第1章认识单片机

•教学要点•1.1项目一单片机实验电路制作•1.2知识链接返回第1章认识单片机第1章认识单片机•教学要点:•单片机的概念•单片机的功能•单片机的结构•单片机的最小系统•单片机的应用返回•1.1项目一单片机实验电路制作•项目设计要求:设计一个单片机实验电路，在单片机的最小系统下扩展显不电路、输入调试电路、AD转换电路、串行通信接口电路，并且带有下载功能，为方便今后调试、验证程序使用。第1章认识单片机下一页返回•1.最小系统•单片机的最小系统包括时钟、复位及电源电路，单片机的调试离不开计算机，可以采用计算机USB端口供电，为了避免实验电路短路影响计算机，在电路中加入保险，为了避免电源反接损害单片机，在电源电路中串接二极管，时钟电路选择12MHz，复位电路采用上电复位与按钮复位。•2.显示电路•显示电路选用8个LED发光二极管和4位LED数码管，发光二极管用以指示端口状态，数码管用以显示单片机的数据。第1章认识单片机上一页下一页返回•3.输入电路•选用8个按钮开关用以模拟开关量输入，由于单片机上电复位后各端口均是高电平，8个开关公共端接地，按钮按下相应位为0，否则为1•4.程序下载电路•为了方便学习与调试，实验电路选用具有在线编程功能的STC89C51单片机，在实验电路板上设计RS232接口芯片，通过RS232接口与计算机的COM端口连接，利用STC一ISP软件进行程序下载，该电路同时具有单片机与微型计算机通信功能。第1章认识单片机上一页下一页返回•5.AD转换电路•单片机在控制过程中需要获得被控设备的物理参量信息，这些参量由传感器转换后的电信号可能是数字信号，也可能是模拟信号，对于模拟信号，必须通过AD转换变换为单片机可以识别的数字信号，在本实验电路中选用TLC0831作为数模转换电路，用以读取外部的模拟参量。•6.其他辅助电路•单片机的并行端口驱动能力有限，为了能够适应大电流负载，选用ULN2803作为驱动扩展电路;在STCISP编程下载时，需要单片机断电，增加一个电源开关;为了灵活选配端口与负载，设计跳线插件。第1章认识单片机上一页下一页返回•1.1.2电路原理与印刷版电路设计•按照上述分析，查找相关器件资料，设计的原理电路如图1.1.1，用Protel软件输入原理电路图，在PCB电路导入网络表，按图1.1.2进行元件布局，采用双面电路板自动布线，适当调整后得到PCB印刷电路，焊接电路。第1章认识单片机上一页下一页返回•1.1.3电路调试•本实验电路焊接后基本能够正常工作，在SV供电的条件下，MAX232的②脚应该能得到近lOV的正电压，⑥脚能得到近lOV的负电压，MAX232的功能与电路参见第5章图5.2.10，对实验电路进行测试(1)用KeilC51软件编辑、编译以下程序，并生成可执行文件//1一1.c第1章认识单片机上一页下一页返回第1章认识单片机上一页下一页返回第1章认识单片机上一页下一页返回第1章认识单片机上一页下一页返回第1章认识单片机上一页下一页返回第1章认识单片机上一页下一页返回第1章认识单片机上一页下一页返回第1章认识单片机上一页下一页返回•(2)用STCISP软件下载程序到实验电路板打开STCISP软件，在MCUType栏选择单片机型号，在打开程序文件栏选择要下载的二进制或十六进制文件，操作界面如图1.1.3第1章认识单片机上一页下一页返回•(3)点击Download，开始与单片机尝试通信，如果实验电路板RS232正常，会出现握手正常，给MCU上电的提示，断开电源开关，重新闭合电源开关即可完成程序下载，下载完成后的界面如图1.1.4下载完成后实验板即开始工作。第1章认识单片机上一页返回•1.2知识链接•1.2.1单片机的基本概念•1.单片机的概念•单片机(SingleChipMicrocomputer)是将CPU、存储器、控制器、I/0接口电路等计算机主要构成部件集成在一块集成电路毖片上的微型计算机，通常也称为微控制器(MCU)单片机主要用于控制领域•2.