單片機原理及應用

第1章概述

1.1數(shù)制與編碼在計算機中，任何命令和信息都是以二進制數(shù)據(jù)的形式存儲的。計算機所執(zhí)行的全部操作都歸結為對數(shù)據(jù)的處理和加工。1.二進制數(shù)二進制數(shù)只有兩個數(shù)字符號：0和1。計數(shù)時按“逢二進一”的原則進行計數(shù)。也稱其基數(shù)為二。

根據(jù)位權表示法，每一位二進制數(shù)在其不同位置表示不同的值。對于任何二進制數(shù)，可按位權求和展開。2.十六進制數(shù)計算機在輸入輸出或書寫時，可采用十六進制數(shù)表示相應的二進制數(shù)。十六進制數(shù)有十六個數(shù)字符號，其中0～9與十進制相同，剩余六個為A～F分別表示十進制數(shù)的10～15，計數(shù)原則是逢“十六進一”，也稱其基數(shù)為十六。3.不同數(shù)制之間的轉換計算機中的數(shù)只能用二進制表示，十六進制數(shù)適合讀寫方便的需要，日常生活中使用的是十進制數(shù)，計算機根據(jù)需要對各種進制數(shù)據(jù)進行轉換。4編碼計算機內(nèi)部所有數(shù)據(jù)均用二進制代碼的形式表示。計算機通過輸入設備（如鍵盤）輸入信息和通過輸出設備輸出信息也是多種形式的，即有數(shù)字、字母，也有各種控制符號及漢字等。為此，需要對常用的數(shù)據(jù)及符號等進行編碼，以表示不同形式的信息。這種以編碼形式所表示的信息既便于存儲，也便于由輸入設備輸入信息、輸出設備輸出相應的信息。1.2單片機與嵌入式系統(tǒng)組成1.什么是單片機單片機（Single-chip-Microcomputer）又稱單片微控制器，其基本結構是將微型計算機的基本功能部件：中央處理機（CPU）、存儲器、輸入、輸出接口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等全部集成在一個半導體芯片上。2.單片機的應用特點

(1)具有較高的性能價格比

(2)體積小，可靠性高

(3)控制功能強

(4)使用方便、容易產(chǎn)品化3.單片機的應用領域

(1)智能儀器

(2)工業(yè)控制

(3)機電一體化

(4)家用電器1.3嵌入式系統(tǒng)從使用的角度來說，計算機應用可分為兩類：一類是應用廣泛的獨立使用的計算機系統(tǒng)（如個人計算機、工作站等）。一類是嵌入式計算機系統(tǒng)。所謂嵌入式系統(tǒng)，就是以嵌入式應用為目的計算機系統(tǒng)。單片機應用系統(tǒng)是典型的嵌入式系統(tǒng)。1.4單片機應用系統(tǒng)的結構2.1MCS-51單片機總體結構

MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品有8051、8751、8031、80C51、80C31等。它們的結構基本相同，其主要差別反映在片內(nèi)存儲器的配置上有所不同。

8051是ROM型單片機，內(nèi)含4KB的掩模ROM程序存儲器；8751內(nèi)含4KB的可編程EPROM程序存儲器；而8031則為無ROM型單片機，使用時需外接程序存儲器。1MCS-51單片機總體構框圖2MCS-51引腳功能3.MCS-51存儲器的特點物理結構上有四個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器；片外程序存儲器；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器；片外數(shù)據(jù)存儲器。

從用戶使用的角度，即從邏輯上劃分3個存儲器地址空間：片內(nèi)外統(tǒng)一偏址的64KB的程序存儲器地址空間；片內(nèi)256B數(shù)據(jù)存儲器地址空間；片外64KB的數(shù)據(jù)存儲器地址空間；MCS-51（8051）存儲結構如圖所示。

