《单片机控制技术项目式课程》（第2版）课件全套 王璇 项目1-11 认识单片机 - STC高性能51单片机的应用设计

项目1认识单片机初步认识单片机。掌握单片机的基本概念。了解单片机的发展历史及发展趋势。了解单片机的分类、特点及应用领域。了解行业标准中电子元器件的规范。了解芯片制造过程，培养自主创新意识。学习目标叙述什么是单片机。叙述单片机的发展历史及发展趋势。叙述单片机的分类。叙述单片机的特点及应用领域。工作任务任务1.1单片机是什么任务1.2单片机的发展任务1.3单片机的分类任务1.4单片机的特点及应用领域项目小结项目1认识单片机任务1.1单片机是什么单片机就在我们日常生活中，在我们身边的各种家用电器中。比如洗衣机，单片机在其控制面板中，如图所示：1.1.1单片机在哪里

全自动洗衣机操作面板洗衣机的单片机控制图

1.1.2单片机的样子单片机封装以外形的包装形式不同进行分类，常见的有双列直插式（DIP封装）、塑料J形引脚芯片载体（PLCC封装）和塑料方型扁平式（PQFP封装）等。

(a)DIP封装(b)PLCC封装(c)PQFP封装封装1：PDIP40（PlasticDualInlinePacket40）塑料双列（直插封装）体积大；插拔或焊接方便；容易加工；缺口侧圆形标记处为1脚；调试样机建议采用此封装。封装2

：PLCC44（PlasticJ-leadedChipCarrier）塑料J形引脚芯片载体体积较小插拔或焊接方便。中心正上方圆形标记处为1脚封装3

：封装：TQFP44

（ThinPlasticGullWingQuadFlatPacket）扁体塑料鸥翼状方形平面封装体积最小只能焊接左下方缺口侧圆形标记处为1脚批量生产设计推荐此封装在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路、定时器/计数器等部件，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。

单硅晶片CPU存储器控制电路定时器时钟电路I/O口单片机概念1.1.3单片机的基本概念单片机内部结构示意图注意：单片机本身只是一个集成度高、功能强的电子元件，只有当它与某些器件或设备有机地结合在一起时才构成了单片机应用系统的硬件部分，配置适当的工作程序后，就可以构成一个真正的单片机应用系统，完成特定的任务。第一阶段(1976～1978):单片机的探索阶段。以Intel公司MCS-48为代表。第二阶段(1978～1982):单片机的完善阶段。MCS-51系列单片机。第三阶段(1982～1990):单片机向微控制器发展的阶段。8位单片机的巩固和16位单片机的推出。第四阶段(1990～今):微控制器的全面发展阶段。8位/16位/32位通用型单片机以及小型廉价的专用型单片机。任务1.2单片机的发展1.2.1单片机的发展历史1.2.2单片机的发展趋势单片机今后将向高性能、高速、低压、低功耗、低价格、存储容量增大、外围电路内装化等方向发展。1．CPU的发展趋势（1）采用双CPU结构，提高处理能力。（2）增加数据总线宽度，内部采用16位数据总线。2．片内存储器的发展趋势（1）加大存储容量。（2）片内EPROM开始EEPROM化（3）闪速存储器（4）串行存储器（5）片内程序的保密措施3．片内I/O的改进（1）增加并行口的驱动能力，能直接输出大电流和高电压。（2）增加I/O口的逻辑控制功能。（3）设置了一些特殊的串行接口功能，构成分布式、网络化系统。4．外围功能部件内装化5．低功耗化6．应用软件和系统软件内固化1.按数据总线位数不同分类（1）4位单片机：（2）8位单片机：（3）16位单片机：（4）32位单片机：控制功能较弱，CPU一次只能处理4位二进制数。品种丰富、应用广泛。分为51系列和非51系列。操作速度及数据吞吐能力在性能上比8位机有较大提高。主要有TI的MSP430系列、Intel的MCS-96系列等。字长为32位，是单片机中的顶级产品，具有极高的运算速度。常见ARM处理器架构可分为ARM7、ARM9及ARM11。（1）MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机是Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，可分为51和52两个子系列。2.按生产厂家分类基本型增强型（2）80C51系列﹡ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；

80C51是MCS-51系列中的一个典型品种；其它厂商生产的与80C51兼容的单片机统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有：

﹡

Philips、Infineon、Dallas等公司的许多产品。（3）其他常用单片机系列Atmel公司的AVR系列单片机精简指令集（RISC）单片机，其ATtiny系列、AT90S系列与ATmega系列分别对应为低、中、高档产品。主要特点：ROM采用Flash结构，有多种编程方式，数据处理速度快，功耗低，I/O口功能强、驱动能力大，具有A/D转换电路，有功能强大的定时/计数器。Microchip公司的PIC系列单片机主要产品是8位单片机，CPU采用了RISC结构的嵌入式微控制器，共有3个系列：基本级、中级和高级。主要特点：高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术。Motorola公司的单片机品种全、新产品多，4位、8位、16位32位的单片机都能生产。主要特点：在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多,使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合于工控领域及恶劣的环境。任务1.4单片机的特点及应用领域与通用微机相比较，单片机在结构、指令设置上均有其独特之处，主要特点如下：（1）单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。（2）采用面向控制的指令系统。（3）单片机的I/O引脚通常是多功能的。（4）单片机的外部扩展能力很强。1.4.1单片机的特点单片机在控制领域中的主要特点：（1）体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。（2）能针对性地完成从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性价比。（3）抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠

地工作。（4）可以方便地实现多机控制和分布式控制，使整个控制系统的工作效率和可靠性大大提高。小型、灵活、方便、便宜就是单片机的主要特点。智能仪器仪表数字式测角仪交直流电压电流表数字测温仪单片机结合不同类型的传感器，可实现电压、频率、湿度、温度等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。1.4.2单片机的应用领域

