《单片机原理与应用设计》总结

单片机原理与应用设计单片机原理与应用设计 第一章第一章 单片机概述单片机概述 在一块半导体硅片上集成了中央处理单元 CPU 存储器 RAM ROM 和各种 I O 接口的集成电路芯片由于其具有一台微型计算机的属性 因而被称 为单片微型计算机 简称单片机 单片机主要应用于测试和控制领域 单片机的发展历史分为四个阶段 1974 1976 年是单片机初级阶段 1976 1978 年是低性能单片机阶段 1978 1983 年是高性能单片机阶段 期间 各公司的 8 位单片机迅速发展 1983 至现在是 8 位单片机巩固发展及 16 位 32 位单片机推出阶段 单片机的发展趋势将向大容量 高性能 外围电路内装 化等方面发展 单片机的发展非常迅速 其中 MCS 51 系列单片机应用非常广泛 而在众 多的 MCS 51 单片机及其各种增强型 扩展型的兼容机中 AT89C5x 系列 尤 其是 AT89C51 单片机成为 8 位单片机的主流芯片之一 第二章第二章 89C51 单片机的硬件结构单片机的硬件结构 89C51 单片机的功能部件组成如下 8 位微处理器 128B 数据存储器片外 最多可外扩 64KB 4KB 程序存储器 中断系统包括 5 个中断源 片内 2 个 16 位定时器计数器且具有 4 种工作方式 1 个全双工串行口 具有四种工作方式 4 个 8 位并行 I O 口及特殊功能寄存器 89C51 单片机的引脚分为电源及时钟引脚 控制引脚及 I O 口 电源为 5V 供电 P0 口为 8 位漏极开路双向 I O 口 字节地址 80H 位地址 80H 87H 可作为地址 数据复用口 用作与外部存储器的连接 输出低 8 位地址和输出 输 入 8 位数据 也可作为通用 I O 口 需外接上拉电阻 P1 P2 P3 为 8 位准双 向 I O 口 具有内部上拉 字节地址分别为 90H A0H B0H 其中 P0 P2 口 可作为系统的地址总线和数据总线口 P2 口作为地址输出线使用时可输出外部 存储器的的高 8 位地址 与 P0 口输出的低 8 位地址一起构成 16 位地址线 P1 是供用户使用的普通 I O 口 P3 口是双向功能端口 第二功能很重要 89C51 的 CPU 包括运算器和控制器 其中运算器包括 ALU 累加器 A 位 处理器 程序状态字寄存器 PSW 及两个暂存器 控制器包括程序计数器 指令 寄存器 指令译码器 定时及控制逻辑电路等 其主要任务是识别指令 并根 据指令的性质控制单片机个功能部件 89C51 的存储器空间分为程序存储器 内部数据存储器 特殊功能寄存器 位地址空间及外部数据寄存器 外部数据存储器与外扩的 I O 口统一编址 89C51 复位后程序存储器 PC 的内容为 0000H P0 P3 口为 FFH SP 为 07H 程序从 0000H 开始执行 5 个中断源的中断入口地址为 INT0 是 0003H T0 是 000BH INT1 是 0013H T1 是 001BH 串行口为 0023H 通常在这 5 个中 断入口地址处都存放一条跳转指令条向中断服务程序 89C51 的时钟信号有内部时钟方式和外部时钟方式两种 指令的执行是以 时钟周期为时序基准 12 个时钟周期为一个机器周期 第三章第三章 89C51 的指令系统的指令系统 89C51 的寻址方式有 7 种 1 寄存器寻址方式 即操作数在寄存器中 例如 MOV A Rn 2 直接寻址方式 指令中直接以单元地址的形式给出操作数 该单元地址中的 内容就是操作数 例如 MOV A 40H 3 寄存器间接寻址方式 寄存器中存放的是操作数的地址 为区别寄存器寻址 