第1章51单片机绪论

1、重点与难点： 本章重点是让学生掌握单片机、单片机系统、单片机应用系统和单片机开发系统的概念；了解单片机的发展与特点；知道单片机开发需要的开发工具；教学基本要求： 通过对基本概念和单片机的发展与特点的介绍，使学生建立起对单片机和单片机应用系统的开发过程有全面的认识，激发学生学习单片机的学习信心和兴趣。 第第1 1章章 绪绪 论论 微型计算机包括有微处理器、存储器、输入/输出口、及其他功能部件，如定时/计数器、中断系统等。它们通过地址总线（ABAddress Bus）、数据总线（DBData Bus ）和控制总线（CBControl Bus ）连接起来，通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。

2、CPU中配置有指令系统，计算机系统中配有驻机监控程序、系统操作软件及用户应用软件。1.1单片机概述单片机概述1.1.1单片机单片机 单片机是将微型计算机的主要组成部分集成在一个芯片上的微型计算机（图1-1）。具体地说就是把中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等集成在一块芯片上的微型计算机。换一种说法，单片机就是不包括输入输出设备、不带外部设备的微型计算机，相当于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性，因此称它为单片微型计算机SCMC（Singl

3、e Chip Micro-Computer ），简称单片机。图1-1 单片机的系统结构单片机在应用时通常处于被控系统核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用。为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU（Embedded Micro-Controller Unit），在单片机的电路和结构中有许多嵌入式应用的特点。1.1.2 单片机和单片机系统单片机和单片机系统 单片机只是一个芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其他电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。 通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系

4、统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。 在单片机硬件的学习上，既要学习单片机，也要学习单片机系统，即单片机芯片内部的组成和原理，以及单片机系统的组成方法。1.1.3单片机应用系统和单片机开发系统单片机应用系统和单片机开发系统 单片机应用系统是为控制应用而设计的，该系统与控制对象结合在一起使用，是单片机开发应用的成果。但由于软硬件资源所限，单片机系统本身不能实现自我开发，要进行系统开发设计，必须使用专门的单片机开发系统。 单片机开发系统是单片机系统开发调试的工具。早期，逻辑分析仪；现在，在线仿真器ICE（In Circuit Emulator），如：DICE、

5、SICE、DP-852、KDC-51、SBC-51、EUDS-51，PC单片机开发系统，单片机仿真软件Proteus等。1.1.4单片机的程序设计语言和软件单片机的程序设计语言和软件 单片机程序设计语言和软件，主要是指在开发系统中使用的语言和软件。在单片机开发系统中使用机器语言、汇编语言和高级语言，而在单片机应用系统中只使用机器语言。 机器语言是用二进制代码表示的单片机指令，用机器语言构成的程序称之为目标程序。汇编语言是用符号表示的指令，汇编语言是对机器语言的改进，是单片机最常用的程序设计语言。虽然机器语言和汇编语言都是高效的计算机语言，但它们都是面向机器的低级语言，不便记忆和使用，且与单片机

6、硬件关系密切，这就要求程序设计人员必须精通单片机的硬件系统和指令系统。 单片机也开始尝试使用高级语言，其中编译型语言有PL、M5l、C-5l、C、MBASIC-51等，解释型的有MBASIC和MBASIC-52等。 单片机程序设计有其复杂的一面，因为编写单片机程序主要使用汇编语言，使用起来有一定的难度，而且由于单片机应用范围广泛，面对多种多样的控制对象和系统，很少有现成的程序可供借鉴，这与微型机在数值计算和数据处理等应用领域中有许多成熟的经典程序可供直接调用或模仿有很大的不同。1.2 单片机的发展单片机的发展 1971年，微处理器研制成功不久，就出现了单片的微型计算机，即单片机，但最早的单片机

7、是1位的。 1975年，德克萨斯仪器公司发明了世界上第一个4位单片机TMS-1000。 1976年，Intel公司推出了8位的MCS-48系列单片机。 以后，一些大型微电子公司竞相研制开发了各种单片机系列产品。包括4位、8位、16位、32位4大类单片机。 8位机又一直为主流产品。据专家预计，在未来的十余年内，8位机将仍然保持主流产品的地位。 世界一些著名的单片机制造公司及其研制生产的4位、8位和16位单片机产品系列型号。如：MCS-51是一个单片机系列产品，具有多种芯片型号。除MCS-51系列单片机较多外，还有一些其他类型的单片机也在使用，主要有Motorola公司的单片机芯片。1.3 单片机

