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1、第1章 单片机结构及开发设计流程 n第1节 单片机结构 任务一单片机组成 任务二单片机工作条件 任务三单片机输入/输出端口 n第2节 单片机开发设计常用工具软件 任务一 单片机仿真器 任务二 keil C51仿真软件 任务三 仿真软件Proteus 任务四 编程器SUPERPRO n第3节 单片机开发设计流程 2021/5/231第1节 单片机结构任务一单片机组成 n一、任务目标 n 掌握单片机的内部结构及单片机的外部引脚及其功能，并且了解单片机的发展概况及单片机的常见类型等相关知识。 2021/5/232n二、任务分析 51系列单片机包括许多类型，它们的内部结构基本相同。89C51/89C5
2、2是目前应用比较广泛的51系列兼容单片机中的代表产品，因此本任务主要以89C51为目标机型，介绍单片机的内部结构、各组成部分的功能及外部引脚。在后续章节中将通过具体的设计实例进一步介绍。第1节 单片机结构任务一单片机组成 2021/5/233图1-1 单片机内部结构框图三、相关知识 1单片机的内部结构 51系列单片机主要包括CPU、程序存储器、数据存储器以及接口电路等各组成部分。 第1节 单片机结构任务一单片机组成 2021/5/234单片机的内部结构: 1个8位的CPU。 时钟电路。 程序存储器。 数据存储器。 定时器/计数器。 4个并行口。 1个全双工串行口。 5个中断源。 第1节 单片机
3、结构任务一单片机组成 2021/5/2352单片机的引脚（1）电源：40号引脚VCC是芯片电源，接+5V。20号引脚VSS为电源接地端。（2）时钟引脚：XTAL2（18号脚）采用内部时钟电路时，外接晶体振荡器；采用外部时钟电路时，此引脚接地。XTAL1（19号脚）采用内部时钟电路时，外接晶体振荡器；采用外部时钟电路时，此引脚接外部时钟源。（3）控制引脚ALE/为地址锁存允许信号，用来把低8位地址锁存到外部地址锁存器。ALE引脚以不变的1/6振荡频率周期性地发出正脉冲信号，可用做对外输出的时钟信号。（4）I/O口线P0口（3239号脚）为双向输入/输出端口。P1口（18号脚）为准双向输入/输出端
4、口。P2口（2128号脚）为准双向输入/输出端口。P3口（1017号脚）为准双向输入/输出端口。图1-2 AT89C51单片机引脚图第1节 单片机结构任务一单片机组成 2021/5/2363单片机发展概况 单片机的发展历史不长，自1976年9月，Intel公司推出MCS-48八位单片机后，已有上百家生产厂商加入单片机的生产和研发行列，生产出几百个系列上万个品种的单片机。除51系列单片机（MCS-51及其兼容机）以外，其他一些公司如ROKWELL公司、NEC公司、Motorola公司以及德州仪器公司等都推出一些各具特色的单片机。51系列单片机曾在世界单片机市场占有50%以上的份额，多年来国内也一
5、直以51系列单片机作为教学的主要机型，因此本书以51系列单片机作为目标机型学习单片机原理及应用。第1节 单片机结构任务一单片机组成 2021/5/2374单片机的特点 单片机的引脚多为复用引脚。 单片机内部集成有小容量的存储器。 单片机的程序存储器和数据存储器严格分工。 单片机的有很强的位处理功能，可以满足工业控制的需要。第1节 单片机结构任务一单片机组成 2021/5/238一、任务目标 理解单片机的工作条件，掌握单片机的时钟电路和复位电路的设计。二、任务分析 单片机的电源部分，只要将51系列单片机的第40脚接+5V电源，第20脚接地即可。注意电压过高或过低都会引起单片机CPU不能正常工作。
6、 时钟电路分为内部方式和外部方式两种电路，复位电路又可以分为上电复位和外部按键复位两种方式。 第1节 单片机结构任务二单片机工作条件 2021/5/239三、相关知识1时钟电路 内部方式时钟电路 外部时钟方式 图1-3 内部时钟电路 图1-4 外部时钟电路 第1节 单片机结构任务二单片机工作条件 2021/5/2310 时钟电路与时序指令周期指令周期、机器周期机器周期和和振荡周期振荡周期之间是什么关系？为什么分得之间是什么关系？为什么分得如此细致？如此细致？ 指令周期指令周期是某条指令的执行时间，某条指令的执行时间是是某条指令的执行时间，某条指令的执行时间是由若干个机器周期构成，一个由若干个机
7、器周期构成，一个机器周期机器周期包含包含1212个时钟振荡周期个时钟振荡周期（简称时钟周期）。单片机在运行时，是把每条指令分解为一（简称时钟周期）。单片机在运行时，是把每条指令分解为一个一个最基本的微操作来执行，所以必须给每个微操作规定严个一个最基本的微操作来执行，所以必须给每个微操作规定严格的执行时间并提供每个动作的起始信号，让这些微操作有节格的执行时间并提供每个动作的起始信号，让这些微操作有节奏、有规律，这就需要一个稳定节拍发生器（即晶体振荡器），奏、有规律，这就需要一个稳定节拍发生器（即晶体振荡器），晶体振荡器的周期就是晶体振荡器的周期就是振荡周期振荡周期（即时钟周期），而机器周期（即时