工业控制电梯智能化控制用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统。

智能流水线家用电器在家用电器领域，单片机的应用越来越广泛。如洗衣机、电冰箱、微波炉，其他音响视频器材等。洗衣机微波炉智能冰箱通信设备现在的通信设备基本上实现了单片机智能控制，从手机，电话机，小型程控交换机、无线对讲机到楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信等。手机电话机小型程控交换机对讲机医用设备病床呼叫系统电池分析仪医用呼吸机超声诊断设备监护仪汽车电子产品自动驾驶系统安全保护系统集中显示系统办公自动化设备打印机复印机传真机绘图仪人脸识别考勤机商业营销设备手持条码阅读器IC卡刷卡机出租车计价器项目小结本项目主要介绍了单片机的概念、发展、分类、特点及应用领域，通过四个任务完成了对单片机的认识。单片机在一块超大规模芯片上，集成了一部完整微机的全部基本单元，具有很高的性价比和相当小的体积，广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。单片机的发展经历了“探索”、“完善”、“MCU化”、“全面发展”四个阶段，并将进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、低价格、大容量、高性能、外围电路内装化（嵌入式）和串行扩展技术等方向发展。项目2用单片机集成开发环境进行项目设计了解KeilC51软件和Proteus软件。熟练掌握KeilC51软件的使用方法。熟练掌握Proteus软件的使用方法。学会运用信息化手段解决专业技术问题，培养信息化素养。学习目标叙述用KeilC51软件创建工程的步骤。用KeilC51软件完成单片机程序的编译和调试。叙述Proteus软件的使用方法。用Proteus软件设计单片机电路。工作任务任务2.1用KeilC51软件进行软件设计任务2.2用Proteus软件进行硬件设计项目小结项目2用单片机集成开发环境进行项目设计任务2.1用KeilC51软件进行软件设计

用KeilC51软件进行软件设计，首先要在计算机上正确安装KeilμVision4。

KeilμVision4使用工程的方法来管理文件，基本操作步骤如下：（1）新建工程文件。（2）选择CPU型号（如Atmel公司的AT89C52）。（3）为工程添加源程序文件（新建一个源程序文件并添加源程序，或直接添加已存在的源程序文件）。（4）对工程进行设置。（5）程序编译、调试。任务准备1．任务要求用KeilμVision4新建一个工程文件“流水灯.uvproj”，详细说明设计一个应用程序的过程。2．任务分析根据任务要求，只有熟悉KeilμVision4的实际操作步骤，才能正确地设计一个应用程序并对该应用程序进行编译。任务操作3．任务设计启动KeiluVision4，进入工作界面单击Project，在下拉菜单中选NewμVisionProject，新建工程选择路径工程名CPU型号选择到现在为止，用户已经建立一个空白的工程文件，并为该项目选择好了CPU。单击“File”菜单，在下拉菜单中单击“New”选项来新建一个C文件此处可以键入程序建议：先单击“File”中的“SaveAs”来保存空白文件，并在弹出的对话框中选择存储位置及文件名。储存路径文件名要带扩展名添加文件到工程文件添加完成以后的界面打开led.c文件，输入C代码。输入程序时，KeilC51会自动识别关键字，并以不同的颜色提示用户加以注意单击“Project”菜单中“Optionsfortarget‘target1’”，对工程进行设置，以满足要求。更改晶振频率使程序编译后产生HEX代码，以便在Proteus里加载可执行代码

依次单击，如果没有语法错误，将会生成可执行文件编译、链接、生成可执行文件任务2.2用Proteus软件进行硬件设计

用Proteus软件进行硬件设计，首先要在计算机上正确安装Proteus软件。任务准备1．任务要求用安装好的Proteus软件设计一个单片机控制LED工作的电路并进行仿真。要求使用AT89C52单片机进行设计，且晶振频率为12MHz。2．任务分析根据任务要求，首先用Proteus软件绘制一个用单片机控制LED工作的电路，该电路中应包括电源电路、时钟电路、复位电路和LED电路。学生要学会用Proteus软件设计电路的方法。然后载入控制LED工作的单片机软件并对电路进行仿真。任务操作3．任务设计（1）软件打开双击桌面上的ISIS7Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”→“程序”→“Proteus7Professional”→“ISIS7Professional”，就进入了ProteusISIS集成环境。（2）工作界面（3）原理图绘制

①将所需元器件加入到对象选择器窗口。同样的方式添加LED等其它元件输入“AT89C”双击单击按钮P②放置元器件至图形编辑窗口③连接元器件注意：图中的单片机元件没有“VCC”和“GND”引脚，这是因为Proteus软件中，元件模型中的“电源”和“地”已经进行了连接，“VCC”接到了“+5V”电源，“GND”接到了“地”，所以隐藏了这两个引脚。（4）电路仿真①Proteus可以对纯硬件电路仿真运行，以检查硬件电路是否正确，此时无需加载软件。只要在原理图编辑完成以后，选择“Debug”→“Execute”命令即可进行电路仿真。②将通过上一个任务生成的可执行文件下载到原理图中的单片机上以后，执行“Debug”→“Execute”命令对整个系统进行软、硬件全面仿真运行。当发光二极管满足导通条件时，其颜色将发生改变表示其导通发光。项目小结本项目详细介绍了KeilC51软件的使用方法，包括新建工程文件、选择CPU型号等，同时介绍了单片机硬件设计与仿真软件Proteus的使用方法。KeilC51软件是目前非常流行的MCS-51系列单片机开发软件，提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，工作界面是Windows操作界面。通过该软件可以完成编译、链接、生成可执行文件等整个开发流程。Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能对单片机及其外围电子元器件进行仿真。项目3MCS-51系列单片机最小系统的设计