8、的应用单片机的应用1.3.1学习单片机应用的目的及必要性学习单片机应用的目的及必要性 单片机的学习与常用的TTL、CMOS数字集成电路相比掌握起来不太容易，这是由于单片机具有智能化功能，不光要学习其硬件还要学习其软件，而且软件设计需要有一定的创造性。 单片机技术的发展速度也十分惊人。时至今日，单片机技术已经发展得相当完善，它已成为计算机技术的一个独特而又重要的分支。单片机的应用领域也日益广泛，特别是在电信、家用电器、工业控制、仪器仪表、汽车电子等领域的智能化方面，扮演着极其重要的角色。 现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机应用系统（简称嵌入式系统，Embedded System ），而单片机就

9、是最典型、最广泛、最普及的嵌入式计算机应用系统。 学习单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。 现代电子系统完成的许多功能是通过存储程序控制（Stored Program Control）实现的，也就是控制功能是通过计算机执行预先存储在存储器中的程序来实现的。如果想要给系统增加功能或者改进性能，只需要改写程序（即软件）即可轻而易举地达到目的，非常灵活。 1.3.2单片机的应用特点单片机的应用特点单片机的特点很多，我们仅从应用的角度讨论如下几个方面。1.3.2.1 控制系统在线应用控制系统在线应

10、用 在线控制应用中由于单片机与控制对象联系密切，所以不但对单片机的性能要求高，而且对设计者的要求也很高，他们不但要熟练掌握单片机，而且还要了解控制对象，懂得传感技术，具有一定的控制理论知识等。1.3.2.2 软硬件结合软硬件结合 虽然单片机的引入使控制系统大大“软化”，但与其他计算机应用问题相比，单片机控制应用中的硬件内容仍然较多，所以说单片机控制应用有软硬件相结合的特点。为此，在单片机的应用设计中需要软、硬件统筹考虑，设计者不但要熟练掌握汇编语言的编程技术，而且还要具备较扎实的单片机硬件方面的理论和实践知识。1.3.2.3 应用现场环境恶劣应用现场环境恶劣 通常单片机应用现场的环境比较恶劣，

11、电磁干扰、电源波动、冲击震动、高低温等因素都会影响系统工作的稳定性。此外，无人值守环境也会对单片机系统的稳定性和可靠性提出更高的要求。所以稳定和可靠在单片机的应用中具有格外重要的意义。 1.3.3 单片机的应用领域单片机的应用领域 提到单片机的应用，有人这样说：“凡是能想到的地方，单片机都可以用得上。”这并不夸张。由于全世界单片机的年产量以亿计，应用范围之广，花样之多，一时难以详述，这里仅列举一些典型的应用领域或场合供读者参考： 1、电信 2、家用电器 3、计算机外围设备 4、办公自动化 5、工业控制 6、商用电子 7、玩具 8、仪器仪表 9、汽车电子 10、军用电子。1.4 仿真工具仿真工具

12、Proteus应用应用 Proteus是电路分析与实物仿真软件（ISIS和ARES），是英国Labcenter Electronics Ltd. 开发的，他提供原理图绘制、单片机系统仿真与PCB设计等功能（部分功能类似于Multisim软件），可仿真多种MCU，如51、AVR，PIC，MSP，ARM等；另外还可仿真许多电子元件，如阻容元件、开关、晶体管、集成电路、液晶显示器等；他也提供多种调试虚拟仪器，如示波器、信号源等。1.4.1 软件打开软件打开 双击桌面上的ISIS 7 Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”“程序”“Proteus 7 Professional” “I

13、SIS 7 Professional”，出现如图1-2所示界面，随后就进入了Proteus ISIS集成环境。图1-2 启动时的界面1.4.2 工作界面Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图1-3所示。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。图1-3 Proteus ISIS的工作界面1.4.3 数字电压表实例设计图1-4 数字电压表实例图1-5 添加元器件将所需元器件加入到对象选择器窗口。Picking Components into the Schem

14、atic单击对象选择器按钮 ，如图1-5所示。 弹出“Pick Devices”页面，在“Keywords”输入AT89C，系统在对象库中进行搜索查找，并将搜索结果显示在“Results”中，如图1-6所示。图1-6 搜索查找元器件 在“Results”栏中的列表项中，双击“AT89C51”，则可将“AT89C51”添加至对象选择器窗口。 接着在“Keywords”栏中重新输入LCD，如图所示。双击“LM016L”，则可将“LM016”(LCD显示器)添加至对象选择器窗口，使用同样的方法，把RES电阻添加至对象选择器窗口。 经过以上操作，在对象选择器窗口中，已有了AT89C51、LM016L、

