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1、第5章 MCS-51单片机系统组成及扩展应用,5.1 MCS-51单片机最小应用系统的构成 5.2 MCS-51单片机的外部存储器的扩展 5.3 MCS-51单片机并行I/O接口的扩展 5.4 MCS-51单片机的串行接口 5.5 MCS-51 对A/D和D/A的接口 5.6 MCS-51对LED/键盘的接口,5.1 MCS-51单片机最小应用系统的构成,最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置系统。它常用作一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制、时序控制等。 这种应用系统的硬件组成十分简单，对于片内有ROM的单片机(如8051)，只要配上时钟电路、复位电路和电源就可以构成最小应用
2、系统，如图5-1所示。对于片内无ROM的单片机(如8031)，除了外加时钟电路、复位电路和电源外，还必须扩展外部程序存储器(ROM或EPROM)，关于外部存储器的扩展问题，将在下节详细介绍。电路连接原理如图5-2所示。,下一页,返回,5.1 MCS-51单片机最小应用系统的构成,5.1.1 单片机的时钟电路 时钟电路提供时钟给计算机的各个部件，使各个部件按照一定的时序有条不紊的工作。时钟的快慢决定着计算机的工作节奏。下面以8051为例，介绍MCS-5l系列单片机的时钟电路组成形式。 8051内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，如图5-3a所示。引脚XTAL1为反相器的输入端，引脚XTA
3、L2为反相器的输出端，它们均在芯片的外部。当引脚XTAL1和XTAL2之间跨接晶振和微调电容，可以和芯片内部的放大器构成一个稳定的自激振荡电路，在引脚XTAL2上可以输出3V左右的高频正弦波，于是形成了单片机的时钟信号，这种连接方式称为内部时钟源方式。电容器C1和C2的主要作用是帮助晶振起振，其大小对振荡频率有微调作用，在实际电路中，C1与C2常取30pF。振荡频率（fosc）主要由石英晶振的频率确定，晶体的振荡频率范围是1.212MHz，其典型值为12MHz和11.0592MHz。,上一页,下一页,返回,5.1 MCS-51单片机最小应用系统的构成,8051内部工作时,也可由外部时钟信号提供
4、,这种连接方式称为外部时钟源方式。原理如图5-3b所示。此时外部的时钟信号由XTAL2引脚引入，由于XTAL2端逻辑电平不是TTL型的，故需外接一上拉电阻。另外，外接信号应为时钟频率低于12MHz的方波信号。 对于80C51的外部时钟接法与8051不同，其外部时钟信号由XTALl脚引入，而XTAL2脚悬空。其结构如图5-4所示。在多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的时钟信号。,上一页,下一页,返回,5.1 MCS-51单片机最小应用系统的构成,5.1.2单片机的复位电路 在单片机应用系统中，除单片机芯片本身需要复位、外部扩展的I/
5、O接口电路等需要复位外，对于单片机程序也必须初试化后才能执行。因此一个单片机系统需要同步复位信号，即单片机复位后，CPU开始工作，此时片外的有关扩展芯片外部时钟也要完成复位操作，以保证CPU有效地对外围芯片进行初始化编程。单片机的复位方式有上电复位和手动按钮复位两种，如图5-5所示。,上一页,下一页,返回,5.1 MCS-51单片机最小应用系统的构成,其中图5-5a是最简单的复位电路，在VCC和RST之间连接一容量为22F左右的电容，利用RST内部复位下拉电阻RRST（40220K）就构成了复位电路。当电源接通瞬间，由于电容C上无存储电量，因此电容端电压极小，复位电阻RRST上的电压接近电源电
