基于Proteus的51系列单片机设计与仿真课件

1、基于Proteus的51系列单片机设计与仿真 沈阳理工大学装备工程学院涉及内容Proteus：电路原理图的绘制与仿真及PCB的制作Keil c51软件开发平台：汇编语言与C语言程序设计51系列：软件程序设计与仿真、通用I/O口的控制（P1口、定时/计数器、中断系统 、串行口、存储器、显示与键盘、接口设计等）控制系统设计：温度测量、步进电动机的转动等。课程要求本课程是实践性较强的课程。通过本课程的学习，掌握软件编程和硬件电路设计的方法，能够进行单片机应用系统的设计、调试工作。第1讲 单片微型计算机概述及其硬件结构 1.1 单片微型机计算机概述 1.2 MCS-51单片机的硬件结构1.1 单片微型

2、计算机概述1.1.1 微型机计算机概述1.1.2 单片机简介1.1.3 单片机的应用1.1.1 微型计算机概述微型计算机的概念微处理器（Microprocessor）又称CPU,芯片内部集成运算器和控制器，是构成微型计算机系统和网络工作站的核心部件。1971年Intel公司制成第一个CPUInter 4004微型计算机单片机将CPU、存储器、I/O接口、中断系统集成在一块芯片上，程序存放在ROM中。单板机-将CPU、存储器、I/O接口、中断系统集成在一块印制电路板上，程序存放在ROM中。多板机- 将CPU、存储器、I/O接口、中断系统集成在多块印制电路板上，程序存放在ROM中。微型计算机系统，

3、在多板机基础上发展而来，有更为丰富的软硬件资源(计算机，电脑)。返回本章首页1.1.1微型计算机概述微型计算机的发展返回本章首页电子管 半导体晶体管 小规模集成电路 大规模集成电路 1.1.1微型计算机概述微型计算机的应用举例：返回本章首页1.1.2 单片机简介1.1.2.1 单片机的特点1.1.2.2 单片机的发展返回本章首页1.1.2.1 单片机的特点（1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。（2）数据大都在单片机内部传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。（3）指令丰富，结构灵活，易于组成各种微机 应用系统。（4）应用广泛。返回本节首页1.1.2.2 单片微型计算机发展概况在微型

4、计算机的发展过程中，单片机是大规模集成电路发展的产物。五个发展阶段：4位、8位、高端8位、16位、32位单片机的发展趋势；高性能化大容量内装化返回本节首页1.1.3 单片机应用领域1.1.3.1单机应用1.1.3.1多机应用1.1.3.1典型应用举例1.1.3.应用系统设计内容返回本章首页1.1.3.1 单机应用测控系统在线控制，将计算机与控制系统组合在一起，进行实时监控，体积小，功耗低，可靠性高；适用于单片机。离线控制，对控制系统进行设计、建模、仿真、数据处理等，对计算机软硬件性能要求较高；适用于微机系统。智能接口数据采集卡、处理卡、图形显示卡、通信接口智能仪表家电返回本节首页1.1.3.2

5、 多机应用分布式控制系统 DCS（Distributed Control Systems）由一台主机通过软件组态，对单机控制的模块化系统进行离线控制，从而实现复杂控制。现场总线控制系统 FCS （Fieldbus Control System）把单个分散控制的测量设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把他们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络控制系统。返回本节首页1.1.3.3 典型应用系统典型的较全面的单片机测控系统系统特点 受集成度限制/系统扩展/在线控制功能强典型通道及特点 前向通道、后向通道、人机通道最小系统返回本节首页1.1.3.4 应用系统设计内容（1）总体设计，硬件和软件

6、的功能划分（2）硬件设计方法系统扩展通道与接口设计系统抗干扰设计（3）软件设计（4）单片机应用系统的调试（5）脱机运行调试返回本节首页1.2 MCS-51单片机的硬件结构1.2.1 MCS-51单片机的基本结构1.2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构1.2.3 MCS-51单片机内部存储器及特殊功能寄存器1.2.4 并行I/O口电路结构1.2.5 MCS-51单片机时钟电路与时序1.2.6 MCS-51单片机工作方式1.2.1 MCS-51单片机的基本结构一、 MCS-51单片机的基本组成二、CPU构成及工作原理返回本章首页1.2.1 MCS-51单片机的基本结构一、MCS-51单片

