單片機應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)(C語言)課件：單片機硬件系統(tǒng)

單片機硬件系統(tǒng)任務(wù)1點亮最簡單的單片機系統(tǒng)

任務(wù)1點亮最簡單的單片機系統(tǒng)

1.任務(wù)目的通過利用單片機來控制LED發(fā)光二極管閃爍的電路制作，了解單片機和單片機最小系統(tǒng)，掌握簡單單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路搭建方法，了解單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程。2.任務(wù)要求能夠獨立完成實現(xiàn)LED發(fā)光二極管閃爍控制的簡單單片機應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路的制作，能嘗試把給定程序下載到單片機中去，觀察實現(xiàn)效果。3.硬件電路一個最簡單的單片機系統(tǒng)的開發(fā)也需要電路設(shè)計、單片機器件選擇和程序編寫3個步驟。對于單片機系統(tǒng)，最簡單的功能就是控制輸出電平的高低。本任務(wù)中將單片機系統(tǒng)接上一個發(fā)光二極管，用二極管的亮滅表示設(shè)計的單片機系統(tǒng)是否正常工作。單片機控制LED發(fā)光二極管閃爍系統(tǒng)的硬件電路如圖1.1所示，主要包括單片機、時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路以及一個發(fā)光二極管的輸出顯示電路。小提示：和發(fā)光二極管相連的電阻，不接是不行的，這個電阻起限流作用。一般發(fā)光二極管的額定電壓為1.5～1.8?V，工作電流為5～10?mA。選用5?V電源供電時，限流電阻值在500～1000?Ω左右。本例中我們選用了1?kΩ的電阻。當(dāng)然再大點或小點都可以，結(jié)果就是發(fā)光二極管會偏暗點或偏亮點。4.程序設(shè)計#include<reg51.h> //包含51單片機的寄存器符號定義頭文件reg51.hsbitP2_0=P2^0; //定義P2.0口位名稱voidmain() //主函數(shù){unsignedinti,j;while(1){P2_0=!P2_0; //對應(yīng)口線P2.0取反，控制對應(yīng)小燈的亮滅for(i=0;i<1000;i++)for(j=0;j<1000;j++); //雙重循環(huán)，實現(xiàn)延時約1s}小知識：#include<reg51.h>為文件包含。文件包含是指一個源文件可以將另外一個源文件的全部內(nèi)容包含進來，即將另外的文件包含到本文件之中。文件包含命令的一般格式為：#include<文件名>或#include“文件名”文件包含命令#include的功能是用指定文件的全部內(nèi)容替換該預(yù)處理行。文件包含命令#include通常放在C語言程序的開頭，被包含的文件一般是一些公用的宏定義和外部變量說明。

