1、1 1.绪 论 二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在这个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫 痪了。 单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的
2、经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 现在，这种单片机的使用领域已十分广泛。彩电、冰箱、空调、录像机、 VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。 单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指 标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。单片机按用途大体上可分为两类，一种是通用型单片机，另一种是专用型单片机。 2 1.1 单片机基础知识 单片机又称单片微
3、控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。 MCS-51 单片机是美国 INTEL 公司于 1980 年推出的产品，与 MCS- 48 单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达 111 条 ， MCS-51 单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在， MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与 MSC-51 单片机作为代表进行理论基础学习。 MCS-51 系列单片机主要包括 8031、 8051 和 8751 等通用产品。 DP-51S
4、单片机仿真实验仪是由广州致远电子有限公司设计的 DP系列单片机仿真实验仪之一，是一种功能强大的单片机应用技术学习、调试。 1.2 单片机的应用领域 单片机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，大致可分为如下几个范畴： 一、在智能仪器仪表的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。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
5、。例如精密的3 测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 二、在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家 用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 三、在工业控制中的应用 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，与计算机联网构成二级控制系统等。 四、在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从
6、 手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 五、单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。 4 1.3单片机的发展趋势 单片机现在可以说是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从 8 位 、 16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片
7、机的应用提供了广阔的天地。 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 一、微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（ CPU）、随机存取数据存储（ RAM）、只读程序存储器（ ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D转换器、 PMW（脉宽调制电路）、 WDT（看门狗）、有些单片机将 LCD（液晶）驱 动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单
8、片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中 SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 二、低功耗 CMOS 化 MCS-51 系列的 8031 推出时的功耗达 630mW，而现在的单片机普遍都在100mW 左右，随着对单片机功耗要求越 来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。像 80C51 就采用了 HMOS5 （即高密度金属氧化物半导体工艺）和 CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。 CMOS 虽然功耗低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS 则具备了高
9、速和低功耗的特点，这些特征，更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 三、主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 80C51 为核心的单片机占主流，兼容其结构和 指令系统的有 PHILIPS 公司的产品， ATMEL 公司的产品和中国台湾的 Winbond 系列单片机。所以 80C51 占据了半壁江山。而Microchip 公司的 PIC 精简指令集合（ RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的 HOLTEX 公司近年的单片机产量与日俱增，与其底价质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品，日
