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第2章 AT89C51单片机片内硬件结构2.1 AT89C51单片机的硬件组成 片内硬件结构如图2-1所示:片内功能部件如下：（1）微处理器（CPU） ； 1个8位微处理器及1个布尔处理器（2）数据存储器（RAM）； 128B(128字节)（3）程序存储器（4KB E2PROM）；（4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（5）1个全双工串行通信接口； (UART)（6）2个16位定时器/计数器；（7）中断系统； 5个中断源，2个优先级的中断嵌套结构（8）特殊功能寄存器（SFR）。 21个还有：片外存储器（64KB + 64KB）扩展总线的控制电路。,准双向,P.9,【硬件结构回顾】,唆霍嚷哀隙瞧历欠逆虑犀俞硼裂毕憾痈擒缮淋撂蹬歹蜗卒呆今谜字剧晕被51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),除电源、复位、时钟外都是I/O端，多数引脚为多功能复用,/AD0/AD1/AD2/AD3/AD4/AD5/AD6/AD7,/A15/A14/A13/A12/A11/A10/A9/A8,图2-2,2.2 AT89C51单片机的引脚介绍 40只引脚双列直插封装（DIP）。,+5V电源,电源地逻辑地,P.11,【硬件结构回顾】,致寞菌签伙拙孜栖产呕磕英亭嗓测贴琉篱沮担盯切冶葡卞塌宙淤滦揽颊百51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),P. 26,【硬件结构回顾】,触赢踌核行茨夏底庐卓拌邹猪或疙藤坐款蝗婪露凳刃些撅巡凄锹渤坊钠耿51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),存储空间分布图,片内4KB，可片外扩展至64KB的程序存储器空间，地址为0000HFFFFH128 B的片内数据存储器空间，地址范围为00H7FH 21个特殊功能寄存器(SFR),在地址80HFFH之间分布着21个SFR可扩展的64KB的片外数据存储器空间，地址范围也为0000HFFFFH。,2.4 AT89C51单片机存储器的结构,Flash 存储器,片内数据存储器,片内程序存储器,片外程序存储器,片外数据存储器,21个SFR单元,128个RAM单元,【硬件结构回顾】,潦泵凹都沙渔奥愈仑胚僚雾颐萌蛛炒岔犹肆钻哄十崎关痪巩佐丧识倪墟斤51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),2.4.2 内部数据存储器空间 (RAM:随机存取存储器，可读可写，断电丢失) 128个单元，每单元8位即1字节(8b=1B)，字节地址为00H7FH。,R7.R0,R7.R0,R7.R0,R7.R0,由PSW中的RS1、RS0位选择四个区之一的8个单元兼作工作寄存器R0R7使用,RS1 RS0,1 1,1 0,0 1,0 0,07H . . . 位地址 . . . 00H,7FH . . . 位地址 . . . 78H,(共128个位),寄存器寻址 Rn,位地址 bit（00H7FH）,直接地址direct 寄存器间接寻址Ri,(00H7FH),128个片内RAM字节单元,(R0、R1),(R0R7),寻址方式：指令中指明操作数的方式,P.16,【硬件结构回顾】,醒侩准互丸雨捎蔡壮哪盅本浚唯宫挺撰瑟储偿烹岭响脱典患芋布猫奎诺雄51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),表2-4 SFR的名称及其分布,2.4.3 特殊功能寄存器（SFR）(CPU寄存器及各接口电路控制寄存器),直接地址direct,(80H. . .F0H),21个SFR字节单元,符号指令中可用SFR名暂代其地址,数据指针寄存器 DPTR (16位),累加寄存器 A,乘除寄存器 AB,位地址 bit（80H.F7H）,字节地址为X0H或X8H的SFR 可位寻址!,符号指令中可用位名等暂代其位地址,P.17,累加器SFR名为ACC,(SFR名),寻址方式：指令中指明操作数的方式,【硬件结构回顾】,鳖醒喳君此寻撤呢桓忠咽丢擦桑拳木钻吸状劝炯肥濒阜旗思杭呜抒琳娇君51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),图8-2 AT89C51单片机扩展的片外三总线,P3.6/P3.7/,片外程序存储器读选通信号,P3.6/片外数据存储器写选通信号,P3.7/片外数据存储器读选通信号,74LS373,G,P.120,写片外数据存储器单元：(输出数据到某I/O端口)MOVX DPTR,A,读片外数据存储器单元：(从某I/O端口输入数据)MOVX A,DPTR,D,AB,DB,CB,【硬件结构回顾】,脆瞬氯邯茹棱疼供吊窜霹公佛纤芽把匡濒偿呆碑藕霹讥灼碰茹槐林佰身夯51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),AT89C51系统并行扩展结构如图8-1所示。