7、机的基本组成返回本节时钟电路SFR和RAM ROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系 统 总 线时钟源 T0 T1 P0 P1 P2 P3TXD RXD INT0 INT1（5）四个8位I/O并行端口。（6）一个串行端口。 （7）中断控制系统。（8）内部时钟电路。一、MCS-51单片机的基本组成（1）一个8位微处理器CPU。（2）数据存储器RAM和特殊 功能寄存器SFR。（3）内部程序存储器ROM。（4）两个定时/计数器。通道0驱动器通道2驱动器RAM地址锁存器RAM通道0锁存器通道2锁存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器缓冲器PC程序计数增量器PC程序计数器DPTR数据指针

8、寄存器VCCGNDP1.0P1.7SP堆栈指针寄存器ACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器通道3驱动器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时和控制逻辑指令译码器图1-2 MCS-51片内总体结构框图P0.0P0.7P2.0P2.7返回本节1.2.1 MCS-51单片机的基本结构二、CPU构成及工作原理1、构成微控制器运算部件时序控制电路一组特殊功能寄存器例：Y=5+10求解过程ROM地址 机器代码 指令

9、代码2000H 7405H MOV A, #05H2002H 240AH ADD A, #0AH2004H 80FEH SJMP $ 2、工作原理由PC地址取指令通过IR、ID指令译码由微控制其控制指令执行返回本节1.2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构一、MCC-51引脚描述二、MCC-51片外总线结构返回本章首页1.2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构一、MCC-51引脚描述1、分类主电源引脚VCC和VSS外接晶振引脚XTAL1和XTAL2控制或电源复用引脚RST/ Vpd（复位备用电源）ALE/PROG（地址锁存编程）EA/Vpp（片外程序存储器/编程电源）PSEN

10、（片外程序存储器读选通）输入I/输出O引脚(共4组32根) P0、P1、P2、P3P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P

11、2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0返回本节1.2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构一、MCC-51引脚描述2、双功能引脚3条控制总线： 地址总线：P2、P0； 数据总线：P0； 控制总线：ALE、EA、PSEN、RST +P3P3.2P3.3位线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）12INT0（外部中断0）13INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0的计数输入）P3.515T1（定时器1的计数输入）16WR（外部数据存储器写脉冲）17RD（外部数据存储器读脉冲）P3.7 P3.6 P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1

12、.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0返回本节1.2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构二、MCC-51片外总

13、线结构 总线：CPU与各部件之间传 递信息的公共通道数据总线（DB） 8位由P0提供地址总线（AB）16位由P2提供高8位 P0提供低8位控制总线（CB）控制线+P3DBAB地址锁存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCC P0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2P0.4

14、返回本节1.2.3 MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储器(Internal RAM)二、特殊功能寄存器(Special Function Register)三、片内程序存储器(Interal ROM)四、MCS-51单片机系统的存储器结构特点分析返回本章首页1.2.3 MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储器（Internal RAM）低128单元用途：供用户管理、使用，存放程序的变量、中间结果、堆栈等。特点：受集成度限制，容量非常有限，51系列仅为128B。注意合理分配、使用。扩展：常通过扩展片外RAM，提高数据存放量。按用途分三个区通用寄存器区位寻址区堆栈/数据缓冲区3

15、0H2FH00H20H1FH7FH通用寄存器区(4组)位寻址区128bit00H7FH堆栈/数据缓冲区80Byte16Byte32Byte返回本节1.2.3 MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储器（Internal RAM）低128单元1、通用寄存器区（32Byte）地址范围：00H1FH，共4组，每组R0R7。当前寄存器组选择：通过设置PSW中的位 RS1、RS0完成。仅当前R组以寄存器方式工作,其他组以存储器方式功能：存放常用变量，提高访问速度;在中断或程序调用时使用，可减少堆栈中的数据保护30H2FH07H00H20H1FH7FHR3组R2组R1组R0组位寻址区128bit00

