《单片机原理与接口技术》 课件 第1章STC15单片机硬件基础

第1章STC15单片机硬件基础单片机原理与接口技术1.1单片机概述微型计算机系统输入设备输出设备输入设备+软件系统1.什么单片机1.1.1认识单片机硬件系统输入接口电路输出接口电路运算器控制器存储器输入接口电路CPU单片机:采用超大规模集成电路技术把中央处理器(CPU)、存储器(RAM/ROM)、输入/输出设备集成到一块硅片上而构成的微型计算机系统,也称单片微型计算机(SCM)C控制功能强E性价比高2.单片机的主要特点A集成度高、体积小B使用方便D低电压、低功耗单片机是最典型的嵌入式计算机系统。它有唯一的专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，并且它具有的芯片级的体积和在现场运行环境下的高可靠性，使其最能满足各种中、小型对象的嵌入式应用要求。134工作存在不足单片机初级阶段典型代表Fairchild公司的F8系列工作存在不足高档8位单片机Intel公司的MCS-51系列工作存在不足16位/32位单片机IntelMCS-96系列ARM系列1974~1976年1979~1982年1983年至今3.单片机的发展过程2工作存在不足8位单片机Intel公司的MCS-48系列1977~1978年SoC嵌入式系统阶段MCU微控制器阶段SCM单片微型计算机阶段美国Intel公司MCS-51系列单片机，8051单片机的标准。美国Atmel公司的89系列单片机。荷兰PHILIPS公司的8051内核单片机。我国的STC系列单片机。目前市场上的51单片机都是基于MCS-51系列单片机的8051内核而衍生出来的。4.常见的8051内核单片机STC单片机平均速度比普通8051单片机快8-12倍。STC单片机全部采用Flash技术和ISP/IAP技术，大幅度提高了集成度。STC单片机有89、90、10、11、12、15等系列。1.1.2

STC15系列单片机STC单片机是深圳宏晶有限公司推出的增强型8051单片机。1.STC15命名规则2.IAP15F2K61S2单片机IAP15:1T8051单片机，同样工作频率下，其速度是普通8051的8~12倍，用户可以将用户程序区的程序FLASH当EEPROM使用，运行过程中写入FLASH的数据具有掉电不丢失功能。F:工作电压为5.5V~4.5V。可以直接和TTL器件相连接。2K61:RAM为2K字节，ROM大小为61K。S2:有两组高速异步串行通信端口UART、一组SPI、内部EEPROM、A/D转换、CCP/PCA/PWM功能，封装类型为LQFP贴片封装，管脚数为44。28I:工作频率可到28MHz，为工业级芯片，工作温度范围为-40℃~85℃。LQFP44:封装类型为四方扁平式封装技术，管脚数为44。注意:1.由于内置高精准R/C时钟(5~40MHz可设)，不需要外部晶振，XTAL1和XTAL2悬空。2.WR和RD引脚对应的是P4.2和P4.4，不是传统的P3.6和P3.7。智能仪器仪表领域家用电器领域工业控制领域计算机网络和通信领域医用设备领域汽车电子领域3.单片机的应用领域（1）智能仪器仪表领域功耗低体积小控制功能强扩展灵活微型化+电流温度压力测距++1234工作存在不足传统仪器仪表工作存在不足工作存在不足工作存在不足数字化智能化微型化多功能化（2）家用电器领域（3）工业控制领域（4）计算机网络和通信领域（5）医用设备领域（6）汽车电子领域某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。（7）电器中的模块化应用领域