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器分為高、低128B兩大部分如圖所示2.2位處理器單片機具有較強的位處理能力。對于許多控制系統(tǒng)，開關量控制是控制系統(tǒng)的主要對象之一。作為傳統(tǒng)的CPU，對于簡單的個別開關量進行控制卻顯得不那么方便，而讓MCS-51值得驕傲正是它有效地解決了單一位的控制。2.3MCS-51工作方式和時序1.MCS-51單片機的工作方式包括：復位方式、程序執(zhí)行方式、節(jié)電方式和EPROM的編程和校驗方式，在不同的情況下，其工作方式也不相同。

對于任何一臺計算機，必須有軟件（程序）的支持，才能工作。計算機所進行的全部操作都是執(zhí)行程序的結果，而程序是計算機所能識別的命令的集合。指令系統(tǒng)是一種CPU所能直接執(zhí)行的所有命令的集合，CPU的主要功能是由它的指令系統(tǒng)來體現(xiàn)的。任何計算機語言編寫的任何程序，都必須轉換為指令系統(tǒng)中相應指令代碼的有序集合，CPU才能執(zhí)行。3.1指令系統(tǒng)簡介每一種CPU都有其獨立的指令系統(tǒng)。

1.MCS-51系列單片機指令系統(tǒng)共有111條指令，其中有49條單字節(jié)指令，45條雙字節(jié)指令和17條三字節(jié)指令。

MCS-51指令系統(tǒng)的功能十分強大，它把體現(xiàn)單片機的各種功能的寄存器組織在統(tǒng)一的地址空間中，MCS-51指令系統(tǒng)在其存儲空間、時間的利用率及工作效率方面都是較高的。2.指令格式

MCS-51指令系統(tǒng)中的每一條指令都有兩級指令格式：

CPU可直接識別并執(zhí)行的機器語言指令。匯編語言指令（簡稱匯編指令）。

MCS-51匯編語言指令格式，由以下幾個部分組成：

[標號：]操作碼[目的操作數(shù)][,源操作數(shù)][；注釋]3.2尋址方式所謂尋址方式就是尋找或獲得操作數(shù)的方式。指令的一個重要組成部分是操作數(shù)。由尋址方式指定參與運算的操作數(shù)或操作數(shù)所在單元的地址。MCS-51指令系統(tǒng)的尋址方式有以下7種：

1.立即尋址

2.直接尋址

3.寄存器尋址

4.寄存器間接尋址

5.變址尋址

6.相對尋址

7.位尋址3.3指令系統(tǒng)

1數(shù)據(jù)傳送類指令

2算術運算類指令

3邏輯運算類指令

4控制轉移類指令

5位操作類指令例如：

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

指令執(zhí)行結果：A的內(nèi)容傳送給寄存器TCON。

MOVA,P1

指令執(zhí)行結果：P1的內(nèi)容傳送給A。其中TCON、P1是特殊功能寄存器SFR，其對應的直接地址是88H和90H。例如：將數(shù)據(jù)00H～0FH寫入RAM的30H～3FH單元。可執(zhí)行以下指令：

MOVA,#0H MOVR0,#30HLOOP:MOV@R0,A INCA INCR0 CJNZR0,#40H,LOOPSTOP:SJMPSTOP3.4匯編語言程序設計基礎匯編語言是一種采用助記符表示的機器語言，即用助記符號來代表指令的操作碼和操作數(shù)，用標號或符號代表地址、常數(shù)或變量。而助記符一般都是英文單詞的縮寫，因此使用方便。這種用助記符編寫的程序稱為源程序，匯編語言源程序必須翻譯成機器語言的目標代碼，亦稱目標程序，計算機才能執(zhí)行。其翻譯工作可由匯編程序自動完成，匯編程序的功能就是將用助記符號編寫的源程序翻譯成用機器語言表示的目標程序。