了解MCS-51系列单片机的内部结构。理解MCS-51系列单片机存储器的分布和运用。理解MCS-51系列单片机最小系统的基本结构和原理。掌握MCS-51系列单片机最小系统的设计方法。能独立分析和解决电路设计中的问题。学习目标介绍MCS-51系列单片机的基本结构。介绍MCS-51系列单片机的存储器。介绍MCS-51系列单片机芯片。设计MCS-51系列单片机最小系统。工作任务任务3.1认识MCS-51系列单片机的内部结构任务3.2MCS-51系列单片机最小系统电路的设计项目拓展STC89C52实验板电路的设计项目小结项目3MCS-51系列单片机最小系统的设计时钟电路CPUROMRAMT0T1中断系统串行接口并行接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定时计数器结构框图中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，高128个单元被专用寄存器占用，低128个单元供用户使用，用于存放可读写数据，运算的中间结果等。内部ROM：4KB的8位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组8位的并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出。串行口：一个全双工串行口。中断控制系统：5个中断源（外部中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）时钟电路：用于产生单片机运行的时钟脉冲序列。任务3.1认识MCS-51系列单片机的内部结构3.1.1MCS-51系列单片机的基本结构 结构框图1

2

3

4

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10111213141516171819

2040

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313029282726252424222180318751805189C51片内RAM片内ROM256B4KB片外ROM可扩展64K片外RAM可扩展64K3.1.2MCS-51系列单片机的内部存储器1.程序存储器(ROM——只读存储器）

作用：存放设计人员编写的程序。

大小：MCS-51的单片机内部有4KROM。

编址范围：4KROM编址范围：0000H～0FFFH。外部扩展：

64KROM，编址范围：0000H～FFFFH。

程序存储器地址分配0000H0001H0002H(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内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)EA=1EA=02.数据存储器（RAM）MCS—51系列单片机的内部数据存储器由读写存储器RAM组成,用于存储数据。它由RAM块和特殊功能寄存器（SFR）块组成。内部RAM大小：256个字节（256B），其中低128个单元是真正的内部RAM，可以被用来写入或读出数据。编址范围：00H～FFH。外部扩展RAM：64KB编址范围：0000H～FFFFH。0000HFFFFH(64K)内部外部数据存储器RAM00HFFH7FH80H(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数据缓冲区/堆栈区内部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~07H

10第2区10H~17H工作寄存器区选择位RS0、RS1PSW位地址

CYACF0RS1RS0OVF1P

00H—1FH，供用户编程使用，临时存放8位信息。共四组，每组8个单元，即8个寄存器当某一组被设定成工作寄存器组后，该组中的8个寄存器，从低地址到高地址就分别称为R0-R7，从而可以把它们用作通用寄存器，并可按寄存器寻址方式被访问。一旦工作寄存器组被指定后，另外三组寄存器则同其它数据RAM一样，只能按字节地址被予以读写。

（1）工作寄存器区00H07H08H0FH10H17H18H1FH0区R0R7R0R7R0R7R0R71区2区3区工作寄存器区可位寻址区20H2FH7F78070030H7FH数据缓冲区/堆栈区位寻址区（20H—2FH）16个字节。16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H—7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。（2）位寻址区00H07H08H0FH10H17H18H1FH0区R0R7R0R7R0R7R0R71区2区3区工作寄存器区可位寻址区20H2FH7F78070030H7FH数据缓冲区/堆栈区（3）数据缓冲区30H—7FH，即用户区，共80个单元。用于存放运算数据和结果。实际上不使用的位寻址的字节和不使用的工作寄存器区都可以用作数据缓冲区使用。00H07H08H0FH10H17H18H1FH0区R0R7R0R7R0R7R0R71区2区3区工作寄存器区可位寻址区20H2FH7F78070030H7FH数据缓冲区/堆栈区注意：堆栈一般开辟在这个区域又称为专用寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。用户在编程时可以置数设定。离散地分布在RAM的高128个单元（80H-FFH）。注意：SFR的实际个数和单片机的型号有关，51单片机有21个。每个SFR占有一个RAM单元，它们分布在80H～FFH的地址范围内，没有被SFR占用的RAM单元实际并不存在，访问它们也是没有意义的。3.特殊功能寄存器(SFR)特殊功能寄存器一览表注意：凡是地址以“0”和“8”结尾的单元都是可位寻地址的，地址的范围是80H~FFH。

☆

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。序号SFR地址SFR符号复位值功能说明1E0HACC00H累加器可位寻址2F0HB00HB寄存器可位寻址3D0HPSW00H程序状态字可位寻址480HP0FFHP0口锁存寄存器可位寻址581HSP07H堆栈指针682HDPL00H数据指针DPTR低8位783HDPH00H数据指针DPTR高8位887HPCON0XXX0000B电源控制寄存器988HTCON00H定时器控制寄存器可位寻址1089HTMOD00H定时器0和1的模式寄存器118AHTL000H定时器0低8位128BHTL100H定时器1低8位138CHTH000H定时器0高8位148DHTH100H定时器1高8位1590HP1FFHP1口锁存寄存器可位寻址1698HSCON00H串行口控制寄存器可位寻址1799HSBUFXXXXXXXXB串行口数据缓冲寄存器180A0HP2FFHP2口锁存寄存器可位寻址190A8HIE0X000000B中断允许控制寄存器可位寻址200B0HP3FFHP3口锁存寄存器可位寻址210B8HIPXX000000B中断优先级控制寄存器可位寻址几个特殊功能寄存器：(1)累加器(ACC或A)：最常用的一个8位特殊功能寄存器。该寄存器可位寻址。几乎全部指令都可用它作为操作数，有些指令必须用它作为目标操作数。(2)B寄存器：一个8位特殊功能寄存器。乘除法指令必须用它作为其中的一个操作数。它也可作为普通RAM单元使用。(3)堆栈指针(SP)：一个8位特殊功能寄存器。单片机复位时，SP为07H，它总是指向栈顶。它主要用在子程序调用、中断响应及返回中。(4)数据指针(DPTR)：一个16位特殊功能寄存器，可分为两个8位寄存器，高8位为DPH，低8位为DPL。该寄存器主要用于存放程序存储器和片外数据存储器的地址。（5）程序状态字（PSW

