《單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目化教程》課件項(xiàng)目一

模塊1閃爍的LED燈設(shè)計(jì)1.1項(xiàng)目描述1.2項(xiàng)目目的與要求1.3項(xiàng)目支撐知識(shí)鏈接1.4項(xiàng)目實(shí)施項(xiàng)目小結(jié)項(xiàng)目拓展技能與練習(xí)

【項(xiàng)目導(dǎo)入】

現(xiàn)今是一個(gè)科技迅猛發(fā)展的時(shí)代，我們生活中的每個(gè)領(lǐng)域幾乎都有單片機(jī)的蹤跡，比如，冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、微波爐、電飯煲等家用電器的控制系統(tǒng)以及工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的智能儀表、機(jī)器人、無人機(jī)和導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置等都離不開單片機(jī)。在此，我們通過一個(gè)項(xiàng)目—閃爍的LED燈設(shè)計(jì)，讓同學(xué)們走進(jìn)單片機(jī)的學(xué)習(xí)樂園，了解單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展趨勢(shì)，理解單片機(jī)的開發(fā)過程，體驗(yàn)學(xué)習(xí)單片機(jī)的無限樂趣。

【項(xiàng)目目標(biāo)】

1.知識(shí)目標(biāo)

(1)了解單片機(jī)的概念、發(fā)展歷史以及常見產(chǎn)品型號(hào)；

(2)理解單片機(jī)的外部引腳功能；

(3)理解單片機(jī)的存儲(chǔ)器地址分配；

(4)掌握單片機(jī)最小系統(tǒng)的搭建；

(5)熟悉單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)過程。

2.能力目標(biāo)

(1)能正確區(qū)分和使用單片機(jī)的RAM和ROM；

(2)能正確區(qū)分單片機(jī)的4個(gè)并行口用途；

(3)能獨(dú)立搭建簡(jiǎn)單的單片機(jī)最小系統(tǒng)；

(4)能利用KeilC51和Proteus軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。

1.1項(xiàng)目描述

單片機(jī)在控制與測(cè)量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分，這兩部分通過調(diào)試才能實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)功能。本項(xiàng)目通過搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)最小系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的閃爍頻率的控制。通過該項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握單片機(jī)的硬件組成、芯片各引腳的功用和它的復(fù)位電路等基本知識(shí)，理解單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程，學(xué)會(huì)搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的單片機(jī)最小系統(tǒng)。

1.2項(xiàng)目目的與要求

本項(xiàng)目的目的就是搭建一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，通過C語言編程來點(diǎn)亮一個(gè)LED燈。項(xiàng)目在實(shí)施過程中需要解決下面

幾個(gè)關(guān)鍵問題：

(1)什么是單片機(jī)最小系統(tǒng)？怎樣構(gòu)建？

(2)?LED燈與單片機(jī)的輸入/輸出口怎樣連接？如何

控制？

(3)發(fā)光二極管如何進(jìn)行0.2s閃爍？

(4)如何使用KeilC51和Proteus軟件進(jìn)行系統(tǒng)的仿真？

1.3項(xiàng)目支撐知識(shí)鏈接

1.3.1認(rèn)識(shí)單片機(jī)

1．單片機(jī)的基本概念

單片機(jī)(SingleChipMicrocomputer，SCM)實(shí)際上是集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，在這塊芯片內(nèi)部集成了中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RandomAccessMemory，RAM)、只讀存儲(chǔ)器(Read-OnlyMemory，ROM)、定時(shí)器/計(jì)算器(Time/Count)、輸入/輸出(Input/Output,I/O)接口等功能部件。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片，

但從組成和功能上看，它已具有微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的含義。圖1-1是不同封裝形式的單片機(jī)示意圖，其中黑色的是塑料外殼，保護(hù)著里面的半導(dǎo)體芯片，針狀部分是它的引腳。圖1-1不同封裝形式的單片機(jī)芯片單片機(jī)CPU的功能沒有PC的CPU強(qiáng)大，但單片機(jī)的體積小，能將微型計(jì)算機(jī)的各主要部分集成在一塊芯片上，大大縮短了系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)的傳送距離，從而提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度，因而在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中，單片機(jī)系統(tǒng)是最理想的控制系統(tǒng)。另外，由于單片機(jī)的體積小，常常被嵌入各種現(xiàn)代設(shè)備中作為控制器使用，因此單片機(jī)又被稱為微控制器(MicroControllerUnit，MCU)，它的這種使用方式是嵌入式系統(tǒng)低端應(yīng)用的最佳選擇。單片機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是增強(qiáng)“控制”能力，滿足實(shí)時(shí)控制方面的需要。它在硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其獨(dú)特之處，其最顯著的特點(diǎn)之一就是具有非常有效的控制功能。又因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域，因此，單片機(jī)又常常被人稱為微控制器。單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了更多的應(yīng)用?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)：手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦等都配有1或2塊單片機(jī)；個(gè)人電腦中也有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作；汽車上的電控設(shè)備一般配備有40多塊單片機(jī)；復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作。

2．單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程

單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，其發(fā)展經(jīng)歷了探索、完善、微控制器、全面發(fā)展等四個(gè)階段。

(1)探索階段(1976—1978)：本階段主要是以Intel公司的MCS-48為代表。

(2)完善階段(1978—1982)：以Intel公司推出的單片機(jī)系列MCS-51為典型代表。

(3)微控制器階段(1982—1990)：該階段的主要技術(shù)方向是，不斷擴(kuò)展?jié)M足系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，具有智能化的控制能力，其特點(diǎn)如下：

①滿足嵌入式應(yīng)用要求的外圍擴(kuò)展，如WDT、PWM、ADC、DAC、高速I/O口等。

②眾多計(jì)算機(jī)外圍功能集成，如提供串行擴(kuò)展總線SPI、I2C、BUS、Microwire，配置現(xiàn)場(chǎng)總線接口CANBUS。

③?CMOS化，提供功耗管理功能。

④提供OTP供應(yīng)狀態(tài)，有利于大規(guī)模和批量生產(chǎn)。

(4)全面發(fā)展階段(1990—)：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)展到這一階段，已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍采用的智能化控制工具，小到玩具、家電行業(yè)，大到車載、艦船電子系統(tǒng)，遍及計(jì)量測(cè)試、工業(yè)過程控制、機(jī)械電子、金融電子、商用電子、辦公自動(dòng)化、工業(yè)機(jī)器人、軍事和航空航天等領(lǐng)域。為滿足不同的要求，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力和多機(jī)通信能力的8位、16位、32位通用型單片機(jī)、小型廉價(jià)單片機(jī)、外圍系統(tǒng)集成的專用型單片機(jī)以及形形色色、各具特色的現(xiàn)代單片機(jī)?？梢哉f，單片機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了百花齊放的時(shí)代，為用戶的選擇提供了廣闊的空間。

3．單片機(jī)的分類

單片機(jī)按不同方式分類如下：

(1)按應(yīng)用領(lǐng)域可分為家電類、工控類、通信類等。

(2)按總線結(jié)構(gòu)可分為總線型與非總線型。

(3)按結(jié)構(gòu)體系可分為諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。

(4)按字長、位數(shù)可分為4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32

位機(jī)。

(5)按指令體系可分為復(fù)雜指令體系(ComplexInstructionSetComputer，CISC)和精簡(jiǎn)指令體系(ReducedInstructionSetComputer，RISC)。

4．單片機(jī)的特點(diǎn)與適用范圍

1)特點(diǎn)

