基于Proteus的51系列单片机设计与仿真课件

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基于Proteus的

51系列单片机设计与仿真涉及内容Proteus：电路原理图的绘制与仿真及PCB的制作Keilc51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。涉及内容Proteus：电路原理图的绘制与仿真及PCB的制作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。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1.2MCS-51单片机的硬件结构第1讲单片微型计算机概述及其硬件结构1.1单片微型计算机概述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单片微型计算机概述1.1.1微型机计算机概述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CPU—Inter4004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，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概念返回本章首页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发展返回本章首页电子管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1.1.1微型计算机概述微型计算机的应用返回本章首页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单片机简介1.1.2.1单片机的特点返回本章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1.1.2.1单片机的特点（1）体积小、重量轻、功耗低、1.1.2.2

单片微型计算机发展概况在微型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1.1.2.2单片微型计算机发展概况在微型计算机的发展过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1.1.3.４应用系统设计内容返回本章首页1.1.3单片机应用领域1.1.3.1单机应用返回本章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1.1.3.1单机应用测控系统返回本节首页1.1.3.2多机应用分布式控制系统DCS（DistributedControlSystems）

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（FieldbusControlSystem）

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1.1.3.2多机应用分布式控制系统DCS（Distr1.1.3.3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1.1.3.3典型应用系统典型的较全面的单片机测控系统最1.1.3.4

应用系统设计内容（1）总体设计，硬件和软件的功能划分（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1.1.3.4应用系统设计内容（1）总体设计，硬件和软件1.2MCS-51单片机的硬件结构

1.2.1MCS-51单片机的基本结构1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构1.2.3MCS-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1.2.6MCS-51单片机工作方式1.2MCS-51单片机的硬件结构 1.2.1MC1.2.1MCS-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1.2.1MCS-51单片机的基本结构一、MCS-511.2.1MCS-51单片机的基本结构一、MCS-51单片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

T0T1

P0

P1

P2

P3TXDRXD

INT0INT1（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。1.2.1MCS-51单片机的基本结构一、MCS-51单通道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数据指针寄存器VCCGNDP1.0～P1.7SP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P3.0～P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时和控制逻辑指令译码器图1-2MCS-51片内总体结构框图P0.0～P0.7P2.0～P2.7返回本节通道0驱动器通道2驱动器RAM地址锁存器RAM通道0锁存器通1.2.1MCS-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地址机器代码指令代码2000H7405HMOVA,#05H2002H240AHADDA,#0AH2004H80FEHSJMP$

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1.2.1MCS-51单片机的基本结构二、CPU构成及工1.2.2MCS-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1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构一、MC1.2.2MCS-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（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/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0返回本节1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构一、MC1.2.2MCS-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

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/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1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构一、MC1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构二、MCC-51片外总线结构

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返回本节1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构二、MC1.2.3MCS-51单片机的内部存储器 一、片内数据存储器(InternalRAM)二、特殊功能寄存器(SpecialFunctionRegister)三、片内程序存储器(InteralROM)四、MCS-51单片机系统的存储器结构特点分析返回本章首页1.2.3MCS-51单片机的内部存储器 一、片内数据存1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储器（InternalRAM）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30H2FH00H20H1FH7FH通用寄

存器区(4组)位寻址区128bit00H~7FH堆栈/数据缓冲区80Byte16Byte32Byte返回本节1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储器（InternalRAM）低128单元1、通用寄存器区（32Byte）地址范围：00H~1FH，共4组，

每组R0~R7。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128bit00H~7FH堆栈/数据缓冲区80Byte16ByteRS1RS011100100工作寄存器组设置参数返回本节1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储器（InternalRAM）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1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储1.2.3MCS-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SFR21个，如图；

