51单片机学习22(硬件设计)

第2章AT89C51单片机片内硬件结构2.1AT89C51单片机的硬件组成片内硬件结构如图2-1所示:片内功能部件如下：（1）微处理器（CPU）；1个8位微处理器及1个布尔处理器（2）数据存储器（RAM）；128B(128字节)（3）程序存储器（4KBE2PROM）；（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（5）1个全双工串行通信接口；(UART)（6）2个16位定时器/计数器；（7）中断系统；5个中断源，2个优先级的中断嵌套结构（8）特殊功能寄存器（SFR）。21个还有：片外存储器（64KB+64KB）扩展总线的控制电路。准双向P.9【硬件结构回顾】除电源、复位、时钟外都是I/O端，多数引脚为多功能复用/AD0/AD1/AD2/AD3/AD4/AD5/AD6/AD7/A15/A14/A13/A12/A11/A10/A9/A8图2-22.2AT89C51单片机的引脚介绍40只引脚双列直插封装（DIP）。+5V电源电源地逻辑地P.11【硬件结构回顾】P.26【硬件结构回顾】0000H7FH00H80HFFH0FFFH0FFFH0000H0000HEA0FFFFHSFRRAMEA1ROM4KBFFFFH64KBROMRAM64KB（I/O）RAM片内存储器1000H片外扩展存储器存储空间分布图①片内4KB，可片外扩展至64KB的程序存储器空间，地址为0000H～FFFFH②128B的片内数据存储器空间，地址范围为00H～7FH③21个特殊功能寄存器(SFR),在地址80H～FFH之间分布着21个SFR④可扩展的64KB的片外数据存储器空间，地址范围也为0000H～FFFFH。2.4AT89C51单片机存储器的结构Flash存储器片内数据存储器片内程序存储器片外程序存储器片外数据存储器21个SFR单元128个RAM单元【硬件结构回顾】2.4.2内部数据存储器空间(RAM:随机存取存储器，可读可写，断电丢失)128个单元，每单元8位即1字节(8b=1B)，字节地址为00H～7FH。R7..R0R7..R0R7..R0R7..R0由PSW中的RS1、RS0位选择四个区之一的8个单元兼作工作寄存器R0~R7使用RS1RS01110010007H...位地址...00H7FH...位地址...78H(共128个位)寄存器寻址Rn位地址bit（00H~7FH）直接地址direct寄存器间接寻址@Ri(00H~7FH)128个片内RAM字节单元(@R0、@R1)(R0~R7)■寻址方式：指令中指明操作数的方式P.16【硬件结构回顾】表2-4SFR的名称及其分布2.4.3特殊功能寄存器（SFR）(CPU寄存器及各接口电路控制寄存器)直接地址direct(80H...F0H)21个SFR字节单元符号指令中可用SFR名暂代其地址数据指针寄存器DPTR(16位)累加寄存器A乘除寄存器AB位地址bit（80H..F7H）字节地址为X0H或X8H的SFR可位寻址!符号指令中可用位名等暂代其位地址P.17√√√√√√累加器SFR名为ACC(SFR名)■寻址方式：指令中指明操作数的方式【硬件结构回顾】图8-2AT89C51单片机扩展的片外三总线P3.6/P3.7/片外程序存储器读选通信号P3.6/片外数据存储器写选通信号P3.7/片外数据存储器读选通信号74LS373GP.120写片外数据存储器单元：(输出数据到某I/O端口)MOVX@DPTR,A读片外数据存储器单元：(从某I/O端口输入数据)MOVXA,@DPTRDABDBCB【硬件结构回顾】AT89C51系统并行扩展结构如图8-1所示。P.119图8-164K×8bit=64KB161616888321按数据存储器空间扩展A0~A15D0~D7WRRDPSEN64K×8bit=64KB1682WRRD1682WRRD取指,MOVC指令MOVX指令MOVX指令【硬件结构回顾】【例8-3】采用译码器法扩展2片8KBEPROM，2片8KBRAM。EPROM选用2764，RAM选用6264。共扩展4片芯片。图8-21A15=0A14A136000H~7FFFH4000H~5FFFH2000H~3FFFH0000H~1FFFH8KB程存8KB程存8KB数存8KB数存P.136【全译码】8.5EPROM和RAM的综合扩展8.5.1综合扩展的硬件接口电路【硬件结构回顾】3.扩展可回读的8位并行输出接口：如：图9-2074LS244的数据输入端不接开关，改接到74LS273对应位的Q端则从74LS273输出的8位逻辑电平可从74LS244输入口回读8位可回读并行输出接口MOVDPTR,#0FEFFHMOVXA,@DPTR；读入8个输出端上电平值到A中回读FEFFH读入的不一定是锁存在273中的8位数据FEFFH地址分析：1111111011111111--FEFFH【硬件结构回顾】P2.0/A8FEFCHFEFEHFEFDH字段输出口‘0’对应段亮字位输出口‘1’对应位显示4X4键盘接口初始为输入实验板扩展82C55A(U3)驱动键盘显示电路U382C55A控制口FEFFH方式字:89H=10001001B地址分析：1111111011111100--FEFCHA口1111111011111101--FEFDHB口1111111011111110--FEFEHC口1111111011111111--FEFFH控制口【硬件结构回顾】实验板扩展82C55A(U5)驱动按键、开关及LED电路P2.1/A9FDFCHFDFEHFDFDH控制口FDFFH方式字:8BH=10001011BU582C55AP1口驱L0~L7L8~L15单按键PB0~PB7电平开关SW0~SW7地址分析：1111110111111100--FDFCHA口1111110111111101--FDFDHB口1111110111111110--FDFEHC口1111110111111111--FDFFH控制口L0~L7【硬件结构回顾】第13章AT89C51单片机应用系统的设计与调试P.23113.1AT89C51单片机应用系统的设计步骤设计一个单片机测控系统，一般可分为四个步骤：（1）需求分析，方案论证和总体设计需求分析:被测控参数的形式（电量、非电量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。