单片机原理及应用课件

单片机原理及应用

第1章概述

1.1数制与编码在计算机中，任何命令和信息都是以二进制数据的形式存储的。计算机所执行的全部操作都归结为对数据的处理和加工。1.二进制数二进制数只有两个数字符号：0和1。计数时按“逢二进一”的原则进行计数。也称其基数为二。

根据位权表示法，每一位二进制数在其不同位置表示不同的值。对于任何二进制数，可按位权求和展开。2.十六进制数计算机在输入输出或书写时，可采用十六进制数表示相应的二进制数。十六进制数有十六个数字符号，其中0～9与十进制相同，剩余六个为A～F分别表示十进制数的10～15，计数原则是逢“十六进一”，也称其基数为十六。3.不同数制之间的转换计算机中的数只能用二进制表示，十六进制数适合读写方便的需要，日常生活中使用的是十进制数，计算机根据需要对各种进制数据进行转换。4编码计算机内部所有数据均用二进制代码的形式表示。计算机通过输入设备（如键盘）输入信息和通过输出设备输出信息也是多种形式的，即有数字、字母，也有各种控制符号及汉字等。为此，需要对常用的数据及符号等进行编码，以表示不同形式的信息。这种以编码形式所表示的信息既便于存储，也便于由输入设备输入信息、输出设备输出相应的信息。1.2单片机与嵌入式系统组成1.什么是单片机单片机（Single-chip-Microcomputer）又称单片微控制器，其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理机（CPU）、存储器、输入、输出接口、定时器/计数器、中断系统等全部集成在一个半导体芯片上。2.单片机的应用特点

(1)具有较高的性能价格比

(2)体积小，可靠性高

(3)控制功能强

(4)使用方便、容易产品化3.单片机的应用领域

(1)智能仪器

(2)工业控制

(3)机电一体化

(4)家用电器1.3嵌入式系统从使用的角度来说，计算机应用可分为两类：一类是应用广泛的独立使用的计算机系统（如个人计算机、工作站等）。一类是嵌入式计算机系统。所谓嵌入式系统，就是以嵌入式应用为目的计算机系统。单片机应用系统是典型的嵌入式系统。1.4单片机应用系统的结构2.1MCS-51单片机总体结构

MCS-51系列单片机的典型产品有8051、8751、8031、80C51、80C31等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在片内存储器的配置上有所不同。

8051是ROM型单片机，内含4KB的掩模ROM程序存储器；8751内含4KB的可编程EPROM程序存储器；而8031则为无ROM型单片机，使用时需外接程序存储器。1MCS-51单片机总体构框图2MCS-51引脚功能3.MCS-51存储器的特点物理结构上有四个存储空间：片内程序存储器；片外程序存储器；片内数据存储器；片外数据存储器。

从用户使用的角度，即从逻辑上划分3个存储器地址空间：片内外统一偏址的64KB的程序存储器地址空间；片内256B数据存储器地址空间；片外64KB的数据存储器地址空间；MCS-51（8051）存储结构如图所示。

内部数据存储器分为高、低128B两大部分如图所示2.2位处理器单片机具有较强的位处理能力。对于许多控制系统，开关量控制是控制系统的主要对象之一。作为传统的CPU，对于简单的个别开关量进行控制却显得不那么方便，而让MCS-51值得骄傲正是它有效地解决了单一位的控制。2.3MCS-51工作方式和时序1.MCS-51单片机的工作方式包括：复位方式、程序执行方式、节电方式和EPROM的编程和校验方式，在不同的情况下，其工作方式也不相同。

对于任何一台计算机，必须有软件（程序）的支持，才能工作。计算机所进行的全部操作都是执行程序的结果，而程序是计算机所能识别的命令的集合。指令系统是一种CPU所能直接执行的所有命令的集合，CPU的主要功能是由它的指令系统来体现的。任何计算机语言编写的任何程序，都必须转换为指令系统中相应指令代码的有序集合，CPU才能执行。3.1指令系统简介每一种CPU都有其独立的指令系统。