6、压，即RST端口为高电平。在电容充电过程中，RST端电压逐渐下降，当RST端电位小于某一数值后，CPU脱离复位状态，进入程序执行状态。只要电容C容量足够大，保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU就能可靠复位。,上一页,下一页,返回,5.1 MCS-51单片机最小应用系统的构成,图5-5b复位电路与图5-5a类似，只是增加了外接电阻R和二极管VD。二极管VD的作用在于停电后，给出电容C提供了迅速放电通路，保证再上电时RST为高电平，使CPU可靠复位。正常工作时，二极管VD反偏，对电路没有影响，而断电后，VCC逐渐下降，当VCC=0时，相当于VCC端与地等电位，这时电容C通过VD迅速放
7、电，放电通路为C正极电源VCC端（此时与地等电位）二极管VD正极二极管VD负极C负极，电容恢复到无电量的初始状态，为下次上电复位做好准备。,上一页,下一页,返回,5.1 MCS-51单片机最小应用系统的构成,图5-5c增加了手动复位按钮，以便死机时通过复位按钮人工复位，即我们常说的“重新起动”，简称“重起”。复位按钮按下后，电容C通过R2放电，当电容C放电结束后，RST端的电位由R2、R1分压比决定，由于R2 R1，因此RST为高电平，CPU进入复位状态，松手后，电容充电，RST端电压下降，经过一定的延时，CPU脱离复位状态。R2的作用在于限制按钮按下时电容C的瞬间放电电流，避免产生火花，以保
8、护按钮的触点。 MCS-51系列单片机受到管脚的限制，没有对外专用的地址总线和数据总线。当系统扩展存储器、I/O口及所需的外围芯片时，需要将单片机的相关端口的外部连线变为一般微机所具有的三总线结构形式。本节主要介绍存储器的扩展。,上一页,返回,5.2 MCS-51单片机的外部存储器的扩展,5.2.1 MCS-5l系列单片机的片外总线结构 当系统要求扩展时，为了便于与各种芯片相连接，应把单片机外部连线变为一般微机所具有的三总线结构形式，即地址总线、数据总线、控制总线。MCS-5l系列单片机的片外引脚可构成如图5-6所示的三总线结构，所有的外围芯片都将通过这三总线进行扩展。 1数据总线（DB） 数
9、据总线由P0口提供，其宽度为一个字节（8位）。该口是三态双向口，是应用系统中使用最频繁的通道，它不仅传送数据信息，而且还与控制信号配合，传送低位字节地址信息。 数据总线要连到多个外围芯片上，在某一时刻只有端口地址与单片机发出的地址相符的芯片才能与P0口通信。,下一页,返回,5.2 MCS-51单片机的外部存储器的扩展,2地址总线（AB） 地址总线由P0口和P2口提供，其宽度为两个字节（16位），故可寻址范围为216B=64KB。其中地址总线的低8位A7A0由P0口经地址锁存器提供，P2口直接提供地址总线的高8位A15A8。由于P0口是数据、地址分时复用的，P0口先输出低8位地址信息，待地址信息
10、稳定并可靠锁存后，P0口再做数据总线使用。所以P0口输出的低8位地址必须用锁存器进行锁存。由于P2口一直提供高8位地址，故不需要外加地址锁存器。 P0、P2口在系统扩展中用作地址线后，便不能再作为一般I/O口使用。,上一页,下一页,返回,5.2 MCS-51单片机的外部存储器的扩展,3控制总线（CB） 控制总线包括片外系统扩展用控制线和片外信号对单片机的控制线。 系统扩展用控制线有 、 、 、 和ALE。 （1） 、 用于片外数据存储器的读写控制。当执行片外数据存储器操作指令MOVX时，这两个信号分别自动生成。 （2） 用于片外程序存储器的读控制。执行片外程序存储器读操作指令(查表指令)MOV
11、C时( =O)，该信号自动生成。,上一页,下一页,返回,5.2 MCS-51单片机的外部存储器的扩展,（3）ALE 用于锁存P0口输出的低8位地址的控制线。通常ALE在P0口输出地址期间，用下降沿控制锁存器对地址进行锁存。（4） 用于选择片内或片外程序存储器。当 =O时，只访问片外程序存储器。 =1时，将访问片内程序存储器，当片内程序存储器容量不够存储时，才会访问外部存储器。MCS-5l系列单片机中的8031片内无程序存储器,在实际应用中,其通常接地，以便访问外部存储器。,上一页,下一页,返回,5.2 MCS-51单片机的外部存储器的扩展,5.2.2 MCS-5l系列单片机的系统扩展能力 如前