单片机的优点•单片机具有功能强、集成度高、体积小、价格低、功耗小等优点•3.单片机的种类•(1)通用单片机:通用单片机的指令系统对用户开放，带有仿真调试接口用户可以修改程序存储器的内容，给用户留有开发空间。第1章认识单片机下一页返回•Intel公司的MCS一51、MCS一96系列;•Motorola公司的68HCS/08系列;•Microchip公司的PIC系列单片机;•Atmel公司的AVR系列单片机;•Freescal公司的ARM系列单片机;•凌阳公司的凌阳系列单片机;•宏晶科技公司的STC系列单片机•(2)专用单片机:具有特定功能与用途的微处理器，用户不能改变专用单片扫L的功能第1章认识单片机上一页下一页返回•1.2.2MCS一51单片机的结构与功能•1.MCS-51单片机的内部结构•MCS-51单片机由中央处理器(CPU)、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、中断系统、输入输出接口电路、串行通信接口等匕个部分组成，内部结构框图如图1.2.1所示。•(1)CPU是单片机的核心，CPU能够按照程序存储器的程序要求指挥单片机各部件协调工作，具有逻辑运算功能和逻辑判断功能，MCS一51单片机具有一个8位的CPU和一个16位的程序计数器(PC)第1章认识单片机上一页下一页返回•(2)程序存储器是存放用户程序的存储器，单片机在运行过程中只能读取程序存储器的内容(ReadOx街)，MCS-51单片机内部有4KB的程序存储器空间，用户可以扩展外部程序存储器，但MCS一51系列单片机最多只能访问64KB的程序存储器。•(3)数据存储器是用来存放临时数据的，是计算机的演算纸，单片机在运行过程中可以修改数据存储器的数据，当单片机掉电或复位时数据存储器的数据将丢失MCS-51单片机内部有128字节的数据存储器，用户可以扩展外部数据存储器，但MCS一51系列单片机最多只能访问64KB的数据存储器。第1章认识单片机上一页下一页返回•(4)输入输出端口是单片机与外界交流的通道，与外部电路进行数据交换，单片机通过输入输出端口读取外部电路的状态，控制外部电路的工作MCS-51单片机有四个8位的输入输出端口(PO一P3)•2.MCS-51系列单片机的系统资源•MCS一51系列单片机属于8位单片机，即每次操作的操作数为一个字节MCS-51系列单片机以8031为基础，设有并行输入输出端口、串行通信端口、定时计数器，两级中断优先级，各种常见型号的MCS-51单片机的内部资源如表1.2.1所示•3.MCS8051单片机的封装与引脚定义3•8051单片机有三种封装形式，其外形如图1.2.2所示第1章认识单片机上一页下一页返回•各引脚的功能如下•(1)电源引脚:VCC(40)CND(20)•(2)程序存储器选择引脚EAX31):如果EA引脚接地(CND)，全部程序均执行外部存储器如果EA接至VCC(电源+)，程序首先执行地址从0000H一OFFFH(4KB)内部程序存储器，再执行地址为1000H一EEEEH(60KB)的外部程序存储器•(3)时钟引脚xTAL1~9),xTAL2~s):外接时钟或时钟振荡器件•(4)外部扩展存储器控制引脚ALE和PSEN•(5)并行I/0端口引脚:四个并行端口32位引脚•(6)复位引脚RST(9)第1章认识单片机上一页下一页返回•1.2.351单片机的最小系统•电源、时钟电路与复位电路是单片机正常工作所必需的外围电路，单片机芯片和时钟、复位电路、电源构成了单片机的最小系统51单片机的最小系统硬件电路如图1.2.3所示。•1.时钟与时钟电路•时钟是用来控制单片机的各个组成部件按照一定的节拍同步工作，时钟频率越高，单片机的运行速度越快51系列单片机的时钟频率一般用6MHz或12MHz，单片机时钟频率的倒数叫时钟周期，外接时钟或时钟电路的晶体振荡频率就是单片机工作的时钟频率。•机器周期:MCS-51单片机执行指令所用的时间以机器周期为单位，12个时钟周期构成1个机器周期。