单片机的原理和应用

1、第1 章 单片机的原理和应用1.1 概述单片机是一台能够工作的计算机要有这样几个部份构成：CPU （进行运算、控制）、RAM （数据存储）、ROM（程序存储） 、输入 /输出设备（例如：串行口、并行输出口等）。在个人计算机上这些部份被分成若干块芯片，安装一个称之为主板的印刷线路板上。而在单片机中，这些部份，全部被做到一块集成电路芯片中了， 所以就称为单片（单芯片）机，而且有一些单片机中除了上述部份外，还集成了其它部份如A/D，D/A 等。1.2 单片机的应用由于 MCS51 系列单片机具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，因此其应用相当广泛。一个MCS51系列的单片机（如 Atmel89cx

2、x ）内部包含有 RAM、 FLASH ROM 、两个或者三个 16位的定时器 /计数器、 一个通用异步串行通信控制器（ UART ）等多种资源。但即便如此，在一些相对复杂的单片机应用系统中， 仅仅一个单片机资源还是不够的，因此而常常需要扩充 I/O 接口、定时器 /计数器、串行通信接口、 RAM 、 ROM 等。采用通用的标准器件进行扩充是通常的做法，但将单片机本身作为一个通用的扩充器件来使用， 也不失为一个好的方法。在这种情况下，一个系统中就使用了两个或两个以上的单片机，而单片机之间就 要通过互连来进行数据通信。 MCS51 系列的单片机（以下简称单片机）都带有串口，利用串口进行互连通 信

3、极为方便，其各种连接方式在许多书籍和资料上都有介绍，在此不再重述。但如果系统要求扩充的资源 是对外连接的串口，或对相互之间的数据传送有一定的速度要求，则单片机的串口就不能用作系统内两单 片机的通信接口了。所幸的是，单片机的并行端口也能相互连接来进行数据通信。根据单片机端口内部结 构的特点，这些端口的端口线可以直接相连，从而使两单片机之间并行通信接口的实现不用另外的硬件电 路设备。基于这种情况，设计时，可根据不同的使用要求，来采用不同的并行连接方法。下面介绍在两个 单片机之间进行三种并行通信接口的实现方法。单片机的主要目的是为了应用，以下的一些例子就可以看出其广泛的应用。应用于工业的测控是单片

4、机的主要功能之一。单片机有丰富的 I/O 线，较大部分的这样的单片机都应用在汽车工业，使得汽车在局 部的处理中拥有更多的智能。在汽车的局部处理中，单片机加上传感器，再辅以固定的算法，就能够在驾 驶员不知不觉的情况下对车况进行调整。另外，随着单片机性能的增强，单片机也同样广泛应用在计算机 网络和通信技术中。 单片机已经无处不在，与我们生活更加相关并渗透入生活的方方面面。单片机的特点是小，也就是其集成 的特性， 其内部的结构是普通的计算机系统的简化。 在增加一些外围电路之后， 就能成为一个完整的系统。 比如，我们常用的一类电子秤，内部就安装了一块单片机，再加上传感器、显示器和一些附加电路，就形 成

5、了一个应用系统。所以单片机的可扩展性是相当好的。又比如 K85 这样的电脑中频电疗仪，能够从病人 身上获取数据，然后根据现有的算法从几种治疗处方中选择，而在每一种处方中还能够根据病人的病情而 改变中频和波形及输出电流强度。这样可以看出单片机本身也具有和普通计算机类似的强大的处理，可以 增加复杂的算法，获得很强的数据处理能力。单片机也可以应用在电脑缝纫机上，这样单片机可以替代很 多机械部分，还能提供很多老式的缝纫机无法实现的图案。所以单片机在工业中的应用，极大地提高了工 业设备的智能化，提高了处理能力和处理效率，而且无需占用很大的空间和复杂的设备。单片机已经为我们方便生产和生活发挥了巨大的作用，

6、在未来的社会主义工业化的建设中，单片机无疑 会发挥更大的作用的。1.3 MCS 51 系列单片机MCS51 是指由美国 INTEL 公司（对了，就是大名鼎鼎的 INTEL ）生产的一系列单片机的总称，这一系列 单片机包括了好些品种， 如8031 ，8051 ，8751 ，8032 ，8052 ，8752 等，其中 8051 是最早最典型的产品， 该系列其它单片机都是在 8051 的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用 8051 来称呼 MCS51 系列单片机， 而 8031 是前些年在我国最流行的单片机， 所以很多场合会看到 8031 的名称。 INTEL 公司将 MCS51