和寄存器间接寻址 在寄存器间接寻址方式中应在寄存器名称前面加前缀 例如 MOV A Ri i 0 或 1 4 立即寻址方式 即直接在指令中给出操作数 为与直接寻址中的直接地址加 以区别 在立即数前加 例如 MOV A 40H 5 基址寄存器加变址寄存器间接寻址 用于读程序存储器中的数据到累加器中 以 DPTR 或 PC 作为基址寄存器 以累加器 A 作变址寄存器并以两者内容相 加形成 16 位地址作为操作数的地址 例如 MOVC A A DPTR 6 位寻址方式 位寻址指令中可以直接使用位地址 例如 MOV C 40H 7 相对寻址方式 目的地址 转移指令所在地址 转移指令字节数 rel 其中 rel 是一个带符号的 8 位二进制数补码数 范围为 128 127 89C51 指令系统共 111 条指令 按功能分为 5 类 1 数据传送类 28 条 2 算术运算类 24 条 3 逻辑操作类 25 条 4 控制转移类 17 条 5 位操作类 17 条 第四章第四章 89C51 汇编语言程序的设计与调试汇编语言程序的设计与调试 汇编语言语句有两种类型 指令语句和伪指令语句 指令语句汇编产生指 令代码 伪指令语句是在汇编语言源程序中向汇编程序发出的指示信息 告诉 它如何完成汇编工作的 伪指令不产生相应的机器代码 汇编语言语句的四分段格式 标号字段 操作码字段 操作数字段 注释 字段 注 符号 用于表示该转移指令操作码所在地址 例如 JNB F0 常用伪指令 ORG 汇编起始地址命令 END 汇编终止命令 DB 定义字 节命令 DW 定义数据字命令 EQU 赋值命令 汇编语言程序设计步骤 1 分析问题确定算法 2 根据算法画程序框图 3 分配内存工作区及有关端口地址 4 编写程序 5 上机调试 汇编语言程序的基本结构分 顺序结构 分支结构 循环结构 子程序 中断服务子程序 各类程序设计简介 1 子程序 是一种能完成某一特定任务的程序段 注 1 子程序子程序第一条指令前必须有标号 2 两条子程序调用指令 绝对调用指令 ACALL addr11 长调用指令 LCALL adder16 3 子程序结构中必须用到堆栈 但现场保护与恢复不是必须的 4 子程序返回主程序最后一条指令必须是 RET 2 查表程序 查表就是根据自变量 x 在表格中寻找 y 使 y f x 两条查 表指令为 MOVC A A DPTR 和 MOVC A A PC 3 关键字查找程序 有两种 1 顺序检索 要检索的表是无序的 2 对分检索 要检索的数据表已排好序 按对分原则取数进行关键字比较 4 数据极值查找程序 在指定数据区中找出最大值或最小值 5 数据排序程序 将一批数按降序或升序排列 最常用的排序算法是冒泡 法 6 分支转移程序设计 分无条件分支转移和有条件分支转移 有条件分支 转移程序又分单分支选择结构和多分支选择结构 7 循环程序 分循环计数控制结构和条件控制结构 第五章第五章 89C51 的中断系统的中断系统 89C51 有 5 个中断请求源 具有两个中断优先级 可实现两级中断服务程 序嵌套 5 个中断源为 1 INT0 外部中断请求 0 2 INT1 外部中断请求 1 3 定时器 计数器 T0 计数溢出中断请求 4 定时器 计数器 T1 计数溢出中断请求 5 串行口中断请求 中断请求标志位分别有特殊功能寄存器 TCON 和 SCON 的相应位锁存 TCON 为定时器 计数器的控制寄存器 字节地址 88H 可位寻址 SCON 为串行口控制寄存器 字节地址 98H 可位寻址 IE 为中断允许寄存器 字节地址 A8H 可位寻址 IP 为中断优先级寄存器 字节地址 B8H 可位寻址 注 