(1)優(yōu)異的性價(jià)比。一塊單片機(jī)芯片價(jià)格在幾元至幾十元之間，比較便宜。

(2)集成度高，體積小，可靠性高。

(3)控制能力強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作和位處理功能。

(4)低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。

(5)外部總線增加了I2C等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

2)適用領(lǐng)域

由于單片機(jī)具有極高的可靠性、微型性和智能性(只要編寫不同的程序就能夠完成不同的控制工作)，因此其成為工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍采用的智能化控制工具，并深深地滲入到人們的日常生活當(dāng)中。以下是一些應(yīng)用舉例。

(1)工業(yè)控制領(lǐng)域：?jiǎn)纹瑱C(jī)廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制、物理量的自動(dòng)檢測(cè)與處理、工業(yè)機(jī)器人、電機(jī)控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

(2)智能儀表：儀表中引入單片機(jī)，使儀表智能化，提高測(cè)試的精度和自動(dòng)化水平。

(3)電信領(lǐng)域：?jiǎn)纹瑱C(jī)在程控交換機(jī)、手機(jī)、電話機(jī)、智能調(diào)制/解調(diào)器等方面的使用也很廣泛。

(4)軍用導(dǎo)航領(lǐng)域：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用在宇宙飛船、電子干擾、導(dǎo)彈控制、智能武器裝置、魚雷制導(dǎo)控制、航天航空的導(dǎo)航等軍用領(lǐng)域。

(5)日常生活中的應(yīng)用：目前家用電器已普遍采用單片機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制電路。比如，單片機(jī)廣泛用于洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)、微波爐和智能家居等產(chǎn)品中。

5．單片機(jī)的產(chǎn)品介紹

1)?Intel公司

Intel公司是單片機(jī)的領(lǐng)跑者，MCS-51系列單片機(jī)是該公司單片機(jī)產(chǎn)品的總稱。該系列有8031、80C51、8751、8032、8052、8752等，其中80C51是典型代表，因此大家常以80C51來稱呼MCS-51系列單片機(jī)。此外，該公司將MCS-51核心技術(shù)授權(quán)給多家公司，市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)了與80C51兼容的各廠家生產(chǎn)的單片機(jī)。

2)?Atmel公司

Atmel公司的8位單片機(jī)有AT89和AT90系列。89系列與51系列完全兼容，具有8KB的閃速存儲(chǔ)器(FlashMemory)，采用靜態(tài)時(shí)鐘方式；90系列采用了增強(qiáng)精簡(jiǎn)指令體系(RISC)結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令僅需一個(gè)晶振周期，運(yùn)行速度快。

3)?Microchip公司

Microchip公司推出的是8位PIC系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)采用的是RISC結(jié)構(gòu)。其中主要產(chǎn)品系列是：

(1)?PIC16C5x：低端產(chǎn)品，價(jià)位低，家電產(chǎn)品中常

使用。

(2)?PIC12C6xx：中端產(chǎn)品，性能相對(duì)較高，內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換器和PWM輸出等。

(3)?PIC17Cxx：高端產(chǎn)品，運(yùn)算速度快，可外接擴(kuò)展存儲(chǔ)器RAM或EPROM，控制功能豐富。

4)?Motorola公司

Motorola公司在單片機(jī)生產(chǎn)上多采用內(nèi)部倍頻技術(shù)或鎖相環(huán)技術(shù)，從而使得相同時(shí)鐘頻率下單片機(jī)內(nèi)部總線速度大大提高。該公司生產(chǎn)的單片機(jī)系列有M6805、M68HC05、M68HC11、M68HC12等，其中M68HC12是該公司8位單片機(jī)的典型代表。由于STC系列單片機(jī)不僅完全與51單片機(jī)兼容而且加密技術(shù)高，因此目前國內(nèi)有很多用戶使用STC系列單片機(jī)芯片來開發(fā)控制系統(tǒng)。

STC系列單片機(jī)由STMicroelectronics公司生產(chǎn)，由深圳宏晶公司作為大陸代理。此外，還有一些單片機(jī)生產(chǎn)廠商，如Zilog公司、Philips公司、Siemens公司、NEC公司、EMC公司等，其產(chǎn)品型號(hào)可在網(wǎng)上查詢，此處不再一一介紹。1.3.2單片機(jī)中的數(shù)制與編碼

1．單片機(jī)中的數(shù)制

數(shù)制在日常生活中被人們經(jīng)常使用，最常見的有十進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制等。在單片機(jī)中，一切信息(包括數(shù)值、字符、指令等)的存儲(chǔ)、處理與傳送均采用二進(jìn)制的形式。二進(jìn)制數(shù)中只有“0”和“1”兩個(gè)數(shù)字符號(hào)，利用二進(jìn)制進(jìn)行操作和運(yùn)算比較容易在電路中實(shí)現(xiàn)，符合單片機(jī)的特點(diǎn)，但閱讀和書寫比較復(fù)雜。由于十六進(jìn)制與二進(jìn)制間有著非常簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在閱讀與書寫時(shí)常常采用十六進(jìn)制。常用的這三種計(jì)數(shù)法的表示及其相互關(guān)系見表1-1和表1-2。

3．單片機(jī)中數(shù)的表示

1)機(jī)器數(shù)與真值

機(jī)器數(shù)是指機(jī)器中數(shù)的表示。它將數(shù)值連同符號(hào)位放在一起，其長度一般是8的整數(shù)倍。機(jī)器數(shù)通常有2種：有符號(hào)數(shù)和無符號(hào)數(shù)。有符號(hào)數(shù)的最高位是符號(hào)位，其余各位用來表示數(shù)的大小；無符號(hào)數(shù)的所有各位都用來表示數(shù)的大小。真值是指機(jī)器數(shù)所代表的實(shí)際數(shù)值。有符號(hào)數(shù)的符號(hào)位通常的做法是用一位二進(jìn)制表示符號(hào)，稱為“符號(hào)位”，放在有效數(shù)字的前面，用“0”表示正，用“1”表示負(fù)。②采用補(bǔ)碼進(jìn)行運(yùn)算，所得結(jié)果仍為補(bǔ)碼。為了得到結(jié)果的真值，還得進(jìn)行轉(zhuǎn)換(還原)。轉(zhuǎn)換前應(yīng)先判斷符號(hào)位，若符號(hào)為0，則所得結(jié)果為正數(shù)，其值與真值相同；若符號(hào)位為1，則應(yīng)將它轉(zhuǎn)換成原碼，然后才得到它的真值。

③補(bǔ)碼與原碼、反碼不同，數(shù)值0的補(bǔ)碼只有一個(gè)，即

?[0]補(bǔ)=00000000B=00H。④若字長為8位，則補(bǔ)碼所表示的范圍為－128～+127；若字長為16位，則補(bǔ)碼所表示的范圍為－32768～+32767。

⑤進(jìn)行補(bǔ)碼運(yùn)算時(shí)，應(yīng)注意所得結(jié)果不應(yīng)超過上述補(bǔ)碼所能表示數(shù)的范圍，否則會(huì)產(chǎn)生溢出而導(dǎo)致錯(cuò)誤。采用其他碼制運(yùn)算時(shí)同樣應(yīng)注意這一問題。

4．信息編碼

由于單片機(jī)所有的信息都是以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)的，因此各種非數(shù)值型數(shù)據(jù)，如字符或符號(hào)，都采用二進(jìn)制數(shù)碼的組合來表示，稱為二進(jìn)制編碼。最常見的編碼形勢(shì)有BCD碼編碼和ASCII碼編碼。