52系列SFR26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1.2.3MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存1.2.3MCS-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（ProgramCounter）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（Acc—Accumulator）8位寄存器（Themostversatile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。1.2.3MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存1.2.3MCS-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（ProgramStatusWord）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1.2.3MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存1.2.3MCS-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（DataPointer）16位寄存器，寻址范围64KB;由两个8位寄存器（DPHDPL）组成；用于存放ROM及片外RAM地址。

如：MOVDPTR,#2000H返回本节1.2.3MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存1.2.3MCS-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128bit00H~7FH堆栈/数据缓冲区80B16B32B52H51HSP50H05HACC80HB05H80H入栈05HACC80HB出栈堆栈指针SP（StackPointer）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：MOVSP,#50H;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 PUSHACC

PUSHB出栈 POPB；后入先出

PUSHACC

返回本节1.2.3MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存1.2.3MCS-51单片机的内部存储器三、片内程序存储器（ROM）类型腌膜ROMEPROMEEPROMFlashROM片内寻址范围EA=1时：（否则64KB全部限定在片外)51系列，4KB，0000H0FFFH52系列，8KB，0000H1FFFH一组特殊单元RESET地址： 0000H中断向量： 0003H000AH 外部中断（INT0）地址区

000BH0012H 定时器/计数器中断（T0）地址区

0013H001AH 外部中断（INT1）地址区

001BH0022H 定时器/计数器中断（T1）地址区

0023H002AH 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1.2.3MCS-51单片机的内部存储器三、片内程序存储1.2.3MCS-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RAM128B+SFR外部扩展RAM64KB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）

内部ROM4KB或8KB外部扩展ROM64KB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00FFH1.2.3MCS-51单片机的内部存储器四、MCS-511.2.4MCS-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1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口一、I/1.2.4MCS-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‘0’CB=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1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口一、I/1.2.4MCS-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：MOVP0,A；P0(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：ANLP0,#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：

MOVP0,#0FFH ；先写‘1’

MOVA,P0 ；再读避免锁存器D=‘0’时，引脚信号嵌位在‘0’P0.X锁存器DCLQQT2(+)‘1’‘0’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&VCCVCC1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口二、I/1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口三、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1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口三、各I1.2.4MCS-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1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口四、负载1.2.5MCS-51单片机时钟电路与时序一、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1.2.5MCS-51单片机时钟电路与时序一、单片机的时1.2.5MCS-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：1.2~12MHz。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。1.2.5MCS-51单片机时钟电路与时序一、单片机的时1.2.5MCS-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fOSCS2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P21.2.5MCS-51单片机时钟电路与时序二、时序单位P1.2.5MCS-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1.2.5MCS-51单片机时钟电路与时序三、MCS-51.2.5MCS-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：MOVA,R1E9HP1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1读第二字节P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1（b）双字节，单周期指令例：ADDA,#10H2510H读下一个操作码（丢弃）（c）单字节，双周期指令例：INCDPTRA3HP2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1ALEP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1fOCS返回本节1.2.5MCS-51单片机时钟电路与时序P2S1读操作1.2.6MCS-51单片机工作方式一、复位方式二、程序运行方式三、节电运行方式四、编程和校验方式返回本章首页1.2.6MCS-51单片机工作方式一、复位方式返回本章1.2.6MCS-51单片机工作方式一、复位方式复位信号：RST=‘1’，保持2个机器周期以上。复位状态：PC 0000HSP 07HP0~P3 FFH片内RAMXXH其它寄存器状态下表返回本节1.2.6MCS-51单片机工作方式一、复位方式返回本节特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0～P3FFHSBUF××××××××BIP×××00000BSCON00HIE0××00000BPCON0×××××××B

单片机复位后特殊功能寄存器的状态返回本节特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD1.2.6MCS-51单片机工作方式一、复位方式复位方法：上电、按键复位“看门狗”定时监控复位、中断恢复(a)上电复位电路22μFC1