8、钟周期），而机器周期则是在此基础上更宏观一点的则是在此基础上更宏观一点的“分解动作分解动作”，与振荡周期配合，与振荡周期配合起来可以产生更多的特定的时钟信号。起来可以产生更多的特定的时钟信号。 2021/5/23112复位电路图1-5 51系列单片机上电复位电路 图1-6 51系列单片机外部按键复位电路第1节 单片机结构任务二单片机工作条件 2021/5/2312四、任务实施图1-7 51系列单片机基本工作条件接线图第1节 单片机结构任务二单片机工作条件 2021/5/2313一、任务目标 掌握单片机的并行I/O端口的结构及其应用。二、任务分析 51系列单片机有4个8位的并行输入/输出端口，即
9、P0，P1口，P2口和P3口。各个端口的功能有所不同，其结构也略有差异。在本任务中，将分别学习各个端口的结构、功能及其应用。第1节 单片机结构任务三单片机输入/输出端口2021/5/2314三、相关知识1P0口 图1-8 P0口的位结构图第1节 单片机结构任务三单片机输入/输出端口2021/5/23152P1口图1-9 P1口的位结构图第1节 单片机结构任务三单片机输入/输出端口2021/5/23163P2口图1-10 P2口的位结构图第1节 单片机结构任务三单片机输入/输出端口2021/5/23174P3口图1-11 P3口的位结构图第1节 单片机结构任务三单片机输入/输出端口2021/5/
10、2318四、任务实施 图1-12 输入/输出应用实例仿真运行图第1节 单片机结构任务三单片机输入/输出端口2021/5/23191掌握单片机基本工作条件，用面包板搭建单片机基本工作电路。2设计简单的输入/输出电路，要求：一个开关作为输入设备，8个发光二极管作为输出设备。第1节 单片机结构思考与练习2021/5/2320第2节 单片机开发设计常用工具软件任务一 单片机仿真器 一、任务目标 学习单片机常用仿真器的使用。二、任务分析 单片机仿真器品种很多，仿真器的使用方法请参考相应的使用手册。2021/5/2321四、任务实施 1仿真器连接图1-14 仿真器的连接 第2节 单片机开发设计常用工具软件
11、任务一 单片机仿真器 2021/5/2322一、任务目标 掌握Keil软件在单片机仿真中的应用，为开发、调试单片机应用系统做准备。二、任务分析 Keil C51软件集成了文件编辑处理、编译连接、项目管理、窗口、工具引用和软件仿真调试等多种功能，是非常强大的C51开发工具，在Keil C51的仿真功能中，提供了两种仿真模式：软件模拟仿真和目标板调试。下面将通过一个实际项目的创建、编译及调试来学习Keil软件的使用。第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2323三、任务实施1启动Vision Vision2是一个标准的Windows应用程序，双击Keil
12、 Vision2图标即可启动，也可以选择“开始”“程序”Keil Vision2”命令来启动运行。其主界面如图1-28所示。 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2324图1-28 Vision2初次启动后的界面第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/23252创建一个项目并选择单片机 选择“Project”（项目）“New Project”（新建项目）命令，如图1-29所示，将弹出“Greate New Project”（新建项目）对话框，如图1-30所示 图1-29 “Project”菜单第2节 单片机
13、开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2326图1-30 建立项目文件第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2327 随后会弹出一个对话框，要求选择单片机的型号，如图1-31所示。在该对话框中显示了Vision2的器件数据库，从中可以根据使用的单片机来选择。 图1-31 选择单片机型号第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/23283创建一个新的源程序文件，并把这个源文件添加到项目中 单击工具栏中的新建文件图标（或选择“File”（文件）“New”（新建）命令），文件操作窗口即可
