单片机应用技术C语言版课件-项目一 单片机最小系统设计

单片机应用技术

姓名：电话：办公室：项目一单片机最小系统设计1.1单片机应用系统的组成1.2MCS-51系列单片机组成结构1.3MCS-51系列单片机的存储器结构1.4最小系统电路1.5单片机系统开发软件KeilC51

◆单板机将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。单板机1.什么是单片机？1.1单片机应用系统的组成单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。1.1单片机应用系统的组成

◆单片机

单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）简称单片机，是指集成在一个芯片上的微型计算机，它的各种功能部件，包括CPU（CentralProcessingUnit）、存储器（memory）、基本输入/输出(Input/Output，简称I/O)接口电路、定时/计数器和中断系统等，都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机。单片机内部基本结构如图所示。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又称为微控制器(Micro-ControllerUnit，简称MCU)。单板机单片机1.1单片机应用系统的组成2.单片机的用途

单片机的应用十分广泛，在工业控制、智能仪器仪表、家用电器、通信系统、信息和通信产品、办公自动化设备、商业营销设备、医疗设备、汽车电子系统等领域，都有重要的用途。1.1单片机应用系统的组成智能仪器：内部含有单片机的仪器统称为智能仪器，也称为微机化仪器。这类仪器大多采用单片机进行信息处理、控制及通信，与非智能化仪器相比，功能得到了强化，增加了诸如数据存储、故障诊断、联网集控等功能。以单片机作为核心组成智能仪表已经是自动化仪表发展的一种趋势。家用电器：单片机功能完善、体积小、价格低、易于嵌入，非常适用于对家用电器的控制。嵌入单片机的家用电器实现了智能化，是传统型家用电器的更新换代，现已广泛应用于洗衣机、空调、电视机、视盘机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。工业控制：工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一，在测控系统、过程控制、机电一体化设备中主要利用单片机实现逻辑控制、数据采集、运算处理、数据通信等用途。单独使用单片机可以实现一些小规模的控制功能，作为底层检测、控制单元与上位计算机结合可以组成大规模工业自动化控制系统。特别在机电一体化技术中，单片机的结构特点使其更容易发挥其集机械、微电子和计算机技术于一体的优势。1.1单片机应用系统的组成信息和通信产品：信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，其中许多功能的完成都离不开单片机的参与。这里最具代表性和应用最广的产品就是移动通信设备，例如手机内的控制芯片就属于专用型单片机。另外在计算机外部设备中，如键盘、打印机中也离不开单片机。新型单片机普遍具备通信接口，可以方便地与计算机进行数据通信，为计算机和网络设备之间提供连接服务创造了条件。办公自动化设备：现代办公自动化设备中大多数嵌入了单片机控制核心。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机及电话等。通过单片机控制不但可以完成设备的基本功能，还可以实现与计算机之间的数据通信。1.1单片机应用系统的组成商业营销设备：在商业营销系统中单片机已广泛应用于电子秤、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等。医疗设备：单片机在医疗设施及医用设备中的用途亦相当广泛，例如在医用呼吸机、各种分析仪、医疗监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统中都得到了实际应用。汽车电子系统：现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器等装置中都离不开单片机。特别是采用现场总线的汽车控制系统中，以单片机担当核心的节点通过协调、高效的数据传送不仅完成了复杂的控制功能，而且简化了系统结构。1.1单片机应用系统的组成3.单片机的类型按等级大致又可分为三类，即工业级、商业级、军用级。◆目前8位单片机仍是单片机的主流机型；◆生产厂商：◆单片机的发展经历了由4位机到8位机,再到16位机的发展过程(CPU能同时处理二进制数的位数是多少位,就称其是多少位的计算机

)美国微芯片公司:PIC16C××系列、PIC17C××系列、PIC1400系列，美国英特尔公司的MCS-48和MCS-51系列，美国摩托罗拉公司的MC68HC05系列和MC68HC11系列，美国齐洛格公司的Z8系列，日本电气公司的μPD78××系列，美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的F8（3870）系列等。