第一章

STC15单片机硬件基础

单片机原理与接口技术1.2IAP15F2K61S2单片机体系结构

1.2.1IAP15F2K61S2单片机的内部结构IAP15F2K61S2单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是在应用中编程的超高速增强型51单片机，除了兼容传统8051单片机外，还增加了很多片内资源。增强型8051CPU。数据存储器可扩展片外64KB外部存储器）。程序存储器（61KBFlashROM）。6个8位可编程并行I/O口。扩展版只使用了P0、P1、P2、P3）。6个可编程的16位定时器/计数器。2个通用全双工异步收发串行口。中断系统具有14个中断源、14个中断向量。高速A/D转换模块。PWM(或捕获/比较单元)。看门狗电路。电源监控。片内RC振荡器等模块。几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块——可称得上一个片上系统（SOC）结构特点：程序存储器和数据存储器的寻址空间是分开的。结构划分：片内集成有4个物理上相互独立的存储器空间：程序Flash存储器、数据Flash存储器（EEPROM）、内部数据存储器和外部数据存储器。1.2.2IAP15F2K61S2单片机的存储器在程序Flash存储器中有些特殊的单元，是中断服务程序的入口地址：0003H外部中断0中断服务程序的入口地址000BH定时/计数器0中断服务程序的入口地址0013H外部中断1中断服务程序的入口地址001BH定时/计数器1中断服务程序的入口地址0023H串行通信口1中断服务程序的入口地址002BHADC中断服务程序的入口地址0033H低电压检测中断服务程序的入口地址003BHPCA中断服务程序的入口地址1.程序Flash存储器0043H串行通信口2中断服务程序的入口地址004BHSPI中断服务程序的入口地址0053H外部中断2中断服务程序的入口地址005BH外部中断3中断服务程序的入口地址0063H定时/计数器2中断服务程序的入口地址0083H外部中断4中断服务程序的入口地址工作原理：响应中断时，单片机自动转到相应的中断入口地址去执行程序，一般在中断入口的地址区存放一条无条件转移指令，指向真正存放中断服务程序的空间。中断响应后，CPU执行这条转移指令，转去执行中断服务程序。数据Flash存储器用于存放一些应用中需要经常修改、掉电后又能保持不变的数据，地址范围为0000H~03FFH。数据Flash被分成2个扇区，地址分别为：0000H~01FFH和0200H~03FFH。2.数据Flash存储器工作寄存器区位寻址区通用用户RAM和堆栈区特殊功能寄存器区内部数据存储器地址空间分配3.数据存储器1.2.3IAP15F2K61S2单片机的I/O口1.IAP15F2K61S2封装

（1）LQFP-44封装最多可有42根I/O口线:P0口(8根):P0.0~P0.7P1口(8根):P1.0~P1.7P2口(8根):P2.0~P2.7P3口(8根):P3.0~P3.7P4口(8根):P4.0~P4.7P5口(2根):P5.4,P5.5。（2）DIP-40封装DIP-40封装的IAP15F2K61 S2单片机和LQFP-44封装相比，除了没有P4.0、P4.3、P4.6、P4.7引脚外，其他资源和的单片机完全相同。4种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，输入/高阻和开漏模式。复位后为准双向口/弱上拉模式。

每个口的工作模式由2个控制寄存器中的相应位控制(PnM0和PnM1，n=0,1,2,3,4,5、6、7)。如:PnM0和PnM1用于设定Pn口的工作模式:位号D7D6D5D4D3D2D1D0PnM0PnM1寄存器设置Pn.7设置Pn.6设置Pn.5设置Pn.4设置Pn.3设置Pn.2设置Pn.1设置Pn.02.I/O口的工作模式PnM1[7:0]PnM0[7:0]I/O口工作模式(n=0,1,2,3,4,5、6、7)00准双向口/弱上拉(传统8051单片机I/O口模式),灌电流可达20mA，拉电流为270μA，由于制造误差，实际为150uA～270uA01推挽输出(强上拉输出,可达20mA,要加限流电阻,尽量少用)10仅为输入(高阻)11开漏(OpenDrain),内部上拉电阻断开,要外加上拉电阻若设置P1.7为开漏模式，P1.6为强推挽输入输出模式，P1.5为高阻输入模式，P1.4、P1.3、P1.2、P1.1和P1.0为弱上拉模式，则可以使用下面的代码进行设置：P1M1=0xa0;10100000P1M0=0xc0;11000000（1）准双向口工作模式的结构（传统8051单片机I/O口模式）输出低电平时，最大灌电流可达20mA。T1T2T3T4特点:具有一定的上拉能力，可以直接驱动一些小电流负载，如LED。但驱动能力有限，且在作为输入时需要额外操作以保证读取的准确性。应用场景:常用于简单的输入输出控制，如控制单个LED的亮灭、读取按键状态等。3.I/O口的工作模式结构示例代码（控制