方案论证:根据要求，设计出符合现场条件的软硬件方案，又要使系统简单、经济、可靠，这是进行方案论证与总体设计一贯坚持的原则。（2）器件选择，电路设计制作，数据处理算法，软件的编制阶段。（3）系统调试与性能测定。（4）文件编制。P.231文件包括：任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、性能测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料（流程图、子程序使用说明、地址分配、程序清单）、硬件资料（电原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注意事项）。文件不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维修以及进一步再设计的依据。因此，一定要精心编写，描述清楚，使数据及资料齐全。P.23113.2应用系统的硬件设计为使硬件设计尽可能合理，应重点考虑以下几点。1．尽可能采用功能强的芯片（1）单片机的选型。随着集成电路技术的飞速发展，许多外围部件都已集成在芯片内，本身就是一个系统，这样可以省去许多外围部件的扩展工作，设计工作大大简化。例如，美国Cygnal公司的C8051F0208位单片机，片内集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测、看门狗、多种类型的串行总线（两个UART、SPI）等。P.231（2）优先选用片内带有闪烁存储器的产品。例如，使用ATMEL公司的89C51/89C52/89C55，PHILIPS公司的89C58（内有32KB的闪烁存储器），可省去扩展单片机程序存储器的工作，减少芯片数量，缩小体积。（3）考虑EPROM空间和RAM空间。目前EPROM容量越来越大，一般尽量选用容量大的EPROM。89C51内部的RAM单元有限，当需增强软件数据处理功能时，往往觉得不足，这就要求系统配置外部RAM，如6264，62256芯片等。如果处理的数据量大，需要更大的数据存储器空间，可采用数据存储器芯片DS12887，其容量为256KB，内有锂电池保护，保存数据可达10年以上。P.232（4）对I/O端口的考虑。在样机研制出来进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题是不能单靠软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件设计之初就多设计出一些I/O端口，这些问题就会迎刃而解了。（5）预留A/D和D/A通道。和I/O端口同样的原因，留出一些A/D和D/A通道将来可能会解决大问题。P.2322．以软代硬原则上，只要软件能做到且能满足性能要求，就不用硬件。硬件多了不但增加成本，而且系统故障率也会提高。以软带硬的实质，是以时间换空间，软件执行过程需要消耗时间，因此这种代替带来的问题就是实时性下降。在实时性要求不高的场合，以软代硬是很合算的。3．工艺设计包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试、维修的方便。另外，硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。P.23213.3AT89C51单片机系统硬件设计首先介绍单片机应用系统设计时的地址空间分配和总线驱动问题，最后举一个应用系统设计的例子供读者参考。13.3.1应用系统设计中的地址空间分配与总线驱动系统往往是多芯片系统，这时要遇到两个问题：一是如何把64KB程序存储器和64KB数据存储器的空间分配给各个芯片；二是如何实现89C51单片机对多片芯片的驱动。1．地址空间分配图13-1是一个全地址译码的系统实例。各器件芯片所对应的地址如表13-1所示。P.231地址空间分配的两种方法：线选法和译码法。下面通过一个例子来说明如何解决这个问题。图13-1P.233P.233CBA13.4.2AT89C51的最小系统AT89C51内部有4KB闪烁存储器，芯片本身就是一个最小系统。在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用此种方案。这种最小系统简单、可靠。在用89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图13-6所示。本最小应用系统只能用作一些小型的数字量的测控单元。P.235图13-613.4.3应用设计举例-水温测控系统的设计水温控制是经常遇到的过程控制。下面介绍以89C51为核心的水温控制系统的设计。本系统采用3位LED显示器显示水温度，温度控制采用改进的PID数字控制算法。具有如下基本功能：（1）温度控制的设定范围为25-50℃，最小分辨率为0.1℃。（2）偏差≤0.6℃，静态误差≤0.4℃。（3）实时显示当前的温度值。（4）命令按键5个:复位键,功能转换键,加1键,减1键。P.2361.硬件电路设计硬件电路从功能模块上来划分有：•主机电路•数据采集电路•键盘、显示电路•控制执行电路（1）硬件功能结构框图P.236图13-7（2）数据采集电路的设计主机采用AT89C51，系统时钟采用12MHz，内部含有4K字节的闪烁存储器。无须外扩程序存储器。数据采集电路主要由温度传感器、A/D转换器、放大电路等组成，见图13-8。图13-8P.236（3）控制执行电路的设计由单片机的输出来控制风扇或电炉。设计中要采用光电耦合器进行强电和弱电的隔离，但还要考虑到输出信号要对可控硅进行触发，以便接通风扇或电炉电路。可控硅选用了既有光电隔离又有触发功能的MC3041。其中使用P1.0控制电炉电路，P1.1控制风扇电路，如图13-9所示。P.237图13-9P.237（4）键盘与显示器电路的设计键盘共有4个键，采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，当某个键按下时，低电平有效。4个键K1~K4的功能定义如表13-2所示。按键键名功能K1复位键使系统复位K