1.1單?片?機?簡?介

1.1.1單片機基本概念1.什么是單片機單片機是在一塊硅片上集成了微處理器(CPU)、存儲器以及各種輸入/輸出接口的芯片，如圖1.2所示，它具有了計算機的屬性，因而被稱為單片微型計算機，簡稱單片機。由于它的結(jié)構(gòu)和指令功能是按照工業(yè)控制要求設(shè)計的，故又稱為微控制器。通俗地說，單片機就是一塊集成芯片，只是它具有一些特殊的功能，這些功能的實現(xiàn)要靠使用者自己編程來完成。單片機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、控制功能強、可靠性高等優(yōu)點。2.單片機能做什么單片機是一種可通過編程控制的微控制器，單片機芯片自身不能單獨應(yīng)用于某個項目或產(chǎn)品上，必須靠外圍數(shù)字器件或模擬器件的配合才可發(fā)揮自身的強大功能。單片機屬于控制類的數(shù)字集成芯片，目前已在很多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如：(1)消費類電子產(chǎn)品。(2)智能儀器儀表。(3)工業(yè)自動化。(4)通信方面。(5)軍工領(lǐng)域的應(yīng)用。以上應(yīng)用中的電子器件內(nèi)部都用到了單片機，而且大多數(shù)電器內(nèi)部的主控芯片就是用單片機來控制實現(xiàn)的，可以說，凡是與控制或簡單計算有關(guān)的電子設(shè)備都可以用單片機來實現(xiàn)。3.單片機應(yīng)用系統(tǒng)組成單片機應(yīng)用系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成，如圖1.3所示，二者相互依賴，缺一不可。單片機硬件系統(tǒng)是以單片機芯片為核心，配以相關(guān)的外圍設(shè)備及接口電路構(gòu)成的；軟件在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，對其資源進行合理調(diào)配和使用，控制其按照一定的要求完成各種運算或動作，從而實現(xiàn)應(yīng)用所要求完成的任務(wù)。1.1.251單片機目前市面上以MCS-51系列8位單片機使用最為廣泛，本書以8051為例進行講解。1.常用51單片機芯片“8051”源自Intel公司的MCS-51系列芯片，但目前所采用的8051并不限于Intel公司所生產(chǎn)的芯片，而是以51為內(nèi)核擴展出的單片機，并且以其他廠商所發(fā)行的兼容芯片為主，如表1.1所示是不同國家的芯片廠商生產(chǎn)的以51為內(nèi)核的51單片機產(chǎn)品。2.單片機標(biāo)號信息如圖1.4所示為一芯片實物圖，芯片上的標(biāo)號為STC89C51RC40C-PDIP，下面以此為例來說明單片機芯片上的標(biāo)號信息。STC：前綴，表示芯片為STC公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，其他前綴還有如AT、i等。8：表示該芯片為8051內(nèi)核芯片。9：表示內(nèi)部含F(xiàn)lashE2PROM存儲器。C：表示該芯片為CMOS產(chǎn)品。5：固定不變。1：表示該芯片內(nèi)部程序存儲器存儲空間的大小。程序存儲器存儲空間大小決定了一個芯片所能裝入執(zhí)行代碼的多少。RC：表示STC單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(RAM隨機存儲器)為512B。40：表示芯片外部晶振頻率最高可接入40MHz。C：表示產(chǎn)品級別，表示芯片使用溫度范圍。PDIP：表示產(chǎn)品封裝型號為雙列直插式。小提示：一般來說，程序存儲器空間越大，芯片價格也就越高，所以在選擇芯片時要根據(jù)自己硬件設(shè)備實現(xiàn)功能所需代碼的大小來選擇價格合適的芯片。3.STC公司51系列單片機選型STC公司51系列單片機選型如表1.2所示。