LED）T1T4（2）推挽输入输出工作模式的结构特点:具有较强的驱动能力，能够提供较大的灌电流和拉电流，可以直接驱动一些功率稍大的负载，如小型继电器、蜂鸣器等。应用场景:适用于需要较强驱动能力的场合，如驱动数码管的段选和位选信号、控制小型电机等。示例代码（驱动蜂鸣器）（3）仅为输入（高阻）工作模式的结构特点:输入阻抗高，几乎不消耗外部信号的能量，常用于对信号源影响要求极小的场合。应用场景:用于读取一些高内阻的传感器信号，如温度传感器、光传感器等输出的微弱信号。输入口带有一个施密特触发输入以及一个干扰抑制电路。注意，仅为输入（高阻）工作模式下，I/O口不提供20mA灌电流的能力。示例代码（读取传感器信号）（4）开漏输出工作模式的结构特点:可实现“线与”功能；只有所有引脚都输出高阻态时，总线才被上拉电阻拉高为高电平。应用场景:常用于I2C、SMBus等总线通信，以及需要实现电平匹配和“线与”功能的场合。示例代码（模拟I2C通信）电源引脚

时钟引脚控制引脚输入/输出（I/O）引脚Vcc:一般接电源的＋5V。具体的电压幅度应参考单片机的手册。GND:接电源地。IAP15W4K58S4工作电压:2.5V-5.5VSTC15F2K60S2工作电压:

5.5V-4.5VSTC15L2K60S2工作电压:

3.6V-2.4V4.几个特殊的引脚（1）电源引脚-RST芯片内部一个反相放大器的输入端和输出端。通常用于连接晶体振荡器。/P1.6/P1.747pF47pF晶体振荡器M的频率可以在4MHz～48MHz之间选择，典型值是11.0592MHz。电容C1、C2对时钟频率有微调作用，可在5～100pF之间选择，典型值是47pF。（2）时钟引脚-XTAL1和XATL2IAP15F2K61S2单片机内部集成高精度R/C时钟，工作时钟可以使用内部振荡器或者外部晶振产生的时钟。内部集成的高精度R/C时钟工业环境下的温漂为±1%，常温下温飘5‰，频率范围为5MHz~35MHz，可以在编程时设置。对于时钟频率要求不太敏感的场合，内部R/C振荡器完全能够满足要求。使用内部R/C振荡器时钟时，XTAL1和XTAL2引脚悬空。功能：当访问外部存储器或者外部扩展的并行I/O口时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节。（3）控制引脚-ALE（与P4.5复用）标准8051单片机的ALE脚对系统时钟进行6分频输出，可对外提供时钟。IAP15F2K61S2单片机直接禁止ALE脚对系统时钟进行6分频输出，彻底清除此干扰源，有利于系统的抗干扰设计。如果设计中需要单片机输出时钟，可以利用IAP15F2K61S2单片机的可编程时钟输出脚(T0CLKO/P3.5,T1CLKO/P3.4等)对外输出时钟。当8051单片机时钟频率较高时，ALE脚是一个干扰源。（4）复位引脚-RST出厂时默认为I/O口，可在STC-ISP编程软件下载程序时，将其设置为RST复位脚。P0口用作数据总线（D7~D0）或者地址总线低8位（A7~A0）。用作普通I/O。P1口用作普通I/O。复用为ADC转换输入、捕获/比较/脉宽调制、SPI通信线、第二串口或者第二时钟输出。引脚复用功能P1.0ADC0/CCP1（捕获/比较/脉宽调制通道1）/RxD2（串口2输入）P1.1ADC1/CCP0（捕获/比较/脉宽调制通道0）/TxD2（串口2输出）P1.2ADC2/ECI（可编程计数器阵列定时器的外部时钟输入）/SS（SPI从器件选择）P1.3ADC3/MOSI（SPI主机输出从机输入）P1.4ADC4/MISO（SPI主机输入从机输出）P1.5ADC5/SCLK（SPI时钟）P1.6ADC6/XTAL2（外接晶体引脚）/RxD_3（串口1输入备用切换引脚）P1.7ADC7/XTAL1（外接晶体引脚）/TxD_3（串口1输出备用切换引脚）4.I/O口的复用功能P2口用作地址总线的高8位输出。用作通用I/O口使用。用于SPI和捕获/比较/脉宽调制的备用切换端口引脚复用功能P2.0A8/RSTOUT_LOW（复位后输出低电平引脚）P2.1A9/SCLK_2（SPI时钟备用切换引脚）P2.2A10/MISO_2（SPI主机输入从机输出备用切换引脚）P2.3A11/MOSI_2（SPI主机输出从机输入备用切换引脚）P2.4A12//ECI_3（可编程计数器阵列定时器的外部时钟输入备用切换引脚）/SS_2（SPI从器件选择备用切换引脚）P2.5A13/CCP0_3（捕获/比较/脉宽调制通道0备用切换引脚）P2.6A14/CCP1_3（捕获/比较/脉宽调制通道1备用切换引脚）P2.7A15/CCP2_3（捕获/比较/脉宽调制通道2备用切换引脚）P3口用作通用I/O口使用。可复用为外部中断输入、计数器输入、时钟输出、第一串口和外部总线的读/写控制。端口引脚复用功能P3.0RXD（串口1输入）//INT4（外部中断4，只能下降沿中断）/T2CLKO（T2的时钟输出）P3.1TXD（串口1输出）/T2CLKO（T2的外部输入）P3.2/INT0（外部中断0输入，既可上升沿中断也可下降沿中断）P3.3/INT1（外部中断1输入，既可上升沿中断也可下降沿中断）P3.4T0（定时器0外部输入）/T1CLKOU（T1时钟输出）/ECI_2（可编程计数器阵列定时器的外部时钟输入备用切换引脚）P3.5T1（定时器1外部输入）/T0CLKOU（T0时钟输出）/CCP0_32（捕获/比较/脉宽调制通道0备用切换引脚）P3.6/INT2（外部中断2输入，只能下降沿中断）/RxD_2（串口1输入备用切换引脚）/CCP1_2（捕获/比较/脉宽调制通道1备用切换引脚）P3.7/INT3（外部中断3输入，只能下降沿中断）/TxD_2（串口1输出备用切换引脚）/CCP2（捕获/比较/脉宽调制通道2）/CCP2_2（捕获/比较/脉宽调制通道2备用切换引脚）P4口作通用I/O口使用。某些口线具有复用功能，可配置为SPI通信线、捕捉/比较/脉宽调制、第二串口线等。端口引脚复用功能P4.0MOSI_3（SPI主输出从输入备用切换引脚）P4.1MISO_3（SPI主输入从输出备用切换引脚）P4.2