1)?BCD碼編碼

用二進(jìn)制數(shù)來直接表示十進(jìn)制數(shù)，保留各數(shù)位之間“逢十進(jìn)一”的關(guān)系，這就是二-十進(jìn)制編碼，也稱為BCD(BinaryCodedDecimal)碼。這種編碼將一位十進(jìn)制數(shù)用4位二進(jìn)制數(shù)表示，通常以8421為權(quán)進(jìn)行編制。它有十個(gè)不同的數(shù)字符號(hào)，按“逢十進(jìn)一”的原則進(jìn)位。表1-3是十進(jìn)制數(shù)1～14的BCD碼對(duì)應(yīng)表。

BCD(8421)碼用0000B～1001B代表十進(jìn)制數(shù)的0～9，運(yùn)算法則是逢十進(jìn)一。例如，158的BCD碼表示為000101011000B。

BCD碼的運(yùn)算結(jié)果也必須是BCD碼，因此BCD碼在進(jìn)行加法運(yùn)算時(shí)，必須對(duì)二進(jìn)制加法的結(jié)果進(jìn)行修正，其修正原則是：若各位的和均在0～9之間，則不需要修正；若和的低4位大于9或低4位向高4位有進(jìn)位(和大于15)，則低4位加6修正；若高4位大于9或高4位的最高位有進(jìn)位，則高4位加6修正。

2)?ASCII碼編碼

ASCII碼是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO規(guī)定采用的美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)。標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼的高位為0，用7位二進(jìn)制碼對(duì)字符進(jìn)行編碼，所以總共有27=128個(gè)，從0～127，見附錄A。

ASCII碼主要用于微機(jī)與外設(shè)的通信，當(dāng)微機(jī)與ASCII碼制的鍵盤、打印機(jī)及CRT等連用時(shí)，均以ASCII碼形式傳輸數(shù)據(jù)。1.3.3

MCS-51系列單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

89C51單片機(jī)有40個(gè)引腳，采用HMOS或CHMOS工藝制造，通常采用雙列直插式封裝(DIP)。下面以AT89C51為例介紹51系列兼容單片機(jī)的引腳功能。89C51的引腳和封裝如圖1-2所示，其中圖(a)為雙列直插封裝DIP方式，圖(b)為方形封裝方式。圖1-2AT89C51的封裝和引腳分配圖

1．89C51引腳功能

1)主電源引腳Vcc和GND

Vcc(40腳)：主電源?+5?V，正常操作和對(duì)EPROM編程及驗(yàn)證時(shí)均接?+5?V電源。

Vss(20腳)：電源的接地端。

2)外接晶振引腳：XTAL1(19腳)和XTAL2(18腳)

XTAL1和XTAL2為接外部晶振的兩個(gè)引腳。當(dāng)使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，這兩個(gè)引腳端外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，XTAL1引腳接地，XTAL2作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。

3)控制信號(hào)引腳RST/VPD、ALE/、、/Vpp

(1)?RST/VPD(9腳)：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位/備用電源引腳，具有單片機(jī)復(fù)位和備用電源引入雙重功能。當(dāng)該引腳作為RST時(shí)，該引腳要連續(xù)保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)才完成復(fù)位；當(dāng)作為VPD時(shí)，單片機(jī)掉電或電源發(fā)生波動(dòng)導(dǎo)致電源電壓下降到一定值，備用電源給內(nèi)部RAM供電，保持其中的信息，直到單片機(jī)工作電壓恢復(fù)正常。

(2)?ALE/

(30腳)：地址鎖存允許信號(hào)輸出/編程脈沖輸入雙重功能引腳。當(dāng)訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，該引腳是地址鎖存信號(hào)；當(dāng)不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE引腳周期性地輸出固定頻率脈沖信號(hào)(1/6振蕩器頻率)，因此，它可用作外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。應(yīng)注意的是，當(dāng)訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖；ALE端可以驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)8個(gè)LSTTL負(fù)載。對(duì)含有EPROM的單片機(jī)(8751)，在片內(nèi)EPROM編程期間，此引腳用于輸入專門的編程脈沖和編程電源(

)。

(3)

(29腳)：輸出訪問片外程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在訪問外部ROM時(shí)，(信號(hào)定時(shí)輸出脈沖)作為外部ROM的選通信號(hào)。CPU從片外程序存儲(chǔ)器取指令(或常數(shù))期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。每當(dāng)訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不會(huì)出現(xiàn)。該端有效

(低電平)時(shí)，實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作，同樣可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。

(4)

/Vpp(31腳)：片內(nèi)片外程序存儲(chǔ)器選擇/片內(nèi)固化編程電壓輸入雙重功能引腳。當(dāng)輸入高電平時(shí)，CPU可先訪問片內(nèi)ROM4KB的地址范圍，若超出4KB地址，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外ROM；當(dāng)輸入低電平時(shí)，不論片內(nèi)是否有程序存儲(chǔ)器，CPU只能訪問片外程序存儲(chǔ)器。

4)輸入/輸出引腳P0、P1、P2、P3

89C51有32條I/O端口，構(gòu)成四個(gè)8位雙向端口。P0、P1、P2、P3為8位雙向口線，P0.0～P0.7對(duì)應(yīng)39～32腳；P1.0～P1.7對(duì)應(yīng)1～8腳；P2.0～P2.7對(duì)應(yīng)21～28腳；P3.0～P3.7對(duì)應(yīng)10～17腳，P3具有雙重功能，這些引腳的使用將在后續(xù)部分進(jìn)行介紹。

2．89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

51系列單片機(jī)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上基本相同，其中不同型號(hào)的單片機(jī)只不過在個(gè)別模塊和功能方面有些區(qū)別。89C51單片機(jī)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1-3所示。它由一個(gè)8位中央處理器(CPU)、1個(gè)256B片內(nèi)RAM及4KBFlashROM、21個(gè)特殊功能寄存器、4個(gè)8位并行I/O口、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)串行I/O口以及中斷系統(tǒng)等部分組成，各功能部件通過片內(nèi)單一總線連成一個(gè)整體，集成在一塊芯片上。圖1-389C51單片機(jī)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)框圖在圖1-3中，對(duì)其結(jié)構(gòu)按功能進(jìn)行詳細(xì)劃分，可以得到89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1-4所示。圖1-489C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1)運(yùn)算器

運(yùn)算器主要由算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU、累加器ACC、寄存器B、暫存器、程序狀態(tài)字寄存器PSW及專門用于位操作的布爾處理機(jī)等組成，它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理和數(shù)據(jù)的傳送操作。ALU主要用于對(duì)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除四則運(yùn)算和與、或、非、異或等邏輯運(yùn)算，此外還具有置位、移位、測(cè)試轉(zhuǎn)移等功能。布爾處理器是具有位處理邏輯功能的電路，專門用于位操作。暫存器專門用來存放參與算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的另一個(gè)操作數(shù)，對(duì)用戶不開放。此外，累加器A、寄存器B和程序狀態(tài)字寄存器PSW的介紹見后續(xù)存儲(chǔ)器部分。

2)控制器

控制器是單片機(jī)內(nèi)部按一定時(shí)序協(xié)調(diào)工作的控制核心，是分析和執(zhí)行指令的部件?？刂破髦饕沙绦蛴?jì)數(shù)器(ProgramCounter，PC)、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP、振蕩器與定時(shí)控制電路、中斷控制器、串行口控制器和定時(shí)器等構(gòu)成。