10、本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。 九十年代以后，单片机在结构上 采用双 CPU 或内部流水线， CPU 位数有8 位、 16 位、 32 位，时钟频率高达 20MHZ，片内带有 PWM 输出、监视定时器 WDT、可编程计数器阵列 PCA、 DMA 传输、调制解调器等。芯片向高度集成化、低功耗方向的发展，使得单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。这类单片机有 NEC 公司的 MPD7800， MITSUBISHI
11、公司的M337700， REVKWELL 公司的 R6500。 2.硬件设计 6 2.1 硬件设计 2.1.1 80C51 单片机的内 部结构 图 2-1 为 80C51 单片机功能结构框图 80C51 芯片内部集成了 CPU、 RAM、 ROM、定时 /计数器和 I/O 口等各功能部件，并由内部总线把这些不见连接在一起。 80C51 单片机内部包含以下一些功能部件： (1) 一个 8 位 CPU； (2) 一个片内振荡器和时钟电路； (3) 4KB ROM（ 80C51 有 4KB 掩膜 ROM， 87C51 有 4KB EPROM， 80C31片内有无 ROM）； (4) 128B 内 R
12、AM； (5) 可寻址 64KB 的外 ROM 和外 RAM 控制电路； (6) 两个 16 位定时 /计数器； (7) 21 个特许功能寄存器； (8) 4 个 8 位并行 I/O 口，共 32 条可编程 I/O 端线； (9) 一个可编程全双工串行口； (10) 5 个中断源，可设置成 2 个优先级。 7 外时钟源 外部事件计数 中断 控制 并 行 口 串行通信 图 2-1 80C51 单片机功能结构框图 2.1.2 80C51 单片机的引脚功能 80C51 单片机一般采用双列直插 DIP 封装，共 40 个引脚，图 2-2a 为引脚排列图。图 2-2b 为逻辑符号图。 40 个引脚大致可
13、分为 4 类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚。 振荡器及 时序 OSC 8051CPU 程序存储器4KB ROM 数据存储器256B 2 个 16 位定时器 /计数器 64K 总线扩展控制器 可编程 I/O 可编程全双工串行口 8 图 2-2 80C51 引脚图 1.电源 (1)Vcc 芯片 电源，接 +； (2)Vss 接地端。 2.时钟 XTAL1、 XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体。 3.控制线 控制线共有 4 根，其中 3 根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。 9 (1)ALE/PROG 地
14、址锁存允许 /片内 EPROM 编程脉冲。 ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址。 80C51 在并行扩展外存储器（包括并行扩展 I/O 口 ）时， P0 口用于分时传送低 8 位地址和数据信号，且均为二进制数。那么如何区分是低 8 位地址还是 8 位数据信号呢？当 ALE 信号有效时， P0 口传送的是低 8 位地址信号； ALE 信号无效时， P0 口传送的是 8 位数据信号。在 ALE 信号的下降沿，锁定 P0 口传送的内容，即低 8 位地址信号。 需要指出的是，当 CPU 不执行访问外 RAM 指令（ MOVX）时， ALE 以时钟振荡频率 1 / 6 的固定频率输出，
15、因此 ALE 信号也可作为外部芯片 CLK时钟或其他需要。但是，当 CPU 执行 MOVX 指令时， ALE 将跳过一个 ALE脉冲。 ALE 端可驱动 8 个 LSTTL 门电路。 PROG 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。 (2)PSEN 外 ROM 读选通信号。 80C51 读外 ROM 时，没个机器周期内 PSEN 两次有效输出。 PSEN 可作为外 ROM 芯片输出允许 OE 的选通信号。在读内 ROM 或读外 RAM 时， PSEN无效。 PSEN 可驱动 8 个 LSTTL 门电路。 (3) RST/Vpd 复位 /备用电源。 正常
16、工作时， RST（ Reset）端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平， 80C51 芯片即实现复位操作，复位后一切10 从头开始， CPU 从 0000H 开始执行指令。 Vpd 功能：在 Vcc 掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由 Vpd 向片内供电，以保持片内 RAM 中的数据不丢失。 (4) EA/Vpp 内外 ROM 选择 /片内 EPROM 编程电源。 EA 功能：正常工作时， EA 为内外 ROM 选择端。 80C51 单片机 ROM寻址范围为 64KB，其中 4KB 在片内， 60KB 在片外（ 80C31 芯片无内 ROM，全部在片外）。当 EA
17、保持高电平时，先访问内 ROM，但当 PC（程序计数器）值超过 4KB（ 0FFFH）时，将自动转向执行外 ROM 中的程序。当 EA 保持低电平时，则只访问外 ROM，不管芯片内有否内 ROM。对 80C31 芯片，片内无 ROM，因此 EA 必须接地。 Vpp 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚用于施加编程电源 Vpp。 对 4 个控制引脚，应熟记起第一功能，了解其第二功能。 严格来讲， 80C51 的控制线还应该包括 P3 口的第二功能。 4. I/O 引脚 80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口 ,共 32 个引脚 (1)P0 口 8 位双向 I/O 口。 在不并行扩展外存储器 (包括并行扩展 I/O 口 )时 , P0 口可用作双向 I/O口。 在并行扩展外存储器 (包括并行扩展 I/O 口 )时 , P0 口可用于分时传送低8 位地址 (地址总线 )和 8 位数据信号 (数据总线 )。位结构如图 2-4 所示。 P0口能驱动 8 个 LSTTL 门。