1.MCS-51系列单片机指令系统共有111条指令，其中有49条单字节指令，45条双字节指令和17条三字节指令。

MCS-51指令系统的功能十分强大，它把体现单片机的各种功能的寄存器组织在统一的地址空间中，MCS-51指令系统在其存储空间、时间的利用率及工作效率方面都是较高的。2.指令格式

MCS-51指令系统中的每一条指令都有两级指令格式：

CPU可直接识别并执行的机器语言指令。汇编语言指令（简称汇编指令）。

MCS-51汇编语言指令格式，由以下几个部分组成：

[标号：]操作码[目的操作数][,源操作数][；注释]3.2寻址方式所谓寻址方式就是寻找或获得操作数的方式。指令的一个重要组成部分是操作数。由寻址方式指定参与运算的操作数或操作数所在单元的地址。MCS-51指令系统的寻址方式有以下7种：

1.立即寻址

2.直接寻址

3.寄存器寻址

4.寄存器间接寻址

5.变址寻址

6.相对寻址

7.位寻址3.3指令系统

1数据传送类指令

2算术运算类指令

3逻辑运算类指令

4控制转移类指令

5位操作类指令例如：

MOVA,#26H ;A←26HMOVDPTR,#2000H ;DPTR←2000HMOVTCON,A

指令执行结果：A的内容传送给寄存器TCON。

MOVA,P1

指令执行结果：P1的内容传送给A。其中TCON、P1是特殊功能寄存器SFR，其对应的直接地址是88H和90H。例如：将数据00H～0FH写入RAM的30H～3FH单元。可执行以下指令：

MOVA,#0H MOVR0,#30HLOOP:MOV@R0,A INCA INCR0 CJNZR0,#40H,LOOPSTOP:SJMPSTOP3.4汇编语言程序设计基础汇编语言是一种采用助记符表示的机器语言，即用助记符号来代表指令的操作码和操作数，用标号或符号代表地址、常数或变量。而助记符一般都是英文单词的缩写，因此使用方便。这种用助记符编写的程序称为源程序，汇编语言源程序必须翻译成机器语言的目标代码，亦称目标程序，计算机才能执行。其翻译工作可由汇编程序自动完成，汇编程序的功能就是将用助记符号编写的源程序翻译成用机器语言表示的目标程序。

汇编语言程序的组成：汇编语言源程序是由汇编语句组成的，一般情况下，汇编语言语句可分为：指令性语句（即汇编指令）和指示性语句（即伪指令）。

指令性语句（可简称指令）是进行汇编语言程序设计的可执行语句，每条指令都产生相应的机器语言的目标代码。源程序的主要功能是由指令性语句去完成的。指示性语句（伪指令）又称汇编控制指令。它是控制汇编（翻译）过程的一些命令，程序员通过伪指令通知汇编程序在进行汇编时的一些指示。因此，伪指令不产生机器语言的目标代码，是进行汇编语言程序设计的不可执行语句。4.1中断的概念中断是指在CPU正在处理某项事务的时候，如果外界或内部发生了紧急事件，要求CPU暂停正在运行的工作转而去处理这个紧急事件，待处理完后再回到原来被中断的地方，继续原来被打断了的工作的过程。中断是计算机中一个很重要的概念，中断技术的引入使计算机的发展和应用都大大地推进了一步。可以说：没有中断技术，就没有目前计算机的广泛应用。4.28051中断系统结构及中断控制

