单片机原理实验

1、单片机原理实验Version 2.02目 录 引 言 基本要求 实验报告 实验内容 操作考试 硬件结构 总线结构 存 储 器 指令系统 最小系统 实验方式 实验环境 结 语 实验一 流水灯 实验二 转向灯 实验三 中 断 实验四 定时器 实验五 串 口 实验六 数字钟 实验七 总 线3基本要求 必带单片机理论教材 必做预习报告 严禁带早餐进实验室 实验过程中，爱护仪器设备 实验过程中，不能把垃圾丢到抽屉里 实验完毕时，整理好实验仪器，关好计算机4参考书 新概念51单片机C语言教程-入门、提高、开发、拓展全攻略 单片机C语言程序设计实训100例:基于8051+Proteus仿真5嵌入式系统 IE

2、EE定义： 嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants） 。 国内定义： 以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。6处理器 微控制器(MCU Micro Controller Unit) 微处理器(MPU Micro Processor Unit) 数字信号处理器(DSP Digital Signal Process

3、or) 图形处理器(GPU Graphics Processing Unit)7MCU8位32位89MPUARMX8610DSP5000600011GPU电脑手机12开发模式 直接在硬件平台上开发应用程序 在硬件平台移植操作系统，然后在操作系统平台开发应用程序MMU: Memory Management Unit13嵌入式操作系统 ucLinux ucOS Windows CE Linux Android VxWorks14应用领域 安防应用 工业应用 计算机及周边 能源 运输和汽车电子 视频和影像 通信与电信 消费电子 医疗电子 航空航天 军事15手机结构图16电脑结构图17电视结构图18硬

4、盘驱动器框图19智能仪表框图20嵌入式计算框图21数码相机框图22网络平台框图23RFID 阅读器24便携式数据终端25台式计算机台式计算机26笔记本电脑笔记本电脑27服务器服务器28打印机打印机29无线鼠标30以太网交换机以太网交换机31变电站控制变电站控制32车用信息娱乐车用信息娱乐33汽车门禁系统汽车门禁系统34汽车仪表板35汽车车身控制器36车用视觉控制37E-bike38微波炉39洗衣机40电冰箱41移动互联网42物联网43实验报告实验目的5%实验仪器实验原理20%实验电路20%代码分析30%实验小结20%书写态度5%44实验内容 实验一 流水灯(P1口输出实验) 实验二 转向灯(P

5、1口输入实验) 实验三 中断实验 实验四 定时器实验 实验五 串口实验 实验六 数字钟实验 实验七 总线实验45操作考试题号题号分值分值题目类型题目类型能力考查说明能力考查说明备注备注1100操作题实验一 流水灯(P1口输出实验)5选12100操作题实验二 转向灯(P1口输入实验)5选13100操作题实验三 中断实验5选14100操作题实验四 定时器实验5选15100操作题实验五 串口实验5选1选择算法：题号 = (学号的最后2位 + 随机数) MOD 5 + 1现场提问，根据回答情况给出考试成绩46开放考试 自主选择一个综合型题目（如数字温度计，数字电压表），题目不限。 要求用Proteus

6、设计电路、仿真及PCB制板。 不能完全照搬别人的设计，原理、电路、程序要有自已的特色。 提交可仿真的电路及程序，以学号姓名命名文件夹，报告用论文格式写作，并用A4纸打印提交。报告模板47硬件结构微型计算机的基本组成 48硬件结构MCS-51单片机的基本组成哈佛结构冯诺伊曼结构CISCRISC时钟电路时钟电路4KROM程序存储器程序存储器256BRAM数据存储器数据存储器2X16位位定时定时/计数器计数器CPU处理器处理器64KB总线总线扩展控制器扩展控制器可编程可编程I/O端口端口P0-3可编程可编程串行口串行口49MCS-51单片机的引脚配置图P1P2P3P050总线结构地址锁存器CBI/O

7、A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCC P0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2P0.451存 储 器MCS-51单片机单片机片内片内ROM4K片内片内RAM256B片外片外RAM64K片外片外ROM64K数据存储器地址空间 程序存储器地址空间 I/O系统地址空间52存 储