(1)程序計(jì)數(shù)器PC。PC是一個(gè)16位專用寄存器，用來存放下一條指令的地址，它具有自動(dòng)加1的功能。當(dāng)CPU要取指令時(shí)，PC的內(nèi)容首先送至地址總線上，然后再從存儲(chǔ)器中取出指令，從該地址的存儲(chǔ)單元中取指令后，PC的內(nèi)容自動(dòng)加1，指向下一條指令的地址，以保證程序按順序執(zhí)行。在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用指令和中斷響應(yīng)時(shí)例外，PC的內(nèi)容不再加1，而是由指令或中斷響應(yīng)過程自動(dòng)給PC置入新的地址。單片機(jī)復(fù)位時(shí)，PC自動(dòng)清零，即裝入地址0000H，從而保證了復(fù)位后，程序從0000H地址開始執(zhí)行。

(2)指令寄存器IR。指令寄存器是一個(gè)8位寄存器，用于暫存待執(zhí)行的指令，等待譯碼。

(3)指令譯碼器ID。指令譯碼器對(duì)指令寄存器中的指令進(jìn)行譯碼，將指令轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行此指令所需要的電信號(hào)。根據(jù)譯碼器輸出的信號(hào)，再經(jīng)定時(shí)控制電路定時(shí)地產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需要的各種控制信號(hào)，完成指令的功能。

(4)數(shù)據(jù)指針DPTR。DPTR是一個(gè)16位專用地址指針寄存器，通常在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作地址指針使用，是單片機(jī)中唯一一個(gè)供用戶使用的16位寄存器，具體介紹見后續(xù)存儲(chǔ)器部分。

(5)堆棧指針SP。堆棧指針SP是一個(gè)8位特殊功能寄存器，用于指出堆棧棧頂?shù)牡刂?，在調(diào)用子程序或進(jìn)入中斷程序前保存一些重要數(shù)據(jù)及程序返回地址，具體介紹見后續(xù)存儲(chǔ)器部分。

3．89C51單片機(jī)存儲(chǔ)器的配置

普通微型計(jì)算機(jī)中廣泛采用將程序和數(shù)據(jù)合用一個(gè)存儲(chǔ)器的空間結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)(Princeton)；而大部分單片機(jī)采用的是把程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間截然分開，即ROM和RAM獨(dú)立編址并分別尋址的結(jié)構(gòu)，相互空間不會(huì)沖突，這種結(jié)構(gòu)就是哈佛結(jié)構(gòu)(Harvard)。

1)程序存儲(chǔ)器(ROM)

51系列單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器用于存放編好的應(yīng)用程序、表格和常數(shù)。由于采用16位的地址總線，因而其可擴(kuò)展的地址空間為64KB，且這64KB地址是連續(xù)、統(tǒng)一的。不同型號(hào)的機(jī)型，片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和空間也不同，如89C51有4KB的FLASHROM，80C51片內(nèi)有4KB的ROM，地址為0000H～0FFFH，8751片內(nèi)有4KB的EPROM，803l片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器。

CPU如何訪問ROM呢？當(dāng)為高電平時(shí)，CPU從片內(nèi)存儲(chǔ)器的0000H單元開始讀取指令，若指令地址超過0FFFH

(4KB)，CPU會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外讀取指令；當(dāng)該引腳為低電

平時(shí)，CPU只能從片外讀取指令。

89C51單片機(jī)中，程序存儲(chǔ)器的某些單元已被保留作為特定的程序入口地址(中斷服務(wù)程序入口地址)，這些單元具有特殊功能。特殊單元為0000H～0002H。系統(tǒng)復(fù)位后的PC值為0000H，故系統(tǒng)從0000H單元開始取指令，執(zhí)行程序，它是系統(tǒng)的啟動(dòng)地址。若程序不從0000H單元開始，則必須在這三個(gè)單元中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，以便直接去執(zhí)行指定的程序。另外，還有幾個(gè)特殊的地址：外部中斷0入口地址0003H，定時(shí)器0中斷入口地址000BH，外部中斷1入口地址0013H，定時(shí)器1中斷入口地址001BH，串行口中斷入口地址0023H，定時(shí)器2溢出中斷入口地址002BH。在編程使用時(shí)，用戶程序的存放位置選取在0030H之后比較安全。

2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)

51系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放運(yùn)算中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上和邏輯上都分為兩個(gè)地址空間：一個(gè)是片內(nèi)256字節(jié)的RAM，另一個(gè)是片外最大可擴(kuò)充64KB的RAM。片內(nèi)RAM的訪問通過定義數(shù)據(jù)類型即可，比如data、bdata、idata；片外RAM的訪問可把數(shù)據(jù)定義為pdata或xdata。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由通用工作寄存器區(qū)、可位尋址區(qū)、通用RAM區(qū)和特殊功能寄存器區(qū)等四個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。其中，圖(a)表示低128B的RAM區(qū)，圖(b)表示RAM的特殊功能寄存器區(qū)，即地址從80H開始至FFH的高128B的空間區(qū)域。圖1-5片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)

(1)通用工作寄存器區(qū)(00H～1FH)。51系列單片機(jī)的通用工作寄存區(qū)共有32個(gè)單元，分為四組，每組由8個(gè)通用寄存器R0～R7組成。由于通用寄存器常用于存放操作數(shù)和中間結(jié)果等，它們的功能及使用不作預(yù)先規(guī)定，因此稱為通用工作寄存器。在任何一個(gè)時(shí)刻，CPU只能使用其中的一組寄存器，正在使用的寄存器稱為當(dāng)前寄存器。到底是哪一組，由程序狀態(tài)寄存器PSW中RS1、RS0位的狀態(tài)組合決定。工作區(qū)的設(shè)置與工作寄存器的地址見表1-4。單片機(jī)上電或復(fù)位后，RS1=0H，RS0=0H，CPU默認(rèn)選中的是第0區(qū)的8個(gè)單元為當(dāng)前工作寄存器。

(2)可位尋址區(qū)(20H～2FH)。位尋址區(qū)作為一般的RAM單元，共16個(gè)字節(jié)，既可以作為一般RAM單元使用，進(jìn)行字節(jié)操作，又可以用位尋址方式訪問這16個(gè)字節(jié)的128個(gè)位，因此，該區(qū)稱為位尋址區(qū)。位尋址區(qū)分布如表1-5所示。

(3)通用RAM區(qū)(30H～7FH)。通用RAM區(qū)共有80個(gè)單元，其單元地址為30H～7FH。對(duì)通用RAM區(qū)的使用，沒有任何規(guī)定或限制，但在一般應(yīng)用中常存放用戶數(shù)據(jù)或作為堆棧區(qū)使用。

(4)特殊功能寄存器區(qū)(80～FFH)。特殊功能寄存器區(qū)共128個(gè)單元，其單元地址范圍為80～FFH，其中僅有21個(gè)地址單元可用，它們主要用于存放控制指令、狀態(tài)信息或數(shù)據(jù)。由于這21個(gè)寄存器的功能已作專門規(guī)定，故稱之為特殊功能寄存器(SpecialFunctionRegister，SFR)。其地址分布以及對(duì)應(yīng)的位地址如表1-6所示。專用寄存器并未占滿80H～FFH整個(gè)地址空間，對(duì)空閑的地址，用戶是不能使用的。對(duì)專用寄存器操作，只能使用直接尋址方式，書寫時(shí)，既可以使用寄存器符號(hào)，也可以使用寄存器單元地址。另外，表中凡字節(jié)地址不帶括號(hào)的寄存器都是可進(jìn)行位尋址的寄存器，帶括號(hào)的是不可進(jìn)行位尋址的寄存器。①累加器(Accumulator，ACC)。ACC是一個(gè)8位的寄存器，簡(jiǎn)稱A。它通過暫存器與ALU相連，是CPU工作中使用最頻繁的寄存器，用來存放一個(gè)操作數(shù)或中間結(jié)果。在一般指令中，累加器用“A”表示，在位操作和堆棧操作指令中用“ACC”表示。②B寄存器。B寄存器是一個(gè)8位的寄存器，主要用于乘除運(yùn)算。在乘除法指令中用于暫存數(shù)據(jù)，用來存放一個(gè)操作數(shù)和存放運(yùn)算后的一部分結(jié)果。乘法指令的兩個(gè)操作數(shù)分別取自累加器A和寄存器B，其中B為乘數(shù)，乘積的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，除法的結(jié)果商數(shù)存放于A，余數(shù)存放于B。在其他指令中，B可以作為RAM中的一個(gè)單元來使用。③數(shù)據(jù)指針DPTR。DPTR是一個(gè)16位的專用地址指針寄存器。編程時(shí)DPTR既可以作16位寄存器使用，也可以拆成兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器，即DPH(高8位字節(jié))和DPL(低8位字節(jié))，分別占據(jù)83H和82H兩個(gè)地址。DPTR通常在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作地址指針使用，用于存放外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