RST

R11KΩ+5V803180518751(b)按键电平复位电路22μFC1

RST+5VR2200Ω803180518751

R11KΩ

RST+5V

C222μF

803180518751(c)按键脉冲复位电路22μFC1R21KΩR11KΩMCS-51P1.0RST+5V&MAX705WDIRESETMRWDO1.2.6MCS-51单片机工作方式一、复位方式(a)1.2.6MCS-51单片机工作方式二、程序运行方式连续运行：程序从PC=0000H单元开始顺序运行。单步运行：程序调试状态返回本节1.2.6MCS-51单片机工作方式二、程序运行方式返回1.2.6MCS-51单片机工作方式三、节电运行方式待机方式：设置：电源控制寄存器中待机方式位PCON.0(IDL)=‘1’状态：CPU停止工作，但T/C、及中断正常工作复位：定时中断、或外部中断复位掉电保护方式：设置：电源控制寄存器中掉电方式位PCON.1(PD)=‘1’，

设置电压检测，一旦掉电，利用中断服务程序进行信息转存；状态：振荡器停振，片内所有部件停止工作，启用备用电源，片内RAM和SFR保持不变；耗电比较（CHMOS芯片）正常运行：@5V12MHz16mA等待方式：@5V12MHz3.7mA掉电方式：

@2V 50uA返回本节1.2.6MCS-51单片机工作方式三、节电运行方式返回1.2.6MCS-51单片机工作方式四、编程和校验方式离线编程（固化、烧入）在系统可编程（ISP）遥控编程红外照射编程远距离（网络）编程返回本节1.2.6MCS-51单片机工作方式四、编程和校验方式返基于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基于Proteus的

51系列单片机设计与仿真涉及内容Proteus：电路原理图的绘制与仿真及PCB的制作Keilc51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。涉及内容Proteus：电路原理图的绘制与仿真及PCB的制作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。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1.2MCS-51单片机的硬件结构第1讲单片微型计算机概述及其硬件结构1.1单片微型计算机概述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单片微型计算机概述1.1.1微型机计算机概述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CPU—Inter4004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，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概念返回本章首页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发展返回本章首页电子管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1.1.1微型计算机概述微型计算机的应用返回本章首页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单片机简介1.1.2.1单片机的特点返回本章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1.1.2.1单片机的特点（1）体积小、重量轻、功耗低、1.1.2.2

单片微型计算机发展概况在微型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1.1.2.2单片微型计算机发展概况在微型计算机的发展过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1.1.3.４应用系统设计内容返回本章首页1.1.3单片机应用领域1.1.3.1单机应用返回本章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1.1.3.1单机应用测控系统返回本节首页1.1.3.2多机应用分布式控制系统DCS（DistributedControlSystems）

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（FieldbusControlSystem）

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1.1.3.2多机应用分布式控制系统DCS（Distr1.1.3.3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1.1.3.3典型应用系统典型的较全面的单片机测控系统最1.1.3.4

应用系统设计内容（1）总体设计，硬件和软件的功能划分（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1.1.3.4应用系统设计内容（1）总体设计，硬件和软件1.2MCS-51单片机的硬件结构

1.2.1MCS-51单片机的基本结构1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构1.2.3MCS-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1.2.6MCS-51单片机工作方式1.2MCS-51单片机的硬件结构 1.2.1MC1.2.1MCS-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1.2.1MCS-51单片机的基本结构一、MCS-511.2.1MCS-51单片机的基本结构一、MCS-51单片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

T0T1

P0

P1

P2

P3TXDRXD

INT0INT1（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。1.2.1MCS-51单片机的基本结构一、MCS-51单通道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数据指针寄存器VCCGNDP1.0～P1.7SP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P3.0～P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时和控制逻辑指令译码器图1-2MCS-51片内总体结构框图P0.0～P0.7P2.0～P2.7返回本节通道0驱动器通道2驱动器RAM地址锁存器RAM通道0锁存器通1.2.1MCS-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地址机器代码指令代码2000H7405HMOVA,#05H2002H240AHADDA,#0AH2004H80FEHSJMP$