1.1单片机应用系统的组成4.单片机应用系统单片机应用系统单片机＋接口电路及外设等＋软件硬件单片机应用系统由硬件和软件组成硬件是应用系统的基础软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可1.1单片机应用系统的组成5）所有人都站在了同一起跑线上;5.学单片机需要什么基础？2）与以前所学的知识关联很少；1）只需要掌握很基本的数电模电知识；3）对各种器件的概念基本上是从0开始；4）如果要用C语言编程，需具备简单的C语言基础；1.1单片机应用系统的组成1.单片机的基本结构1.2MCS-51系列单片机组成结构总线（BUS）是计算机各部件之间传送信息的公共通道。微机中有内部总线和外部总线两类。内部总线是CPU内部之间的连线。外部总线是指CPU与其它部件之间的连线。外部总线有三种:数据总线DB（DataBus）地址总线AB（AddressBus）控制总线CB（ControlBus）1.2MCS-51系列单片机组成结构单片机硬件结构时钟电路CPUROMRAMT0T1中断系统串行接口并行接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定时计数器中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一个全双工串行口。中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ复位电路1.2MCS-51系列单片机组成结构2.单片机的引脚总线型1.2MCS-51系列单片机组成结构非总线型1.2MCS-51系列单片机组成结构1.2MCS-51系列单片机组成结构1.2MCS-51系列单片机组成结构MCS-51单片机信号引脚简介

P3口线的第二功能VCCVSSXTAL2

XTAL1RSTP0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.72、振荡电路：XTAL1、XTAL23、复位引脚：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址锁存控制信号1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地)EAPSEN5、EA：访问程序存储控制信号6、PSEN：外部ROM读选通信号1

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复位,当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位.内部有扩散电阻连接到Vss,仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位ALE:

地址锁存使能,在访问外部存储器时,输出脉冲锁存地址的低字节在正常情况下ALE输出信号恒定为1/6振荡频率,并可用作外部时钟或定时.注意每次访问外部数据时,一个ALE脉冲将被忽略.ALE可以通过置位SFRauxililary.0禁止.置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活PSEN:程序存储使能,读外部程序存储.当从外部读取程序时,PSEN每个机器周期被激活两次,在访问外部数据存储器PSEN无效,访问内部程序存储器时PSEN无效。1.2MCS-51系列单片机组成结构EA/Vpp：外部寻址使能/编程电压，在访问整个外部程序存储器时，EA必须外部置低。如果EA为高时将执行内部程序。当RST释放后，EA脚的值被锁存。任何时序的改变都将无效。该引脚在对FLASH编程时用于输入编程电压(Vpp)XTAL1：晶体1振荡，反向放大器输入端和内部时钟发生电路输入端XTAL2：晶体2振荡，反向放大器输出端1.2MCS-51系列单片机组成结构3.I/O口接口单片机的I/O口

I就是INPUT。单片机是一种微型控制器，要想实现其控制作用，首先单片机就应该能够“感知外部世界的变化”，所以对于单片机而言必须有“输入口”。

O就是OUPUT。单片机根据外部信号的状态，通过其内部程序的分析处理，最终决定在哪里输出，输出什么样的信号，所以单片机要想“控制外部世界”就必须有“输出口”。1.2MCS-51系列单片机组成结构对单片机的控制，其实就是对I/O口的控制，无论单片机对外界进行何种控制，或接受外部的控制，都是通过I/O口进行的。51单片机总共有P0、P1、P2、P3四个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个I/O端口都能作输入输出口用，其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问。每个I/O口既可以按位操作使用单个引脚，也可以按字节操作使用8个引脚。1.2MCS-51系列单片机组成结构

1单片机的并行端口结构与操作51系列单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0～P3)、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口笼统地表示为P0～P3。在无片外扩展存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为准双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。1.2MCS-51系列单片机组成结构

51单片机4个I/O端口线路设计的非常巧妙，学习I/O端口逻辑电路，不但有利于正确合理地使用端口，而且会给设计单片机外围逻辑电路有所启发。2P0口的结构1.2MCS-51系列单片机组成结构下图为P0口的某位P0.n(n=0~7)结构图，它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成。从图中可以看出，P0口既可以作为I/O用，也可以作为地址/数据线用。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1.2MCS-51系列单片机组成结构

P1口逻辑电路1、P0口作为普通I/O口①输出时CPU发出控制电平“0”封锁“与”门，将输出上拉场效应管T1截止，同时使多路开关MUX把锁存器与输出DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1.2MCS-51系列单片机组成结构驱动场效应管T2栅极接通。故内部总线与P0口同相。由于输出驱动级是漏极开路电路，若驱动NMOS或其它拉流负载时，需要外接上拉电阻。P0的输出级可驱动8个LSTTL负载。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1.2MCS-51系列单片机组成结构②输入时----分读引脚或读锁存器读引脚：由传送指令(MOV)实现；