）：一个8位的特殊功能寄存器，位于单片机的特殊功能寄存器区，用来存放运算结果的一些特征。PSWCY——

进位/借位标志；位累加器（简称C）。AC——

半字节进位标志，辅助进/借位标志；用于十进制调整。F0——

用户定义标志位；软件置位/清零。RS1、RS0——寄存器区选择控制位。OV——

溢出标志；硬件置位/清零（注意溢出条件）。P——

奇偶标志；A中1的个数为奇数P=1；否则P=0。×——该位无定义。

P×OVRS0RS1

F0

AC

CYPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0程序计数器（PC）：一个不属于特殊功能寄存器、物理上独立的寄存器。是一个16位寄存器，具有自动加1功能，总是存放将要被执行指令的首地址。单片机复位后，PC为0000H，单片机的应用程序应放在以程序存储器地址0000H开始的单元中。3.1.3MCS-51系列单片机内部存储器的读写控制1．任务要求编写一段程序，对单片机内部几个特殊功能寄存器进行读写，利用KeilC51软件的调试功能，观察程序运行后各存储单元的变化情况。2．任务分析根据任务要求，分别给P0口、程序状态字PSW和累加器ACC赋不同的值，同时将累加器ACC里的值读出存到变量dat中，通过调试观察P0、PSW、ACC和变量dat的值的变化。3．任务设计（1）程序设计//***************************************************************//宏定义，包含头文件#include<reg52.h>//***************************************************************//主程序main(){ unsignedchardat;//定义变量dat为无符号字符型

P0=0x00;//将P0口清0 PSW=0x80;//将0x80赋给PSW ACC=0xf0;//将0xf0传送到累加器ACC dat=ACC;//将累加器ACC的内容送给变量dat}（2）观察程序执行之后各存储器单元的变化

①在Keil下创建工程项目，输入源程序，并编译链接生成HEX文件。②在Keil的“Debug”菜单下选择“Start/StopDebugSession”子菜单，或者点击快捷图标,进入调试界面。③点击菜单View下的“MemoryWindow”命令，打开存储器窗口。存储器窗口用来显示系统中各种内存中的值，通过在Address后的编缉框内输入“字母：数字”即可显示相应内存值。例如键入C：0，即显示从0开始的ROM单元中的值。本程序的二进制代码。④点击菜单View下的“WatchWindows”命令，打开观察窗口，并将变量dat添加进去。⑤选择“Peripherals”菜单下的“I/O-Ports”，选中“Port0”后，会弹出P0的调试窗口，可以观察P0口每一位的电平状态。观察窗口P0调试窗口P0口的输出锁存器的状态P0口引脚状态⑥运行程序。采用单步运行方式，观察P0，PSW，ACC等相关寄存器以及变量dat的变化，运行结果如下图。任务3.2

MCS-51系列单片机最小系统电路的设计

3.2.1MCS-51系列单片机芯片介绍区分芯片引脚序号芯片表面会有一个凹进去的小圆坑，或用颜色标识的小标记，，这些标记所对应的就是芯片第1脚，然后逆时针数下去就是最后一个引脚。引脚定义与说明1）主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源GND(Pin20)：接地线2）外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin18)：片内振荡电路的输出端3）控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位初始化。设计单片机应用系统时，这个引脚一定要连接相应复位电路。(Pin29)：外部存储器读选通信号。PSEN有效(低电平)时，可实现对外部ROM单元的读操作。

ALE/(Pin30)：地址锁存允许信号。在系统扩展时，ALE用于把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振的1/6固定频率输出的正脉冲，因此它可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。当电源发生故障，电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。4）可编程输入/输出引脚（32根）

P0（Pin39～Pin32）P1（Pin1～Pin8）P2（Pin21～Pin28）P3（Pin10～Pin17）（兼做特殊功能口）P1P3P2P0

1.单片机复位的条件

在复位引脚RST（Pin9）持续出现24个振荡器脉冲周期（即2个机器周期）的高电平信号将使单片机复位。通常为了保证应用系统可靠地复位，复位电路应使引脚RST保持10ms以上的高电平。

3.2.2单片机复位电路的设计

2.单片机的复位电路常见复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种，如图(a)、(b)所示。

(a)上电复位电路(b)按键复位电路图(a)为上电复位电路，在上电瞬间，由于电容上电压不能突变，电容处于充电(导通)状态，故RST脚的电压与VCC相同。随着电容的充电，它两端的电压上升，使得引脚RST上电压下降，最终使单片机退出复位状态。选择合理的充电常数，就能保证在RST端有2个机器周期以上的高电平，从而使单片机内部复位。C的推荐值是10μF，R的推荐值是10kΩ。图(b)是按键手动复位电路。开关未按下时，为上电复位电路，开关按下时，RST端通过电阻Rl与VCC电源接通，提供足够时间的复位电平，使单片机复位。