7、的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以 8051 为核心的单片机，当然， 功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中 89C51 就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美 国 ATMEL 公司开发生产的。以后我们将用 89C51 来完成一系列的实验。MCS-51 单片机芯片内部逻辑结构通过 MCS-51 单片机内部的逻辑结构图（书图2-2 ）掌握单片机内部的逻辑结构及各个部件的功能与特点。即：中央处理器（ CPU ）、内部数据存储器、内部程序存储器、定时器/计数器、并行 I/O 口、串行口、中断控制系统、时钟电路、位处理器、总线。MCS-51 单片机的内部存储器MCS-51

8、单片机芯片内部有数据存储器和程序存储器两类存储器，即所谓的内部 RAM 和内部 ROM 。 同学重点要掌握内部数据存储器的结构、用途、地址分配和使用特点。一是内部数据存储器的低 128 单元，它包括了寄存器区、位寻址区、用户 RAM 区，要掌握这些单元 的地址分配、作用等。二是内部数据存储器高128单元，这是为专用寄存器提供的，地址范围为80HFFH。所谓专用寄存器是区别于通用寄存器而言的，即这些寄存器的功能或用途已作了专门的规定，用于存放单片机相应部件 的控制命令、状态或数据等。MCS 51 结构框图第2章 程序总体设计2.1 定时器 /计数器的结构定时器 /计数器实质上是加法计数器 ,当它

9、对具有固定时间间隔的内部机器周期计数时,它是定时器 ;当它对外部分事件进行计数时 ,它是计数器 .时钟程序到了定时器的 T0 方式。定时器/计数器有4种工作方式，由TMOD设置，并由TCON控制.TMOD和TCON都发球特殊功能. 定时 /计数器的工作方式MCS-51单片机内部的定时/计数器，定时器T0特性功能寄存器TL0 （低8位）和TH0 （高8位）构成， 定时器 T1 由特性功能寄存器 TL1 （低 8 位）和 TH1 （高 8 位）构成。特殊功能寄存器 TMOD 控制定时寄 存器的工作方式， TCON 则用于控制定时器 T0 和 T1 的启动和停止计数，同时管理定时器 T0 和 T1

10、的溢 出标志等。程序开始时需对 TL0、TH0、TL1 和 TH1 进行初始化编程，以定义它们的工作方式和控制 T0 和 T1 的计数。MCS-51 的定时 /计数器共有四种工作方式分别是 :方式 0、方式 1、方式 2、方式 32.2 LED 数码管工作原理单片机I/O的应用最典型的是通过I/O 口与7段LED数码管构成显示电路，我们从常用的LED显示原理开 始，详尽讲解利用单片机驱动 LED 数码管的电路及编程原理。LED的发光原理，稍有电子技术基础的人士都很清楚，我们不想作过多的介绍，7段LED数码管，则在一定形状的绝缘材料上，利用单只 LED 组合排列成“ 8”字型的数码管，分别引出它

11、们的电极，点亮相应的 点划来显示出 0-9 的数字。LED 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，了解 LED 的这些特性，对编程是很重要的，因为 不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。右图是共阴和共阳极数码管的 内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。将多只 LED 的阴极连在一起即为共阴式，而将多只 LED 的阳极连在一起即为共阳式。以共阴式为例，如 把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED 的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将 "b"和"c "

12、段接上正电源，其它端接地或悬空，那么"b"和"c"段发光，此时，数码管显示将显示数字“ 1”。而将"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显 示“ 2”。2.3 程序要求利用 AT89C2051 接口电路，做成一个电子钟。该钟使用 T1 作 50ms 的定时中断。利用 2051 可实现对键盘 /显示器的自动扫描，以减轻 CPU 负担， 其有显示稳定、程序简单、 本实验利用芯 片实现显示扫描自动化。2051 操作命令字

13、较多，根据需要来灵活使用，通过本实验可初步熟悉使用方法。电子钟做成如下格式 :XX XX XX 由左向右分别为 : 时、分、秒。2.4 程序说明时钟的最小计时单位是秒，但使用单片机定时器来进行计时，若使用 6.0MHz 的晶振，即使按工作方式 1 工作，最大的计时时间也只能到 131ms，所以我们可把每个定时时间取 125ms，这样定时器溢出8次(125ms X8=1000ms )就得到最小的计时单位秒。而要实现8次计数用软件方法实现是轻而易举的。我们使用定时器 1 ，以工作方式 1 工作，定时器进行 125ms 定时。采用中断方法进行溢出次数的累计，当 计满 8 次即得到 1 秒的计时。一个