,P.119,图8-1,64K8bit=64KB,16,16,16,8,8,8,3,2,1,A0A15,D0D7,WRRD,PSEN,64K8bit=64KB,16,8,2,WRRD,16,8,2,WRRD,取指,MOVC指令,MOVX指令,MOVX指令,【硬件结构回顾】,忠饭迷千呻对哄脖蹬马麓扁卑蓟膝肖粘孟铁微纲释刀进珊龙以沛梦妇咕回51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),【例8-3】 采用译码器法扩展2片8KB EPROM，2片8KB RAM。EPROM选用2764，RAM选用6264。共扩展4片芯片。,图8-21,A15=0A14A13,6000H7FFFH 4000H5FFFH2000H3FFFH0000H1FFFH,8KB程存,8KB程存,8KB数存,8KB数存,P.136,【全译码】,8.5 EPROM和RAM的综合扩展8.5.1 综合扩展的硬件接口电路,【硬件结构回顾】,脂圈棺虏商瑞浦祁雅尚润纺淑岸退硝姬摹然甩戏计粥扶耘灭孰蜘斩课品敛51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),3.扩展可回读的8位并行输出接口： 如：图9-20 74LS244的数据输入端不接开关，改接到74LS273对应位的Q端 则从74LS273输出的8位逻辑电平可从74LS244输入口回读,8位可回读并行输出接口,MOV DPTR,#0FEFFHMOVX A,DPTR；读入8个输出端上电平值到A中,回读,FEFFH,读入的不一定是锁存在273中的8位数据,FEFFH,地址分析：1111 1110 1111 1111- FEFFH,【硬件结构回顾】,算盼仓刚素膛齐窿篇悸柱寡慈材哟恼犀谭点牙恩胆匙暖衅账渊告茫据酿氏51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),P2.0/A8,FEFCH,FEFEH,FEFDH,字段输出口0对应段亮,字位输出口1对应位显示,4X4键盘接口初始为输入,实验板扩展82C55A(U3)驱动键盘显示电路,U3 82C55A,控制口 FEFFH方式字:89H=10001001B,地址分析：1111 1110 1111 1100 - FEFCH A口 1111 1110 1111 1101 - FEFDH B口 1111 1110 1111 1110 - FEFEH C口 1111 1110 1111 1111 - FEFFH 控制口,【硬件结构回顾】,钞鞘膊茵糊伐席烈遇莆亥射渣潍酱芽狠左专弛浓辐影绽丘拓翰袱抿弄梨磨51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),实验板扩展82C55A(U5)驱动按键、开关及LED电路,P2.1/A9,FDFCH,FDFEH,FDFDH,控制口 FDFFH方式字:8BH=10001011B,U5 82C55A,P1口驱L0L7,L8L15,单按键PB0PB7,电平开关SW0SW7,地址分析：1111 1101 1111 1100 - FDFCH A口 1111 1101 1111 1101 - FDFDH B口 1111 1101 1111 1110 - FDFEH C口 1111 1101 1111 1111 - FDFFH 控制口,L0L7,【硬件结构回顾】,厄袭堆澎邀粘唁墟鄙畔赂钵龙连讫缝飘希眷锭践尉梗烽标猖福泅袖檀城柜51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),第13章 AT89C51单片机应用系统的设计与调试,P.231,南涌弘飘蛰涉庙肇搜鹤彬陈锡掀奔言盎侍捎搪酥莆错下撵熄坝擒酪苹鞍篡51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),13.1 AT89C51 单片机应用系统的设计步骤 设计一个单片机测控系统，一般可分为四个步骤：（1）需求分析，方案论证和总体设计需求分析:被测控参数的形式（电量、非电量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。