在同时收到几个 同一优先级的中断请求时 哪一个中断请求能优先得到响应取决于内部的查询 顺序 外部中断 0 中断级别最高 串行口中断级别最低 响应中断请求的条件 1 总中断允许打开 IE 1 2 该中断源发出中断请求 3 该中断源中断允许位 1 4 无同级或更高级中断正在被服务 在一个单一中断系统里 89C51 单片机对外部中断请求的响应时间在 3 8 个机器周期 外部中断请求有两种触发方式 电平触发方式和跳沿触发方式 负跳变 但跳沿触发方式 输入的负脉冲宽度至少要保持一个机器周期 中断响应的撤销 两个定时器计数器的中断请求及外部中断跳沿方式的请 求是自动撤销 电平触发的外部中断请求 其中断请求标志自动撤销 中断请 求信号的低电平需自己处理 串行口中断请求的撤销只能使用软件方法 第六章第六章 89C51 的定时器的定时器 计数器计数器 89C51 内有两个 16 位的硬件增 1 定时器 计数器 T0 T1 分别由特殊功能 寄存器 TH0 TL0 TH1 TL1 构成 都具有定时器 计数器两种工作模式及 四种工作方式 方式 0 3 其中特殊功能寄存器 TMOD 用于选择 T0 T1 的工 作模式和工作方式 TCON 用于控制 T0 T1 的启动和停止计数 同时包含 T0 T1 的状态 TMOD TCON 均由软件来设置 计数模式是对加在 T0 P3 4 和 T1 P3 5 两个引脚上的外部脉冲进行计数 定时模式是对单片机的时钟信号 经片内 12 分频后的脉冲计数 TMOD 字节地址 89H 不能位寻址 其中 M1 M0 为工作方式选择位 00 方式 0 为 13 位定时器 计数器 由 TLx 的低 5 位和 THx 的高 8 位构成 11 方 式 1 为 16 位定时器 计数器 10 方式 2 为 8 位自动重装定时器 计数器 11 方式 3 仅适用于 T0 此时 T0 分成两个 8 位计数器 TL0 TH0 T1 停止工作 TL0 可计数 定时 TH0 被固定为一个 8 位定时器 不能作为外部计数模式 注 T0 处于工作方式 3 时 T1 可定位方式 0 2 用来作为串行口的波特率 发生器 或不需要中断的场合 定时器 计数器工作于计数模式时 输入信号产生负跳变时计数值增 1 外 部输入的计数脉冲的最高频率为系统震荡器频率的 1 24 注 在读运行中的定时器 计数器的计数值时 应先读 THx 后读 TLx 再 读 THx 若两次读得的 THx 相同 则读得正确 第七章第七章 89C51 的串行口的串行口 89C51 单片机片内有一个可编程的全双工的异步通信串行口 它有两个物 理上独立的接收发送缓冲器 SBUF 共用同一个字节地址 99H 它有四种工作 方式 波特率可通过软件设置片内的定时器 计数器控制 串行口的控制寄存器 有两个 SCON PCON SCON 中的 SM0 SM1 两位为工作方式选择位 00 方式 0 同步移位寄存器方式 用于扩展 I O 口 01 方式 1 8 位异步收发 波特率可变 由定时器控制 10 方式 2 9 位异步收发 波特率为 fosc 64 或 fosc 32 11 方式 3 9 位一步收发 波特率可变 由定时器控制 PCON 中的 SMOD 位为波特率选择位 89C51 的串行口用于串行通信时要占用定时器 T1 作为波特率发生器 多个 89C51 单片机可利用串行口进行多机通信 串行口控制寄存器中的 SM2 位即为多机通信控制位 方式 2 和方式 3 中的第 9 位数据在多机通信和双 机通信奇偶校验中很重要 根据 89C51 的双机通信距离和抗干扰性的要求可选择 TTL 电平传输 或选 择 RS 232C RS 422A RS485 