單片機(jī)技術(shù)實(shí)訓(xùn)

單片機(jī)原理與應(yīng)用主要內(nèi)容：

典型單片機(jī)（MCS-51,AT89S51,PIC,Motorola,AVR）的性能，MCS-51內(nèi)部結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、工作方式、時(shí)序和最小應(yīng)用系統(tǒng)。為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、利用單片機(jī)解決工程實(shí)際問題打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。重點(diǎn)在于基本概念、組成原理、特點(diǎn)及MCS-51的最小應(yīng)用系統(tǒng)，難點(diǎn)在于時(shí)序、ISP下載技術(shù)。預(yù)備知識：元器件實(shí)物圖單片機(jī)芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C2051通信芯片MAX232CPE時(shí)鐘芯片DS1302EEPROM24C02溫度傳感器18B20AD變換器0832穩(wěn)壓片78L05晶振電阻和排電阻瓷片小電容零壓力插座萬用焊接板儀器盒步進(jìn)電機(jī)液晶字符顯示屏液晶圖形點(diǎn)陣顯示屏撥動開關(guān)紅外遙控用發(fā)射接受一體管繼電器各類接插件遙控組件超聲波發(fā)射接受頭雙路遙控組件長距離遙控器3000－4000M8×8二極管點(diǎn)陣八段數(shù)碼管超聲波發(fā)射和接收一體化機(jī)能漢字顯示的顯示屏和實(shí)時(shí)時(shí)鐘板電子萬年歷學(xué)生實(shí)訓(xùn)成果展示

說明：

典型單片機(jī)有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Motorola、AVR等。MCS-51為主流產(chǎn)品，性能如表1.1.1。MSP430為低功耗產(chǎn)品，功能較強(qiáng)，性能如表1.1.2。EM78為低功耗產(chǎn)品，價(jià)格較低，性能如表1.1.3。PIC為低電壓、低功耗、大電流LCD驅(qū)動、低價(jià)格產(chǎn)品，性能如表1.1.4。Motorola是世界上最大的單片機(jī)生產(chǎn)廠家之一，品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品多。其特點(diǎn)是噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，比較適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。性能如表1.1.5。AVR為高速、低功耗產(chǎn)品，支持ISP、IAP，I/O口驅(qū)動能力較強(qiáng)。性能如表1.1.6。1.1典型單片機(jī)性能概覽

1.2MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及引腳

MCS-51系列單片機(jī)都是以Intel公司最早的典型產(chǎn)品8051為核心，增加了一定的功能部件后構(gòu)成的，因此，本章以8051為主介紹MCS-51系列單片機(jī)。

1.2.1MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機(jī)的組成：

CPU(進(jìn)行運(yùn)算、控制)、RAM(數(shù)據(jù)存儲器)、ROM(程序存儲器）、I/O口(串口、并口）、內(nèi)部總線和中斷系統(tǒng)等。組成框圖如下：內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：

組成：運(yùn)算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件：

（1）8位CPU。（2）布爾代數(shù)處理器，具有位尋址能力。（3）128B內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存儲器，21個(gè)專用寄存器。（4）4KB內(nèi)部掩膜ROM程序存儲器。（5）2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。（6）32個(gè)（4×8位）雙向可獨(dú)立尋址的I/O口。（7）1個(gè)全雙工UART（異步串行通信口）。（8）5個(gè)中斷源、兩級中斷優(yōu)先級的中斷控制器。（9）時(shí)鐘電路，外接晶振和電容可產(chǎn)生1.2MHz～12MHz的時(shí)鐘頻率。（10）外部程序/數(shù)據(jù)存儲器尋址空間均為64KB。（11）111條指令，大部分為單字節(jié)指令。（12）單一+5V電源供電，雙列直插40引腳DIP封裝。

1.中央處理器（CPU）（1）運(yùn)算器組成：8位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU（ArithmeticLogicUnit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器PSW（ProgramStatusWord）、8位暫存寄存器TMP1和TMP2等。功能：完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。（2）控制器組成：程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）、指令寄存器IR（InstructionRegister）、指令譯碼器ID（InstructionDecoder）、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、定時(shí)控制邏輯和振蕩器OSC等電路。功能：CPU根據(jù)PC中的地址將欲執(zhí)行指令的指令碼從存儲器中取出，存放在IR中，ID對IR中的指令碼進(jìn)行譯碼，定時(shí)控制邏輯在OSC配合下對ID譯碼后的信號進(jìn)行分時(shí)，以產(chǎn)生執(zhí)行本條指令所需的全部信號。MCS-51系列單片機(jī)配置一覽表系列片內(nèi)存儲器（字節(jié)）定時(shí)器計(jì)數(shù)器并行I/O串行I/O中斷源片內(nèi)ROM片內(nèi)RAM無有ROM有EPROMIntel51子系列803180C31805180C51(4K字節(jié))875187C51(4K字節(jié))128字節(jié)2x164x8位15Intel52子系列803280C32805280C52(8K字節(jié))875287C52(8K字節(jié))256字節(jié)3x164x8位16ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20條引腳DIP封裝）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40條引腳DIP封裝）128/2562/33215/62.存儲器