1．时钟电路设计两种方式产生时钟：内部振荡方式

外部时钟方式

（1）内部时钟电路利用单片机内部的振荡电路，并在XTALl和XTAL2两引脚间外接石英晶体(或陶瓷谐振器)和电容构成的并联谐振电路，使内部振荡器产生自激振荡。晶振可以在0~24MHz之间，不超过33MHz。外接石英晶体时，C1和C2一般取30pF±10pF；外接陶瓷谐振器时，Cl和C2一般取40pF±10pF。电容的大小对振荡器频率有微小的影响，可起频率微调的作用。3.2.3单片机时钟电路的设计

晶振类型：石英晶振、有源晶振

晶振：0~33MHz

（6MHz、12MHz、24MHz、33MHz、

11.0592MHz、22.1184MHz）

起振电容类型：瓷片电容、独石电容

起振电容：30±10pF

（20pF、22pF、27pF、30pF）

内部时钟电路

(2)外部时钟电路

外部方式的时钟电路如图，当有现成的时钟信号时，可直接将时钟从XTAL2接入，XTAL1接地即可。注：单片机系统中多采用内部时钟方式。2．时序

所谓时序是指各种信号的时间序列，它表明了指令执行中各种信号之间的相互关系。单片机本身就是一个复杂的时序电路，CPU执行指令的一系列动作都是在时序电路控制下一拍一拍进行的。为达到同步协调工作的目的，各操作信号在时间上有严格的先后次序，这些次序就是CPU的时序。51系列单片机以晶体振荡器的振荡周期（或外部引入的时钟信号的周期）为最小的时序单位。所以片内的各种微操作都是以振荡周期为时序基准。

（1）振荡周期（Tosc）:又称节拍(用P表示),是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。

Tosc=1/fosc

（2）状态周期:用S表示。每个状态周期为振荡周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。

S=2P=P1+P2（3）机器周期（T机）:CPU完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期包含6个状态周期S1~S6,也就是12个振荡周期。即：T机=12

×Tosc=12×1/fosc（4）指令周期:不同的指令，其执行时间各不相同，如果用占用机器周期多少来衡量的话，MCS-51单片机的指令可分为单周期指令、双周期指令及四周期指令。

例如，若fosc=12MHz，则一个振荡周期Tosc＝1/12μs，状态周期S＝1/6μs，机器周期T机=1μs，指令周期＝1～4μs51单片机工作的三个基本条件：1.电源正常2.复位正常3.时钟正常3.2.4单片机最小系统电路的设计1．任务要求设计一个单片机可以正常工作的最简单电路，即单片机最小系统。要求使用STC89C52单片机进行设计，且晶振频率为12MHz。2．任务分析设计的最小系统应该具备电源电路、时钟电路和复位电路三个部分。时钟电路的设计可以采用内部时钟方式，而复位电路可以采用上电自动复位的方式。3．任务设计

（1）器件的选择单片机是本任务的主要芯片，选择STC89C52，石英晶体外接两只电容构成时钟电路，复位电路由电阻和电解电容组成，选择的器件清单如下：器件名称数量（只）STC89C52112MHz晶体130pF瓷片电容222uF电解电容110kΩ电阻1（2）电路图原理图设计复位电路时钟电路电源地注意：在具备上述3个电路的情况下，就构成了一个最简单的单片机最小系统，但是它没什么实际意义，因为它不能跟外界进行交流。实际应用中由用户根据需要来添加输出电路，同时配合各种输入、各种外设的使用，最终形成庞大的单片机系统。项目拓展STC89C52实验板电路的设计1.实验板最小系统的设计实验板的单片机最小系统电路原理图如附录B中所示。（1）电源电路①USB1是USB插座，通过USB连线连接到电脑可以给实验板供电以及进行串口通讯。②SW3为电源开关，LED10为电源指示灯。③TEMP1是一个可选配STC自动下载模块，如果没有选配该模块，需要用跳帽（短路块）短接TEMP1的第1、2脚，否则整个实验板不能供电。④J35、J36为电源插针，可以通过此插针向外部扩展模块提供+5V电压，也可以从外部电源引入+5V电压。⑤J38为直接使用+5V直流输入。注意：由于实验板是直接采用USB线通过电脑供电、通讯、下载一体的，所以使用时不需要外接电源只要将板子和电脑用USB线接上就行了；如果要接外接电源，一定要接+5V，否则可能会损坏单片机和主板上的芯片。单片机和扩展插座电源电路（2）时钟电路时钟电路的设计采用内部时钟方式，晶振可以拔插，在使用过程中，如果需要更换不同频率的晶振，一定要确保晶振的类型和特性参数基本相同。（3）复位电路阻容复位包含两种复位方式，低电平复位与高电平复位。由于51单片机为高电平复位，因此使用时应通过跳帽（短路块）将1、2脚相连。时钟电路2.实验板其他功能模块的设计在单片机最小系统的基础上，根据实际需要添加发光二极管、数码管、键盘等输入或输出电路，就可以实现不同的功能，下面介绍单片机实验板的一些常用功能模块的设计。

