单片机应用系统设计技术-基于C51的Proteus仿真第2章

第2章单片机系统电路基础计算机是微电子学与计算数学相结合的产物。微电子学的基本元器件及其集成电路形成了计算机的硬件基础，而计算数学的计算方法与数据结构则构成了计算机的软件基础。本章简要阐述与计算机有关的数学知识及单片机系统中最基本的单元电路。2.1数制与编码2.2单片机系统常用数字集成电路2.3

单片机系统中的常用存储器电路2.4电源电路2.5时钟与复位电路本章小结2.1数制与编码2.1.1进位计数制2.1.2进位计数制的相互转换2.1.3数码和字符的代码表示2.1.1进位计数制1.十进制计数制十进制的基为10，它所使用的数码为0～9，共10个数字。计数规律：逢10进1任意一个十进制数(S)10，可以表示为(S)10=kn-110n-1+kn-210n-2+…+k0100+k-110-1+k-210-2+…+k-m-110-m-1

(2001.9)10=2×103+0×102+0×101+1×100+9×10-1例：2.二进制计数制2.1.1进位计数制二进制的基为2，它所使用的数码为0、1，共2个数字。计数规律：逢2进1。任意一个二进制数(S)2可以表示成(S)2=kn-12n-1+kn-22n-2+…+k020+k-12-1+k-22-2+…+k-m-12-m-1例：(1101.101)2=l×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-32.1.1进位计数制3.十六进制计数制十六进制的基为16，其使用的数码为0～9、A～F，共16个数字计数规律：逢16进1任意一个十六进制数(S)16可以表示成(S)16=kn-116n-1+kn-216n-2+…+k0160+k-116-1+k-216-2+…+k-m-116-m-1例：(8AE6)16=8×163+A×162+E×161+6×160用A～F表示10～15(8AE6)16也可表示为8AE6H2.1.2进位计数制的相互转换1.十进制转换成十六进制一个十进制整数转换成十六进制数时，按除16取余的方法进行。例：(725)10=(?)16

转换结果，得到(725)10=(2D5)16。一个十进制小数转换成十六进制小数时，可按乘16取整的方法进行。例：

(0.7875)10=(?)16

0.7875×1612.6取整数12，即16进制数C

0.6×16

9.6取整数9

0.6

×169.6取整数91.十进制转换成十六进制转换结果，可得(0.7875)10=(0.C99)162.十六进制转换成十进制数十六进制数转换成等值的十进制数时，可用按权相加的方法进行。(1C4.68)16=1×162+C×161十4×160+6×16-1+8×16-2=256+192+4+0.375+0.03125=(452.40625)10例：3.十六进制与二进制数的转换一位十六进制数表示的数值恰好相当于4位二进制数能表示的数值。因此彼此之间的转换极为方便，只要从小数点开始分别向左右展开即可。(3AB4)16＝(0011101010110100)2(11111101.01001111)2＝(FD.4F)162.1.3数码和字符的代码表示一、

三个术语数码：代表一个确切的数字代码：特定的二进制数码组，是不同信号的代号，不一定有数的意义

编码：n位二进制数可以组合成2n个不同的信息，给每个信息规定一个具体码组，这个过程叫作编码。

二、二进制码：自然码：有权码，每位代码都有固定权值，结构形式与二进制数完全相同循环码：无权码，每位代码无固定权值，任何相邻的两个码组中，仅有一位代码不同。详细见主教材第22页表2.1两种4位二进制编码三、

二-十进制码（BCD码）

BCD码用二进制代码对十进制数进行编码，它既具有二进制码的形式（4位二进制码），又有十进制数的特点（每4位二进制码是1位十进制数）。(6840)10=(0110100001000000)BCD例：四、

字母与字符的编码由于计算机中采用二进制数码表示。要在计算机中表示字母、字符等都要用特定的二进制数码表示。字母与字符用二进制码表示的方法很多，目前在计算机中普遍采用的是ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美国标准信息交换码）。它采用8位二进制编码，故可以表示256个字符。其中包括数码0～9、英文字母以及打印和不可打印的字符。详细见主教材第23页