MCS-51的存儲器可分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器,又有片內(nèi)和片外之分。（1）程序存儲器

一般將只讀存儲器（ROM）用做程序存儲器?？蓪ぶ房臻g為64KB，用于存放用戶程序、數(shù)據(jù)和表格等信息。

MCS-51單片機(jī)按程序存儲器可分為內(nèi)部無ROM型（如8031）和內(nèi)部有ROM型（如8051）兩種，連接時(shí)引腳有區(qū)別。程序存儲器結(jié)構(gòu)如右圖所示：（2）數(shù)據(jù)存儲器

一般將隨機(jī)存儲器（RAM）用做數(shù)據(jù)存儲器?？蓪ぶ房臻g為64KB。MCS-51數(shù)據(jù)存儲器可分為片內(nèi)和片外兩部分。片外RAM：

最大范圍：0000H～FFFFH，64KB；用指令MOVX訪問。片內(nèi)RAM：

最大范圍：00H～FFH，256B；用指令MOV訪問。又分為兩部分：低128B（00～7FH）為真正的RAM區(qū)，高128B（80～FFH）為特殊功能寄存器（SFR）區(qū)。如右圖所示。

內(nèi)部RAM的20H～2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對它們的位進(jìn)行尋址。位地址為00H～7FH。CPU能直接尋址這些位（稱MCS-51具有布爾處理功能），位地址分配如右表所示。3．特殊功能寄存器

（SFR）

MCS-51有21個(gè)特殊功能寄存器（也稱為專用寄存器），包括算術(shù)運(yùn)算寄存器、指針寄存器、I/O口鎖存器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口、中斷、狀態(tài)、控制寄存器等，它們被離散地分布在內(nèi)部RAM的80H～FFH地址單元中（不包括PC），共占據(jù)了128個(gè)存儲單元，構(gòu)成了SFR存儲塊。其字節(jié)地址可被8整除的SFR可位尋址。SFR反映了MCS-51單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。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，又記做ACC，是一個(gè)最常用的專用寄存器。在算術(shù)/邏輯運(yùn)算中用于存放操作數(shù)或結(jié)果。（3）寄存器B

寄存器B是8位寄存器，是專門為乘除法指令設(shè)計(jì)的，也作通用寄存器用。（1）程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）

程序計(jì)數(shù)器PC在物理上是獨(dú)立的，它不屬于SFR存儲器塊。PC是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，專門用于存放CPU將要執(zhí)行的指令地址（即下一條指令的地址），尋址范圍為64KB，PC有自動加1功能，不可尋址，用戶無法對它進(jìn)行讀寫，但是可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以控制程序執(zhí)行的順序。表2-5工作寄存器組選擇控制表（4）工作寄存器

內(nèi)部RAM的工作寄存器區(qū)00H～1FH共32個(gè)字節(jié)被均勻地分成四個(gè)組（區(qū)），每個(gè)組（區(qū)）有8個(gè)寄存器，分別用R0～R7表示，稱為工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1還經(jīng)常用于間接尋址的地址指針。在程序中通過程序狀態(tài)字寄存器（PSW）第3、4位設(shè)置工作寄存器區(qū)。（5）程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）

程序狀態(tài)字PSW是8位寄存器，用于存放程序運(yùn)行的狀態(tài)信息，PSW中各位狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行的過程中自動形成的，但也可以由用戶根據(jù)需要采用傳送指令加以改變。其定義格式如下頁表所示。其中：Cy：進(jìn)借位標(biāo)志；AC：輔助進(jìn)借位標(biāo)志；

F0：用戶標(biāo)志；

RS1、RS0：工作寄存器組（區(qū)）選擇（如下表所示）；

OV：溢出標(biāo)志位，有溢出時(shí)置1；

P：奇偶標(biāo)志位。A中有奇數(shù)個(gè)1時(shí)置1。（6）數(shù)據(jù)指針DPTR（DataPointer）

數(shù)據(jù)指針DPTR是16位的專用寄存器，即可作為16位寄存器使用，也可作為兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器DPH（高8位）、DPL（低8位）使用。DPTR主要用作16位間址寄存器，訪問程序存儲器和片外數(shù)據(jù)寄存器。（7）堆棧指針SP（StackPointer）

堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是內(nèi)部RAM的一段區(qū)域。堆棧存取數(shù)據(jù)的原則是“后進(jìn)先出”。堆棧指針SP是一個(gè)8位寄存器，用于指示堆棧的棧頂，它決定了堆棧在內(nèi)部RAM中的物理位置。MCS-51單片機(jī)的堆棧地址向大的方向變化（與微機(jī)堆棧地址向小的方向變化相反）。系統(tǒng)復(fù)位后，SP初值為07H，實(shí)際應(yīng)用中通常根據(jù)需要在主程序開始處對堆棧指針SP進(jìn)行初始化，一般設(shè)置SP為60H。設(shè)立堆棧的目的是用于數(shù)據(jù)的暫存，中斷、子程序調(diào)用時(shí)斷點(diǎn)和現(xiàn)場的保護(hù)與恢復(fù)。（8）I/O口專用寄存器（P0,P1,P2,P3）

8051片內(nèi)有4個(gè)8位并行I/O接口P0,P1,P2和P3，在SFR中相應(yīng)有4個(gè)I/O口寄存器P0,P1,P2和P3。（9）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TL0,TH0,TL1和TH1）

MCS-51單片機(jī)中有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們由4個(gè)8位寄存器（TL0,TH0,TL1和TH1）組成，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是完全獨(dú)立的。可以單獨(dú)對這4個(gè)寄存器進(jìn)行尋址，但不能把T0和T1當(dāng)做16位寄存器來使用。（10）串行數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF）

串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用于存放需要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，它由兩個(gè)獨(dú)立的寄存器組成（發(fā)送緩沖器和接收緩沖器），要發(fā)送和接收的操作其實(shí)都是對串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF進(jìn)行的。（11）其他控制寄存器

除上述外，還有IP,IE,TCON,SCON和PCON等幾個(gè)寄存器，主要用于中斷、定時(shí)和串行口的控制，

I/O接口是MCS-51單片機(jī)對外部實(shí)現(xiàn)控制和信息交換的必經(jīng)之路，用于信息傳送過程中的速度匹配和增加它的負(fù)載能力。8051內(nèi)部有4個(gè)8位并行接口P0,P1,P2,P3，有1個(gè)全雙工的可編程串行I/O接口。

5．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

8051內(nèi)部有兩個(gè)16位可編程序的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，均為二進(jìn)制加1計(jì)數(shù)器，分別命名為T0和T1。T0和T1均有定時(shí)器和計(jì)數(shù)器兩種工作模式。在定時(shí)器模式下，T0和T1的計(jì)數(shù)脈沖可以由單片機(jī)時(shí)鐘脈沖經(jīng)12分頻后提供。在計(jì)數(shù)器模式下，T0和T1的計(jì)數(shù)脈沖可以從P3.4和P3.5引腳上輸入。對T0和T1的控制由定時(shí)器方式選擇寄存器TMOD和定時(shí)器控制寄存器TCON完成。

4．I/O接口6．中斷系統(tǒng)

中斷：指CPU暫停原程序執(zhí)行，轉(zhuǎn)而為外部設(shè)備服務(wù)（執(zhí)行中斷服務(wù)程序），并在服務(wù)完后返回到原程序執(zhí)行的過程。中斷系統(tǒng)：指能夠處理上述中斷過程所需要的硬件電路。

中斷源：指能產(chǎn)生中斷請求信號的源泉。8051可處理5個(gè)中斷源（2個(gè)外部，3個(gè)內(nèi)部）發(fā)出的中斷請求，并可對其進(jìn)行優(yōu)先權(quán)處理。外部中斷的請求信號可以從P3.2,P3.3（即和）引腳上輸入，有電平或邊沿兩種觸發(fā)方式；內(nèi)部中斷源有3個(gè)，2個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷源和1個(gè)串行口中斷源。8051的中斷系統(tǒng)主要由中斷允許控制器IE和中斷優(yōu)先級控制器IP等電路組成。1.2.2MCS-51單片機(jī)外部引腳

1．電源線

GND：接地引腳。

VCC：正電源引腳。接＋5V電源。

MCS-51系列單片機(jī)中，各類單片機(jī)都是相互兼容的，只是引腳功能略有差異。8051單片機(jī)有40個(gè)引腳，分為端口線、電源線和控制線三類。2．端口線