匯編語言程序的組成：匯編語言源程序是由匯編語句組成的，一般情況下，匯編語言語句可分為：指令性語句（即匯編指令）和指示性語句（即偽指令）。

指令性語句（可簡稱指令）是進行匯編語言程序設計的可執(zhí)行語句，每條指令都產(chǎn)生相應的機器語言的目標代碼。源程序的主要功能是由指令性語句去完成的。指示性語句（偽指令）又稱匯編控制指令。它是控制匯編（翻譯）過程的一些命令，程序員通過偽指令通知匯編程序在進行匯編時的一些指示。因此，偽指令不產(chǎn)生機器語言的目標代碼，是進行匯編語言程序設計的不可執(zhí)行語句。4.1中斷的概念中斷是指在CPU正在處理某項事務的時候，如果外界或內(nèi)部發(fā)生了緊急事件，要求CPU暫停正在運行的工作轉而去處理這個緊急事件，待處理完后再回到原來被中斷的地方，繼續(xù)原來被打斷了的工作的過程。中斷是計算機中一個很重要的概念，中斷技術的引入使計算機的發(fā)展和應用都大大地推進了一步?？梢哉f：沒有中斷技術，就沒有目前計算機的廣泛應用。4.28051中斷系統(tǒng)結構及中斷控制

MCS-51系列單片機有5個中斷源和其相應的控制寄存器。

1.中斷源

MSC-51系列單片機的5個中斷源，包括2個外部中斷源和3個內(nèi)部中斷源。

2個外部中斷源是外部中斷0和外部中斷1，相應的中斷請求信號輸入端是INT0和INT1。

3個內(nèi)部中斷源是定時器/計數(shù)器0溢出中斷，定時器/計數(shù)器1溢出中斷，串行口的發(fā)送和接收中斷(TI和RI)。2.TCON寄存器

TCON是定時器/計數(shù)器0和1（T0、T1）的控制寄存器，同時也用來鎖存T0、T1的溢出中斷申請標志和外部中斷請求標志。3.SCON寄存器

SCON為串行口控制寄存器，其中的低2位用作串行口中斷請求標志。4.在MCS-51單片機中斷系統(tǒng)中，中斷的允許或禁止是由片內(nèi)的中斷允許寄存器IE控制的。

5.MCS-51系列單片機的中斷優(yōu)先級是由中斷優(yōu)先級寄存器IP控制的。4.4中斷響應時間在不同的情況下CPU響應中斷的時間是不同的。以外部中斷為例，INT0(————)和INT1(————)引腳的電平在每個機器周期的S5P2時刻經(jīng)反相鎖存到TCON的IE0和IE1標志位，CPU在下一個機器周期才會查詢到新置入的IE0和IE1，如果滿足響應條件，CPU響應中斷時要用兩個機器周期執(zhí)行一條硬件長調用指令“LCALL”，由硬件完成將中斷矢量地址裝入程序指針PC中，使程序轉入中斷矢量入口。因此，從產(chǎn)生外部中斷到開始執(zhí)行中斷程序至少需要三個完整的機器周期。4.5中斷響應后中斷請求的撤除中斷源提出中斷申請，在CPU響應此中斷請求后，該中斷源之中斷請求在中斷返回之前應當撤除，以免引起重復中斷，被再次響應。對于邊沿觸發(fā)的外部中斷，CPU在響應中斷后由硬件自動清除相應的中斷請求標志IE0和IE1。。對于定時器溢出中斷，CPU在響應中斷后就由硬件消除了相應的中斷請求標志TF0、TF1。對于串行口中斷，CPU在響應中斷后并不自動清除中斷請求標志RI或TI，因此必須在中斷服務程序中用軟件來清除。5.1定時器/計數(shù)器概述定時器/計數(shù)器實際上是加1計數(shù)器，當它對外部事件進行計數(shù)時，由于頻率不固定，此時稱之為計數(shù)器；當它對內(nèi)部固定頻率的機器周期進行計數(shù)時稱之為定時器。定時器/計數(shù)器的基本結構如圖所示。5.2定時器/計數(shù)器的控制字定時器/計數(shù)器有4種工作模式，由TMOD設置并由TCON控制。特殊功能寄存器TMOD的地址為89H，它不能位尋址，在設置時一次寫入。定時器控制寄存器TCON除可字節(jié)尋址外，各位還可以位尋址。5.3定時器/計數(shù)器工作模式