表2.2ASCII码字符表2.2单片机系统常用数字集成电路2.2.1常用的逻辑门电路2.2.2集电极开路门输出电路2.2.3常用组合逻辑电路2.2.4常用时序逻辑电路1、与门

2.2.1常用的逻辑门电路与运算符，也有用“∧”、“∩”、“&”表示与运算表达式

Y=A·B=AB与门逻辑符号&AYBYAB

ABY

000010100111与运算真值表与逻辑功能口诀：有“0”出“0”；全“1”出“1”。

或运算符，也可用“∨”、“∪”表示或运算表达式

Y=A+B或门逻辑符号≥1

ABYYAB2、或门或逻辑功能口诀：有“1”出“1”；全“0”出“0”。

ABY

000011101111或运算真值表“－”非逻辑运算符非运算表达式

Y=A非门逻辑符号1AYYA3、非门

AY

0110

非运算真值表4、恒等门运算表达式

Y=A恒等门逻辑符号1AYYA

AY

0011

恒等门运算真值表5、与非门

ABY

001011101110与非逻辑真值表与非逻辑表达式与非逻辑功能口诀：有“0”出“1”；全“1”出“0”。

&AYBYAB与非门逻辑符号或非逻辑功能口诀：有“1”出“0”；全“0”出“1”。

ABY

001010100110或非逻辑真值表6、

或非门或非逻辑表达式或非门逻辑符号≥1

ABYYAB异或逻辑功能口诀：同为“0”；异为“1”。

7、异或门

ABY

000011101110异或逻辑真值表异或逻辑表达式异或门逻辑符号YAB=1AYBAYB⊕逻辑代数中的逻辑运算TTL门电路中，因为输出级采用了推拉式电路，无论输出高电平还是低电平，它的输出电阻都很低，从而有效地降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力。2.2.2集电极开路门输出电路但推拉式输出结构有其局限性：1）它们的输出端不能并联使用，2）无法满足对不同输出高低电平的需要；3）不能满足驱动较大电流、较高电压的负载的要求。克服上述局限的方法就是，门电路的输出级采用集电极开路的三极管结构，制成集电极开路门电路（OC门,OpenCollectorGate）。OC与非门逻辑符号应用时输出端要接一上拉负载电阻RL1、线与OC门的主要作用：2、作为驱动器。利用OC门可以控制一些较大电流的执行机构，如控制电动机。OC与非门驱动发光二极管2.2.3常用组合逻辑电路1.编码器（ENC）1）普通编码器在普通编码器中，任何时刻只允许输入一个编码信号，否则输出将发生混乱。普通编码器是多输入、多输出的组合逻辑电路：有多个输入端N，1为有信号，0为无信号（或相反）；多个输出端n。两者关系满足2n=N。某一输入与它的编码输出是唯一对应关系。4-2编码器看作计算机配有的4个外部设备：声卡（A0）、硬盘驱动器（A1）、鼠标（A2）、网卡（A3）作为输入信号，B0、B1作为编码输出。逻辑表达式为：4-2编码器真值表A3A2A1A0B1B00001000010010100101000112）优先编码器在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上的信号。不过在设计优先编码器时将所有的输入信号按优先顺序排队，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。A3优先权最高，A0优先权最低。优先排队电路的逻辑表达式为：

4-2优先编码器真值表A3A2A1A0B1B0000100001x0101xx101xxx11单片机系统中常用的优先编码器电路功

能型

号说

明10-4优先编码器74HC147十进制-二进制编码器8-3优先编码器74HC148八进制-二进制编码器3状态8-3优先编码器74LS348八进制-二进制编码器，三态输出，可接单片机数据总线优先编码器74HC148演示2.译码器（DEC）译码器是编码器的逆过程，编码器和译码器成对存在，译码器也是多输入、多输出的组合逻辑电路，多个输入端数为N，则输出端数为n=2N。