器的存儲(chǔ)單元地址。由于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址范圍為

64KB(0000H～FFFFH)，故把DPTR設(shè)計(jì)為16位，通過DPTR寄存器間接尋址方式可以訪問0000H～FFFFH全部64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。89C51單片機(jī)可以外接64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O端口，可以使用DPTR來間接尋址。④堆棧指針(StackPointer，SP)。堆棧是RAM中一個(gè)特殊的存儲(chǔ)區(qū)，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按先進(jìn)后出、后進(jìn)先出的原則存取數(shù)據(jù)的。堆棧共有兩種操作：進(jìn)棧和出棧。為了正確存取堆棧區(qū)的數(shù)據(jù)，需要一個(gè)寄存器來指示最后進(jìn)入堆棧的數(shù)據(jù)所在存儲(chǔ)單元的地址，堆棧指針就是為此而設(shè)計(jì)的。SP總是指向堆棧頂端的存儲(chǔ)單元。

89C51單片機(jī)的堆棧是向上生成的，即進(jìn)棧時(shí)，SP的內(nèi)容是增加的，出棧時(shí)，SP的內(nèi)容是減少的(數(shù)據(jù)的進(jìn)棧和出棧的操作過程如圖1-6所示)。系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為07H，使得堆棧實(shí)際上從08H單元開始。由于08H～1FH單元分屬于工作寄存器的1～3區(qū)，因此若程序中要用到這些區(qū)，則最好把SP值改為1FH或更大的值。一般在內(nèi)部RAM的30H～7FH單元中開辟堆棧區(qū)間。SP的內(nèi)容一旦確定，堆棧的位置也就跟著確定了。由于可初始化為不同值，因此堆棧位置是浮動(dòng)的。圖1-6數(shù)據(jù)進(jìn)棧和出棧操作過程⑤程序狀態(tài)字寄存器(ProgramStatusWord，PSW)。PSW是一個(gè)8位的專用寄存器，用于存放程序運(yùn)行中的各種狀態(tài)信息，它可以進(jìn)行位尋址。PSW中一些位的狀態(tài)是根據(jù)程序運(yùn)行結(jié)果由硬件自動(dòng)設(shè)置的，而另外一些位則使用軟件方法設(shè)定。PSW的位狀態(tài)可以用專門指令進(jìn)行測(cè)試，也可以用指令讀出。一些條件轉(zhuǎn)移指令將根據(jù)PSW有些位的狀態(tài)進(jìn)行程序轉(zhuǎn)移。PSW各位的定義如表1-7所示。

Cy(PSW.7)進(jìn)位標(biāo)志：Cy是PSW中最常見的標(biāo)志位。其功能有二：一是存放算術(shù)運(yùn)算的進(jìn)位標(biāo)志，在進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時(shí)，如果操作結(jié)果最高位有進(jìn)位或借位，Cy由硬件置“1”，否則清“0”；二是在進(jìn)行位操作時(shí)，Cy又可以被認(rèn)為是位累加器，它的作用相當(dāng)于CPU中的累加器A。

Ac(PSW.6)輔助進(jìn)位標(biāo)志：在進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時(shí)，如果低四位數(shù)向高位有進(jìn)位或借位，硬件會(huì)自動(dòng)將Ac置“l(fā)”，否則清“0”；在進(jìn)行十進(jìn)制調(diào)整指令時(shí)，將借助Ac狀態(tài)進(jìn)行判斷。Ac位可用于BCD碼調(diào)整時(shí)的判斷位。

F0(PSW.5)用戶標(biāo)志位：它可作為用戶自行定義的狀態(tài)標(biāo)記位，由用戶根據(jù)需要用軟件方法置位或復(fù)位，用以控制程序的轉(zhuǎn)向。

RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)工作寄存器區(qū)選擇位：這兩位通過軟件置“0”或“1”來選擇當(dāng)前工作寄存器區(qū)。被選中的寄存器即為當(dāng)前通用寄存器組，但單片機(jī)上電或復(fù)位后，RS1RS0=00。通用寄存器共有4組，RS0與RS1的取值及其

對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：RS1RS0為00，選中第0組，地址為00H～07H；RS1RS0為01，選中第1組，地址為08H～0FH；RS1RS0為10，選中第2組，地址為10H～17H；RS1RS0為11，選中第3組，地址為18H～1FH。

OV(PSW.2)溢出標(biāo)志位：當(dāng)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算時(shí)，如果產(chǎn)生溢出，則由硬件將OV位置l，否則清“0”。當(dāng)執(zhí)行有符號(hào)數(shù)的加法指令或減法指令時(shí)，溢出標(biāo)志OV的邏輯表達(dá)式為

OV?=?Cy6Cy7。式中，Cy6表示D6位有否向D7位的進(jìn)位或借位，有為“1”，否則為“0”；Cy7表示D7位有否向Cy位的進(jìn)位或借位，有為“1”，否則為“0”。因此溢出標(biāo)志位在硬件上可以通過一個(gè)異或門獲得。

F1(PSW.1)用戶標(biāo)志位：其作用同F(xiàn)0。

P(PSW.0)奇偶標(biāo)志位：該位始終跟蹤累加器A內(nèi)容的奇偶性，每個(gè)指令周期由硬件來置位或清零，用以表示累加

器A中1的個(gè)數(shù)的奇偶性。如果A中有奇數(shù)個(gè)“1”，則P置“l(fā)”，否則置“0”。1.3.4單片機(jī)最小系統(tǒng)的搭建

單片機(jī)本身只是一塊芯片，只有和其他一些電路器件或設(shè)備有機(jī)結(jié)合才能構(gòu)成一個(gè)真正的單片機(jī)系統(tǒng)，在此只介紹簡(jiǎn)單的最小系統(tǒng)的搭建。一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)至少應(yīng)由電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入/輸出接口電路四部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。圖1-7單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖

1．電源電路

單片機(jī)要工作，必須要有電源提供能量，89C51單片機(jī)一般使用5?V直流電源。單片機(jī)芯片中有2個(gè)引腳分別為Vcc和GND，Vcc外接5V直流電源，GND接地。

2．時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身如同一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序邏輯電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作，因此時(shí)鐘電路對(duì)于單片機(jī)而言是必需的。

1)時(shí)鐘產(chǎn)生的方式

單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式通常有兩種，如圖1-8所示。

在內(nèi)部時(shí)鐘方式中，石英晶體的振蕩器頻率一般選擇4～12MHz，起振電容一般選用20～30pF的瓷片電容；外部時(shí)鐘方式是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)，一般要求外部信號(hào)的高電平持續(xù)20ns，且為頻率低于12MHz的方波。圖1-889C51的時(shí)鐘產(chǎn)生方式