（外部总线写控制信号）P4.3SCLK_3（SPI时钟备用切换引脚）P4.4

（外部总线读控制信号）P4.5ALE（地址锁存控制信号，主要用于外部总线扩展）P4.6RxD2_2（第二串口输入备用切换引脚）P4.7TxD2_2（第二串口输出备用切换引脚）P5口P5.4/RST（复位脚）/MCLKO（内部R/C振荡时钟输出）。该引脚默认为I/O口，可以通过ISP编程将其设置为RST（复位）引脚。P5.5没有复用功能。捕获/比较/脉宽调制（CCP）通道的引脚切换、SPI接口的引脚切换以及串口的引脚切换由辅助寄存器AUXR1和外设功能切换寄存器P_SW2确定。捕获/比较/脉宽调制（CCP）通道可以在三个地方切换，由CCP_S1和CCP_S0两个控制位选择。CCP_S1CCP_S0切换引脚00CCP在[P1.2/ECI，P1.1/CCP0，P1.0/CCP1，P3.7/CCP2]01CCP在[P3.4/ECI_2，P3.5/CCP0_2，P3.6/CCP1_2，P3.7/CCP2_2]10CCP在[P2.4/ECI_3，P2.5/CCP0_3，P2.6/CCP1_3，P2.7/CCP2_3]11无效SPI可以在三个地方切换，由SPI_S1和SPI_S0两个控制位选择。SPI_S1SPI_S0切换引脚00SPI在[P1.2/SS，P1.3/MOSI，P1.4/MISO，P1.5/SCLK]01SPI在[P2.4/SS_2，P2.3/MOSI_2，P2.2/MISO_2，P2.1/SCLK_2]10SPI在[P5.4/SS_3，P4.0/MOSI_3，P4.1/MISO_3，P4.3/SCLK_3]11无效串口1可以在三个地方切换，由S1_S1和S1_S0两个控制位选择。S1_S1S1_S0切换引脚00串口1在[P3.0/RxD，P3.1/TxD]01串口1在[P3.6/RxD_2/XTAL2，P3.7/TxD_2/XTAL1]，串口1在P1口时要使用内部时钟10串口1在[P1.6/RxD_3，P1.7/TxD_3]，串口1在P1口时要使用内部时钟11无效串口2可以在两个地方切换，由S2_S0控制位选择：0：串口2在[P1.0/RxD2，P1.1/TxD2]1：串口2在[P4.6/RxD2_2，P4.7/TxD2_2]GF2：通用标志位。该位是由用户定义的一个状态标志。可以用软件来使它置“1”或清“0”，也可以由软件测试GF2控制程序的流向。ADRJ：留作备用。DPS：数据指针选择位。0：使用缺省数据指针DPTR0；1：使用另一个数据指针DPTR1。