（1）LED模块

LED模块电路见附录B中“8个LED灯”电路。RP1为排阻，390欧姆；J9为插针，用于连接需要使用的IO口。（2）数码管模块①见图中“独立共阳数码管”电路，用来演示数码管基本结构。②见图中“8位共阴数码管”电路，使用前必须把J50插针用跳帽跳上，用于数码管的整体供电，如果平时不需要使用共阴数码管，把跳帽拔掉即可。（3）键盘键盘有独立键盘和矩阵键盘两种，使用时，用杜邦线连接键盘接口和单片机IO口。（4）喇叭见图中“喇叭及电机电路”，使用时用一根杜邦线连接J42和单片机的一位IO口即可。（5）温度传感器见图中“2路温度传感器”电路，设计了2路18B20接口，可以使用任意一个或者2个单独连接，也可以把2个18B20连接到一根线上操作。（6）AD/DA模块见图中“数模/模数转换”电路，J31与J32用于切换AD输入端口，因为只有2个电位器，但有4个输入端口，所以同时只能使用2个，这2个插针用于切换输入端口。J33是DA输入模拟LED灯选择开关，用跳帽跳上后LED起作用。（7）串口通讯见图中“串口通讯”电路，单片机串口默认连接的板载usb-232芯片，使用一根USB接口就可以进行串口实验。J18用于切换串口公口或母口连接到单片机的P3.0、P3.1，平时不用该端口跳帽可以悬空。项目小结本项目主要介绍了MCS-51系列单片机的芯片引脚、基本结构和内部存储器，同时介绍了其复位电路、时钟电路的设计方法，通过两个任务完成了单片机内部存储器的读写控制和单片机最小系统的设计。MCS-51系列单片机采用40引脚双列直插式DIP封装，内部由中央处理器，时钟电路、程序存储器、数据存储器、中断系统、定时/计数器、并口和一个串行通信模块组成。保证单片机正常运行的三个基本条件：电源正常、时钟电路正常、复位电路正常。项目4单片机控制LED的设计了解MCS-51系列单片机I/O口的结构。掌握MCS-51系列单片机I/O口的特点及应用方法。掌握单片机控制LED的硬件设计方法。能熟练编写单片机控制LED闪烁的程序。能独立分析和解决硬件设计和软件设计中的问题。能利用团队的力量完成任务，培养团队合作精神。学习目标工作任务叙述MCS-51系列单片机I/O口的结构和特点。设计单片机控制单个LED闪烁的电路和工作软件。设计单片机控制多个LED循环闪烁的电路和工作软件。任务4.1单片机控制单个LED闪烁的设计任务4.2单片机控制多个LED循环点亮的设计

项目拓展STC89C52实验板彩灯的花式控制项目小结项目4单片机控制LED的设计

任务4.1单片机控制单个LED闪烁的设计4.1.1MCS-51系列单片机的I/O口介绍

MCS-51系列单片机有4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2和P3口。它们是特殊功能寄存器中的4个。这4个口，既可以作输入，也可以作输出，既可按8位处理，也可按位方式使用。输出时具有锁存能力，输入时具有缓冲功能。

1．P0口P0口是一个三态双向口，包括一个输出锁存器、两个三态缓冲器、输出驱动电路和输出控制电路组成，它的一位结构如图：输出驱动器控制电路P0口功能1、通用I／O接口：不需要外部扩展时，内部控制信号将使MUX开关接通到锁存器。此时，由于P0口没有内部上拉电阻，通常要在外部加一个上拉电阻来提高驱动能力。2、地址/数据分时复用：需要进行外部扩展时，内部控制信号将使MUX开关接通到内部地址／数据线。此时，P0口在ALE信号的控制下，分时输出低8位地址和8位数据信号。P0口的工作原理（1）通用I/O口①用作输入口（端口外数据内部寄存器）方式1（读锁存器）：Q缓冲器2D内部总线,适于“读—修改—写”方式2（读引脚）：P0.x缓冲器1D内部总线。

作为通用I/O使用，是一个准双向口：“在输入数据时应先把口置1，使V1、V2都截止，引脚处于悬浮状态，可作高阻抗输入”②用作输出口（片内数据端口）数据锁存MUXP0.x（2）地址/数据总线口

①输出：地址/数据为1，P0·x——高地址/数据为0，P0·x——低

②输入：经缓冲器1读入

（1）P0口既可作地址/数据总线使用，也可作通用I/O口使用。当P0口作地址/数据总线使用时，就不能再作通用I/O口使用了。（2）P0口作输出口使用时，输出级属漏极开路，必须外接上拉电阻，才有高电平输出。（3）P0口作输入口读引脚时，应先向锁存器写1，使V1、V2截止，不影响输入电平。P0口特点2.P1口P1口是准双向口，它只能作通用I/O接口使用。结构与P0口不同，它的输出只由一个场效应管V1与内部上拉电阻组成。（1）P1口是唯一的单功能口，仅能作为通用I/O口使用。因在其输出端接有上拉电阻，可以直接输出而无需外接上拉电阻。（2）同P0口一样，当作输入口时，必须先向锁存器写“1”，使场效应管V1截止。P1口特点3.P2口P2口也是准双向口，它有两种用途：通用I/O接口和高8位地址线。

P2口作I/O端口使用时：内部控制信号使MUX开关接通到锁存器，此时P2口的用法与P1口相同。P2口作外部地址总线使用时：内部控制信号使MUX开关接通到内部地址线，此时P2口的引脚状态由所输出的地址决定。需要特别指出的是，由于对片外地址的操作是连续不断的，只要进行了外部系统扩展，此时P0口和P2口就不能再用作I/O端口了。4.P3口

P3口用作通用I/O口时，其工作原理同P1口类似。此外，它的每一根线还具有第二种功能。☆

在真正的应用电路中，P3口的第二功能显得更为重要。4.1.2单片机控制单个LED闪烁的设计方法1．任务要求设计一个电路，AT89C52单片机的P1.7引脚连接一个LED灯，控制LED闪烁。2．任务分析

以单片机为核心的电子设计硬件设计软件设计单片机最小系统加上最简单的输出电路来驱动LED编程控制P1.7引脚的电平状态，使其持续一段时间的高电平，再持续一段时间的低电平3．任务设计（1）器件的选择①发光二极管发光二极管：单向导电性，通过5mA左右电流即可发光，电流越大，亮度越强，但若电流过大会烧毁二极管，一般控制在3～20mA。工作电压：红色发光二极管1.7-2.5V