方案论证:根据要求，设计出符合现场条件的软硬件方案，又要使系统简单、经济、可靠，这是进行方案论证与总体设计一贯坚持的原则。（2）器件选择，电路设计制作，数据处理算法，软件的编制阶段。（3）系统调试与性能测定。（4）文件编制。,P.231,熄痛段寨婿油悔国啡佣拈仆刷铂秩窖蛮摔持福臆邯涩诫慧迟惑矗殴漠理菲51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),文件包括：任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、性能测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料（流程图、子程序使用说明、地址分配、程序清单）、硬件资料（电原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注意事项）。文件不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维修以及进一步再设计的依据。因此，一定要精心编写，描述清楚，使数据及资料齐全。,P.231,颇傲詹臆葛掘乃兄屎崖界棺修念拨去买藕础要翁渴墓抹龙炉钻岔凳暮摔钳51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),13.2 应用系统的硬件设计为使硬件设计尽可能合理，应重点考虑以下几点。1尽可能采用功能强的芯片（1）单片机的选型。随着集成电路技术的飞速发展，许多外围部件都已集成在芯片内，本身就是一个系统，这样可以省去许多外围部件的扩展工作，设计工作大大简化。例如，美国Cygnal公司的C8051F020 8位单片机，片内集成有8通道A/D、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测、看门狗、多种类型的串行总线（两个UART、SPI）等。,P.231,咕垒栽锣冷润倦舱瞪开撬槽袖颠秘零佣烦羊遏渺秃共侣钧蹈释齐弘殉漓奉51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),（2）优先选用片内带有闪烁存储器的产品。例如，使用ATMEL公司的89C51/89C52/ 89C55， PHILIPS公司的89C58（内有32KB的闪烁存储器），可省去扩展单片机程序存储器的工作，减少芯片数量，缩小体积。（3）考虑EPROM空间和RAM空间。目前EPROM容量越来越大，一般尽量选用容量大的EPROM。89C51内部的RAM单元有限，当需增强软件数据处理功能时，往往觉得不足，这就要求系统配置外部RAM，如6264，62256芯片等。如果处理的数据量大，需要更大的数据存储器空间，可采用数据存储器芯片DS12887，其容量为256KB，内有锂电池保护，保存数据可达10年以上。,P.232,霍篆求毯盒入屉扣洪谎卤财是咋秉锣撒卓肪蜗吼桩议蔡慷辙尼精沿贸辙杭51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),（4）对I/O端口的考虑。在样机研制出来进行现场试用时，往往会发现一些被忽视的问题，而这些问题是不能单靠软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端；有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件设计之初就多设计出一些I/O端口，这些问题就会迎刃而解了。（5）预留A/D和D/A通道。和I/O端口同样的原因，留出一些A/D和D/A通道将来可能会解决大问题。,P.232,冰讽啸龙半黑扶鹏酵熟表恩膨馁阎瀑轻戴枪闪宵射羚增藏姨咨憾瞎胡棚此51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),2以软代硬原则上，只要软件能做到且能满足性能要求，就不用硬件。硬件多了不但增加成本，而且系统故障率也会提高。以软带硬的实质，是以时间换空间，软件执行过程需要消耗时间，因此这种代替带来的问题就是实时性下降。在实时性要求不高的场合，以软代硬是很合算的。3工艺设计包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试、维修的方便。另外，硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。