2)時(shí)鐘信號(hào)

CPU執(zhí)行指令的一系列動(dòng)作都是在定時(shí)控制部件的控制下按照一定的時(shí)序一拍一拍進(jìn)行的。指令字節(jié)數(shù)不同，操作數(shù)的尋址方式也不同，故執(zhí)行不同指令所需的時(shí)間差異也較大，工作時(shí)序也有區(qū)別。為了便于說明，通常按指令的執(zhí)行過程將時(shí)序化為幾種周期，即振蕩周期、狀態(tài)周期、機(jī)器周期和指令周期。

(1)振蕩周期。振蕩周期是單片機(jī)中最基本的時(shí)間單位，是為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)的振蕩源的周期。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU僅完成一個(gè)最基本的動(dòng)作。51系列單片機(jī)中，把一個(gè)振蕩周期定義為一個(gè)節(jié)拍P。

(2)狀態(tài)周期。狀態(tài)周期是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的，它是單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)的周期，用S來表示。狀態(tài)周

期由兩個(gè)節(jié)拍P1、P2組成，其前半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍是P1，其后半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍是P2，即兩個(gè)振蕩周期為一個(gè)狀態(tài)周期。

(3)機(jī)器周期。單片機(jī)把執(zhí)行一條指令的過程劃分為若干個(gè)階段，每一階段完成一項(xiàng)規(guī)定操作，完成某一個(gè)規(guī)定操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)機(jī)器周期。一般情況下，一個(gè)機(jī)器周期由若干個(gè)狀態(tài)周期組成。51系列單片機(jī)采用定時(shí)控制方式，有固定的機(jī)器周期，規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期為6個(gè)狀態(tài)周期，依次表示為S1～S6。在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，CPU可以完成一個(gè)獨(dú)立的操作。

(4)指令周期。指令周期是CPU執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。89C51指令系統(tǒng)中有單周期指令、雙周期指令和四周期指令，四周期指令只有乘法和除法指令兩條，其余均為單周期和雙周期指令。

3)?89C51單片機(jī)的時(shí)序

89C51單片機(jī)的每個(gè)機(jī)器周期包含6個(gè)狀態(tài)周期S，每個(gè)狀態(tài)S包含2個(gè)振蕩周期，即分為2個(gè)節(jié)拍，對(duì)應(yīng)于2個(gè)節(jié)拍時(shí)鐘有效時(shí)間。因此一個(gè)機(jī)器周期包含12個(gè)振蕩周期，依次表示為S1P1，S1P2，S2P1，S2P2，S3P1，S3P2，…，S6P1，S6P2，每個(gè)節(jié)拍持續(xù)一個(gè)振蕩周期，每個(gè)狀態(tài)周期持續(xù)2個(gè)振蕩周期。若采用12MHz的晶振頻率，則每個(gè)機(jī)器周期為1/12個(gè)振蕩周期，等于1μs。單片機(jī)執(zhí)行任何一條指令時(shí)都可以分為取指令階段和執(zhí)行指令階段。圖1-9列舉了幾種指令的取指令時(shí)序。由于用戶看不到內(nèi)部時(shí)序信號(hào)，故我們可以通過觀察XTAL2和ALE引腳的信號(hào)，分析CPU取指令時(shí)序。通常每個(gè)機(jī)器周期中ALE出現(xiàn)兩次有效高電平，第一次出現(xiàn)在S1P2和S2P1期間，第二次出現(xiàn)在S4P2和S5P1期間。ALE信號(hào)每出現(xiàn)一次，CPU就進(jìn)行一次取指令操作，但由于每種指令的字節(jié)

數(shù)和機(jī)器周期數(shù)不同，因此取指令操作也隨之不同，但差

異不大。圖1-989C51的取指令執(zhí)行時(shí)序

3．復(fù)位電路

89C51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵復(fù)位兩種方式，如圖1-10所示。

上電復(fù)位是利用電容充電來實(shí)現(xiàn)的，由于電容兩端的電壓不能突變，因此上電瞬間RST/VPD端的電位與Vcc相同，隨著充電的進(jìn)行，RST/VPD的電位下降，最后被鉗位在0V。只要保證加在RST引腳上的高電平持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期，便能正常復(fù)位，如圖1-10(a)所示。圖1-10單片機(jī)的復(fù)位電路按鍵復(fù)位電路如圖1-10(b)所示。若要復(fù)位，只需將按鈕按下，此時(shí)電源Vcc經(jīng)電阻R1、R2分壓，在RST端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。

設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)應(yīng)注意：

(1)要保證加在RST引腳上的高電平持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上，才能使單片機(jī)有效地復(fù)位。

(2)在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復(fù)位。如果這些復(fù)位端的復(fù)位電平要求與單片機(jī)復(fù)位一致，則可以與之相連。

(3)在圖1-10所示的簡(jiǎn)單復(fù)位電路中，干擾容易串入復(fù)位端，在大多數(shù)情況下不會(huì)造成單片機(jī)的錯(cuò)誤復(fù)位，但會(huì)引起內(nèi)部某些寄存器錯(cuò)誤復(fù)位。這時(shí)可在RST引腳上接一個(gè)去耦電容。

(4)在應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠地工作，常將RC電路先接施密特電路，然后再接入單片機(jī)復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。這樣，當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)復(fù)位端時(shí)，能保證可靠地同步復(fù)位，且具有抗干擾作用。

4．輸入/輸出接口電路

89C51單片機(jī)有4個(gè)I/O端口，共32根I/O線，4個(gè)端口都是雙向口，分別為P0～P3。在訪問片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，低8位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時(shí)傳送，高8位地址由P2口傳送。在無片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這4個(gè)口的每一位均可作為雙向的I/O端口使用。

1)?P0口

P0口是一個(gè)8位漏極開路型準(zhǔn)雙向I/O端口。圖1-11是P0口的位結(jié)構(gòu)圖，它由1個(gè)輸出鎖存器、2個(gè)三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器、1個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)電路和1個(gè)輸出控制電路組成。輸出驅(qū)動(dòng)電路由一對(duì)FET(場(chǎng)效應(yīng)管)組成，其工作狀態(tài)受輸出控制電路的控制；輸出控制電路由一個(gè)與門電路、1個(gè)反相器和1個(gè)多路開關(guān)MUX組成。圖1-11P0口的位結(jié)構(gòu)圖

P0口可作為一般I/O口用，但當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)采用外部總線結(jié)構(gòu)時(shí)，它分時(shí)用作低8位地址線和8位雙向數(shù)據(jù)總線。其工作狀態(tài)由CPU發(fā)出的控制信號(hào)決定。當(dāng)P0口作I/O端口使用時(shí)，CPU內(nèi)部發(fā)出控制電平“0”信號(hào)，當(dāng)P0口作地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，CPU內(nèi)部發(fā)出控制電平“1”信號(hào)。