1）2-4线译码器对于任意组输入编码，仅有与该编码相对应的一个输出端输出为0，称为译中；其余所有输出都为1，称为未译中。逻辑表达式为：2-4线译码器真值表A0A1B0B1B2B3000111011011101101111110当编码输入A0=0,A1=0时,B0=0（有译码输出），B1=B2=B3=1（无译码输出）2）3-8线译码器（74HC138）3个地址输入端：A1、A2、A3；3个使能输入端：G1、G2、G3；8个输出端：Y0～Y7

74HC138译码器输出逻辑表达式为：使能输入逻辑表达式为：当EN=1时译码器工作，3-8线译码器有输出（0表示有译码输出，1表示无译码输出）74HC138译码器演示单片机系统中常用的译码（驱动）器电路功

能型

号说

明2-4译码器74HC139双重3-8译码器74HC1384-16译码器74HC154BCD十进制译码驱动器74LS145OC门输出7段显示译码驱动器74LS48二-十进制3.数据选择器和数据分配器

1）4选1数据选择器在数字系统的传输过程中，有时需要从多路输入数据中选中某一路输出，这时就要用到称为数据选择器（MUX）的逻辑电路。4路输入信号是D0、D1、D2和D3，地址选择端是A和B，输出端是Y输入信号中的哪一路送到输出端，决定于A和B的状态：AB=00,Y=D0，信号D0到输出端；AB=10,Y=D1，信号D1送到输出端；AB=01,Y=D2，信号D2送到输出端；AB=11,Y=D3，信号D3送到输出端。2）数据分配器数据分配器也称多路分配器，是一路输入、多路输出的组合逻辑器件。

1-4数据分配器是指1路输入、4路输出的组合逻辑电路译码器也可以作为数据分配器使用，只要将译码器的使能端连接数据输入端即可实现数据分配器的功能。用3-8译码器实现数据1-8分配器单片机系统中常用数据选择器和数据分配器功

能型

号说

明16-1数据选择器74HC1508-1数据选择器74HC151有反相输出8-1数据选择器74HC1524-1数据选择器74HC153双重4选12-1数据选择器74HC257三态输出2-4数据分配器74HC1552-4数据分配器74LS156OC门输出4.三态门与传输门1）总线：

总线（BUS）是一组导线，是数据传送的公共通路。在总线结构的计算机中，多个部件挂在总线上，共享总线，多个部件分时使用总线，进行部件间的数据传送。所谓分时使用总线，就是在某一时刻，只允许一组数据发送到总线上，使相应的部件接收总线上的数据。2）特殊控制开关——三态门：

三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关。恒等门和非门真值表恒

等

门非

门ENAFENAF0000010110101x高阻1x高阻2.2.4常用时序逻辑电路1.锁存器由若干个电平触发的D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路，叫作锁存器。锁存器的工作特点为，数据信号有效滞后于时钟信号有效。这意味着时钟信号先到，数据信号后到。

74HC373/74HC573功能表输

出

控

制GD输

出01110000xQn1xx高阻

8位锁存器74HC373/74HC573

（图中只画出4位）2.寄存器由若干个正沿D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路，叫作寄存器，也称为数据触发器。寄存器的工作特点为，时钟信号有效滞后于数据信号有效。这意味着数据信号先建立，时钟信号后建立。在CP上升沿时刻打入到触发器。