8、 器特殊功能寄存器00H 1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H 特殊功能寄存器中位寻址外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外 部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH工作寄存器区位寻址区通用RAM区530区工作寄存器区结构图R7R6R5R4R3R2R1R0RAM地址地址07H06H05H04H03H02H01H00H54片内 RAM（20H-2FH）中的位寻址区7F7E7D7C7B7A797877767574737271706F6E6D6C6

9、B6A696867666564636261605F5E5D5C5B5A595857565554535251504F4E4D4C4B4A494847464544434241403F3E3D3C3B3A393837262524232221202F2E2D2C2B2A292827262524232221201F1E1D1C1B1A191817161514131211100F0E0D0C0B0A090807060504030201002FH20H字节地址字节地址位地址位地址5556单片机复位后特殊功能寄存器的状态特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HP

10、SW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUFBIP00000BSCON00HIE000000BPCON0B57指令系统OPOPDATADATA 或或 ADDRESSADDRESS操作码：定义指令功能，详细信息查找指令表操作数：定义操作对象(输入输出数据)，由寻址方式指定数学中函数三要素：定义域，值域，对应法则指令系统： 源操作数，目的操作数，操作码C语言函数：输入参数，返加参数，函数体CISCRISC58寻址方式 单片机共有7种寻址方式，111条指令:1 立即寻址2 直接寻址3 寄存器寻址4 寄存器间接寻址5 变址寻址6 相

11、对寻址7 位寻址59寻址方式寻址方式操作数地址操作数地址(PA)指令格式举例指令格式举例1立即寻址操作数在指令中直接给出MOV A,#69H; (A)692寄存器寻址操作数在寄存器中MOV A,R0 ; (A)(R0)3直接寻址操作数的有效地址由指令直接给出MOV A,4FH; (A)(4F)4寄存器间接寻址指令中给出的寄存器的内容为操作数的地址MOV A,R1; (A)R15变址寻址指定的变址寄存器的内容与指令中给出的偏移量相加，所得的结果作为操作数地址MOVC A,A+DPTR;(A)(DPTR)+(A)6相对寻址由程序计数器PC提供的基地址与指令中提供的偏移量OFFSET相加，得到操作数

12、的地址SJMP OFFSET;(PC)(PC)+OFFSET)7位 寻 址操作数是二进制数的某一位，其位地址出现在指令中SETB bit;60最小系统61自制实验系统成本：20元左右62STC89C51RC CPU63USB 下载线6422.1184MHz晶振6522pf瓷片电容6610uf电解电容67电阻68Led69Button70面包板71EDA72实验方式 单片机开发板硬件实验 Proteus 软件仿真实验73实验环境 Proteus -电路设计、仿真、制板软件 Keil - 汇编、C语言集成开发环境 STC-ISP -下载工具74Proteus ISIS75Proteus ARES7

13、6Keil77ISP78实验一 流水灯实验 内容：P1口接8个LED D1-D8用循环延时实现流水灯 要求： 熟悉P1口作输出口的原理与方法。 掌握循环延时，并能计算延时时间。79P1P1口的位结构图D Q 锁存器锁存器CL /QP1.x引脚引脚Vcc读锁存器读锁存器读引脚读引脚内部总线内部总线写锁存器写锁存器内部上拉电阻内部上拉电阻上拉电阻上拉电阻三态门三态门80电子设计 绘制原理图 规划电路板 生成网络表及选择元件封装 设置参数(板层数，布局参数，布线参数) 布局(自动布局与手动布局) 布线(自动布线与手动布线) 文件保存及输出(导出Gerber RS274X文件)81思考题 用C语言实现

14、流水灯，如何计算延时时间？ 当LED数量远多于接口数量时（如50, 100, 1000个LED），如何实现流水灯?82实验二 转向灯 内容：P3口接2个按键输入K1,K2，P1口接1个数码管S1输出显示，K1按下S1显示”L”, K2按下S1显示“R”。 要求： 熟悉P3口作输入口的原理及方法。 掌握数码管的结构、原理及使用方法。 掌握按键去抖动的原理及方法。83P3口的位结构图D Q 锁存器锁存器CL /QP3.x引脚引脚替代输出功能替代输出功能读锁存器读锁存器读引脚读引脚内部总线内部总线写锁存器写锁存器MUX (地址地址/数据数据=0)Vcc上拉电阻上拉电阻替代输入功能84数码管结构与原理