14、出现新建文件。保存该空白文件，单击工具栏中的保存图标（或选择“File”（文件）“Save”（保存）命令），弹出如图1-32所示的“Save as”（保存为）对话框，在“文件名”文本框中输入欲保存的文件名，保存时注意加上正确的后缀名。 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2329图1-32 保存源程序文件第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2330 单击Target 1前面的+号，然后在Source Group 1上单击鼠标右键，弹出快捷菜单，如图1-33所示。图1-33 添加文件到项目中 第2节 单片
15、机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2331 选择“Add Files to Group Source Group 1”（添加文件到项目）命令，弹出如图1-34所示的对话框。选中LED.ASM文件（注意选择文件类型），然后单击“Add”（添加）按钮，即可添加LED.ASM到项目中。 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2332图1-34 选择源程序文件第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/23334输入源程序:此时就可以输入源程序了，如图1-35所示。图1-35 输入源程
16、序第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/23345设置目标硬件的工具选项 程序编写完成后，还要对项目进行进一步的设置，以满足要求。 “Target”选项卡 如图1-36所示，其中“Xtal”后面的 数值是晶振频率值，默认值是所选目标CPU的最高可用频率值，该值与最终产生的目标代码无关，仅用于软件模拟调试时显示程序执行时间。 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2335图1-36 “Target”选项卡 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2336 “Outpu
17、t”选项卡 如图1-37所示，其中有多个选项，此处选择“Create HEX File”复选框用于生成可执行代码文件，该文件可以用编程器写入单片机芯片，文件的扩展名为.HEX，默认情况下该项未被选中，如果要写芯片做硬件实验，就必须选中该项。其余选项均取默认值，不做任何修改。 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2337图1-37 “Output”选项卡 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2338 “Debug”选项卡 如图1-38所示，该选项卡用于设置调试器，Keil提供了软件仿真和硬件仿真两种方式。
18、如果没有相应的硬件调试器，应选择左边的“Use Simulator”单选钮，其余设置一般不必更改。图1-38 “Debug”选项卡 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/23396编译项目并创建HEX文件 设置好项目参数后，即可进行编译、连接。选择“Project”（项目）“Build target”（连接工程）命令，对当前工程进行连接。如果当前文件已修改，将先对该文件进行编译，然后再连接以产生目标代码；如果选择“Rebuild All target files”（重新编译所有文件后再连接）将会对当前工程中的所有文件重新进行编译然后再连接，确保最终生
19、产的目标代码是最新的，而选择“Translate”（编译）命令则仅对当前文件进行编译，不进行连接。第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2340 以上操作也可以通过工具栏中的图标直接进行。如图1-39所示，从左到右的图标分别是：编译、编译连接、全部重建、停止编译和对工程进行设置。图1-39 工具栏中的编译工具第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2341 对源程序修改之后再次编译，最终要得到如图1-40所示的结果，提示0个错误，0个警告，该文件即可被编程器读入并写到AT89C51芯片中。同时还可看到，该程序
20、的内部RAM的使用量（data=8.0），外部RAM的使用量（xdata=0），代码量（code=13）等一些信息。 图1-40 编译成功后的输出信息第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/23427程序调试 进入调试状态后，“Debug”菜单中原来不能使用的命令现在已可以使用了，窗口中还多出一个用于运行和调试的工具栏，如图1-41所示。“Debug”菜单中的大部分命令可以在此找到对应的快捷按钮，从左到右的图标依次是复位、运行、暂停、单步、过程单步、执行完当前子程序、运行到当前行、下一状态、打开跟踪、观察跟踪、反汇编窗口、观察窗口、代码作用范围分析、1