8位寄存器74HC374/74HC574

（图中只画出4位）

74HC374/74HC574功能表输

出

控

制CPD输

出0

110

0000xQn1xx高阻74HC374/74HC574寄存器时序图单片机系统中常用的锁存器和寄存器功

能型

号触发送数方式备

注双D型触发器74HC74上升沿带清0端4D型锁存器74HC75高电平6D型触发器74HC174上升沿带清0端8D型触发器74HC273上升沿带清0端8D型触发器74HC574上升沿8D型锁存器74HC573高电平2.3单片机系统中的常用存储器电路存储器电路存储器是用来存放数据的集成电路或介质，常见的存储器有半导体存储器（ROM、RAM）、光存储器（如CD、VCD、MO、MD、DVD）、磁介质存储器（如磁带、磁盘、硬盘）等。存储器是计算机极为重要的组成部分，有了它计算机才具有存储信息的功能，使计算机可以脱离人的控制自动工作。单片机系统中主要使用的存储器是半导体存储器，从使用功能上，可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两类。2.3.1RAM存储器RAM存储器是指断电时信息会丢失的存储器，但是这种存储器可以现场快速地修改信息，所以RAM存储器是可读写存储器，一般都作为数据存储器使用，用来存放现场输入的数据或者存放可以更改的运行程序和数据RAM存储器分类：静态读写存储器（SRAM，StaticRAM）动态读写存储器（DRAM，DynamicRAM）SRAM的基本结构1.地址译码方式地址译码有两种方式，一种是单译码方式，或称为字结构方式，适用于小容量存储器；另一种是双译码方式，或称为X-Y译码结构。1）单译码方式16字×4位单译码存储器结构2）双译码方式双译码结构地址译码存储器2.读写控制电路在RAM结构中，读出和写入的数据线是公用的，为控制电路中数据的流向，设立了专门的读写控制电路。1）引脚图3.静态RAM622562）工作方式方

式功

能001写入D0～D7数据写入62256010读出读62256数据到D0～D71xx未选中D0～D7输出高阻态3）连接使用方法RAM62256写入、读出数据演示

只读存储器（ROM）的特点是：其内容是预先写入的而且一旦写入，使用时就只能读出不能改变，掉电时也不会丢失，ROM器件还具有结构简单、信息度高、价格低、非易失性和可靠性高等特点。对ROM内容的设定（写入）称为编程。2.3.2ROM存储器ROM的分类：固定ROM可编程的PROM可擦可编程的EPROM按编程方式1、ROM的结构与工作原理ROM由存储矩阵、地址译码器、读放与选择电路组成。2、ROM的点阵结构表示法3、可用紫外线擦除可编程只读存储器EPROM1）引脚与接线常用EPROM主要技术特性参数型号EPROM2764EPROM27128EPROM27256容量（B）8×102416×102432×1024引脚数282828最大维持电流(mA)111最大工作电流(mA)303030存取时间(ns)100100100工作电压(V)5552）编程操作

EPROM在工厂提供的产品未被编程前，所有的位都是逻辑1状态，用户根据需要使用专用设备编程器把逻辑0状态写入到所希望的位中。4、闪速存储器闪速存储器（FlashEEPROM）可以用来存放程序，但由于其读写方便，也可以像RAM一样存放经常需要修改的数据，所以又称为FlashMemory。下新一代闪速存储器的特点及其功能。1）低电压在线编程，使用方便，可多次擦写2）按块/按扇区擦除，按字节编程3）完善的数据保护功能2.4电源电路电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略。如果电源系统处理得好，整个系统的故障往往减少了一大半。电源供电模块以电源稳压部分为主体，外围辅助部分可包含过压过流保护部分、电压监控部分以及其他部分等。本节介绍电源稳压部分，其他部分参考有关书籍。2.4电源电路电源供电模块概述电源供电模块包括前级和末级部分，如图2.35所示。图2.35电源供电模块示意图2.4电源电路前级接单片机系统的主供电电源，可以是交流AC220V、设备电源、电池或电脑的USB电源之一，

末级的输入接前级的输出，末级由集成稳压电路组成，末级集成稳压电路的作用就是在供电电源电压波动和负载变动时，其输出的直流电压不受影响。末级是本节讨论重点2.4电源电路集成线性稳压电路图2.3778/79系列固定输出典型应用电路2.4电源电路低压差线性稳压电路2.4电源电路LM1117系列低压差线性稳压电路LM1117也是一款低压差集成电路，可固定输出电压，也可调节输出电压，输出电压范围为1.5～15V，封装形式和用法与LM1085基本相同，其不同点如下：输出固定电压值较多，电压低，精度高。固定输出集成电路有LM1117-1.5、LM1117-1.8、LM1117-2.5、LM1l17-2.85、LM1117-3、LM1117-3.3、LM1117-3.5、LM1117-5。2.4电源电路开关型稳压电路采用线性稳压器件（如78xx系列三端稳压器件）作为电压调节和稳压器件，可将较高的直流电压转变MCU所需的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会有大的“热损失”而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止而无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，2.4电源电路开关型稳压电路图2.40LM