1.2MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2.18051單片機的內(nèi)部基本組成標(biāo)準(zhǔn)8051的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。1.中央處理器(CPU)CPU是單片機芯片中最復(fù)雜、最核心的智能部件，完成運算和控制功能，它分為運算器和控制器兩部分。運算器主要實現(xiàn)算術(shù)運算以及控制程序計數(shù)器PC、8位累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器PSW等，能完成字節(jié)和位的運算，字節(jié)運算以可進行8位算術(shù)運算和邏輯運算的單元ALU為核心，位運算以可進行位運算的布爾處理機為核心?？刂破魇菃纹瑱C的神經(jīng)中樞，包括程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID等部件，主要實現(xiàn)程序譯碼以及完成輸入/輸出邏輯等。2.存儲器(1)程序存儲器ROM。(2)數(shù)據(jù)存儲器RAM。3.I/O口4.中斷系統(tǒng)5.定時/計數(shù)器6.串行口7.時鐘振蕩電路1.2.28051單片機的存儲器結(jié)構(gòu)8051在物理結(jié)構(gòu)上有四個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器，片外程序存儲器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。但從用戶角度上有三個存儲空間：片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB程序存儲器地址空間、256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間(其中高128?B離散地分布著21個特殊功能寄存器，低128B供用戶暫存中間數(shù)據(jù))、最大擴展64?KB片外數(shù)據(jù)存儲器。1.程序存儲器單片機的工作是按照事先編制好的程序按一定順序進行執(zhí)行的，程序存儲器(ROM)就是用來存放程序的。8051單片機程序存儲器的結(jié)構(gòu)如圖1.6所示，其內(nèi)部4?KB的ROM，片外可以擴展，實行片內(nèi)外統(tǒng)一編址，組成64?KB的程序存儲器區(qū)，采用16位程序計數(shù)器PC作為地址指針，其地址范圍為0000H～FFFFH。對于8051系列單片機而言，程序存儲器的某些地址單元被保留，用于特定的程序入口地址，用戶程序是不能占用這些地址單元的。如表1.3所示，其中一組特殊地址單元是0000H～0002H單元，單片機系統(tǒng)復(fù)位后，PC?=?0000H，單片機從0000H單元開始執(zhí)行；另一組特殊地址單元是0003H～002AH，這40個單元被分為5部分，作為單片機5個中斷源的中斷服務(wù)程序入口地址區(qū)。小提示：在單片機C語言程序設(shè)計中，用戶可以不必知道其真實地址，因而不必擔(dān)心，讀者只需了解程序存儲器的結(jié)構(gòu)即可。如中斷入口地址在具體編程時會用相應(yīng)中斷序號與之相對應(yīng)(具體內(nèi)容將在模塊4中詳述)，而不是直接用這些地址，編譯程序就會在編譯過程中按照規(guī)定自行安排程序的存放地址。2.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器8051單片機的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)為256?B，其結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。這256?B單元的地址空間分為兩部分，低128?B(00H～7FH)空間供用戶使用，是真正的通用型RAM區(qū)；而高128?B(80H～FFH)空間，是專門為特殊功能寄存器(SFR)保留的。1)低128?B的RAM低128?B的RAM按照用途從低地址到高地址劃分為工作寄存器組區(qū)、可位尋址區(qū)和緩沖區(qū)。(1)工作寄存器組區(qū)。從00H～1FH的32個地址為工作寄存器組區(qū)，共分為4組，分別為寄存器組0：00H～07H，寄存器組1：08H～0FH，寄存器組2：10H～17H，寄存器組3：18H～1FH。每個寄存器組都包含R0～R7這樣8個寄存器，而任意一個時刻只能使用其中一個寄存器組。寄存器組的切換由程序狀態(tài)字寄存器(PSW)中的RS1和RS0來決定，具體內(nèi)容將在其后特殊功能寄存器中詳述。用戶通過軟件編程修改PSW中的RS1和RS0兩位的狀態(tài)，就可以任意選擇一個工作寄存器工作，這使得8051單片機具有快速現(xiàn)場保護功能，對于提高程序的效率和響應(yīng)中斷的速度是很有利的。若程序不需要4個工作寄存器組，那么剩下的工作寄存器組所對應(yīng)的單元也可以作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用。(2)可位尋址區(qū)。從20H～2FH的16個字節(jié)存儲區(qū)為可位尋址區(qū)，每個字節(jié)有8位，共有128位，每一個位都有一個對應(yīng)的位地址。8051單片機通常訪問存儲器以字節(jié)為單位，“可位尋址”是指可以指定訪問某一個位。(3)緩沖區(qū)。從30H～7FH的80個字節(jié)地址為緩沖區(qū)，可以提供一般數(shù)據(jù)訪問或用作堆棧區(qū)。由于CPU復(fù)位后，堆棧指針SP指向07H位置，為了確保數(shù)據(jù)安全與程序的正確執(zhí)行，最好把堆棧指針改至本區(qū)。2)高128B的RAM高128B的RAM中離散地分布著21個SFR，每一個SFR都有字節(jié)地址，并定義了符號名，也有一部分SFR不僅具有字節(jié)地址，還具有位地址，表中帶“*”的SFR表示該SFR具有位地址，是可以進行位尋址的。在這128B中盡管還有許多空閑地址，但用戶不能使用。小提示：特殊功能寄存器就是8051內(nèi)部的裝置，若用匯編語言編寫程序，大家就必須確切地掌控這些寄存器。本書以C語言編寫程序，就不是那么重要了，其位地址的聲明放在KeilC所提供的“reg51.h”頭文件中，使用時只要把它包含到程序中即可，而不必記憶這些位地址。特殊功能寄存器專用于控制、管理單片機內(nèi)算術(shù)邏輯部件、并行I/O口鎖存器、中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器、串行口等功能模塊的工作，因而這21個特殊功能寄存器分為這樣五個部分：與CPU控制運算有關(guān)的有A、B、SP、PSW、DPTR；與I/O端口控制有關(guān)的有P0～P3；與中斷控制有關(guān)的有IE、IP；與定時/計數(shù)器控制有關(guān)的有TCON、TMOD、TH0、TL0、TH1、TL1；與串行口控制有關(guān)的有SCON、PCON、SBUF。下面對幾個常用的專用寄存器進行簡單介紹。(1)程序狀態(tài)字寄存器PSW。程序狀態(tài)字寄存器是一個8位寄存器，用來存放運算結(jié)果的一些特征，如有無進位、借位等，每位的具體含義：CY：進位標(biāo)志位，表示運算是否有進位(或借位)。如果運算結(jié)果在最高位有進位(加法)或者有借位(減法)，則該位為1，否則為0。AC：輔助進位標(biāo)志位，又稱半進位標(biāo)志，表示兩個8位數(shù)運算低四位是否有半進位，即低四位相加(或相減)是否有進位(或借位)，如有該位為1，否則為0。F0：由用戶使用的一個狀態(tài)標(biāo)志位，可用軟件來使它置1或清0，也可由軟件來測試它，以控制程序的流向。RS1、RS0：工作寄存器組選擇控制位，在匯編語言中這兩位用來在4組工作寄存器區(qū)中選擇哪一組為當(dāng)前工作寄存器組，其對應(yīng)關(guān)系如表1.6所示。OV：溢出標(biāo)志位，表示帶符號數(shù)的運算結(jié)果是否有溢出。P：奇偶標(biāo)志位，表示累加器ACC中1的個數(shù)奇偶性。(2)累加器ACC。ACC累加器提供CPU主要操作的位置，是CPU中使用頻率最高的特殊功能寄存器，CPU中的數(shù)據(jù)傳送大多數(shù)都通過它來完成。(3)堆棧指針SP。堆棧指針SP為8位專用寄存器。在CPU響應(yīng)中斷或調(diào)用子程序時，程序斷口16位PC便會自動壓入堆棧中；在中斷程序或子程序結(jié)束時，原PC值會自動彈出堆棧，使程序從原斷口處繼續(xù)順序執(zhí)行下去。堆棧除用于保護斷口地址外，有時還需要保護其他一些重要信息。堆棧在存取信息時必須按照“后進先出”或“先進后出”的原則。(4)數(shù)據(jù)指針DPTR。數(shù)據(jù)指針DPTR是16位專用寄存器，它也可拆成高字節(jié)DPH和低字節(jié)DPL兩個獨立的8位寄存器，主要用于存放16位地址。(5)程序計數(shù)器PC。PC是一個16位計數(shù)器，用于存放下一條將要執(zhí)行的指令的地址，尋址范圍為64KB。在讀取指令時，程序計數(shù)器PC將其保存的內(nèi)容作為所取指令的地址輸出給程序存儲器，然后程序存儲器按此地址將指令送出，同時程序計數(shù)器PC自身自動加1，指向下一條將要取出的指令的地址。3.片外數(shù)據(jù)存儲器8051單片機中的數(shù)據(jù)存儲器除內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器外，還可以擴展外部數(shù)據(jù)存儲器，最多可擴展64KB(0000H～FFFFH)，這兩部分數(shù)據(jù)存儲器可以并存。