下面一个缓冲器用于读端口引脚数据，当执行一条由端口输入的指令时，读脉冲把该三态缓冲器打开，这样端口引脚上的数据经过缓冲器读入到内部总线。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1.2MCS-51系列单片机组成结构DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚②输入时----分读引脚或读锁存器读锁存器：有些指令如：ANLP0，A称为“读-改-写”指令，需要读锁存器。上面一个缓冲器用于读端口锁存器数据。1.2MCS-51系列单片机组成结构**原因：如果此时该端口的负载恰是一个晶体管基极，且原端口输出值为1，那么导通了的PN结会把端口引脚高电平拉低；若此时直接读端口引脚信号，将会把原输出的“1”电平误读为“0”电平。现采用读输出锁存器代替读引脚，图中，上面的三态缓冲器就为读锁存器Q端信号而设，读输出锁存器可避免上述可能发生的错误。**DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1.2MCS-51系列单片机组成结构P0口必须接上拉电阻；在读信号之前数据之前，先要向相应的锁存器做写1操作的I/O口称为准双向口；三态输入缓冲器的作用：（ANLP0，A）1.2MCS-51系列单片机组成结构DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚准双向口：

从图中可以看出，在读入端口数据时，由于输出驱动FET并接在引脚上，如果T2导通，就会将输入的高电平拉成低电平，产生误读。所以在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写“1”，使T2截止，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入。这就是所谓的准双向口。1.2MCS-51系列单片机组成结构2、P0作为地址/数据总线

在系统扩展时，P0端口作为地址/数据总线使用时，分为：

P0引脚输出地址/数据信息。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1.2MCS-51系列单片机组成结构CPU发出控制电平“1”，打开“与”门，又使多路开关MUX把CPU的地址/数据总线与T2栅极反相接通，输出地址或数据。由图上可以看出，上下两个FET处于反相，构成了推拉式的输出电路，其负载能力大大增强。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1.2MCS-51系列单片机组成结构P0引脚输出地址/输入数据输入信号是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。此时，CPU自动使MUX向下，并向P0口写“1”，“读引脚”控制信号有效，下面的缓冲器打开，外部数据读入内部总线。2、P0作为地址/数据总线----真正的双向口DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1.2MCS-51系列单片机组成结构3P2的内部结构1.P2口作为普通I/O口DQCLKQMUXP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCCRTP2口引脚CPU发出控制电平“0”

，使多路开关MUX倒向锁存器输出Q端，构成一个准双向口。其功能与P1相同。1.2MCS-51系列单片机组成结构

2.P2口作为地址总线在系统扩展片外程序存储器扩展数据存储器且容量超过256B(用MOVX@DPTR指令)时，CPU发出控制电平“1”，使多路开关MUX倒内部地址线。此时，P2输出高8位地址。DQCLKQMUXP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCCRTP2口引脚1.2MCS-51系列单片机组成结构4

P1口的内部结构

①P1口的一位的结构它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成----准双向口。DQCLKQP1.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP1口引脚1.2MCS-51系列单片机组成结构DQCLKQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能作为通用I/O口与P1口类似----准双向口(W=1)W1.2MCS-51系列单片机组成结构DQCLKQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能P3第二功能(Q=1)此时引脚部分输入(Q=1、W=1)

,部分输出(Q=1、W输出)

。W1.2MCS-51系列单片机组成结构5

P3口的内部结构P3第二功能各引脚功能定义：P3.0：RXD串行口输入P3.1：TXD串行口输出P3.2：INT0外部中断0输入P3.3：INT1外部中断1输入P3.4：T0定时器0外部输入P3.5：T1定时器1外部输入P3.6：WR外部写控制P3.7：RD外部读控制1.2MCS-51系列单片机组成结构综述一.P0、P1、P2、P4四个口作为一般输入输出口时：1.当P0作为I/O口使用时，特别是作为输出时，输出级属于开漏电路，硬件电路必须外接上拉电阻才会有高电平输出；2.P0、P1、P2、P4四个口如果作为输入，软件必须先向相应的锁存器写“1”，才不会影响输入电平。1.2MCS-51系列单片机组成结构二.P0、P1、P2和P3口为准双向口,在内部差别不大,但使用功能有所不同。1.当CPU内部控制信号为“1”时，P0口作为地址/数据总线用，这时，P0口就无法再作为I/O口使用了。

2.P1口是用户专用8位准双向I/O口,具有通用输入/输出功能,每一位都能独立地设定为输入或输出。3.P2口是8位准双向I/O口。外接I/O设备时,可作为扩展系统的地址总线,输出高8位地址,与P0口一起组成16位地址总线。4.P3口一般用作第二功能端1.2MCS-51系列单片机组成结构1.什么是地址？

单片机有很多的寄存器和存储单元，这些寄存器和存储单元承担着不同的工作任务，当CPU需要对这些寄存器和存储单元进行读或写操作时，必须知道”它们在哪”。

为了让CPU能够准确有序的找到这些寄存器和存储单元，就必须对它们进行编号，而这些编号就称为“地址”。1.3MCS-51系列单片机的存储器结构1

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存

储

器80318751805189C51片内RAM片内ROM256B（字节）4K1.3MCS-51系列单片机的存储器结构2.程序存储器程序存储器内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)EA=1EA=00000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行的起始单元,