51系列單片機的定時器/計數(shù)器T0和T1可由軟件對特殊功能寄存器TMOD中控制位C/T(—)進行設置，以選擇定時功能或計數(shù)功能。對M1和M0位的設置對應于四種工作模式，即模式0、模式1、模式2、模式3。在模式0、模式1和模式2時，T0和T1的工作情況相同。1工作模式0

模式0是選擇定時/計數(shù)器（T0或T1）的高8位和低5位組成的一個13位定時器/計數(shù)器。2工作模式1

該模式對應的是一個16位的定時器/計數(shù)器。3工作模式2

模式2把TL0（或TL1）設置成一個可以自動重裝載的8位定時器/計數(shù)器。4工作模式3

工作模式3對T0和T1大不相同。若將T0設置為模式3，TL0和TH0被分成為兩個相互獨立的8位計數(shù)器。5.4定時器/計數(shù)器應用實例利用定時器0產(chǎn)生25Hz的方波，由P1.0輸出。假設CPU不做其它工作，則可采用查詢方式進行控制，設晶振頻率為12MHz。

25Hz方波，周期為1/25＝40ms，可以采用定時器定時20ms，每隔20ms改變一下P1.0的電平，即可得到25Hz的方波信號。若采用定時器工作模式0，則最長定時時間為t=213×1×10-6=8.192ms。顯然定時一次不能滿足要求，可以采用模式1工作。設初值為X，則有：

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與外部設備的基本通信方式有兩種：①并行通信，數(shù)據(jù)的各位同時進行傳送。其特點是傳送速度快、效率高，數(shù)據(jù)有多少位，就需要有多少根傳輸線。當數(shù)據(jù)位數(shù)較多和傳送距離較遠時，就會導致通信線路成本提高,因此它適合于短距離傳輸。②串行通信，數(shù)據(jù)一位一位地按順序進行傳送，其特點是只需一對傳輸線就可實現(xiàn)通信，當傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較多、距離較遠時，它可以顯著減少傳輸線，降低通信成本。6.1MCS-51單片機串行接口1.異步通信和同步通信串行通信有兩種基本通信方式：異步通信和同步通信。

(1)異步通信在異步通信中，數(shù)據(jù)通常以字符（或字節(jié)）為單位組成數(shù)據(jù)幀傳送。

(2)同步通信在同步通信中，每個數(shù)據(jù)塊傳送開始時，采用一個或兩個同步字符作為起始標志（接收端不斷對傳送線采樣，并把采樣到的字符和雙方約定的同步字符比較，只有比較成功后才會把后面接收到的數(shù)據(jù)加以存儲）。3波特率串行通信的數(shù)據(jù)是按位進行傳送的，每秒鐘傳送的二進制數(shù)碼的位數(shù)稱為波特率（也稱比特數(shù)），單位是bps（bitpersecond），即位/秒。波特率是串行通信的重要指標，用于衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省H上規(guī)定了標準波特率系列，作為常用的波特率。標準波特率的系列為110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600和19200bps。

6.2串行口結構

MCS-51系列單片機內(nèi)部有一個全雙工串行異步通信接口，它可以作UART（通用異步接收和發(fā)送器）用，構成雙機或多機通信系統(tǒng)，也可以外接移位寄存器后擴展為并行I/O口。

MCS-51系列單片機通過引腳RXD（P3.0）和引腳TXD（P3.1）與外界進行通信。串行口內(nèi)部結構簡化示意圖如圖所示。6.3串行口控制

MCS-51的串行口是可編程接口，通過對兩個特殊功能寄存器SCON和PCON進行編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，同時還包含要發(fā)送或接收到的第9位數(shù)據(jù)位以及串行口中斷標志位。該寄存器的字節(jié)地址為98H，可進行位尋址。2.電源控制寄存器PCONPCON中只有最高位SMOD與串行口工作有關，該位用于控制串行口工作于方式1、2、3時的波特率。PCON的字節(jié)地址為87H，沒有位尋址功能。單片機復位時，SMOD=0。3串行口工作方式及波特率設置