MCS-51系列单片机有5个中断源和其相应的控制寄存器。

1.中断源

MSC-51系列单片机的5个中断源，包括2个外部中断源和3个内部中断源。

2个外部中断源是外部中断0和外部中断1，相应的中断请求信号输入端是INT0和INT1。

3个内部中断源是定时器/计数器0溢出中断，定时器/计数器1溢出中断，串行口的发送和接收中断(TI和RI)。2.TCON寄存器

TCON是定时器/计数器0和1（T0、T1）的控制寄存器，同时也用来锁存T0、T1的溢出中断申请标志和外部中断请求标志。3.SCON寄存器

SCON为串行口控制寄存器，其中的低2位用作串行口中断请求标志。4.在MCS-51单片机中断系统中，中断的允许或禁止是由片内的中断允许寄存器IE控制的。

5.MCS-51系列单片机的中断优先级是由中断优先级寄存器IP控制的。4.4中断响应时间在不同的情况下CPU响应中断的时间是不同的。以外部中断为例，INT0(————)和INT1(————)引脚的电平在每个机器周期的S5P2时刻经反相锁存到TCON的IE0和IE1标志位，CPU在下一个机器周期才会查询到新置入的IE0和IE1，如果满足响应条件，CPU响应中断时要用两个机器周期执行一条硬件长调用指令“LCALL”，由硬件完成将中断矢量地址装入程序指针PC中，使程序转入中断矢量入口。因此，从产生外部中断到开始执行中断程序至少需要三个完整的机器周期。4.5中断响应后中断请求的撤除中断源提出中断申请，在CPU响应此中断请求后，该中断源之中断请求在中断返回之前应当撤除，以免引起重复中断，被再次响应。对于边沿触发的外部中断，CPU在响应中断后由硬件自动清除相应的中断请求标志IE0和IE1。。对于定时器溢出中断，CPU在响应中断后就由硬件消除了相应的中断请求标志TF0、TF1。对于串行口中断，CPU在响应中断后并不自动清除中断请求标志RI或TI，因此必须在中断服务程序中用软件来清除。5.1定时器/计数器概述定时器/计数器实际上是加1计数器，当它对外部事件进行计数时，由于频率不固定，此时称之为计数器；当它对内部固定频率的机器周期进行计数时称之为定时器。定时器/计数器的基本结构如图所示。5.2定时器/计数器的控制字定时器/计数器有4种工作模式，由TMOD设置并由TCON控制。特殊功能寄存器TMOD的地址为89H，它不能位寻址，在设置时一次写入。定时器控制寄存器TCON除可字节寻址外，各位还可以位寻址。5.3定时器/计数器工作模式

51系列单片机的定时器/计数器T0和T1可由软件对特殊功能寄存器TMOD中控制位C/T(—)进行设置，以选择定时功能或计数功能。对M1和M0位的设置对应于四种工作模式，即模式0、模式1、模式2、模式3。在模式0、模式1和模式2时，T0和T1的工作情况相同。1工作模式0

模式0是选择定时/计数器（T0或T1）的高8位和低5位组成的一个13位定时器/计数器。2工作模式1

该模式对应的是一个16位的定时器/计数器。3工作模式2

模式2把TL0（或TL1）设置成一个可以自动重装载的8位定时器/计数器。4工作模式3

工作模式3对T0和T1大不相同。若将T0设置为模式3，TL0和TH0被分成为两个相互独立的8位计数器。5.4定时器/计数器应用实例利用定时器0产生25Hz的方波，由P1.0输出。假设CPU不做其它工作，则可采用查询方式进行控制，设晶振频率为12MHz。

25Hz方波，周期为1/25＝40ms，可以采用定时器定时20ms，每隔20ms改变一下P1.0的电平，即可得到25Hz的方波信号。若采用定时器工作模式0，则最长定时时间为t=213×1×10-6=8.192ms。显然定时一次不能满足要求，可以采用模式1工作。设初值为X，则有：

t=(216-X)×1×10-6=20×10-3

求得X=45536=B1E0H

程序如下：ORG 0100HMOV TMOD,#01HMOV TH0,#0B1HMOV TL0,#0E0HSETB TR0CPU与外部设备的基本通信方式有两种：①并行通信，数据的各位同时进行传送。其特点是传送速度快、效率高，数据有多少位，就需要有多少根传输线。当数据位数较多和传送距离较远时，就会导致通信线路成本提高,因此它适合于短距离传输。②串行通信，数据一位一位地按顺序进行传送，其特点是只需一对传输线就可实现通信，当传输的数据较多、距离较远时，它可以显著减少传输线，降低通信成本。6.1MCS-51单片机串行接口1.异步通信和同步通信串行通信有两种基本通信方式：异步通信和同步通信。