绿色发光二极管2.0-2.4V

黄色发光二极管1.9-2.4V

蓝/白色发光二极管3.0-3.8V②限流电阻二极管串联电阻的目的是为了防止发光二极管和P1.7引脚流过的电流过大，烧毁二极管或单片机，所以该电阻也称为“限流电阻”。限流电阻的选择：假设电源电压为VCC，发光二极管的导通压降为VDD，导通时流过二极管的电流为I，则限流电阻R为：R=(VCC-VDD)/I例如，若二极管的导通压降为2.2V，导通时流过的电流为5mA，则限流电阻为560Ω。③器件清单器件名称数量（只）AT89C52112MHz晶体122pF瓷片电容222uF电解电容110kΩ电阻1560Ω电阻1发光二极管LED1（2）硬件原理图设计再次强调：图中的单片机元件没有“VCC”和“GND”引脚，这是因为Proteus软件中，元件模型中的“电源”和“地”已经进行了连接，“VCC”接到了“+5V”电源，“GND”接到了“地”，所以隐藏了这两个引脚。（3）软件程序设计#include<reg52.h>//宏定义sbitled=P1^7;//用sbit关键字定义P1.7引脚

//延时子函数voidDelay(unsignedintt){while(--t);}

//主函数，控制P1.7引脚的LED灯闪烁voidmain(void){while(1)//主循环

{led=0;//将P1.7引脚置0，对外输出低电平

Delay(20000);//调用延时程序

led=1;//将P1.7引脚置1，对外输出高电平

Delay(20000);//调用延时程序

}}在软件编程中，通常使用空循环来达到延时的效果。延时时间的长短可以在KeilC51的调试状态下分析。（4）软硬件联合调试1．任务要求

设计一个电路，AT89C52单片机的P1口连接8只LED灯，按以下顺序点亮，形成流水灯的效果：

①从P1.0到P1.7连接的8只LED灯逐个点亮；

②从P1.0到P1.7连接的8只LED依次全部点亮；

③从P1.7到P1.0连接的8只LED灯逐个点亮；

④从P1.7到P1.0连接的8只LED依次全部点亮。任务4.2单片机控制多个LED循环点亮的设计2．任务分析任务要求单片机控制8个LED灯，当需要对某个I/O口的八位一起操作时，一般采用整体操作的方式，即总线的方式。在软件设计时可以定义一个变量来给P1口赋值，赋的值不同点亮的LED灯不同。由于8只LED灯要按一定规律点亮，这就要求对给P1口赋的变量进行移位，移位操作既可以用标准C中的左移、右移运算符来实现，也可以用C51库自带的函数来实现。

移位运算符

循环移位函数

注意：循环移位函数_crol_()和_cror_()包含在intrins.h头文件中，因此如果在程序中要用到这类函数，就必须在程序的开头处包含intrins.h这个头文件。由于用到的发光二极管较多，每个发光二极管都需要限流电阻，硬件电路会显得比较复杂，所以这里使用了排阻。排阻，就是若干个参数完全相同的电阻，它们的一个引脚都连到一起，作为公共引脚，其余引脚正常引出。如果一个排阻是由n个电阻构成的，那么它就有n+1个引脚，一般来说最左边的那个是公共引脚。它在排阻上一般用一个色点标出来。

直插式排阻贴片式排阻☆排阻一般用在数字电路上，比如作为某个并行口的上拉或者下拉电阻用。使用排阻比用若干只固定电阻更方便。3．任务设计（1）器件的选择器件清单器件名称数量（只）AT89C52112MHz晶体122pF瓷片电容222uF电解电容110kΩ电阻1560Ω×8排阻1发光二极管LED8（2）硬件原理图设计（3）软件程序设计#include<reg52.h>//宏定义，52单片机头文件#include<intrins.h>//包含_crol_、_cror_函数所在的头文件#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar

//延时子函数voidDelay(unsignedintt){while(--t);}//主函数，循环点亮LED灯voidmain(){uchark,recy;while(1)//大循环{recy=0xfe;for(k=1;k<=8;k++)//8只LED灯从P1.0到P1.7逐个点亮

{P1=recy;//先点亮P1.0的LED灯

Delay(50000);//延时一段时间

recy=_crol_(recy,1);//将recy循环左移1位后再赋给recy}

recy=0xfe;for(k=1;k<=8;k++)//8只LED灯从P1.0到P1.7依次全部点亮

{P1=recy;Delay(50000);recy=recy<<1;//将recy左移1位后再赋给recy}P1=0xff;//全部熄灭

Delay(50000);recy=0x7f;for(k=1;k<=8;k++)//8只LED灯从P1.7到P1.0逐个点亮

{P1=recy;//先点亮P1.7的LED灯

Delay(50000);recy=_cror_(recy,1);//将recy循环右移1位后再赋给recy}recy=0x7f;for(k=1;k<=8;k++)//8只LED灯从P1.7到P1.0依次全部点亮

{P1=recy;Delay(50000);recy=recy>>1;//将recy右移1位后再赋给recy}P1=0xff;//全部熄灭

Delay(50000);}}（4）软硬件联合调试将编写的程序在KeilC51中编译成*.hex后调入Proteus硬件电路图的AT89C52中运行，八只LED灯从P1.0到P1.7逐个点亮，接下来再从P1.0到P1.7依次全部点亮，然后全部熄灭后又从P1.7到P1.0逐个点亮，最后再从P1.7到P1.0依次全部点亮，如此反复形成流水灯。项目拓展STC89C52实验板彩灯的花式控制

在任务4.2中设计的流水灯为八个LED按一个方向循环点亮，此外我们还可以通过编程控制LED灯，使它以我们想要的各种方式点亮，而且LED灯点亮频率可以通过改变延时时间来实现。下面编写程序控制实验板上的八个LED灯按照不同花式循环点亮。