14、时钟的计时累加，要实现分、时的进位，要用到多种进制，秒、分、时中的进位是十进制，秒向分进 位和分想时进位却是六十进制，而每天又有十二小时制或二十四小时制，它们分别又是十二进制和二十四 进制。从秒到分和从分到小时可以通过软件累加和数值比较方法实现。在单片机的内部 RAM 中，需要设置显示缓冲区，显示的时、分、秒值是从显示缓冲区中取出的，在RAM中设置四个单元作为显示缓冲区，分别是 7AH 、7BH、7CH 。为使电路和原理叙述方便，我们这里不显示 秒值，秒的进位我们通过闪烁分值实现。这样我们一共有四位 LED 分别显示时和分值。同时时钟都需要校 准的。在程序中还需设置显示码表，要显示的数值通过查

15、表指令将显示用的真正码值送到LED 上。我们用单片机 AT89C2051 的 PP3.4 和 P3.5 两个 I/O 口外接微动开关来实现时和分的校正， 每按一次小时或分值 加1，连续按下数值累计下去，实现时钟的校准。2.5 程序的工作原理P1.0-1.7 采用倒灌方式驱动七段共阳数码管。 P3.0-3.3 驱动 4 个 PNP 三极管 2N2907 。 所示，第三个数码管旋转了 180 度， 这样第三个数码管的那个点和第二个数码管的那个点用来表示数字 时钟上的那两个点，它们每秒闪动一次。 P3.0-3.3 同时连接到四个微动开微动开关的另一脚连接到 P3.4 。在显示和键盘扫描期间，从 P3

16、.0 到 P3.3 轮替输出一个逻辑 0， 如果这时某个微动开关被按下， P3.4 将变成低电平。 P3.7 输出一路控制信号，可以通过一个 .第3章 程序分析 程序大体可分为三个部分：第一部分是定义部分、第二部分时钟调整部分、第三部分显示部分，首先显示 由一片 74164 驱动 4 位共阴数码管如下：DsDat-p1.4;DsClk-p1.5;Gw-p1.0;Sw-p1.1;Bw-p1.2;Qw-p1.3秒、分针分别存储在 30-31H 单元和 32-33H 单元，接下来是中断入口程序，定义 50MS 中断，下面是初 始化部分，在初始部分当中，首先要把时间清 0，再选择定时器的方式，和模式，

17、这里选择定时器方式 0， 模式选择模式 1 。最后启动定时器。主程序部分：提取秒数据 ,然后进行 10进制转换,得到十秒值 -得到秒值-得到十分值 -得到分值-显示 程序加1部分：反转闪动标志 加1秒60S=1MIN 加1分用二进制方式在 P0 口显示小时记录 50MS中 断=对应12MHZ, 20个50MS=1S,每1秒会闪动一次，秒单元加1次,60秒到，秒单元清0,分单元1,60分到, 分单元清 0, 小时单元加 1程序显示部分 ：重装 50MS 定时 74164 显示程序 ,使用 RS1=1,RS0=0 的 1 区 2003/4/19 保使用第一区工作 寄存器 ,然后取得数据 ,并提取字

18、模 ,接下来调用送出子程序 ,子程序送出之后调用显示1MS 延时程序 ,然后调用拼字程序 ,提取字模送出 ,显示 1MS 再提取字模送出显示 1MS .若标志=1 ，不显示小数点 ;若标志=0 显 示小数点，然后继续提取字模送出，显示1MS,完提取字模功能以后，返回调用，退出该循环，接下来程序是进行 字的拆分,先将一个字传送一个字节 8位,进行右移,完成之后, 送数据到数据口 ,这时送一时钟,显示管会显示 出时间延时程序部分 :显示延时 ;显示延时 -DS1MS: MOV R1,#10DS1LO: MOV R2,#100DJNZ R2,$DJNZ R1,DS1LORET ; 延时返回 下面是显示字表DB 3FH 06H 5BH 4FH 0 1 2 3DB 66H 66H 7DH 07H 4 5 6 7DB 7FH 6FH 77H 7CH 8 9 A BDB 39H 5EH 79H 71H C D E F总结在半年的学习中，我初步的掌握了这门