单片机技术实训.

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1、单片机原理与应用 主要内容： 典型单片机（ MCS-51, AT89S51, PIC, Motorola, AVR ）的性能，MCS-51内部结构、特点、工作方式、时序和 最小应用系统。为学生后续学习单片机应用系统设计、利 用单片机解决工程实际问题打下坚实的基础。重点在于基 本概念、组成原理、特点及MCS-51的最小应用系统，难 点在于时序、ISP下载技术。 预备知识：元器件实物图 单片机芯片 AT89C51 AT89S51 AT89S52 AT89C2051 通信芯片MAX232CPE 时钟芯片 DS1302 EEPROM 24C02 温度传感 器18B20 AD变换器0832 稳压片78L

2、05 晶 振 电阻和排电阻 瓷片小电容 零压力插座 万用焊接板 仪器盒 步进电机 液晶字符显示屏 液晶图形点阵显示屏 拨动开关 红外遥控用 发射接受一体管 继电器 各类接插件 遥控组件 超声波发射接受头 双路遥控组件 长距离遥控器30004000M 88二极管点阵 八段数码管 超声波发射和接收一体化机 能汉字显示的显示屏和实时时钟板 电子万年历 学生实训成果展示 说明： 典型单片机有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Motorola、AVR 等。 MCS-51为主流产品，性能如表1.1.1。 MSP430为低功耗产品，功能较强，性能如表1.1.2。 EM78为低功耗产品，价格较低，

3、性能如表1.1.3。 PIC为低电压、低功耗、大电流LCD驱动、低价格产品，性能 如表1.1.4。 Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选 择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适 合于工控领域及恶劣的环境。性能如表1.1.5。 AVR为高速、低功耗产品，支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较 强。性能如表1.1.6。 1.1 典型单片机性能概览 1.2 MCS-51单片机硬件结构及引脚 MCS-51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品8051 为核心，增加了一定的功能部件后构成的，因此，本章以 8051为主介绍MCS-51系列单片机 。 1.2.

4、1 MCS-51单片机的内部结构 MCS-51单片机的组成： CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存 储器)、ROM(程序存储器）、I/O口(串口、并口）、内部总线 和中断系统等。组成框图如下： 内部结构如下 ： 组成：运算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件： （1）8位CPU。 （2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。 （3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。 （4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。 （5）2个16位可编程定时器/计数器。 （6）32个（48位）双向可独立寻址的I/O口。 （7）1个全双工UART（异步串行通信口）。 （8）5个中断源、两级中断优先级的

5、中断控制器。 （9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz12 MHz的时钟频率。 （10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。 （11）111条指令，大部分为单字节指令。 （12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。 1. 中央处理器（CPU） （1）运算器 组成：8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位 累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器 PSW（Program Status Word）、8位暂存寄存器TMP1和TMP2 等。 功能：完成算术运算和逻辑运算。 （2）控制器 组成：程序计数器PC（Pr

6、ogram Counter）、指令寄存器IR（ Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、 堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑和振荡器OSC等 电路。 功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中 取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制 逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本 条指令所需的全部信号。 MCS-51系列单片机配置一览表 系列 片内存储器（字节） 定时器 计数器 并行 I/O 串行 I/O 中 断 源 片内ROM 片内 RAM 无有ROM有EPROM Inte

7、l 51 子系列 8031 80C31 8051 80C51 (4K字节) 8751 87C51 (4K字节) 128 字节 2x164x8位15 Intel 52 子系列 8032 80C32 8052 80C52 (8K字节) 8752 87C52 (8K字节) 256 字节 3x164x8位16 ATEML 89C系列 (常用型) 1051(1K)/2051(2K)/4051(4K) （20条引脚DIP封装） 12821515 89C51(4K)/89C52(8K) （40条引脚DIP封装） 128/ 256 2/33215/6 2. 存储器 MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存

8、储器,又有 片内和片外之分。 （1）程序存储器 一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。可寻址 空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。 MCS-51单片机按程序 存储器可分为内部无ROM型 （如8031）和内部有ROM型 （如8051）两种，连接时 引 脚 有区别。程序存储器结 构如右图所示： （2）数据存储器 一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空 间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。 片外RAM： 最大范围：0000HFFFFH ，64KB；用指令MOVX访问。 片内RAM： 最大范围：00HFFH， 256B；用指令MOV访问。又分 为

