51单片机教程

江西环境工程职业学院机械与电子分院 张小波时 间： 2011年 9月51单片机原理及应用n第一讲 单片机结构及原理n第二讲 中断系统n第三讲 定时 /计数器n第四讲 串口通信n第五讲 工具软件介绍、流水灯实验51单片机原理及应用n什么是单片机n单片机能做什么 单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、 I/O接口电路，从而构成了 单芯片微型计算机，即单片机 。 单片机能做什么n 工 业 控制用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如 电 机 转 速控制、温度控制、自动 生 产线 等 。n 智能 仪 器 仪 表提高了 仪 器 仪 表的使用功能和精度，使 仪 器 仪 表智能化，同 时还简 化了 仪 器 仪 表的硬件 结 构。如各种 智能 电 气 测量 仪 表、智能 传 感器 等。n 机 电 一体化 产 品机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如 机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机 等。n 分布式系统的前端模块在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有 运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉 等一系列优点。n 家用电器家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具 等。1.2 单 片机的 发 展概况1.2.1 单 片机的 发 展 过 程单 片机技 术发 展 过 程可分 为 三个主要 阶 段： 单 芯片微机形成 阶 段 1976年， Intel公司推出了 MCS-48系列 单 片机 。 8位 CPU、 1K字 节 ROM、 64字 节 RAM、 27根I/O线 和 1个 8位定 时 /计 数器 。 特点是 ：存 储 器容量 较 小， 寻 址范 围 小（不大于 4K），无串行接口，指令系 统 功能不 强 。 性能完善提高阶段 1980年， Intel公司推出了 MCS-51系列单片机： 8位 CPU、 4K字节 ROM、 128字节RAM、 4个 8位并口、 1个全双工串行口、 2个 16位定时 /计数器。寻址范围 64K，并有控制功能较强的布尔处理器。 特点是 ：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在， MCS-51已成为公认的单片机经典机种 。 微控制器化阶段特点是 ：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器 ”的称谓更能反应单片机的本质 。1982年， Intel推出 MCS-96系列单片机。芯片内集成： 16位 CPU、 8K字节 ROM、 232字节 RAM、 5个 8位并口、 1个全双工串行口、 2个 16位定时 /计数器。寻址范围 64K。片上还有 8路 10位 ADC、 1路 PWM输出及高速 I/O部件等。1.2.2 单 片机 产 品近况 ATMEL公司融入 Flash存 储 器技 术 的 AT89系列； Philips公司的 80C51、 80C552系列；* 深圳宏晶科技有限公司的 STC89C/S系列 ； ADI公司的 ADC8xx 高精度 ADC系列； Maxim公司的 DS89C420高速（ 50MIPS） 系列； 80C51系列 单 片机 产 品繁多， 主流地位已 经 形成， 近年来推出的 与 80C51兼容 的主要产 品有：2-1 MCS-51单片机的组成2-2 MCS-51单片机的引脚及其功能2-3 MCS-51单片机的存储器配置2-4 振荡器与时钟电路及 CPU时序2-5 并行 I/O端口2-6 MCS-51单片机基本工作系统的组成MCS-51单片机结构原理 2-1 MCS-51单片机的组成与结构l8位中央处理单元 (CPU)l128B/256B的数据存储器 RAMl4KB/8KB的片内 ROM/EPROMl4个 8位并行 I/O口 P0-P3l2个定时器 /计数器l5个中断源l1个全双工的 UART（通用异步接收、发送器）l片内振荡与时钟产生电路1、 中央处理单元 CPU（ 8位）用于数据处理、位操作（位测试、置位、复位）2、 只读存储器 ROM（ 4KB或 8KB）用于永久性存储应用程序，掩膜 ROM、 EPROM、 EEPROM3、 随机存取存取器 RAM（ 128B/256B）用于程序运行中存储工作变量和数据用作系统总线、扩展外存、 I / O接口芯片4、 并行输入 /输出口 I/O（ 32线）5、 串行输入 /输出口 UART（二线）串行通信、扩展 I / O接口芯片6、 定时 /计数器 T/C(16位增量可编程）它与 