第1章认识单片机上一页下一页返回•所以，当外接时钟电路的晶振频率为12MHz时机器周期为1μs，时钟为6MHz时机器周期为2μs。•2.复位与复位电路•复位的目的是使单片机及其他功能电路具有一个确定的初始状态，以便单片机能在这个确定的状态下开始工作。•当单片机上电或程序跑飞等情况下都需要复位，上电时的复位是自动复位有故障时的复位可能是手动复位，可能是通过外加电路自动复位•在MCS-51单片机中，当RST引脚持续两个机器周期的高电平就会复位典型的复位电路如图1.2.4所示。第1章认识单片机上一页下一页返回•当MCS一51单片机复位后，MCS一51单片机的部分特殊功能寄存器及复位后的状态如表1.2.2所示•1.2.4MCS一51单片机的指令系统•指令是计算机CPU能够识别并且控制CPU的功能部件完成某一特定动作的命令一种计算机的所有指令的集合称为该计算机的指令系统对每一条计算机指令，必须明确指令的三个内容:动作(操作)、参与操作的数据来源(源操作数)、指令执行后数据的去向(目的操作数)，对于特定的指令，源操作数、目的操作数在指令中不一定出现相应的指令格式如下:•单字节指令:操作码•双字节指令:操作码操作数1•三字节指令:操作码操作数1操作数2第1章认识单片机上一页下一页返回•MCS-51单片机的寻址方式•在单片机的指令中，操作数多存放在单片机的存储器中，寻找操作数的方式称为寻址方式MCS一51单片机使用了七种寻址方式:•(1)立即数寻址:参与操作的具体数直接出现在指令中，在指令中立即数前面必须加“#用“#lata”表示。•(2)寄存器寻址:参与操作的数据存放在寄存器中，在指令中出现的是寄存器的名字在51单片机中，寄存器指工作寄存器RO~R7,累加器A、通用寄存器B、地址寄存器DPTR等，在指令格式中，寄存器寻址用Rn标示，其他寄存器直接用寄存器名字。第1章认识单片机上一页下一页返回•(3)直接寻址:在指令中直接给出存放操作数的内存单兀地址，直接寻址包括内部RAM区和特殊功能寄存器(SFR)区。•(4)寄存器间接寻址:将操作数所在单兀的地址存放在寄存器中的寻址方式，指令中出现的是寄存器名字，为了与寄存器寻址区分，在寄存器间接寻址指令中，用“@寄存器名”标示寄存器间接寻址，51单片机可用于寄存器间接寻址的寄存器包括R0,R1和DPTR。•(5)变址寻址:存放操作数的存储器地址是基址寄存器和变址寄存器内容之和51单片机的变址寄存器是A，基址寄存器是PC或DPTR。•(6)相对寻址:以程序计数器PC的当前值与指令中的立即数之和作为跳转转移地址，跳转范围为127~128。第1章认识单片机上一页下一页返回•(7)位寻址:位寻址是操作的对象是单片机存储器中的1位，指令中出现的是操作位的直接地址。•2.MCS-51单片机的指令表•MCS一51单片机共有数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移、位操作五类111条指令，用单片机指令编写的程序叫汇编语言本书主要介绍用C语言编写51单片机程序的方法，在这里仅列出51单片机的指令表，指令格式、指令功能等见表1.2.3•表1.2.3中的符号标记意义如下:•#data8位立即数;•#data1616位立即数;•Rn工作寄存器RO一R7;第1章认识单片机上一页下一页返回•Ri工作寄存器RO一R1;•direct直接寻址方式;•()存储器中的内容，如果是目的操作数就是以()内内容作为目的地址;•AO一4A的低4位，即A0,A1、A2,A3。•Rel相对短跳转，g位带符号数相对寻址的范围，256字节寻址范围。第1章认识单片机上一页下一页返回•Addrll绝对短跳转或调用，11位二进制绝对寻址范围，2kB寻址范围。•addrl6绝对长跳转或调用，16位二进制绝对寻址范围，64KB寻址范围。•bit位直接寻址;•/bitbit位的非参与操作。第1章认识单片机上一页返回表1.2.3MCS-51单片机的指令表（1）返回下一页表1.2.3MCS-51单片机的指令表（2）下一页返回表