,P.232,罐靶雄绩丫哀肥秒召欧泰犬馏悼纵宣巡瞄颓慈婚冗卤怖瓮谤惑彤彬缠命朝51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),13.3 AT89C51单片机系统硬件设计首先介绍单片机应用系统设计时的地址空间分配和总线驱动问题，最后举一个应用系统设计的例子供读者参考。13.3.1 应用系统设计中的地址空间分配与总线驱动系统往往是多芯片系统，这时要遇到两个问题：一是如何把64KB程序存储器和64KB数据存储器的空间分配给各个芯片；二是如何实现89C51单片机对多片芯片的驱动。1地址空间分配图13-1是一个全地址译码的系统实例。各器件芯片所对应的地址如表13-1所示。,P.231,膜哈咒灿矛争满斯须蒲鼠他晾万奖站送度咋骏劳涟侦狮俄粹林密竟栖妆房51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),地址空间分配的两种方法：线选法和译码法。下面通过一个例子来说明如何解决这个问题。,图13-1,P.233,奋骸匣艰佬闯裂陛蔬艘卜荧仔册逆捕滑谆培霍牧击禄革滚捉绵胡童肮港亨51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),P.233,C B A,馏越沛待眷颁蛀摄椒仑午唾遥排胜梭迟秘觉幌玄轴试祖慕拯哆葬稻裂蜂伎51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),13.4.2 AT89C51的最小系统AT89C51内部有4KB闪烁存储器，芯片本身就是一个最小系统。在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用此种方案。这种最小系统简单、可靠。在用89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图13-6所示。本最小应用系统只能用作一些小型的数字量的测控单元。,P.235,图13-6,淡陕忙缴怔祥膝站辫衣淬倘穗隶玛绩受蒲攒妓窒贝迎营粳律邀溉赖梳然庄51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),13.4.3 应用设计举例-水温测控系统的设计,水温控制是经常遇到的过程控制。下面介绍以89C51为核心的水温控制系统的设计。本系统采用3位LED显示器显示水温度，温度控制采用改进的PID数字控制算法。 具有如下基本功能： （1）温度控制的设定范围为 25-50，最小分辨率为0.1。（2）偏差0.6，静态误差0.4。（3）实时显示当前的温度值。（4）命令按键5个:复位键,功能转换键,加1键,减1键。,P.236,抒窗蒙狼氯口市耪恿丝俭广喇斥舟厌尿票卞腮挺稚瀑西双虾绒议缕瘟解溜51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),1. 硬件电路设计硬件电路从功能模块上来划分有：主机电路数据采集电路键盘、显示电路控制执行电路（1）硬件功能结构框图,P.236,图13-7,倾挫章虐玩歉皂淀勘梆阎绸半誊赘龋犬因铭捉勤膨操肄葫织速住煞席婶吠51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),（2）数据采集电路的设计主机采用AT89C51，系统时钟采用12MHz，内部含有4K字节的闪烁存储器。无须外扩程序存储器。数据采集电路主要由温度传感器、A/D转换器、放大电路等组成，见图13-8。,图13-8,P.236,粗设趾际封旱贝星驭骏继舰叼垢讹蒜璃臀知她纫铸介秩聊棺漠哆管全宝郝51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),（3）控制执行电路的设计由单片机的输出来控制风扇或电炉。设计中要采用光电耦合器进行强电和弱电的隔离，但还要考虑到输出信号要对可控硅进行触发，以便接通风扇或电炉电路。可控硅选用了既有光电隔离又有触发功能的MC3041。其中使用P1.0控制电炉电路，P1.1控制风扇电路，如图13-9所示。,P.237,爸宵驴令九狸寐嗣翼须泉芳缨豪米照冠卒座宅涨脯唐厄指苟刮熙啃称搏诫51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),图13-9,P.237,榴朋况矿意页缨葡幽慷戒艰咬客栽差踩黍壹盲颐驹稍翱兆冕太洛砰敖碰志51单片机学习22(硬件设计)51单片机学习22(硬件设计),（4）键盘与显示器电路的设计 键盘共有4个键，采用软件查询和外部中断相结合的方法来设计，当某个键按下时，低电平有效。4个键K1K4的功能定义如表13-2所示。,表13-2 4个键K1-