15、RES三个元器件对象，若单击AT89C51，在预览窗口中，见到AT89C51的实物图，单击其他两个器件，都能浏览到实物图。此时，我们已注意到在绘图工具栏中的元器件按钮 处于选中状态。 放置元器件至图形编辑窗口Placing Components onto the Schematic 在对象选择器窗口中，选中AT89C51，将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放位置、单击鼠标左键，该对象被完成放置，如图1-7所示。同理，将LM016L和RES放置到图形编辑窗口中。 若对象位置需要移动，将鼠标移到该对象上，单击鼠标右键，此时我们已经注意到，该对象的颜色已变至红色，表明该对象已被选中，按下鼠标左键，拖动

16、鼠标，将对象移至新位置后，松开鼠标，完成移动操作。图1-7 放置到图形编辑窗口放置总线至图形编辑窗口单击绘图工具栏中的总线按钮 ，使之处于选中状态。将鼠标置于图形编辑窗口，单击鼠标左键，确定总线的起始位置；移动鼠标，屏幕出现粉红色细直线，找到总线的终了位置，单击鼠标左键，再单击鼠标右键，以表示确认并结束画总线操作。此后，粉红色细直线被蓝色的粗直线所替代，如图1-4蓝色线所示。元器件之间的连线Wiring Up Components on the SchematicProteus的智能化可以在你想要画线的时候进行自动检测。下面，我们来操作将电阻R1的上端连接到U1单片机的9脚端。当鼠标的指针靠近

17、R1上端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“”号，表明找到了R1的连接点，单击鼠标左键，移动鼠标(不用拖动鼠标)，将鼠标的指针靠近U1的9脚端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“”号，表明找到了U1的连接点，同时屏幕上出现了粉红色的连接，单击鼠标左键，粉红色的连接线变成了深绿色，那么，就完成了本次连线。 Proteus具有线路自动路径功能(简称WAR)，当选中两个连接点后，WAR将选择一个合适的路径连线。WAR可通过使用标准工具栏里的“WAR”命令按钮 来关闭或打开，也可以在菜单栏的“Tools”下找到这个图标。 同理，我们可以完成其它连线。在此过程的任何时刻，都可以按ESC键或者单击

18、鼠标的右键来放弃画线。元器件与总线连接 单击绘图工具栏中的导线标签按钮 ，使之处于选中状态。将鼠标置于图形编辑窗口的元件的一端，移动鼠标，然后连接到总线上，在接着移动鼠标到元件与总线连接线上的某一点，将会出现一个“”号，如1-8图所示。表明找到了可以标注的导线，单击鼠标左键，弹出编辑导线标签窗口，如图1-9所示。 在“string”栏中，输入标签名称(如P2.7)，单击“OK”按钮，结束对该导线的标签标定。同理，可以标注其它导线的标签，完成连线之后如图1-4所示。图1-8 元器件与总线的连接注意，在标定导线标签的过程中，相互接通的导线必须标注相同的标签名。我们知道，具有相同的标号，电气是连接的

19、，这一点在protel绘制原理图时，体现得尤为明显。图1-9 导线标签窗口 1.5单片机下载器软件使用1.5.1 AT89S51单片机下载器软件使用 AT89S51单片机下载器是专门用于下载程序到单片机系统中，该软件使用方便，启动软件之后进入下面的界面：图1-10下面的界面图在图1-10中：1.区域1为程序代码显示区。2.区域2为下载芯片选择区，该软件支持多种芯片的程序在线下载，对系统板上的单片机AT89S51是其中一种，软件默认情况下为AT89S51单片机。3.区域3为在线下载的操作区，它可以提供如下的操作：初始化：启动AT89S51单片机进入ISP下载状态，点击一下，若启动成功，则操作区后

20、的操作按钮就会变成如图1-11所示的状态。否则，会有“初始化失败”的红色字样提示。图1-11操作按钮图特征字：特征字：点击一下，会读出单片机的芯片的特征字，对于AT89S51单片机的特征字为：1E5106，出现的提示框如图1-12所示。图1-12特征字提示框图查空：查空：是检查单片机是否已经被擦除干净。擦除：擦除：是把单片机的内容擦除干净，即单片机内部ROM的内容全为FFH。编程：编程：把代码区中的程序代码下载到单片机的内部ROM中。注意在编程之前，要对单片机芯片进行擦除操作。检验：检验：经过编程之后，对下载到单片机内部ROM中的内容与代码区的内容相比较，若程序下载过程中完全正确，则提示校验正

