：現(xiàn)在是33頁\一共有53頁\編輯于星期一現(xiàn)在是34頁\一共有53頁\編輯于星期一三、程序下載步驟

1、用匯編語言或C語言編寫源程序；

2、用編譯軟件（如keilC51）編譯出.hex文件；

3、用下載軟件（如stc-isp-v3）下載程序；

1）打開軟件

2）選擇器件

3）“OpenFle”選擇已編譯好的.hex文件

4）單片機不要上電，點擊“Download/下載”

5）出現(xiàn)“仍在連接中，請給MCU上電...”后，給單片機上電

6）如果下載成功，會出現(xiàn)"downloadok"字樣現(xiàn)在是35頁\一共有53頁\編輯于星期一一、單片機最小系統(tǒng)的構成

單片機最小系統(tǒng)是指在盡可能少的外部條件下，能使單片機獨立工作的系統(tǒng)。以AT89S51為例，由AT89S51外接時鐘電路和復位電路即可構成單片機最小系統(tǒng)。考慮到在實驗過程中的實際需要，本最小系統(tǒng)應包含以下電路：

1、時鐘電路和復位電路；

2、程序下載電路；

3、鍵盤電路；

4、電源電路；第3章、單片機最小系統(tǒng)的設計現(xiàn)在是36頁\一共有53頁\編輯于星期一1、時鐘電路和復位電路；現(xiàn)在是37頁\一共有53頁\編輯于星期一單片機復位就是對單片機進行初始化操作，使程序從0000H開始執(zhí)行。要實現(xiàn)復位操作，只需在AT89S51單片機的RST引腳上保持2個機器周期以上的高電平信號就可以了。單片機的復位電路有兩種形式：上電復位和按鈕復位。內部時鐘電路的石英晶體振蕩器頻率一般選擇在1～60MHz之間，諧振電容采用20～30pF的瓷片電容?，F(xiàn)在是38頁\一共有53頁\編輯于星期一單片機復位后內部各寄存器的狀態(tài)

現(xiàn)在是39頁\一共有53頁\編輯于星期一2、程序下載電路下圖為AT89S51單片機的ISP下載電路，接口采用10芯牛角插座?，F(xiàn)在是40頁\一共有53頁\編輯于星期一3、鍵盤電路為了預設環(huán)境參數(shù)值（溫度、濕度及光照度），應設置鍵盤電路?？紤]編程的方便，設置4鍵盤電路。現(xiàn)在是41頁\一共有53頁\編輯于星期一按鍵功能如下：

S1：選擇鍵。按1次，選擇預設“溫度值”；按2次，選擇預設“濕度值”；按3次，選擇預設“光照度值”。

S2：+鍵。短按1次，相應的預設值+1，長按（按的時間超過1秒），相應的預設值快速增加。

S3：-鍵。短按1次，相應的預設值-1，長按（按的時間超過1秒），相應的預設值快速減小。

S4：確認鍵。按下該鍵，預設值生效，并退出預設狀態(tài)。

說明：當按鍵松開后，如在10秒內沒有任何按鍵按下，則自動退出預設狀態(tài)?，F(xiàn)在是42頁\一共有53頁\編輯于星期一按鍵子程序流程圖：現(xiàn)在是43頁\一共有53頁\編輯于星期一現(xiàn)在是44頁\一共有53頁\編輯于星期一4、電源電路