（1）实验板8个LED灯电路如图所示。RP1为390欧姆排阻；J9为插针，用于连接需要使用的I/O口，此处用杜邦线连接单片机的P1口。（2）编写程序，控制八个LED灯使其以1s左右的时间间隔按不同形式循环点亮。//宏定义#include<reg52.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharvoiddelay(uint);//声明延时函数uinta;//定义循环用变量//定义循环用数据表格ucharcodetable[]={0xff,//全灭0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f,//从第0位到第7位依次逐个点亮0xfe,0xfc,0xf8,0xf0,0xe0,0xc0,0x80,0x00,//从第0位到第7位/依次全部点亮0x80,0xc0,0xe0,0xf0,0xf8,0xfc,0xfe,0xff,//从第7位到第0位依次全部熄灭0x7e,0xbd,0xdb,0xe7,0xe7,0xdb,0xbd,0x7e,//分别从第7位和第0位向中间靠拢逐个点亮//然后从中间向两边分散逐个点亮0x7e,0x3c,0x18,0x00,0x00,0x18,0x3c,0x7e,//分别从第7位和第0位向中间靠拢全部点亮，//然后从中间向两边分散熄灭0x00//全亮};//定义循环用数据表格//延时子函数，通过time值改变延时时间voiddelay(uinttime){uinti,j;for(i=time;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}//*************************************************************************//主函数，循环点亮LED灯voidmain(){while(1){for(a=0;a<42;a++){P1=table[a];//以a做索引号，从数组中取值送给P1口

delay(1000);//调用延时子程序，晶振频率12MHz时，延时约1s }}}//*************************************************************************分析：这个程序中，根据LED灯点亮的方式，将需要送向P1口的数据预先存放到数组中，程序运行中，只要按照顺序将这些数组元素送向P1口，就可以实现不同花式的彩灯。数组定义时，写“code”的含义是告诉单片机，定义的数组要放在ROM（程序存储区）里面，写后就不能再更改。程序可以简单的分为code（程序）区和data（数据）区，code区在运行的时候是不可以更改的，data区放全局变量和临时变量，是要不断改变的，CPU从code区读取指令，对data区的数据进行运算处理。由于单片机上的RAM区很小，而ROM区相对来说比较大，当需要定义的数据太多时，会存在RAM区放不下的情况。所以编写程序时，对于那些在程序运行中一直不变的数据，可在数据类型名和变量名之间加上“code”，这样数据就会被存放到ROM区，节省了RAM区的空间。注意：在单片机编程中，要根据变量的取值范围，合理的定义变量的数据类型，节省RAM区。（3）将调试通过的程序下载到实验板观察效果，实验板上的单片机为STC89C52，可直接使用STC-ISP下载软件将程序烧写到单片机上。STC-ISP的打开界面如图所示。按照界面中操作步骤，依次选取单片机型号、打开HEX文件、选择串口、点击下载就可以将程序下载到单片机中。注意：

STC单片机下载时必须进行冷启动，即在点击“下载”之前实验板电源是关闭的，点击下载按钮后，大概2秒钟，打开实验板电源，出现蓝色进展条并有提示音表示下载成功。项目小结本项目主要介绍了MCS-51系列单片机I/O口的结构、特点和应用，通过两个任务实现了单片机对单个LED闪烁和多个LED循环点亮的控制。MCS-51系列单片机有4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2和P3口。对于P0口要注意其内部没有上拉电阻，所以在硬件设计中要给P0口外接上拉电阻，以保证P0口可以输出高电平。P1口是唯一一个只有输入/输出功能的I/O口。P0口和P2口当有外部扩展存储器时，作为数据/地址分时复用口。P3口的每个引脚都具有第二功能。对于单片机的编程，离不开对特殊功能寄存器的操作，所以在程序中一定要有包含对特殊功能寄存器声明的头文件。

项目5

定时器与脉冲计数器的设计了解单片机定时/计数器的组成。掌握单片机定时/计数器的工作原理和功能运用方法。掌握单片机定时/计数器的初始化方法。掌握定时器的设计方法。掌握脉冲计数器的设计方法。能独立分析和解决硬件设计和软件设计中的问题。能利用团队的力量完成任务，培养团队合作精神。学习目标叙述单片机定时/计数器4种工作方式的工作原理；叙述单片机定时/计数器的初始化方法；设计定时器的工作程序；设计脉冲计数器的电路和工作程序。工作任务任务5.1定时器的设计项目5

定时器与脉冲计数器的设计任务5.2脉冲计数器的设计项目拓展STC89C52实验板分频器的设计项目小结

单片机定时/计数器的结构

实质是加1计数器（高8位、低8位）；5.1.1MCS-51单片机内部定时/计数器的原理工作方式控制寄存器TMOD，工作方式设置；定时器控制寄存器TCON，启动、停止及设置溢出标志。任务5.1定时器的设计TMOD中，各有一个控制位（C／T），分别用于控制定时/计数器T0和T1工作在定时器方式还是计数器方式。

定时/计数器工作原理计数功能----计数脉冲来自相应的外部输入引脚，T0为P3.4，T1为P3.5。定时功能----计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期使寄存器的值加1。所以，计数频率是振荡频率的1/12。

定时模式，对内部机器周期计数定时时间T＝计数值NxT机计数模式，对外部事件脉冲计数计数脉冲周期要大于2T机计数值：溢出时计数器值－计数初值。

计数器全1时，再输入1个脉冲就回零，并发生

溢出（TCON中TF0或TF1置1）。

计数器脉冲来源：

振荡器脉冲经过12分频T0或T1引脚的外部脉冲1.工作方式控制寄存器TMOD

T1控制T0控制M0