MCS-51串行口有方式0、方式1、方式2和方式3四種工作方式，每種工作方式下的波特率設置方法也不相同，用戶應根據(jù)實際需要正確選用。方式0主要用于擴展并行輸入輸出口，方式1、方式2和方式3主要用于串行通信。

單片機內(nèi)部集成了計算機的基本功能部件，因而一塊單片機（如8051/8751）往往就是一個最小微機系統(tǒng)。MCS-51系列單片機具有很強的系統(tǒng)擴展能力，可以擴展64KB的程序存儲器和64KB的數(shù)據(jù)存儲器或輸入輸出口。.7.1MCS-51單片機最小系統(tǒng)單片機是集CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和I/O接口電路于一片集成電路的微型計算機。對于簡單的應用場合，可以在MCS-51系列單片機中選擇一個合適的產(chǎn)品構成一個具有最簡單配置的系統(tǒng)，即最小系統(tǒng)。MCS-51系列中含有片內(nèi)程序存儲器的單片機如8051/8751僅一塊芯片就可構成最小系統(tǒng)，而無片內(nèi)存儲器的單片機如8031必須外部擴展程序存儲器才能構成最小系統(tǒng)。.18051/8751單片機最小系統(tǒng)用8051/8751單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如圖所示。7.2擴展總線的產(chǎn)生當單片機最小應用系統(tǒng)不能滿足實際應用系統(tǒng)要求時，需要在單片機外部連接相應的外圍芯片以滿足應用系統(tǒng)要求。MCS-51系列單片機有很強的外部擴展功能，大部分常規(guī)芯片可用于其外圍擴展電路中。擴展的內(nèi)容主要有總線、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O口擴展等。

一般微機的CPU外部都有單獨的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，而MCS-51系列單片機由于受管腳數(shù)量的限制，數(shù)據(jù)總線和地址總線是復用P0口，為了將它們分離開，以便同外圍芯片正確地連接，需要在單片機外部增加地址鎖存器（如74LS373、8282等），從而構成與一般CPU類似的片外三總線，如下圖所示。MCS-51系列單片機擴展三總線1.地址總線（AB）

MCS-51系列單片機地址總線寬為16位，所以可尋址范圍為216=64KB。

16位地址總線由P0口提供低8位A0-A7，P2口提供高8位A8-A15。由于P0口還要作數(shù)據(jù)總線，只能分時用作低8位地址線，所以P0輸出的低8位地址必須用鎖存器鎖存。鎖存器的鎖存控制信號為ALE輸出信號。P2口具有輸出鎖存功能，所以不需外加鎖存器。2.數(shù)據(jù)總線（DB）數(shù)據(jù)總線由P0口提供，其寬度為8位，用于單片機與外部存儲器和I/O設備之間傳送數(shù)據(jù)。P0口為三態(tài)雙向口，可以進行兩個方向的數(shù)據(jù)傳送。3.控制總線（CB)

由P3口提供。7.3擴展舉例擴展4KBEPROM的8031系統(tǒng)。外部存儲器的擴展可通過線選方式或譯碼方式實現(xiàn)片選。圖7-8是采用線選方式對8031擴展一片2732EPROM的連線圖。圖中鎖存器采用74LS373，8031的P2.0～P2.3用作2732的地址線，其余P2.4～P2.7中的任一根都可作為2732的片選信號線，片選信號決定了2732的4KB存儲器在整個8031擴展程序存儲器64KB空間中的位置。圖中選用P2.7作為2732的片選信號線，則2732EPROM的地址范圍為：0000H～0FFFH。