P0口作一般I/O端口使用時(shí)，CPU內(nèi)部發(fā)出控制電平“0”信號(hào)封鎖與門，使輸出上拉場(chǎng)效管V1截止，同時(shí)把圖1-11中的多路開關(guān)撥到下方，將輸出鎖存器端與輸出場(chǎng)效應(yīng)管V2的柵極接通。此時(shí)，P0口即作一般I/O端口使用。當(dāng)P0口作輸出口輸出數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上的信息由寫脈沖鎖存至輸出鎖存器，并通過MUX、下拉場(chǎng)效應(yīng)管V2輸出到P0口的引腳。當(dāng)輸入D?=?0時(shí)，Q?=?0，V2導(dǎo)通，P0口的引腳輸出0；當(dāng)輸入D?=?1時(shí)，Q?=?1，V2截止，P0口的引腳輸出1。由此可見，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線與P0口是同相位的。應(yīng)注意的是，作為輸出口時(shí)，由于輸出級(jí)為漏級(jí)開路電路，引腳上應(yīng)外接上拉電阻(一般為5～10?Ω)，才有高電平輸出，才可以驅(qū)動(dòng)NMOS或其他拉電流負(fù)載。P0口的輸出可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。當(dāng)P0口作輸入口輸入數(shù)據(jù)時(shí)，端口中有2個(gè)三態(tài)輸入緩沖器用于讀操作，實(shí)現(xiàn)讀引腳和讀鎖存器(讀端口)兩種操作。

應(yīng)注意的是，作為輸入口時(shí)，如果下拉場(chǎng)效應(yīng)管V2導(dǎo)通，則會(huì)將輸入的高電平拉為低電平，從而造成誤讀，所以在進(jìn)行輸入操作前，應(yīng)先向端口輸出鎖存器寫入“1”，以避免鎖存器為0狀態(tài)時(shí)，對(duì)引腳讀入的干擾。在擴(kuò)展系統(tǒng)中，P0端口分時(shí)作為地址/數(shù)據(jù)總線使用，此時(shí)可分為兩種情況：一種是以P0口引腳輸出地址/數(shù)據(jù)信息。這時(shí)CPU內(nèi)部發(fā)出高電平的控制信號(hào)，打開與門，同時(shí)使多路開關(guān)MUX把CPU內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)總線反相后與輸出驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管V2的柵極接通。V1和V2兩個(gè)FET管處于反相，共同構(gòu)成了推拉式的輸出電路，其負(fù)載能力大大增強(qiáng)。另一種情況由P0口輸入數(shù)據(jù)，此時(shí)輸入的數(shù)據(jù)直接從引腳通過下面的一個(gè)三態(tài)輸入緩沖器進(jìn)入內(nèi)部總線。實(shí)際應(yīng)用中，P0口絕大多數(shù)情況下都作為單片機(jī)系統(tǒng)的地址/數(shù)據(jù)總線使用，比一般I/O端口的使用簡(jiǎn)單。

P0口的輸出級(jí)與P1～P3口的輸出級(jí)在結(jié)構(gòu)上是不相同的，因此它們的負(fù)載能力和接口要求也不相同。P0口的每一位輸出可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。P0口既可作通用I/O使用，也可作地址/數(shù)據(jù)總線使用。當(dāng)作為通用I/O口輸出時(shí)，輸出級(jí)是開漏電路，當(dāng)它驅(qū)動(dòng)NMOS或其他拉電流負(fù)載時(shí)，需要外接上拉電阻才有高電平輸出；當(dāng)作為地址/數(shù)據(jù)總線時(shí)，無需外接上拉電阻，此時(shí)不能作通用I/O口使用。

2)?P1口

P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，其位結(jié)構(gòu)如圖1-12所示。P1口在結(jié)構(gòu)上與P0口的區(qū)別是：沒有多路開關(guān)MUX和控制電路部分，輸出驅(qū)動(dòng)電路部分與P0也不相同，只有一個(gè)FET場(chǎng)效應(yīng)管，同時(shí)內(nèi)部帶上拉電阻，此電阻與電源相連。上拉電阻是一個(gè)作為電阻性元件使用的場(chǎng)效應(yīng)管FET，稱為負(fù)載場(chǎng)效應(yīng)管。圖1-12P1口的位結(jié)構(gòu)圖

Pl口可作通用雙向I/O口用，每1位均可獨(dú)立作為I/O口。當(dāng)P1口輸出高電平時(shí)，能向外部提供拉電流負(fù)載，因此不必再外接上拉電阻。當(dāng)端口用作輸入時(shí)，和P0口一樣，為了避免誤讀，必須先向?qū)?yīng)的輸出鎖存器寫入“l(fā)”，使FET截止，然后再讀端口引腳。由于片內(nèi)輸入電阻較大，約為20～40kΩ，所以不會(huì)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

3)?P2口

圖1-13是P2口的位結(jié)構(gòu)圖。P2口的位結(jié)構(gòu)中上拉電阻的結(jié)構(gòu)與P1口相同，但比P1口多了一個(gè)輸出轉(zhuǎn)換多路控制部分。當(dāng)多路開關(guān)MUX倒向鎖存器輸出Q端時(shí)，構(gòu)成了一個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口，此時(shí)P2口作通用I/O使用。P2引腳的數(shù)據(jù)與內(nèi)部總線相同，MUX與Q端連通，P2.x=D。圖1-13P2口的位結(jié)構(gòu)圖當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，多路開關(guān)MUX在CPU的控制下，倒向內(nèi)部地址線一端，此時(shí)P2口僅可用于輸出高8位地址。

在使用P2口時(shí)應(yīng)注意：

(1)在不接外部存儲(chǔ)器或片外存儲(chǔ)器容量小于256B的系統(tǒng)中，可以使用“MOVX＠Ri”類指令訪問片外存儲(chǔ)器，僅由P0口輸出低8位地址，而P2口引腳上的內(nèi)容在整個(gè)訪問期間不會(huì)變化，此時(shí)P2口仍可作通用I/O口使用。

(2)當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展有大于256B而小于64?KB的外部存儲(chǔ)器，且P2口用于輸出高8位地址時(shí)，由于訪問外部存儲(chǔ)器的操作是連續(xù)不斷的，P2口要不斷輸出高8位地址，因此此時(shí)P2口不能再作通用I/O口使用。

(3)在外部擴(kuò)充的存儲(chǔ)器容量大于256B而小于64?KB時(shí)，可以采用軟件方法利用P1～P3中的某幾位口線輸出高8位地址，而保留P2口中的部分或全部口線作通用I/O口使用。

4)?P3口

P3口的位結(jié)構(gòu)見圖1-14。它是一個(gè)多功能的端口。P3口的輸出驅(qū)動(dòng)電路部分及內(nèi)部上拉電阻結(jié)構(gòu)與P1口相同，比P1口多了一個(gè)第二功能控制電路(由一個(gè)與非門和一個(gè)輸入緩沖器組成)。P3口是一個(gè)多功能口。當(dāng)“第二輸出功能”端保持高電平時(shí)，與非門打開，P3口作為通用I/O口使用。輸出數(shù)據(jù)時(shí)，鎖存器輸出的信號(hào)可以通過與非門經(jīng)V輸出到P3口的引腳。輸入時(shí)，引腳上的數(shù)據(jù)將通過兩個(gè)相串的三態(tài)緩沖器在讀引腳選通信號(hào)控制下進(jìn)入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。這就是第一功能，此功能同P1口，每1位均可獨(dú)立作為I/O口。圖1-14P3口的位結(jié)構(gòu)圖

P3口除了作通用I/O使用外，它的各位還具有第二功能，第二功能詳見表1-8。當(dāng)P3口某一位用于第二功能作輸出時(shí)，該位的鎖存器應(yīng)置“l(fā)”，打開與非門，第二功能端上的內(nèi)容通過“與非門”和V送至端口引腳。當(dāng)作第二功能輸入時(shí)，端口引腳的第二功能信號(hào)通過第一個(gè)緩沖器送到第二輸入功能線上。