P0～P3口：4×8=32條。（1）P0口（P0.0～P0.7）8位雙向三態(tài)I/O口，可作為外部擴(kuò)展時(shí)的數(shù)據(jù)總線/低8位地址總線的分時(shí)復(fù)用口。又可作為通用I/O口，每個(gè)引腳可驅(qū)動8個(gè)TTL負(fù)載。對EPROM型芯片（如8751）進(jìn)行編程和校驗(yàn)時(shí)，P0口用于輸入/輸出數(shù)據(jù)。（2）P1口（P1.0～P1.7）

8位準(zhǔn)雙向I/O口，內(nèi)部具有上拉電阻，可作為通用I/O口。每個(gè)引腳可驅(qū)動4個(gè)TTL負(fù)載。（3）P2口（P2.0～P2.7）

8位準(zhǔn)雙向I/O口，內(nèi)部具有上拉電阻，可作為外部擴(kuò)展時(shí)的高8位地址總線。又可作為通用I/O口，每個(gè)引腳可驅(qū)動4個(gè)TTL負(fù)載。對EPROM型芯片（如8751）進(jìn)行編程和校驗(yàn)時(shí)，用來接收高8位地址。（4）P3口（P3.0～P3.7）

8位準(zhǔn)雙向I/O口，內(nèi)部具有上拉電阻。它是雙功能復(fù)用口，作為通用I/O口時(shí)，功能與P1口相同，常用第二功能。每個(gè)引腳可驅(qū)動4個(gè)TTL負(fù)載。作為第二功能使用時(shí)，各位的作用如下頁表所示。3．控制線

（1）RST/VPD

RST/VPD引腳是復(fù)位信號/備用電源線引腳。當(dāng)8051通電時(shí)，在RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。（2）ALE/

地址鎖存允許/編程引腳。當(dāng)訪問外部程序存儲器時(shí)，ALE的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，以便P0口實(shí)現(xiàn)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。當(dāng)不訪問外部程序存儲器時(shí)，ALE端將輸出一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號。ALE/是復(fù)用引腳，其第二功能是對EPROM型芯片（如8751）進(jìn)行編程和校驗(yàn)時(shí)，此引腳傳送52ms寬的負(fù)脈沖選通信號，程序計(jì)數(shù)器PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令碼放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。

（3）/VPP

允許訪問片外程序存儲器/編程電源引腳。對于片內(nèi)無程序存儲器的MCS-51單片機(jī)（如8031），必須接地。片內(nèi)有程序存儲器的MCS-51單片機(jī)（如8051），必須接高電平。

/VPP是復(fù)用引腳，其第二功能是片內(nèi)EPROM編程/校驗(yàn)時(shí)的電源線，在編程時(shí)，VPP腳需加上21V的編程電壓。

（4）XTAL1和XTAL2

XTAL1腳為片內(nèi)振蕩電路的輸入端，XTAL2腳為片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在XTAL1和XTAL2腳外接石英晶體（頻率為1.2～12MHz）和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10～30pF，典型值為30pF；另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將XTAL1接地，外部時(shí)鐘信號從XTAL2腳輸入，如下圖所示。

（5）

片外ROM選通線。在執(zhí)行訪問片外ROM的指令MOVC時(shí)，8051自動在引腳產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，用于對片外ROM的選通。其他情況下，該引腳均為高電平封鎖狀態(tài)。1.2.3當(dāng)前主流的AT89S51單片機(jī)簡介

AT89S51是什么?

書上和網(wǎng)絡(luò)教程上可都是8031、8051，89C51等！沒聽說過有89S51啊

？

這里，初學(xué)者要澄清單片機(jī)實(shí)際使用方面的一個(gè)產(chǎn)品概念，MCS-51單片機(jī)是美國INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，典型產(chǎn)品有8031（內(nèi)部沒有程序存儲器，實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）和8751等通用產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品（比如目前流行的89S51、已經(jīng)停產(chǎn)的89C51等），各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MCS-51單片機(jī)作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。

89S51相對于89C51增加的新功能包括：

--新增加很多功能，性能有了較大提升，價(jià)格卻基本不變，甚至比89C51更低！

--ISP在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢在于改寫單片機(jī)存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。

--工作頻率為33MHz，大家都知道89C51的極限工作頻率只有24M，就是說S51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。

--具有雙工UART串行通道。

--內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像89C51那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路。

--全新的加密算法，這使得對于89S51的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以有