9、两部分：低128B（007FH） 为真正的RAM区，高128B（80 FFH）为特殊功能寄存器（ SFR）区。如右图所示。 内部RAM的 20H2FH单元为 位寻址区，既可 作为一般单元用 字节寻址，也可 对它们的位进行 寻址。位地址为 00H7FH。 CPU 能直接寻址这些 位（称MCS-51具 有布尔处理功能 ），位地址分配 如右表所示。 3特殊功能寄存器 （SFR） MCS-51有21个特殊功 能寄存器（也称为专用寄存 器），包括算术运算寄存器 、指针寄存器、I/O口锁存器 、定时器/计数器、串行口、 中断、状态、控制寄存器等 ，它们被离散地分布在内部 RAM的80HFFH地址单元 中（

10、不包括PC） ，共占据了 128个存储单元，构成了SFR 存储块。其字节地址可被8整 除的SFR可位寻址。SFR反映 了MCS-51单片机的运行状态 。特殊功能寄存器分布如右 表所示。 （2）累加器A （Accumulator） 累加器A是8位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专 用寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。 （3）寄存器B 寄存器B 是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也作 通用寄存器用。 （1）程序计数器PC（Program Counter） 程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块 。 PC是一个16位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令

11、地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64KB，PC有自动 加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过 转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序 。 表2-5 工作寄存器组选择控制表 （4）工作寄存器 内部RAM的工作寄存器区00H1FH共32个字节被均匀地分 成四个组（区），每个组（区）有8个寄存器，分别用R0R7表 示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1还经常用于 间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器（PSW） 第3、4位设置工作寄存器区。 （5）程序状态字PSW （Program Status Word） 程序状态字PSW是8位寄存器，用于

12、存放程序运行的状态信 息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的， 但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式 如下页表所示。 其中：Cy：进借位标志； AC：辅助进借位标志； F0 ：用户标志； RS1、RS0：工作寄存器组（区）选择（如下表所示）； OV：溢出标志位，有溢出时置1； P：奇偶标志位。A中有奇数个1时置1。 （6）数据指针DPTR（Data Pointer） 数据指针DPTR是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器 使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH （高8位） 、DPL （ 低8位）使用。 DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存储 器和

13、片外数据寄存器。 （7）堆栈指针SP（Stack Pointer） 堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。堆栈存取 数据的原则是“后进先出”。堆栈指针SP是一个8位寄存器，用于 指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。 MCS-51单片机的堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地 址向小的方向变化相反）。系统复位后，SP初值为07H，实际应 用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针SP进行初始化， 一般设置SP为60H。 设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时 断点和现场的保护与恢复。 （8）I/O口专用寄存器（P0, P1, P2, P3） 8051片内有4个8位

14、并行I/O接口P0, P1, P2和P3，在SFR中相 应有4个I/O口寄存器P0, P1, P2和P3。 （9）定时器/计数器（TL0, TH0, TL1和TH1） MCS-51单片机中有两个16位的定时器/计数器T0和T1，它 们由4个8位寄存器（TL0, TH0, TL1和TH1）组成，2个16位定时 器/计数器是完全独立的。可以单独对这4个寄存器进行寻址，但 不能把T0和T1当做16位寄存器来使用。 （10）串行数据缓冲器（SBUF） 串行数据缓冲器SBUF用于存放需要发送和接收的数据，它 由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发 送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器S

15、BUF进行的。 （11）其他控制寄存器 除上述外，还有IP, IE, TCON, SCON和PCON等几个寄存器 ，主要用于中断、定时和串行口的控制， I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的 必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载 能力。 8051内部有4个8位并行接口P0, P1, P2, P3，有1个全双 工的可编程串行I/O接口。 5定时器/计数器 8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，均为 二进制加1计数器，分别命名为T0和T1。 T0和T1均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器模 式下，T0和T1的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经12分频 后提供。在计数器模式下，T0和T1的计数脉冲可以从P3.4 和P3.5引脚上输入。对T0和T1的控制由定时器方式选择寄 存器TMOD和定时器控制寄存器TCON完成。 4I/O接口 6中断系统 中断：指CPU暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执