21、串行窗口、内存窗口、性能分析和工具按钮。 图1-41 Debug工具栏第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 2021/5/2343下面介绍调试时的一些常用方法。（1）合理使用全速执行和单步执行 （2）合理使用断点（3）合理利用观察窗口分析程序 存储器窗口:存储器窗口能显示各种存储区的内容。第2节 单片机开发设计常用工具软件任务二 keil C51仿真软件 图1-42 存储器窗口2021/5/2344一、任务目标 掌握Proteus在单片机仿真中的应用，为开发、调试单片机应用系统做准备。二、任务分析 Proteus由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是电子
22、系统仿真平台，ARES是布线编辑软件。在不需要硬件设备投入的情况下，Proteus可以建立完整的模拟电子、数字电子及单片机应用的学习设计开发环境。这里主要介绍Proteus ISIS在仿真单片机应用系统中的应用。第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2345三、任务实施1编辑单片机应用系统原理图（1）创建新设计文件 启动Proteus软件，进入Proteus ISIS 编辑环境后，选择“File”“New Design”命令，弹出如图1-43所示的新设计模板选择对话框。第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2346
23、图1-43 新设计模板选择第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2347（2）保存新设计 选择“File”“Save Design”命令，选择合适的文件夹和文件名（例如LED），保存新设计。保存后，新设计文件名将显示在Proteus窗口的标题栏，如图1-44所示。也可以先画原理图，然后再保存新设计文件。第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2348图1-44 创建设计文件LED第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2349（3）提取元件 Proteus ISIS堤供了强大的搜
24、索元件的功能。选择“Library”“Pick Device/Symbol”命令，出现如图1-45所示的搜索元件对话框。第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2350图1-45 元件搜索对话框 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2351 根据元件预览区域的显示，双击你所需要的元件，则所选元件出现在原理图编辑环境的元件列表区中，如图1-46所示。用同样的方法找出原理图中需要的所有元件。图1-46 提取元件 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2352（4）放置元件 在元件
25、列表中用鼠标单击选中原理图中相关的元件后，在编辑区域单击鼠标左键放置元件。图1-47 放置元件 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2353（5）编辑元件 放置好元件后，用鼠标右键单击选中元件，再单击鼠标左键出现元件编辑对话框,如图1-48所示，可对元件的参考编号、电阻值等参数进行设置。图1-48 编辑元件对话框 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2354（6）连线、绘制原理图图1-49 LED原理图第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2355（7）电路仿真 Prot
26、eus可以对纯硬件电路仿真运行，以检查硬件电路是否正确，此时无需加载软件。只要在原理图编辑完成以后，选择“Debug”“Execute”命令即可进行电路仿真运行。 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2356图 1-50 硬 件 仿 真第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/23572程序编制及加载（1）编写程序并编译 用任务一中所介绍的伟福仿真器编辑源程序，并编译生成两个可执行目标文件，分别为LED.BIN及LED.HEX。（2）加载程序 在原理图中的单片机芯片上单击鼠标右键选中该芯片，再单击鼠标左键将出现编辑元