21、确，否则提示出现错误。那就得需要重新下载程序到ROM中。自动：自动：提供了内部ROM从擦除到编程，最后到校验这三个过程。读取：读取：从单片机内部ROM中读取内容到代码显示区中。4.区域4中，有“装载”、“设置”、“保存”和“退出”四个功能。（1）装载：）装载：是把经过KEILC软件转化成HEX格式的文件装入区域1中，当单击“装载”按钮时，出现如图1-13所示的对话框。图1-13装载对话框 在这里选择以HEX为后缀的文件，选中它并点击“打开”按钮，即把程序代码装入到代码显示区1中。装载之后如图1-14所示。我们就可以把代码显示区域1中的代码通过ISP下载线下载到AT89S51单片机中。图1-14

22、程序代码装载之后显示图（2）设置：）设置：对该软件一些操作方式进行设置，点击按钮之后，出现如图1-15的界面：在这里可以进行通信端口的设置，共设置的4个串行通信端口，COM1、COM2、COM3、COM4，根据计算机的硬件特点来决定，默认情况下为COM1，即串行通信口1。另外，还可以对芯片的加密位进行设置，共有4种选择。“不加密”对芯片的程序不进行加密保护。“锁定位1”对芯片的程序进行一级加密保护。“锁定位2”对芯片的程序进行二级加密保护。“锁定位1，2”对芯片的程序进行三级加密保护。图1.15系统设置对话框（3）保存：）保存：是把从单片机的芯片ROM中的程序读取出来到代码显示区域1中，点击“

23、保存”按钮，即可保存为HEX格式的文件。（4）退出：）退出：退出该软件系统。在进行程序调试的时候，我们一般通过KEILC软件把编译好的程序转化成HEX格式文件，通过上面的方法，装载程序之后，点击“自动”按钮，程序就下载到单片机内部ROM芯片中，最后点击“运行”，即可以看到程序的结果。注意，每次重新更新程序的时候，要点击“初始化”按钮，才可以进行相应的操作。 5.Altera ByteBlaster II/AT89S通用下载器使用说明 ByteBlasterII下载线是Altera最新一代并口下载器，适用于Altera CPLD/FPGA全部器件下载，同时支持 JTAG、AS下载模式，DB25连

24、接PC机并口，标准IDC10接口接芯片BitBlast口，兼容传统的 ByteBlasterMV/ByteBlaster下载电缆，供电电压2.0V-5.0V。支持Atmel公司AT89S51、AT89S52、AT89S53、AT89S8252等常用51单片机或兼容型号的ISP下载。其原理图如1-16所示。 图1-16 ByteBlaster II/AT89S通用下载器原理图 6.接头引脚排布10Pin排线红色线或者接头上标了“”的那端为第一脚，引脚分布关系如图1-17所示： 图1-17 IDC10接头引脚排布7.接口定义 表1-1 接口定义表JTAG模式接口定义AS模式接口定义单片机ISP下载

25、接口定义TCKGNDDCLKGNDSCK (P1.7)GNDTDOVCCCONF_DONEVCCMISO (P1.6)VCCTMSNCnCONFIGnCERESET (Reset)NCNCNCDATAOUTnCSNCNCTDIGNDASDLGNDMOSI (P1.5)GND备注：1、NC表示无任何连接； 2、读者可以按自己要求更改接口定义、下载线长度和接头类型，引脚定义和接头 可以改为与读者设计的目标板兼容的形式，下载线长度可以做到1.6米以上。 1.5.2 用stc-isp软件将HEX文件写入STC单片机芯片中如果使用的单片机是STC89C52RC单片机为主芯片，用串口线即可完成程序的下载，

26、电源采用USB口供电，更加方便携带，一台计算机足以完成程序的开发及下载工作。如图1-18所示为PMY单片机开发板、下载线和上位机之间的配置图。图1-18 开发板、下载线和上位机之间的配置图STC下载线只用一根即可，为标准下载线（即电子市场有售），线上有3个接口，分别为2个USB口和一个串行DB9母口。它们的接法按照图2.5.9标出的提示连接即可，即分别接PC机USB取电、接开发板USB口供电和串行DB9母口接PC机COM1或COM2口。 与PC机和开发板连接完成之后，就可使用下载stc-isp 软件将HEX文件写入单片机芯片中。1.5.2.1 如何将HEX 文件写入单片机芯片首先在PC机上安装stc-isp软件（该步骤略去）并启动该软件，