15、共阴极Cathode共阳极Anode85数码管结构与原理86数码管结构与原理字型共阳极代码共阴极代码字型共阳极代码共阴极代码0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H灭FFH00H880H7FH 87显示设备LED数码管，点阵屏CRTLCDOLED88输入设备KeyKey BoardTouch89思考题 当有多个数码管时，应该如何设计电路？90实验三 中断实验 内容：P1口接8个LED D1-D8实现流水灯，P3.2接1个按键K

16、1用于中断，当K1按下时，D1-D8全亮1秒再返回流水灯中断状态接着执行。 要求： 掌握中断的基本原理。 学会使用中断系统。91中断的概念执行执行主程序主程序继续继续执行执行断点断点中断请求中断请求中断响应中断响应执行执行中断中断处理处理中断返回中断返回看书借书电话中断是硬软件实现的轮询?中断是处理随机事件理想方法？中断是为了提高CPU的利用率？92中断结构 93中断寄存器 TCON - 定时控制寄存器， IE - 中断允许控制寄存器， IP - 中断优先级控制寄存器， SCON - 串行口控制寄存器。94定时控制寄存器TCON（1）IT0选择外部中断请求0为跳沿触发方式还是电平触发方式： I

17、T0=0，为电平触发方式。 IT0=1，为跳沿触发方式。 可由软件置“1”或清“0”。（2）IE0外部中断请求0的中断请求标志位。 IE0=0，无中断请求。 IE0=1，外部中断0有中断请求。当CPU响应该中断，转向中断服务程序时，由硬件清“0”IE0。95中断允许控制寄存器IE0 0 禁止，禁止，1 1允许允许（1）EA：中断允许总控制位（2）ES：串行口中断允许位（3）ET1：定时器/计数器T1的溢出中断允许位（4）EX1：外部中断1中断允许位（5）ET0：定时器/计数器T0的溢出中断允许位（6）EX0：外部中断0中断允许位。96中断优先级控制寄存器（IP） PSPS： 串行口中断优先级控

18、制位。 PT1PT1：定时计数器T1T1中断优先级控制位。 PX1PX1：外部中断1 1中断优先级控制位。 PT0PT0：定时计数器T0T0中断优先级控制位。 PX0PX0：外部中断0 0中断优先级控制位。 注意：单片机复位后，IPIP寄存器被清0 0，所有中断源为低级中断。D7D6D5D4D3D2D1D0PSPT1 PX1 PT0 PX097中断向量表中断源中断向量C语言中断号复位中断0000H外部中断00003H0定时器T0中断000BH1外部中断10013H2定时器T1中断001BH3串行口中断0023H4高高低低优 先 级NMI98中断服务程序设计的步骤（1 1）对外中断源，是采用电平

19、触发还是跳沿触发。）对外中断源，是采用电平触发还是跳沿触发。（2 2）设置中断优先级寄存器）设置中断优先级寄存器IPIP。（3 3）设置中断允许控制寄存器）设置中断允许控制寄存器IEIE。（4 4）编写中断服务程序，处理中断请求。）编写中断服务程序，处理中断请求。注：前注：前3 3条一般放在主程序的初始化程序段中。条一般放在主程序的初始化程序段中。99中断程序结构ORG 0000HORG 0000HLJMP MAINLJMP MAINORG ORG 中断入口地址中断入口地址LJMP INTRLJMP INTR ORG XXXXHORG XXXXHMAINMAIN：主：主 程程 序序INTRIN

20、TR：中断服务程序：中断服务程序void main()void main() void intr() interrupt void intr() interrupt 中断类型号中断类型号 using using 工作工作组寄存器组寄存器 100中断服务程序流程INTINT： CLR EACLR EA；CPUCPU关中断关中断PUSH PSWPUSH PSW；现场保护；现场保护PUSH ACCPUSH ACC ； SETB EASETB EA；CPUCPU开中断开中断中断处理程序段中断处理程序段 CLR EACLR EA；CPUCPU关中断关中断POP ACCPOP ACC；现场恢复；现场恢复P