16、H7FH堆栈/数据缓冲区80Byte16ByteRS1 RS011100100工作寄存器组设置参数返回本节1.2.3 MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储器（Internal RAM）低128单元2、位寻址区（16Byte）地址范围：20H2FH对应位地址：00H7FH功能可进行位操作，设置用户标志未作位操作单元，可进行字节操作3、堆栈/用户数据区地址范围：30H7FH功能程序堆栈区常选高端连续地址（如：50H7FH）用户数据区30H2FH00H20H1FH7FH通用寄存器区(4组)位寻址区堆栈/数据缓冲区80Byte16Byte(128bit)32Byte00H7FH返回本节1.2

17、.3 MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存器（SFR）高128单元地址范围：物理地址分布在80HFFH中；未作定义单元，操作无效。数量：51系列共有SFR 21个，如图； 52系列SFR 26个。操作方式：访问时，可用寄存器符号或地址；字节操作位操作（表中带*号的SFR）专用寄存器简介返回本节1.2.3 MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存器（SFR）高128单元专用寄存器简介返回本节程序计数器 （Program Counter）16位计数器，寻址范围64KB；自动加1，保证指令顺序执行；PC无地址，不能直接操作。累加器A（AccAccumulator）8位寄存器 （The

18、 most versatile使用频率最高 register)B寄存器8位寄存器，用于乘除运算。也可作一般数据寄存器 。1.2.3 MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存器（SFR）高128单元专用寄存器简介程序状态字（Program Status Word）8位寄存器，存放指令执行的状态信息。（无符号数）（带符号数）返回本节1.2.3 MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存器（SFR）高128单元专用寄存器简介数据指针DPTR（Data Pointer）16位寄存器，寻址范围64KB;由两个8位寄存器（DPH DPL）组成；用于存放ROM及片外RAM地址。如：MOV DPTR

19、,#2000H返回本节1.2.3 MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存器（SFR）高128单元专用寄存器简介30H2FH00H20H1FH7FH通用寄存器区(4组)位寻址区128bit00H7FH堆栈/数据缓冲区80B16B32B52H51HSP50H05HACC80HB05H80H入栈05HACC80HB出栈堆栈指针 SP（Stack Pointer） 堆栈概念一种符合FILO/LIFO的数据结构；功能：保护恢复断点(自动)与中断现场(人工)。堆栈的设置内堆栈，必须设置在内部RAM中的堆栈/用户数据区；堆栈由栈底、栈顶组成；向上生长型，SP指向栈顶。如：MOV SP, #50H ;

20、则可用51H7FH为堆栈空间堆栈的操作保护恢复断点，SP自动加1或减1；入栈PUSH ACCPUSH B出栈POP B ；后入先出PUSH ACC返回本节1.2.3 MCS-51单片机的内部存储器三、片内程序存储器（ROM）类型腌膜ROMEPROMEEPROMFlash ROM片内寻址范围EA=1时： （否则64KB全部限定在片外)51系列，4KB，0000H 0FFFH52系列，8KB，0000H 1FFFH一组特殊单元RESET 地址：0000H中断向量：0003H 000AH外部中断（INT0）地址区 000BH 0012H定时器/计数器中断（T0）地址区 0013H 001AH外部中断

21、（INT1）地址区 001BH 0022H定时器/计数器中断（T1）地址区0023H 002AH串行中断（Serial）地址区外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH返回本节1.2.3 MCS-51单片机的内部存储器四、MCS-51系统存储器结构特点分析数据存储器（内外地址重叠，通过不同指令访问） 内部RAM 128B + SFR外部扩展RAM 64KB外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH程序存储器（c）返回本节程序存储器 （由EA确定访问空间

22、） 内部ROM 4KB或8KB外部扩展ROM 64KB外部数据存储器（b）特殊功能寄存器通用RAM区位寻址区00H20H1FH30H2FH80H7FHFFH外 部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器（a）工作寄存器区00FFH 1.2.4 MCS-51并行输入输出（I/O）端口一、I/O口内部电路结构二、I/O口操作三、各I/O口作用四、负载能力返回本章首页1.2.4 MCS-51并行输入输出（I/O）端口一、I/O口内部电路结构P0口（三态口：可作为地址/数据分时复用， 也可作通用I/O口，位结构原理图）组成：锁存器：起输出锁存作用三态门1引脚输入缓冲，三态门2 读锁存器