串行接口进行串行数据传输 第八章第八章 89C51 单片机扩展存储器的设计单片机扩展存储器的设计 89C51 采用的是程序存储器空间和数据存储器空间分开的哈弗结构 最大 可分别外扩 64KB 的存储空间 其中 I O 接口芯片中的寄存器也作为数据存储 器的一部分 要进行系统扩展首先要构造系统总线 按功能常把系统总线分为 3 组 地 址总线 数据总线 控制总线 以 P0 口作为低 8 位地址 数据总线 以 P2 口作 为高 8 位地址线 形成 16 位地址线 可寻址 64KB 范围 控制信号线有引脚 PSEN RD WR ALE EA 为使外扩存储器空间分配时一个存储器单元对应一个地址 实地址不发生 重叠以避免数据冲突就需要考虑存储器的地址空间分配问题 89C51 必须进行 两种选择 一是 片选 二是在片选基础上进行 单元选择 实现片选有两 种方法 线性选择法和地址译码法 常用译码芯片有 74LS138 3 8 译码器 74LS139 双 2 4 译码器 74LS154 4 16 译码器 在外扩存储器的接口设计 中 89C51 单片机与存储器的连接就是地址线与地址引脚 数据线与数据引脚 的连接 关键要做好控制线的连接 89C51 单片机 P0 口数据线和低八位地址线 为将它们分离出来须在单片机 外加地址锁存器 如 74LS373 74LS573 只读存储器简称 ROM 程序存储器的扩展使用比较多的是 EPROM EEPROM EPROM 的典型芯片是 27 系列产品 单片机系统常用 RAM 芯片的典型型号有 6616 6264 62128 62256 第九章第九章 89C51 扩展扩展 I O 接口的设计接口的设计 虽然 89C51 本身已有 4 个 I O 口 但是真正用作 I O 口线的只有 P1 的八位 I O 线及 P3 口的某些位线 在多数应用系统中 89C51 单片机都需要扩展 I O 口 89C51 扩展 I O 接口电路应满足以下要求 1 实现和不同外设的速度匹配 2 输出数据锁存 3 输入数据三态缓冲 每个 I O 接口中的端口都要有地址 常用 I O 端口编址方式有两种 独立编 址 统一编址 89C51 单片机使用的是统一编址 为实现和不同外设的速度匹配 I O 接口必须根据不同的外设选择恰当的 I O 数据传送方式 有三种 同步传送 异步传送 中断传送 目前常用的外围 I O 接口芯片有 82C55 81C55 82C55 具有 3 个 8 位的并行 I O 口 三种工作方式 可通过编程改变其功能 方式 0 基本输入 输出 方式 1 选通输入 输出 方式 2 双向传送 仅 PA 口 81C55 包含 256B 的 RAM 存储器 RAM 的存取时间为 400ns 两个可编程 的 8 位并行口 PA 和 PB 一个可编程的 6 位并行口 PC 以及一个 14 位的减 1 计数器 PA 和 PB 口可工作与基本输入 输出方式 同 82C55 的方式 0 或选通 输入 输出方式 同 82C55 的方式 1 81C55 有两种工作方式 存储器方式和 I O 方式 在 89C51 单片机系统中有时还需要使用廉价的 74LSTTL 芯片来扩展并行 I O 口 若串行口未被使用 使用串行口来扩展并行 I O 口也是一种较好的扩展 方案 第十章第十章 89C51 与键盘 显示器 拨盘 打印机的接口设计与键盘 显示器 拨盘 打印机的接口设计 大多数的单片机应用系统 都需要配置输入外设和输出外设 常用的输出 外设有 LED 显示器 LCD 显示器 打印机等 常用输入外设有键盘 BCD 码 拨盘等 LED 分共阳极和共阴极两种 为 8 段或七段 LED 