在这三个单元存放一条

无条件转移指令中断5中断4中断3中断2中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断0定时器0中断外部中断1定时器1中断串行口中断8位．．．0FFFH0FFEH程序存储器资源分布中断入口地址1.3MCS-51系列单片机的存储器结构在单片机C语言程序设计中，用户无需考虑程序的存放地址，编译程序会在编译过程中按照上述规定，自动安排程序的存放地址。例如：C语言是从main()函数开始执行的，编译程序会在程序存储器的0000H处自动存放一条转移指令，跳转到main()函数存放的地址；中断函数也会按照中断类型号，自动由编译程序安排存放在程序存储器相应的地址中。因此，读者只需了解程序存储器的结构就可以了。1.3MCS-51系列单片机的存储器结构0000HFFFFH(64K)内部外部3.数据存储器数据存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用

寄存器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0区R0R7R0R7R0R7R0R71区2区3区工作寄存器区可位寻址区20H2FH7F78070030H7FH用户数据缓冲区/内部RAM存储器

11第3区18H~1FH

01第1区08H~0FHRS1RS0寄存器区片内RAM地址

00第0区00H~07H10第2区10H~17H工作寄存器区选择位RS0、RS11.3MCS-51系列单片机的存储器结构注意:一个单元地址对应有8个位地址

MSB——MostSignificantBit（最高有效位）

LSB——LeastSignificantBit（最低有效位）单元地址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F07

MSB位地址LSB7E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A322A221A120A027971696159514941393129211911090178706860585048403830282018100800RAM位寻址区位地址表1.3MCS-51系列单片机的存储器结构☆离散分布有21个特殊功能寄存器SFR。☆

11个可以进行位寻址。☆特别提示：对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。高128个单元1.3MCS-51系列单片机的存储器结构在单片机的C语言程序设计中，可以通过关键字sfr来定义所有特殊功能寄存器，从而在程序中直接访问它们，例如：sfrP1=0x90;//特殊功能寄存器P1的地址是90H，对应P1口的8个I/O引脚在程序中就可以直接使用P1这个特殊功能寄存器了，下面语句是合法的：P1=0x00;//将P1口的8位I/O口全部清0C语言中，还可以通过关键字sbit来定义特殊功能寄存器中的可寻址位，在程序ex1_1.c中，采用了下面语句定义P1口的第0位：sbitP1_0=P1^0;通常情况下，这些特殊功能寄存器已经在头文件reg51.h中定义了，只要在程序中包含了该头文件，就可以直接使用已定义的特殊功能寄存器。如果没有头文件reg51.h，或者该文件中只定义了部分特殊功能寄存器和位，用户也可以在程序中自行定义。1.3MCS-51系列单片机的存储器结构1.4单片机最小系统电路1.时序电路在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，就能构成自激振荡电路。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。电容器C1和C2主要起频率微调作用，电容值可选取为10~30pF左右。内部时钟方式如果单片机的时钟必须使用某一个外接的时钟信号，就无需外接晶振。由于此时的外接晶振引脚上没有晶振信号输入，内部的时钟电路将停振，此方式称为外部时钟方式。外部时钟方式1.4单片机最小系统电路

机器周期和指令周期（1）振荡周期:也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期，TX实验板上为11.0592MHZ。（2）状态周期:每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。（3）机器周期:一个机器周期包含6个状态周期S1~S6,也就是12个时钟周期。在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。（4）指令周期:它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS-51系统中,有单周期指令、双周期指令和四周期指令。1.4单片机最小系统电路8051单片机的采用内部时钟方式，晶体振荡器的频率f为6MHZ，则：振荡周期＝1/晶振频率=1／6µs；时钟周期＝2*振荡周期=1／3µs

机器周期＝6*时钟周期=2µs，指令周期＝1~4倍机器周=2~8µs即机器周期=（1/晶振频率）*121.4单片机最小系统电路2.复位电路上电复位电路

简单的说就是在单片机的RST引脚上加高电平，时间不少于5ms。而高电平能够一直加在RST引脚上吗？当然不能，因为那样单片机将永远处于复位状态，为此，需要在单片机外部连接复位电路。

由于复位时高电平有效，当刚接上电源的瞬间，电容C1两端相当于短路，即相当于给RESET引脚一个高电平，等充电结束时（这个时间很短暂），电容相当于断开，这时已经完成了复位动作。1.4单片机最小系统电路带手动复位的按键复位在程序正常运行过程中，RESET引脚低电平，当按键按下去的时候，电源经过R1和R2分压电路，RESET引脚得到高电平，等按键抬起时，RESET引脚又回到