27、件对话框 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2358图1-51 加载程序第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/23593系统软、硬件仿真 将软件加载到单片机芯片上以后，选择“Debug”“Execute”命令对整个系统进行软、硬件全面仿真运行。当发光二极管满足其导通条件时，将改变颜色指示其导通发光.第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2360图1-52 系统仿真第2节 单片机开发设计常用工具软件任务三 仿真软件Proteus2021/5/2361一、任务目标 学习如何将
28、设计好的程序写入单片机芯片。二、任务分析 市面上用于将程序烧写至单片机芯片中的编程器很多，编程器的使用方法可参考其编程器使用手册进行操作。 第2节 单片机开发设计常用工具软件任务四 编程器2021/5/2362 要求掌握本章介绍的单片机开发设计工具的功能及应用，利用工具软件设计、调试单片机输入/输出电路。功能要求：当开关闭合时，输入为“0”，8个发光二极管4个亮4个灭；当开关断开时，输入为“1”，8个发光二极管亮灭状态交换。1设计好硬件和软件，用面包板制作硬件。2用伟福或Keil软件输入源程序，并编译生成可执行目标文件。进行软件仿真运行，观察运行过程中各有关寄存器状态的变化；进行硬件仿真运行，
29、观察运行结果。3用Proteus画出输入/输出电路原理图。先纯电路仿真运行，观察各有关输入/输出信号；加载软件后，整个系统仿真运行，观察运行结果。4用SUPERPRO将仿真调试好的程序烧写至单片机芯片。第2节 单片机开发设计常用工具软件思考与练习2021/5/2363第3节单片机开发设计流程一、任务目标 在理解了单片机的基本结构、工作原理并且掌握了相关单片机应用系统的开发调试工具后，通过一个简单应用实例，掌握单片机应用系统开发设计的流程和步骤。2021/5/2364第3节单片机开发设计流程二、任务分析 单片机应用系统的开发设计包括硬件和软件两部分。本任务将通过一个具体的实例，介绍单片机应用系统
30、的开发设计流程及具体步骤。通过本任务的学习，希望大家能够对单片机应用系统的开发设计有一个整体的认识，并掌握具体的开发设计方法和步骤。2021/5/2365三、相关知识 单片机应用系统的开发设计流程如图1-64所示。图1-64 单片机应用系统第3节单片机开发设计流程2021/5/2366四、任务实施1电路设计并仿真 根据要求设计出输入/输出应用电路，画好原理电路图，然后利用Proteus的纯电路仿真功能仿真运行。2制作应用系统的硬件 在电路仿真成功后，用万用面包板制作出输入/输出硬件电路。第3节单片机开发设计流程2021/5/2367图1-65 输入/输出电路第3节单片机开发设计流程2021/5
31、/23683软件设计 根据输入/输出应用系统的要求，编制好如下源程序： ORG 0000HSTART：JB P3.0, z1 ；输入为高电平则转 Z2：MOV P1,#55H ；输出55H信号，使二极管间隔点亮 SJMP START Z1：MOV P1,#00H ；输出全0信号，使二极管全部点亮 SJMP START END第3节单片机开发设计流程2021/5/23694仿真运行 软硬件均设计好后，可以用Proteus进行仿真，具体方法与步骤参照第2节任务三。也可以将伟福仿真器与设计好的硬件相连接，仿真运行，具体方法与步骤参照第2节任务一。观察运行结果，修改调试至结果正确为止。5软件下载 仿真
32、运行成功后，利用SUPERPRO将设计调试好的程序下载至目标单片机。第3节单片机开发设计流程2021/5/23706脱机运行 程序下载成功后，将单片机芯片插入电路中的单片机插座，脱机运行，如图1-66所示。图1-66 单片机输入/输出应用实例图第3节单片机开发设计流程2021/5/2371 要求熟练掌握单片机开发设计的整个流程。设计制作一个小型单片机应用系统，要求画出原理电路，制作出硬件电路，编制程序，仿真运行、调试修改，并将程序写入单片机芯片，最后脱机运行。 单片机应用系统要求：系统输入为一个开关，开关有接通和断开两种状态，接通时输入信号为“0”，断开为“1”；输出为8个发光二极管。若输入为“0”，要求发光二极管循环发光；若输入为“1”，要求发光二极管闪烁发光。 第3节单片机开发设计流程思考与练习2021/5/2372部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