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1.2.1MCS-51单片机的基本结构二、CPU构成及工1.2.2MCS-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1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构一、MC1.2.2MCS-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（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/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0返回本节1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构一、MC1.2.2MCS-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

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/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1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构一、MC1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构二、MCC-51片外总线结构

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返回本节1.2.2MCS-51单片机的引脚及片外总线结构二、MC1.2.3MCS-51单片机的内部存储器 一、片内数据存储器(InternalRAM)二、特殊功能寄存器(SpecialFunctionRegister)三、片内程序存储器(InteralROM)四、MCS-51单片机系统的存储器结构特点分析返回本章首页1.2.3MCS-51单片机的内部存储器 一、片内数据存1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储器（InternalRAM）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30H2FH00H20H1FH7FH通用寄

存器区(4组)位寻址区128bit00H~7FH堆栈/数据缓冲区80Byte16Byte32Byte返回本节1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储器（InternalRAM）低128单元1、通用寄存器区（32Byte）地址范围：00H~1FH，共4组，

每组R0~R7。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128bit00H~7FH堆栈/数据缓冲区80Byte16ByteRS1RS011100100工作寄存器组设置参数返回本节1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储器（InternalRAM）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1.2.3MCS-51单片机的内部存储器一、片内数据存储1.2.3MCS-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SFR21个，如图；

52系列SFR26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1.2.3MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存1.2.3MCS-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（ProgramCounter）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（Acc—Accumulator）8位寄存器（Themostversatile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。1.2.3MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存1.2.3MCS-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（ProgramStatusWord）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1.2.3MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存1.2.3MCS-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（DataPointer）16位寄存器，寻址范围64KB;由两个8位寄存器（DPHDPL）组成；用于存放ROM及片外RAM地址。

如：MOVDPTR,#2000H返回本节1.2.3MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存1.2.3MCS-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128bit00H~7FH堆栈/数据缓冲区80B16B32B52H51HSP50H05HACC80HB05H80H入栈05HACC80HB出栈堆栈指针SP（StackPointer）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：MOVSP,#50H;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 PUSHACC

PUSHB出栈 POPB；后入先出

PUSHACC

返回本节1.2.3MCS-51单片机的内部存储器二、特殊功能寄存1.2.3MCS-51单片机的内部存储器三、片内程序存储器（ROM）类型腌膜ROMEPROMEEPROMFlashROM片内寻址范围EA=1时：（否则64KB全部限定在片外)51系列，4KB，0000H0FFFH52系列，8KB，0000H1FFFH一组特殊单元RESET地址： 0000H中断向量： 0003H000AH 外部中断（INT0）地址区

000BH0012H 定时器/计数器中断（T0）地址区

0013H001AH 外部中断（INT1）地址区

001BH0022H 定时器/计数器中断（T1）地址区

0023H002AH 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1.2.3MCS-51单片机的内部存储器三、片内程序存储1.2.3MCS-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RAM128B+SFR外部扩展RAM64KB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）

内部ROM4KB或8KB外部扩展ROM64KB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00FFH1.2.3MCS-51单片机的内部存储器四、MCS-511.2.4MCS-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1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口一、I/1.2.4MCS-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‘0’CB=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1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口一、I/1.2.4MCS-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：MOVP0,A；P0(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：ANLP0,#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：

MOVP0,#0FFH ；先写‘1’

MOVA,P0 ；再读避免锁存器D=‘0’时，引脚信号嵌位在‘0’P0.X锁存器DCLQQT2(+)‘1’‘0’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&VCCVCC1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口二、I/1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口三、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1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口三、各I1.2.4MCS-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1.2.4MCS-51并行输入输出（I/O）端口四、负载1.2.5MCS-51单片机时钟电路与时序一、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1.2.5MCS-51单片机时钟电路与时序一、单片机的时1.2.5MCS-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：1.2~12MHz。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