(1)异步通信在异步通信中，数据通常以字符（或字节）为单位组成数据帧传送。

(2)同步通信在同步通信中，每个数据块传送开始时，采用一个或两个同步字符作为起始标志（接收端不断对传送线采样，并把采样到的字符和双方约定的同步字符比较，只有比较成功后才会把后面接收到的数据加以存储）。3波特率串行通信的数据是按位进行传送的，每秒钟传送的二进制数码的位数称为波特率（也称比特数），单位是bps（bitpersecond），即位/秒。波特率是串行通信的重要指标，用于衡量数据传输的速率。国际上规定了标准波特率系列，作为常用的波特率。标准波特率的系列为110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600和19200bps。

6.2串行口结构

MCS-51系列单片机内部有一个全双工串行异步通信接口，它可以作UART（通用异步接收和发送器）用，构成双机或多机通信系统，也可以外接移位寄存器后扩展为并行I/O口。

MCS-51系列单片机通过引脚RXD（P3.0）和引脚TXD（P3.1）与外界进行通信。串行口内部结构简化示意图如图所示。6.3串行口控制

MCS-51的串行口是可编程接口，通过对两个特殊功能寄存器SCON和PCON进行编程可控制串行口的工作方式和波特率。1.串行口控制寄存器SCONSCON用于控制串行口的工作方式，同时还包含要发送或接收到的第9位数据位以及串行口中断标志位。该寄存器的字节地址为98H，可进行位寻址。2.电源控制寄存器PCONPCON中只有最高位SMOD与串行口工作有关，该位用于控制串行口工作于方式1、2、3时的波特率。PCON的字节地址为87H，没有位寻址功能。单片机复位时，SMOD=0。3串行口工作方式及波特率设置

MCS-51串行口有方式0、方式1、方式2和方式3四种工作方式，每种工作方式下的波特率设置方法也不相同，用户应根据实际需要正确选用。方式0主要用于扩展并行输入输出口，方式1、方式2和方式3主要用于串行通信。

单片机内部集成了计算机的基本功能部件，因而一块单片机（如8051/8751）往往就是一个最小微机系统。MCS-51系列单片机具有很强的系统扩展能力，可以扩展64KB的程序存储器和64KB的数据存储器或输入输出口。.7.1MCS-51单片机最小系统单片机是集CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和I/O接口电路于一片集成电路的微型计算机。对于简单的应用场合，可以在MCS-51系列单片机中选择一个合适的产品构成一个具有最简单配置的系统，即最小系统。MCS-51系列中含有片内程序存储器的单片机如8051/8751仅一块芯片就可构成最小系统，而无片内存储器的单片机如8031必须外部扩展程序存储器才能构成最小系统。.18051/8751单片机最小系统用8051/8751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，如图所示。7.2扩展总线的产生当单片机最小应用系统不能满足实际应用系统要求时，需要在单片机外部连接相应的外围芯片以满足应用系统要求。MCS-51系列单片机有很强的外部扩展功能，大部分常规芯片可用于其外围扩展电路中。扩展的内容主要有总线、程序存储器、数据存储器、I/O口扩展等。

一般微机的CPU外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而MCS-51系列单片机由于受管脚数量的限制，数据总线和地址总线是复用P0口，为了将它们分离开，以便同外围芯片正确地连接，需要在单片机外部增加地址锁存器（如74LS373、8282等），从而构成与一般CPU类似的片外三总线，如下图所示。MCS-51系列单片机扩展三总线1.地址总线（AB）

MCS-51系列单片机地址总线宽为16位，所以可寻址范围为216=64KB。

16位地址总线由P0口提供低8位A0-A7，P2口提供高8位A8-A15。由于P0口还要作数据总线，只能分时用作低8位地址线，所以P0输出的低8位地址必须用锁存器锁存。锁存器的锁存控制信号为ALE输出信号。P2口具有输出锁存功能，所以不需外加锁存器。2.数据总线（DB）数据总线由P0口提供，其宽度为8位，用于单片机与外部存储器和I/O设备之间传送数据。P0口为三态双向口，可以进行两个方向的数据传送。3.控制总线（CB)