1.38051單片機的信號引腳及最小系統(tǒng)

1.3.1信號引腳及功能8051單片機芯片采用雙列直插式封裝方式，共有40引腳，受集成電路芯片引腳數(shù)目的限制，許多引腳具有雙功能，其引腳排列如圖1.8所示，各引腳功能如表1.7所示。1.電源引腳電源引腳用于接入單片機的工作電源。2.時鐘引腳時鐘引腳XTAL1(19腳)、XTAL2(18腳)既可以利用內(nèi)部時鐘振蕩電路，也可以外接振蕩電路來給單片機提供時鐘控制信號。3.復(fù)位引腳RST/VPD(9腳)RST：復(fù)位信號引腳。對于8051來說，在單片機運行時，只要在此引腳加上超過兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位，此引腳具有復(fù)用功能。VPD：備用電源引腳。在掉電期間，可在此引腳上接備用電源，以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。4.控制引腳控制引腳包括、ALE、，給單片機提供控制信號，有的引腳具有復(fù)用功能。(1)(29腳)。：訪問外部程序存儲器的讀選通信號，接外部程序存儲器時，作讀指令信號輸出端。(2)?ALE/(30腳)。ALE：地址鎖存控制信號。系統(tǒng)擴展時，若ALE?=?1，P0被當(dāng)成地址總線；若ALE?=?0，P0被當(dāng)作數(shù)據(jù)總線。