23、端口，与门3、反相器4 及模拟转换开关构成输出控制电 路场效应管T1、T2组成输出驱动电 路提高负载能力，驱动8TTL工作原理：通过指令译码，CPU发出不同控制信号CB=1，作AB/DB数据地址分时复用输入AB/DB=1 ，T1(+),T2(-), 输出1输入AB/DB=0 ，T1(-),T2(+), 输出0CB=0，作I/O口线,T1(-),需外接上拉电阻。VCCP0.X锁存器读锁存器地址/数据控制CBD读引脚写锁存器内部总线QQMUXT2P0.XT1CL&VCC返回本节1.2.4 MCS-51并行输入输出（I/O）端口二、I/O操作写操作（作为输出口使用）指令：MOV P0, A ；P0(

24、A)实现：D=1，T2(-)，P0.X =1 D=0，T2(+)，P0.X =0 读操作 （作为输入口使用）读锁存器P为目的操作数的指令，如：ANL P0, #0FH；指令执行过程：读 修改 写；避免锁存器与引脚数据不同时（如负载为三极管）,出现错误操作。读引脚：先写1，再读 P为源操作数的指令，如：MOV P0, #0FFH；先写1MOV A, P0；再读避免锁存器D=0时，引脚信号嵌位在0P0.X锁存器DCLQQT2(+)10VCCP0.X锁存器读锁存器地址/数据控制CBD读引脚写锁存器内部总线QQMUXT2P0.XT1CL&VCCVCC1.2.4 MCS-51并行输入输出（I/O）端口三

25、、各I/O口结构及作用I/O口，准双向口,P0需外接上拉电阻外部总线扩展P0：DB, AB（低8位）P2：AB（高8位）P3：CB VCCP1.X锁存器读锁存器D读引脚写锁存器内部总线QQTP1.X内部上拉电阻CLP1口VCCP2.X锁存器读锁存器地址控制D读引脚 写锁存器内部总线QQMUXT内部上拉电阻CLP2.XP2口VCCP3.X锁存器读锁存器第二输出功能D读引脚 写锁存器内部总线QQT内部上拉电阻第二输入功能CLP3.XP3口1.2.4 MCS-51并行输入输出（I/O）端口四、负载能力P0 驱动8个TTLP1、P2、P2 驱动4个TTL返回本节1.2.5 MCS-51单片机时钟电路与

26、时序一、单片机的时钟电路二、时序单位三、MCS-51典型指令时序返回本章首页1.2.5 MCS-51单片机时钟电路与时序一、单片机的时钟电路通常有两种形式：内部振荡方式：由高增益片内反相放大器与作为反馈元件的片外晶体振荡器连接，构成内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲；晶振选择范围：1.212MHz。XTAL2XTAL1MCS-51C2C1CYS内部时钟方式 外部时钟方式XTAL2XTAL18051+5VVSSTTL外部时钟源XTAL2XTAL180C51VSS外部时钟源外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内；适用多机同步工作系统；注意MOS与CMOS单片机芯片的不同接法。

27、1.2.5 MCS-51单片机时钟电路与时序二、时序单位 CPU从取指令到指令执行，是在时序系统控制下顺序进行的。振荡周期（拍节P=1/fOSC）：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。CPU时钟周期（状态S= 2/fOSC ）：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。机器周期（T=12/fOSC ）：完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。如： fOSC =12MHz，T=1us指令周期：CPU执行一条指令所需要的时间。有1/2/3/4周期指令。P1P2S1P2振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期fOSCS2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1

28、P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P21.2.5 MCS-51单片机时钟电路与时序三、MCS-51典型指令时序MCS-51指令按字节长度分：单字节指令双字节指令三字节指令MCS-51指令按执行指令的机器周期分：单周期指令双周期指令三周期指令四周期指令MCS-51典型指令时序分析返回本节1.2.5 MCS-51单片机时钟电路与时序P2S1读操作码读下一个操作码（丢弃）（a） 单字节，单周期指令 例：MOV A, R1 E9HP1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1读第二字节P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1（b） 双字节，单周期指令 例：ADD A, #10H 2510H读下一个操作码（丢弃）（c）单字节，双周期指令 例：INC DPTR A3HP2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1ALEP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2