显示器有两种工作方式 静态显示方式和动态显示方式 在单片机系统中常用的键盘有两种 机械式按键键盘和薄膜键盘 常用键 盘接口分两种 独立式键盘接口和行列式键盘接口 键盘的工作方式分三种 编程扫描方式 定时扫描方式 中断扫描方式 按键的确认一定要注意按键的 消抖 在单片机应用系统设计中 一般把键盘和显示器放在一起考虑 此时可利 用 I O 芯片 81C55 或 82C55 来实现 也可用专用可编程键盘 显示器接口电路芯 片 Intel 8279 和 HD7279A 8279 芯片是动态循环扫描显示方式 与 89C51 的接 口需要 8 位数据线 段驱动器 位驱动器 还需扩充译码器 HD7279 芯片可 同时驱动 8 个共阴极 LED 显示器和 64 键的矩阵键盘 也是采用动态循环扫描 显示方式 与 89C51 单片机间采用串行接口方式 仅占用 4 条口线 内部含有 译码器及驱动器 能自动消抖和识别键值 性能要优于 8279 芯片 LCD 显示器具有功耗低 抗干扰能力强等优点 按排列形状可分为 字段 型 点阵字符型 点阵图形型 在单片机应用系统中常用点阵字符型 LCD 显示 器 使用时必须有相应的 LCD 控制器 驱动器来对 LCD 进行扫描 驱动 还 要一定 空间的 RAM 和 ROM 来存储写入的命令和显示字符的点阵 在单片机应用系统设计中多使用微型点阵式打印机 常用的有 TPuP 40A 16A GP16 及 XLF 嵌入仪器面板上的汉字微型打印机 有时输入一些控 制参数使用数字拨盘简单方便 最方便的拨盘是十进制输入 BCD 码输出的 BCD 码拨盘 第十一章第十一章 89C51 单片机与单片机与 D A A D 转换器的接口转换器的接口 D A 为数模转换器 主要技术指标为分辨率 建立时间和精度 常用的 8 位 D A 转换器有 DAC0832 它具有两个输入数据寄存器 电流输出 建立时间 为 1us 可双缓冲输入 单缓冲输入或直接数字输入 单一电源供电 功耗为 20mW DAC0832 可以单 双极性电压输出 设计 89C51 与 DAC0832 的接口 电路时 常用单缓冲方式或双缓冲方式的单极性输出 当 8 位 DAC 的分辨率 不够用时 可以采用高于 8 位的 DAC 如 12 位分辨率的电压输出型 D A 转换 器 AD667 A D 为模数转换器 其种类很多 广泛应用于单片机应用系统的主要有 逐次比较型转换器 双积分型转换器 式转换器 主要技术指标为转换时 间和转换速率 分辨率 转换精度 常用的 8 位 A D 转换器 ADC0809 是一种逐 次比较型 8 路模拟输入 8 位数字量输出的 A D 转换器 ADC0809 虽有 8 路模拟 通道可以同时输入 8 路模拟信号 但每个瞬间只能转换一路 8 位 ADC 不够用 时可使用 12 位 A D 转换器 AD574A 它是 12 位逐次比较型 A D 转换器 转换时 间为 15us 转换精度 0 05 具有三态缓冲电路 片内有高精度的基准电压源 和时钟电路 所以 AD574A 可在不需要外加电路和时钟信号的情况下完成 A D 转 换 双击分型 ADC 由于两次积分时间比较长 所以 AD 转换速度慢 但精度可 以做的比较高 对周期变化的干扰信号积分为零 抗干扰性能较好 常用的有 三位半的双积分型 AD 转换器 MC14433 和四位半的双击分型 AD 转换器 ICL7135 第十二章第十二章 单片机的串行扩展技术单片机的串行扩展技术 目前 单片机系统中使用的串行扩展方式主要有 PHILIPS 公司的 I C 总线 DALLAS 公司的单总线 Motorola 公司的 SPI 串行外设接口 单总线