使用時(shí)注意：無論P(yáng)3口用作通用輸入口還是第二功能輸入口，相應(yīng)位的輸出鎖存器和第二輸出功能端都應(yīng)置“l(fā)”，使V截止。另外，每1位具有的兩個(gè)功能不能同時(shí)使用。1.3.5單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的智能控制系統(tǒng)，由于應(yīng)用目標(biāo)不同，因此其構(gòu)成、規(guī)模、功能、復(fù)雜程度等均不相同。但不管怎么變化，其設(shè)計(jì)方法和開發(fā)過程是一樣的。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程一般要經(jīng)歷如圖1-15所示的開發(fā)過程。圖1-15單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程

1．明確任務(wù)

明確設(shè)計(jì)任務(wù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，應(yīng)詳細(xì)了解控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)、性能、特點(diǎn)和控制要求，深入認(rèn)真地進(jìn)行分析，根據(jù)適用場(chǎng)合、工作環(huán)境、具體用途考慮系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性以及成本等，再根據(jù)用戶的具體要求，分析并提出符合要求的性能技術(shù)指標(biāo)。

2．軟件和硬件的功能劃分

單片機(jī)系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。有些功能既可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件來實(shí)現(xiàn)。多用硬件雖可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，但同時(shí)會(huì)帶來成本的增加。相反多用軟件，優(yōu)點(diǎn)是可以降低成本，但會(huì)帶來系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，必須綜合分析，根據(jù)實(shí)際要求來確定哪些功能用硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能用軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)要求畫出單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)功能框圖。

3．總體設(shè)計(jì)

1)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)就是為系統(tǒng)建立一個(gè)框架結(jié)構(gòu)，主要包括以下幾點(diǎn)：

(1)進(jìn)行必要的分析計(jì)算，確定合適的控制方案和算法。

(2)確定系統(tǒng)的硬件配置，即根據(jù)功能的劃分，確定外圍電路的配置和接口電路方案，畫出各部分的功能框圖。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇性價(jià)比合適的單片機(jī)芯片和其他電子元器件。選擇時(shí)要考慮精度、速度、容量、可靠性、貨源和成本等。

2)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路原理圖，并初步設(shè)計(jì)印刷電路板等。其主要內(nèi)容包括單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展及系統(tǒng)配置兩部分。在系統(tǒng)擴(kuò)展及配置時(shí)一定要注意以下幾個(gè)原則：

(1)盡量選擇通用電路。

(2)系統(tǒng)的擴(kuò)展及配置要留一定的余地。

(3)硬件結(jié)構(gòu)要結(jié)合軟件考慮。

(4)適當(dāng)考慮CPU的總線驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾設(shè)計(jì)。

3)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)是在總體設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上確定程序的結(jié)構(gòu)，分配內(nèi)部存儲(chǔ)器的資源，并進(jìn)行主程序及各模塊程序的設(shè)計(jì)，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的控制程序。軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括系統(tǒng)定義和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)定義就是在定義各輸入/輸出端口地址及工作方式后，分配主程序、中斷程序、表格、堆棧等的存儲(chǔ)空間。在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法上通常采用模塊化程序設(shè)計(jì)與自頂向下逐步求精的程序設(shè)計(jì)方法。

4．系統(tǒng)仿真調(diào)試

系統(tǒng)的仿真調(diào)試可分為硬件仿真調(diào)試和軟件仿真調(diào)試。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)可以利用Keil軟件進(jìn)行匯編、連接執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤并加以排除和糾正。在軟件設(shè)計(jì)完成后，可以利用Proteus軟件進(jìn)行仿真來觀察系統(tǒng)執(zhí)行的效果，找出設(shè)計(jì)中存在的問題。

5．系統(tǒng)調(diào)試

完成系統(tǒng)仿真后，把用Protel繪制的PCB印刷電路板圖交給電路板生產(chǎn)商進(jìn)行制板。完成制板后，把所有的電子元器件在電路板上進(jìn)行組裝和焊接，然后使用編程器把程序燒錄到單片機(jī)芯片中進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，直到調(diào)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)

要求。

為了學(xué)習(xí)方便和節(jié)約成本，在單片機(jī)教學(xué)中通常采用一些仿真軟件進(jìn)行試驗(yàn)。學(xué)生也可以通過單片機(jī)多功能仿真開發(fā)板進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)。

1.4項(xiàng)目實(shí)施

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)要求：在單片機(jī)的P0.0口上接一個(gè)發(fā)黃

色光的LED燈，編寫程序讓LED燈不停地閃爍，時(shí)間間隔為0.2秒。

1.4.1項(xiàng)目硬件設(shè)計(jì)

LED燈閃爍控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，其硬件電路模塊包括電源電路、時(shí)鐘電路、按鍵復(fù)位電路和LED燈接口電路，硬件原理圖見1-16所示。圖1-16閃爍LED燈電路原理圖1.4.2項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)

由硬件電路可知，要實(shí)現(xiàn)LED燈的點(diǎn)亮，必須要求P0.0引腳輸出低電平才能實(shí)現(xiàn)；要讓LED燈熄滅，必須使P0.0引腳輸出高電平才能實(shí)現(xiàn)。因此可以用L1?=?0指令實(shí)現(xiàn)對(duì)該引腳輸出低電平，用L1?=?1指令實(shí)現(xiàn)對(duì)該引腳輸出高電平。那么又如何實(shí)現(xiàn)閃爍間隔圖1-17LED燈閃爍流程圖

0.2s呢？這里采用延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)。把系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能搞清楚后，就可以編寫程序了。編寫程序的思路如程序流程圖

1-17所示。圖1-17LED燈閃爍流程圖根據(jù)程序流程圖，寫出單片機(jī)C語言的源程序：

#include<reg51.h>

sbitL1=P0^0；

voiddelay02s(void) //延時(shí)0.2s子程序//

{unsignedchari,j,k；

for(i=20；i>0；i--)

for(j=20；j>0；j--)

for(k=248；k>0；k--)

；

}

voidmain(void)

{while(1)

{L1=0； //P0.0置低電平//

delay02s()；

L1=1； //P0.0置高電平//

delay02s()；

}

}1.4.3項(xiàng)目綜合仿真與調(diào)試

1．使用KeilC51編譯源程序

KeilC51是51系列單片機(jī)的開發(fā)系統(tǒng)，利用它可以編輯、編譯、匯編、連接C程序和匯編程序，從而可以生成在單片機(jī)中進(jìn)行燒錄的?.hex文件。

本項(xiàng)目的軟件編譯過程如下：

【步驟1】打開μVision2，開發(fā)界面如圖1-18所示。

該界面包括文件工具欄、編譯工具欄、工程窗口以及輸出

窗口等。圖1-18Keil軟件界面

【步驟2】新建一個(gè)工程，如圖1-19所示，選擇“Project”>“NewProject”菜單，在彈出的保存窗口中選擇

工程文件的保存位置，填寫文件名，單擊“保存”按鈕。圖1-19建立工程項(xiàng)目

【步驟3】在彈出的CPU選擇對(duì)話框中選擇單片機(jī)芯

片型號(hào)(此處選AT89C51)，如圖1-20所示，然后單擊“確定”按鈕。圖1-20選擇單片機(jī)芯片

【步驟4】單擊文件工具欄中的新建文件按鈕，在編輯區(qū)域編輯C語言源程序，編輯完成后，單擊文件工具欄中的保存文件按鈕，將源程序保存為“.c”形式的文件，如圖1-21所示。圖1-21建立編輯與保存文件

【步驟5】在工程窗口的“SourceGroup1”文件夾上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇“AddFilestoGroup'SourceGroup1'”選項(xiàng)，在打開的對(duì)話框中選擇Led.c源文件，并單擊“Add”按鈕將其加入，整個(gè)過程如圖1-22所示。圖1-22在工程中添加源文件