單片機系統(tǒng)在應用中要與外界進行信息的交流，操作人員需通過輸入裝置對系統(tǒng)進行初始設置、輸入數(shù)據(jù)和各種命令等。系統(tǒng)運行的狀態(tài)和結果也需通過輸出裝置送出，以便操作人員觀察、記錄和存檔。在工業(yè)過程的檢測、控制應用中，單片機系統(tǒng)需對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行檢測，經(jīng)過分析處理后相應決策信號也通過一定裝置輸出對工業(yè)現(xiàn)場進行控制。這些任務需由輸入、輸出裝置來完成。常用于人機交往的輸入、輸出裝置為鍵盤和顯示器，而實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場進行信號轉換的輸入、輸出器件為A/D和D/A轉換器。本章主要講述鍵盤、LED和LCD顯示器，D/A和A/D轉換器的接口原理和應用。8.1鍵盤及接口電路在單片機應用系統(tǒng)中人們要對計算機進行簡單設置或輸入初始數(shù)據(jù)，這些任務主要由鍵盤來完成。1.電路組成很多實際的應用系統(tǒng)均采用較少幾個按鍵組成的非編碼鍵盤，也稱其為開關式鍵盤，或線性鍵盤，它們與單片機的連接如下圖所示。每一個鍵對應P1口的一根口線，各鍵是相互獨立的。當某個鍵按下時，該鍵所對應的口線的電位就由高變?yōu)榈碗娖?，CPU訪問并查詢所有接鍵口線，即可識別是哪一個鍵按下。該鍵盤常應用于僅有功能操作或利用校表方式修改數(shù)據(jù)的場合。當所用鍵數(shù)較多時，采用此方法占用I/O口線太多，引線也較多。

開關式鍵盤對于開關式鍵盤，因按鍵較少，其處理程序也很簡單。

當按鍵數(shù)較多時，為節(jié)省I/O口線和減少引線，常將其按矩陣方式連接。比如，有16個按鍵的鍵盤，可將其按4×4的方式連接，即4根行線和4根列線，每個行線和列線交叉點處即為一個鍵位。4根行線接4根I/O口線，4根列線接4根I/O口線，共需要8根I/O口線，其連接形式如下圖所示。

矩陣鍵盤連接形式

對于矩陣結構的非編碼鍵盤，通常采用掃描的方法，首先判別是否有鍵按下，然后去抖動，判別鍵位并產(chǎn)生相應的鍵值，其工作過程為：第一步首先判別是否有鍵按下，將所有行線置成0電平，然后讀取全部列值，若讀入的列值全是1，則說明沒有鍵按下，反之說明有鍵按下。第二步去抖動，當判別到有鍵按下后，調延時子程序，執(zhí)行后再進行判別，若仍有鍵按下則轉下一步鍵識別，否則重新開始。第三步鍵識別，當有鍵按下時，轉入逐行掃描的方法來確定是哪一個鍵按下。8.2顯示及顯示器接口單片機應用系統(tǒng)中，現(xiàn)場的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)需實時的監(jiān)測和觀察，常用于觀察的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器）。1LED狀態(tài)顯示用LED作狀態(tài)指示器具有電路簡單，功耗低，壽命長，響應速度快等特點，而且LED還有紅，黃，綠等多種顏色供選擇。特別是LED的低功耗，長壽命特性正在逐漸取代傳統(tǒng)上由白熾燈指示的場合，如交通燈，信號燈等。2液晶顯示器(LCD)在單片機中的應用

LCD是一種功耗很小的顯示器件，LCD的應用很廣，簡單如手表上的液晶顯示器，復雜如筆記本電腦上的顯示器等，都是用LCD。LCD從使用對象可分為專用型和通用型二種，專用型是廠家根據(jù)產(chǎn)品所顯示的內(nèi)容專門定做的LCD，顯示內(nèi)容的局限性較大，不能作為它用。而通用型則使用面較寬，一般可顯示數(shù)字，字符，甚至漢字和圖形等。8.3A/D、D/A轉換器與單片機的接口由于單片機所具有的許多獨特優(yōu)點，而面向控制的設計更使它特別適用于實時測控系統(tǒng)。但自然界中所測控的對象均是連續(xù)變化的物理量（如溫度、壓力、濕度、流量、速度等），欲用計算機處理則需將其變換成計算機能接受的數(shù)字量才能進行數(shù)字的加工和處理；完成這種轉換任務的器件稱為模/數(shù)（A/D）轉換器。而將計算機輸出的數(shù)字信號轉換為被控對象能接受的模擬信號