CPU之间各自独立工作，当它计数满时向 CPU中断7、 时钟电路分为内部振荡器、外接振荡电路五源中断、两级优先，可编程进行控制8、 中断系统P0驱动器 P2驱动器P0锁存器 P2锁存器RAM地址寄存器128BRAM 4KBROMB寄存器 暂存器 1 暂存器 2 ACC SP程序地址寄存器 缓冲器PC增 1PCDPTR中断、串行口和定时器PSWP1锁存器P1驱动器P3锁存器P3驱动器定时控制指令寄存器指令译码器OSCALUP0.0-P0.7 P2.0-P2.7P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1 XTAL2PSENALEEARESET8051单片机单片机内部结构图内部结构图运算器存储器 I/O接口控制器中央处理器 (CPU) 包含 运算器 和 控制器 两部分（ 1） 8位的 ALU：（ 2） 8位累加器 ACC（ A）：（ 3） 8位寄存器 B：（ 4） 8位程序状态寄存器 PSW：（ 5）布尔处理器：（ 6） 2个 8位暂存器：运算器可对 4位（半字节），8位（单字节）和 16位（双字节）数据进行操作，数据来自两个暂存器。累加器，它是最繁忙的 8位特殊功能寄存器，用 A表示， ALU的运算结果存在此处。8位程序状态字寄存器，用于存放指令执行后的状态信息，供程序查询和判别。布尔操作器8位寄存器，在乘除运算时，用来存放另一个操作数，并存放一部分结果。（ 1）程 序计数器 (PC)（ 2）指令寄存器 (IR)（ 3） 指令译码器 (ID)（ 4）振荡器及定时与控制电路控制器中央处理器 (CPU) 控制器由两个 8位的计数器 (PCL,PCH)组成， PC存储将要执行的下一条指令的地址， 16位可容纳的最大数值为65535,为 64KB，因此， MCS-51可寻址 64KB的程序存储器。改变 PC内的值，就可改变程序执行的方向。16位程序计数器 -PC 由 PC内容指定的 ROM地址单元中取出的指令，经指令寄存器送至指令译码器进行译码，进而 CPU产生相应的控制信号，执行指令所规定的操作。指令存储器及指令译码器 MCS-51片内有振荡器 OSC，通过单片机的XTAL1,XTAL2连接片外的石英晶体及两个频率微调电容，产生单片机工作所需要的基本时钟 节拍。振荡器及定时控制电路 1、电源管脚：Vcc,Vss2、时钟电路管脚：XTAL1,XTAL23、控制信号脚：RST/VPD,ALE/PROGPSEN及 Vpp/EA4、 I/O管脚P0,P1,P2,P3 2-2 MCS-51单片机的引脚及其功能电源管脚 Vcc： 电源端，为 5V，允许电源有偏差；GND(VSS):地。注 ：为了防止电源脉冲对单片机的影响，一般在VCC和 GND之间接上一个 1uF的电容。时钟电路管脚 XTAL1： 芯片内部反相放大器输入端，使用外部振荡器时需接地。XTAL2: 芯片内部反相放大器输出端，使用外部振荡时接振荡器输 入的信号。 XTAL2XTAL1内部振荡方式XTAL2XTAL1外部振荡器外部振荡方式控制线 ALE/PROG ALE：地址锁存信号端，频率为晶体振荡器的 1/6正脉冲信号。当 CPU访问片外扩展存储器时，该信号作为锁存低8位地址的控制信号。PROG：当片内有 EPROM时，该管脚提供编程写入时的编程脉冲信号输入端。控制管脚 RST/VPD RST：复位信号输入端，高电平有效。保持两个机器周期以上，并变为低电平，单片机开始从 0000地址执行，即可完成单片机复位。单片机复位不改变片内 RAM的值 。VPD:备用电源。+5VRESET10uF控制管脚 PSEN PSEN：程序存储器允许输出信号端。在访问片外程序存储器时， CPU控制该端输出负脉冲作为外部存储器的选通信号，允许 CPU读出 EPROM中被选中单元中的指令码。该管脚一般连程序存储器的选通信号端 (OE)。控制管脚 EA/Vpp EA：外部程序存储器地址允许输入端 /固化编程电压输入端。程序存储器允许输出信号端。当 EA接高时，前 4KB或 8KB程序在单片机内，当 EA接地时，所有程序均在外存储器。Vpp:对单片机内程序存储器编程时施加的高电平输入端。 2-3 MCS-51单片机的存储器配置计算机存储结构：哈佛结构：程序存储与数据存储分开 单片机冯 .诺依曼结构：程序与数据存储在一起 通用计算机单片机的存储器结构（ ROM RAM）：ROM：常用于存放程序和需要长时间存放的数据，掉电不丢失 ;RAM：随时可读可写的存储器，掉电后数据立即丢失。00HFFH1、单片机的存储器结构 采用哈佛结构，存在 4个物理上相互独立的存储器空间：l 片内程序存储器 片外程序存储器l 片内数据存储器 片外数据存储器0FFFH0000H片内 4KROM0000HFFFFH片外64KROM片外64KRAM(I/O)0000HFFFFHSFR片内 RAM 7FH80H0FFFHEA引脚 =0访问片内与片外RAM靠指令区分MOV与 MOVXEA引脚 =12、单片机的程序存储器 常