12、所述,单片机地址线为16位，因此在片外可扩展的存储器最大容量为64KB，地址为0000HFFFFH。由于对片外数据存储器和程序存储器的访问使用不同的指令及控制信号，所以允许两者地址重合，即对于8051系列单片机来说，片外可扩展的程序存储器与数据存储器的最大容量均为64KB。片外数据存储器地址为0000HFFFFH。 当片内程序存储器与片外程序存储器的访问使用相同的操作指令，对两者的选择则靠系统控制线来实现。当 =O时，选择片外程序存储器，即无论片内有无程序存储器，片外程序存储器的地址可从0000H开始进行编址。当 =1时，选片内程序存储器，若片内程序存储器容量为4KB，则其地址为0000H0F
13、FFH，片外程序存储器地址只能从1000H开始编址。,上一页,下一页,返回,5.2 MCS-51单片机的外部存储器的扩展,5.2.3 MCS-5l系列单片机常用存储器扩展芯片 1程序存储器 程序存储器是用来存放程序代码的，也存放程序常数。由于单片机的应用系统通常是专用的微机系统，一经开发完毕，其软件就不再改变,所以常用半导体只读存储器EPROM和EEPROM作为单片机的程序存储器。程序存储器通常可用ROM来表示。 (1)EPROM通常均采用标准芯片：2716(2K8)，2732(4K8)，2764(8K8)，27128 (16K8)，27256(32K8)，以及27512(64K8)。其中以2
14、716为例，2K8代表芯片存储单元为2K个，每个存储单元可储存一个字节。其余依此类推。 常用的EPROM电路有2716、2732、2764、27128、27256、27512等，图5-7给出它们的引脚图。,上一页,下一页,返回,5.2 MCS-51单片机的外部存储器的扩展,图中涉及的引脚符号功能如下：AiA0为地址输入线，i=1510；D7D0为三态数据总线，读时为数据输出线，写时为数据输入线，维持或禁止编程时为高阻态； 为片选信号端，低电平有效； 为编程脉冲输入线，通常为高电平； 为读选通(输出允许)信号输入线，低电平有效；Vpp为编程电源输入线，其值因芯片型号和制造厂商而异；Vcc为主电源
15、输入线，一般为+5V；GND为接地线。 (2)EEPROM常用的有两种类型芯片。 1)+21V电压写入：2816(2K8)，2817(2K8)。 2)+5V电压写入：2816A(2K8)，2817A(2K8)，2864(8K8)。 EEPROM芯片常用的EEPROM有2817、2864等，图5-8是2817A和2864A的引脚图。,上一页,下一页,返回,5.2 MCS-51单片机的外部存储器的扩展,图中所涉及的引脚符号的功能如下：AiA0为地址输入线，i=10/12(2817A2864A)；D7DO为双向三态数据线； 为片选信号输入线，低电平有效； 为读选通信号输入线，低电平有效； 为写选通信
16、号输入线，低电平有效；RDY 为2817A的状态输出线，在写操作时，其为低电平表示“忙”，写入完毕该线为高电平，表示“准备好”；Vcc为主电源+5V端口；GND为接地端。 EPROM、EEPROM等都可作为单片机的片外程序存储器，但由于EPROM价格较低，性能稳定，所以应用得最为普遍。,上一页,下一页,返回,5.2 MCS-51单片机的外部存储器的扩展,2数据存储器 数据存储器用于存储现场采集的原始数据、运算结果等，所以，通常采用半导体RAM作为片外数据存储器，由于EEPROM可进行改写，它也可用作片外数据存储器。常见的半导体RAM有： (1)SRAM常用的有6116(2K8)，6264(8K8)，62256（32K8）。 (2)DRAM常用的有2164(64K1)。 (3)iRAM常用的有2186。,