21、OP PSWPOP PSWSETB EASETB EA；CPUCPU开中断开中断RETIRETI ；中断返回，恢复断点；中断返回，恢复断点101操作系统 实时操作系统 分时操作系统 批处理系统 Windows Linux Mac OSX 抢占式内核 非抢占式内核Mac OSXWindows 8Ubuntu102微型嵌入式操作系统 MicroC/OS II (uC/OS II) http:/ 嵌入式实时操作系统uC/OS-II(第2版)源代码行数：5000多行103思考题 中断服务程序与子程序有何异同？ P3.3再接1个按键k2,当k2按下时，LED D1-D8全灭1秒，k1和k2同时按下会有何

22、现象？ 如何实现多于2个的外部中断？104实验四 定时器实验 内容：P1口接8个LED D1-D8，用定时器T0的方式1定时1s实现流水灯，并用示波器检测P3.7是否达到定时1s功能？ 要求： 熟悉定时/计数器的基本原理。 会计算定时器的时间常数。105定时器106定时器107TMODT1控制控制T0控制控制M0M1C/TGATEM0M1C/TGATED0D1D2D3D4D5D6D7M1 M0工作方式选择工作方式选择M1 M0C/T 定时定时/ /计数工作方式选择计数工作方式选择GATE 门控端门控端108定时/ /计数器工作方式109TCOND7D6D5D4D3D2D1D0TF1 TR1 T

23、F0 TR0 IE1IT1IE0IT0触发方式选择触发方式选择启动定时启动定时/计数器计数器0 低电平低电平1 下降沿下降沿0 停止停止1 启动启动110方式1振荡器1/12TL0 TH0TF011&T0TR0GATEINT0C/T=0C/T=18位8位1616位计数器位计数器定时时间：t=（216-T0初值）机器周期111使用步骤确定TMOD控制字:编程时将控制字送TMOD； 计算计数器的计数初值:编程时将计数初值送THi、 TLi；开中断（如果使用中断方式）:编程置位EA、ETiTRi位置位控制定时器的启动和停止。112移动操作系统 多线程 时间片113Android114Windows1

24、15大型嵌入式操作系统 Linux + ARM 源代码行数：1000多万行116扩展 Proteus ARES PCB制板117实验五 串口实验 内容：利用串口发送和接收数据，在P1接8个LED D1-D8，并利用接收到的数据实现流水灯。 要求： 掌握串行口方式1的工作方式及编程方法。 掌握串行通讯中波特率的设置。 给定通讯波特率的情况下，会计算定时时间数。118通信的概念 并行通信与串行通信 同步通信与异步通信 单工、半双工与双工119串口框图120SCON SM0、SM1：控制串行口的工作方式。 SM2：允许方式2和方式3进行多机通信控制位。 REN：允许串行

25、接收控制位。REN=1，允许接收。 TB8：是工作在方式2和方式3时要发送的第9位数据，根据需要由软件置位和复位。 RB8：是工作在方式2和方式3时接收到的第9位数据。 TI：发送中断标志位。必须由软件清零。 RI：接收中断标志位。必须由软件清零。121工作方式122PCON SMOD：波特率倍增位。 当SMOD=1时，波特率加倍； 当SMOD=0时，波特率不加倍。 GF1、GF0：两个通用标志位，用户使用。 思考：思考：该两位的作该两位的作 用是什么？用是什么？123波特率 定义 串行口每秒钟发送（或接收）的位数称为波特率。 （1 1）方式0 0的波特率 在方式0 0下，串行口通信的波特率是

26、固定的，其值为fosc/12fosc/12（foscfosc为主机频率）。 （2 2）方式2 2的波特率 在方式2 2下，通信波特率为fosc/32fosc/32或fosc/64fosc/64，根据特殊功能寄存器PCONPCON中SMODSMOD位的状态来决定串行口在那个波特率下工作。124（3）方式1或方式3的波特率 在这两种方式下，串行口波特率是由定时器的溢出率决定的，因而波特率是可变的。波特率的公式为：125网络 RS232 , 485 有线网络(Earthnet, 光纤网) 无线网络(NFC, Bluetooth , Wifi, 2G, 3G,4G)10cm10m100m500m126扩展 多机通信 单片机与PC机之间通信127实验六 数字钟实验 内容：P3口接3个按键k1,k2,k3分别用于调整时、分、秒，P0,P2口接8位连体数码管用于显示时间，时、分、秒分隔符用”-”。 要求： 实现定时1s的程序。 熟悉时钟的程序逻辑。 掌握数码管的动态显示。128实验七