1.2.4IAP15F2K61S2单片机的时钟与复位

1.时钟内部RC时钟频率选择外部时钟电路CLK_DIV(97H)D7D6D5D4D3D2D1D0MCKO_S1MCKO_S0ADRJTx_RxMCLKO_2CLKS2CLKS1CLKS0

两种时钟源产生的时钟称为主时钟。如希望降低系统功耗，使单片机在较低频率下工作，主时钟需经过一个可编程时钟分频器进行分频，分频后的时钟称为系统时钟。主时钟分频系数由时钟分频控制寄存器CLK_DIV进行设置：CLK_DIV寄存器中的CLKS2、CLKS1和CLKS0与时钟分频系数的关系：CLKS2CLKS1CLKS0系统时钟000不分频，fOSC001二分频，fOSC/2010四分频，fOSC/4011八分频，fOSC/8100十六分频，fOSC/16101三十二分频，fOSC/32110六十四分频，fOSC/64111一百二十八分频，fOSC/128主时钟fOSC可以从P5.4引脚引出，主时钟的频率由CLK_DIV寄存器中的MCKO_S1和MCKO_S0进行设置：MCKO_S1MCKO_S0系统时钟00主时钟禁止对外输出时钟01主时钟对外输出时钟频率=fOSC10主时钟对外输出时钟频率=fOSC/211主时钟对外输出时钟频率=fOSC/4（1）外部RST引脚复位IAP_CONTR(C7H)D7D6D5D4D3D2D1D0IAPENSWBSSWRSTCMD_FAIL-WT2WT1WT0复位是单片机的初始化工作，IAP15F2K61S2单片机的复位都是高电平复位，有外部RST引脚复位、掉电复位/上电复位、软件复位、内部低压检测复位、MAX810专用复位电路、看门狗复位和程序地址非法复位等7种方式。2.复位（2）掉电复位/上电复位与MAX810专用复位电路（3）软件复位通过IAP_CONTR寄存器中的SWBS和SWRST来实现的。如使软件复位到ISP监控程序区开始执行程序，则IAP_CONTR=0x20，如使软件复位到用户程序区开始执行程序，则IAP_CONTR=0x20。

图1.14内部低压检测复位设置图1.15STC-ISP软件中看门狗的设定（4）内部低压检测复位PCON(87H)D7D6D5D4D3D2D1D0SMODMOD0LVDFPOFGF1GF0PDIDL（5）看门狗(WDT)复位PCON(C1H)D7D6D5D4D3D2D1D0WDT_FLAG-EN_WDTCLR_WDTDLE_WDTPS2PS1PS0图1.16PCON寄存器的数据格式WDT复位功能可以由STC-ISP软件中进行设定，如上图1.15所示。也可以由看门狗控制寄存器WDT_CONTR来设定PS2PS1PS0预分频系数看门狗溢出时间（ms）fOSC=11.0592MHzfOSC=12MHzfOSC=20MHz000271.165.539.30014142.2131.078.60106284.4262.1157.30118568.8524.2314.4100161137.71048.5629.1101322275.52097.11250110644551.141