：單片機在編程期間作為編程脈沖輸入端。單片機內(nèi)部有程序存儲器，其作用是用來存放用戶需要執(zhí)行的程序，寫好的程序可以通過編程脈沖輸入寫進程序存儲器中。(3)/VPP(31腳)。：訪問外部程序存儲器控制信號。=?0時，系統(tǒng)使用外部程序存儲器；=?1時，系統(tǒng)使用內(nèi)部程序存儲器。VPP：編程電源輸入端。在編程期間，在此引腳加入編程電源。5.I/O口引腳8051有四個I/O口，包括P0口、P1口、P2口、P3口(其結(jié)構(gòu)及應(yīng)用將在模塊3中詳細敘述)，每個I/O口都對應(yīng)8個引腳。P0口：P0.0～P0.7(39腳～32腳)，P1口：P1.0～P1.7(1腳～8腳)，P2口：P2.0～P2.7(21腳～28腳)，P3口：P3.0～P3.7(10腳～17腳)。它們用來連接單片機和外部設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出。1.3.2單片機的最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)電路是指單片機工作不可或缺的最基本連接電路。單片機最小系統(tǒng)電路框圖如圖1.9所示，主要包括4部分：單片機芯片本身、電源電路、時鐘振蕩電路、復(fù)位電路。1.電源電路要讓單片機工作就得讓它“吃飯”，沒有電路是不需要電源的，8051單片機電路也是一樣，將第40腳接?+5?V電源，第20腳接地即可。2.時鐘振蕩電路單片機本身就如同一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路必須在脈沖信號的統(tǒng)一指揮下才能工作。單片機必須按照一定的時鐘節(jié)拍進行工作，那么為單片機提供時鐘節(jié)拍信號的時鐘電路必不可少，它用來控制單片機的機器周期。芯片生產(chǎn)廠家一般都規(guī)定該芯片的晶振頻率范圍，用戶可以自行選擇相應(yīng)的外部晶振。1)時鐘電路連接方式單片機提供兩種振蕩電路連接方式：一種是內(nèi)部時鐘方式；另一種是外部時鐘方式。(1)內(nèi)部時鐘方式。8051單片機雖然內(nèi)部有時鐘振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件，如圖1.10所示。外接無源晶振以及電容C1、C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，為內(nèi)部時鐘方式。此時，通過XTAL1、XTAL2外接作為反饋元件的晶體與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個自激振蕩器，必須和單片機內(nèi)部時鐘電路連接才能輸出振蕩脈沖。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率。電容C1、C2可在5～30?pF之間選擇，電容的大小對振蕩頻率有微小的影響，可起到頻率微調(diào)作用。(2)外部時鐘方式。當(dāng)用戶選擇有源晶振時，則使用外部時鐘方式，如圖1.11所示。此時，有源晶振產(chǎn)生的振蕩信號直接輸入到XTAL2即可實現(xiàn)。2)?CPU時序時鐘脈沖是單片機的基本信號，不管是采用內(nèi)部的振蕩電路，還是外部時鐘脈沖產(chǎn)生電路提供的時鐘脈沖，這個時鐘將成為整個單片機系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。單片機在執(zhí)行指令時，通常將一條指令分解為若干個基本的操作，這些基本操作所對應(yīng)的脈沖信號在時間上的先后次序稱為單片機CPU的時序。要理解時序，首先要理解常用的概念。(1)振蕩周期：是指為單片機提供定時信號的振蕩源的周期或外部輸入時鐘的周期。(2)狀態(tài)周期：兩個振蕩周期為一個狀態(tài)周期，用S表示，它分為P1節(jié)拍和P2節(jié)拍，通常在P1節(jié)拍完成算術(shù)邏輯操作，在P2節(jié)拍完成內(nèi)部寄存器之間的傳送操作。(3)機器周期：就是單片機執(zhí)行一個基本規(guī)定操作所需要的時間。(4)指令周期：就是指CPU從讀取指令開始至該指令執(zhí)行完畢所需要的時間(即執(zhí)行一條指令所需要的時間)。不同的指令所需要的時間是不同的，指令周期一般由1～4個機器周期組成。3.復(fù)位電路通過某種方式，使單片機內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位。在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上加上超過兩個機器周期以上的高電平就可以實現(xiàn)復(fù)位，這需要靠外部電路來實現(xiàn)。1)復(fù)位方式復(fù)位分為上電復(fù)位、手動復(fù)位和混合復(fù)位三種方式。(1)上電復(fù)位。單片機接通電源時產(chǎn)生復(fù)位信號，因為在上電瞬間電容兩端電壓不能突變，所以在RST引腳出現(xiàn)高電平，從而使單片機復(fù)位，恢復(fù)單片機的初始工作狀態(tài)；由于該電路通過電阻接地，所以電容完成充電后，就通電阻R進行放電，調(diào)整電阻R和電容C的值可以改變充放電時間。適當(dāng)設(shè)置它們的值，即可實現(xiàn)有效復(fù)位。上電復(fù)位的缺點就是每次復(fù)位時都必須斷開電源。(2)手動復(fù)位。手動按鍵產(chǎn)生復(fù)位信號，當(dāng)按鍵按下時RST引腳接高電平，從而使單片機復(fù)位。按鍵松開后，單片機恢復(fù)正常狀態(tài)。通常在單