由P3口提供。7.3扩展举例扩展4KBEPROM的8031系统。外部存储器的扩展可通过线选方式或译码方式实现片选。图7-8是采用线选方式对8031扩展一片2732EPROM的连线图。图中锁存器采用74LS373，8031的P2.0～P2.3用作2732的地址线，其余P2.4～P2.7中的任一根都可作为2732的片选信号线，片选信号决定了2732的4KB存储器在整个8031扩展程序存储器64KB空间中的位置。图中选用P2.7作为2732的片选信号线，则2732EPROM的地址范围为：0000H～0FFFH。

单片机系统在应用中要与外界进行信息的交流，操作人员需通过输入装置对系统进行初始设置、输入数据和各种命令等。系统运行的状态和结果也需通过输出装置送出，以便操作人员观察、记录和存档。在工业过程的检测、控制应用中，单片机系统需对工业现场的数据进行检测，经过分析处理后相应决策信号也通过一定装置输出对工业现场进行控制。这些任务需由输入、输出装置来完成。常用于人机交往的输入、输出装置为键盘和显示器，而实现对工业现场进行信号转换的输入、输出器件为A/D和D/A转换器。本章主要讲述键盘、LED和LCD显示器，D/A和A/D转换器的接口原理和应用。8.1键盘及接口电路在单片机应用系统中人们要对计算机进行简单设置或输入初始数据，这些任务主要由键盘来完成。1.电路组成很多实际的应用系统均采用较少几个按键组成的非编码键盘，也称其为开关式键盘，或线性键盘，它们与单片机的连接如下图所示。每一个键对应P1口的一根口线，各键是相互独立的。当某个键按下时，该键所对应的口线的电位就由高变为低电平，CPU访问并查询所有接键口线，即可识别是哪一个键按下。该键盘常应用于仅有功能操作或利用校表方式修改数据的场合。当所用键数较多时，采用此方法占用I/O口线太多，引线也较多。

开关式键盘对于开关式键盘，因按键较少，其处理程序也很简单。

当按键数较多时，为节省I/O口线和减少引线，常将其按矩阵方式连接。比如，有16个按键的键盘，可将其按4×4的方式连接，即4根行线和4根列线，每个行线和列线交叉点处即为一个键位。4根行线接4根I/O口线，4根列线接4根I/O口线，共需要8根I/O口线，其连接形式如下图所示。

矩阵键盘连接形式

对于矩阵结构的非编码键盘，通常采用扫描的方法，首先判别是否有键按下，然后去抖动，判别键位并产生相应的键值，其工作过程为：第一步首先判别是否有键按下，将所有行线置成0电平，然后读取全部列值，若读入的列值全是1，则说明没有键按下，反之说明有键按下。第二步去抖动，当判别到有键按下后，调延时子程序，执行后再进行判别，若仍有键按下则转下一步键识别，否则重新开始。第三步键识别，当有键按下时，转入逐行扫描的方法来确定是哪一个键按下。8.2显示及显示器接口单片机应用系统中，现场的工作状态和数据需实时的监测和观察，常用于观察的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。1LED状态显示用LED作状态指示器具有电路简单，功耗低，寿命长，响应速度快等特点，而且LED还有红，黄，绿等多种颜色供选择。特别是LED的低功耗，长寿命特性正在逐渐取代传统上由白炽灯指示的场合，如交通灯，信号灯等。2液晶显示器(LCD)在单片机中的应用

LCD是一种功耗很小的显示器件，LCD的应用很广，简单如手表上的液晶显示器，复杂如笔记本电脑上的显示器等，都是用LCD。LCD从使用对象可分为专用型和通用型二种，专用型是厂家根据产品所显示的内容专门定做的LCD，显示内容的局限性较大，不能作为它用。而通用型则使用面较宽，一般可显示数字，字符，甚至汉字和图形等。8.3A/D、D/A转换器与单片机的接口由于单片机所具有的许多独特优点，而面向控制的设计更使它特别适用于实时测控系统。但自然界中所测控的对象均是连续变化的物理量（如温度、压力、湿度、流量、速度等），欲用计算机处理则需将其变换成计算机能接受的数字量才能进行数字的加工和处理；完成这种转换任务的器件称为模/数（A/D）转换器。而将计算机输出的数字信号转换为被控对象能接受的模拟信号