新编MCS-51单片机应用设计_张毅刚

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经典的51单片机教材,哈尔滨工业大学出版社,张毅刚编写的,很多学校用做教材的书籍
美国RCA(无线电)公司:CDP1800系列 日本松下( National)公司:MN6800系列 日本NEC(电气)公司:(COM87((PD7800)系列 日本 HITACH(日立)公司:HK301,HD63L05,HD6305 荷兰PHPS(菲力浦)公司:8×C552系列 尽管单片机的品种很多,但是在我国使用最多的是lnte公司的MCS-51系列单片机。 MCS-51系列是在MCS-48系列的基础上于20世纪80年代初发展起来的,虽然它仍然是8 位的单片机,但它有品种全、兼容性强性能价格比高等特点,且软硬件应用设计资料丰富。因 此,已为广大工程技术人员所熟悉,在我国得到了广泛的应用。直至现在,MCS-51系列的单 片机仍不失为单片机的主流系列,在最近的若于年内仍是工业检测、控制应用的主角。 14单片机的发展趋势 单片机的发展趋势将是向大容量、高性能化,外围电路内装化等方面发展。为满足不同的 用户要求,各公司竞相推出能满足不同需要的产品。 1CPU的改进 (1)釆用双CPU结构,以提高处理能力。 (2)增加数据总线宽度,单片机内部采用16位数据总线,其数据处理能力明显优于一般8 位单片机。 (3)釆用流水线结构。指令以队列形式出现在CPU中,且具有很快的运算速度。尤其适 合于作数字信号处理用,例如TMs320系列数字信号处理机。 (4)串行总线结构。菲利浦公司开发了一种新型总线—C总线(Iter-hus,也称rC 总线)。该总线是用三条数据线代替现行的8位数据总线,从而大大地减少了单片机引线,降 低了单片机的成本。目前许多公司都在积极的开发此类产品。 2存储器的发展 (1)加大存储容量。新型单片机片内ROM一般可达4K字节至8K字节,RAM为256个字 节。有的单片机片内ROM容量可达128K字节。 (2)片内 EPROM采用F2PROM或闪烁(lgsh)存储器。片内 EPROM由于需要高压编程写 人,紫外线擦抹给用广带来不便。采用E2HROM或闪烁存储器后,能在+5V下读写,不需紫外 线擦抹,既有静态RAM读写操作简便,又有在掉电时数据不会丢失的优点。片内 EPROM或 闪烁存储器的使用不仅会对单片机结构产生影响,而且会大大简化应用系统结构。 由于闪烁存储器中数捃写入后能永久保持,因此,有的单片机将它们作为片内RAM使用, 甚至有的单片机将闪烁存储器用作片内通用寄存器。 (3)程序保密化。一般 EPROM中的程序很容易被复制。为防止复制,某些公司开始采用 KEPROM( Keyedacess EPROM)编程写人,有的则对片内EPOM或 EEPROM采用加锁方式。加 锁后,无法读取其屮的程序。若要去读,必须抹去 EEPROM屮的信息,这就达到了程序保密的 日的。 3.片内LO的改进 般单片机都有较多的并行口。以满足外围设备、芯片扩展的需要,并配有串行口,以满 足多机通讯功能的要求。 PDF文件使用" pdf factory pr0试用版本创建 Www. fineprint,c0mncn (1)增加并行冂的驱动能力。这样可减少外部驱动芯片。有的单片机能直接输出大电流 和高电压,以便能直接驱动EED和VFD(荧光显示器)。 (2)增加υO口的逻辑控制功能。大部分单片机的O都能进行逻辑操作。中、高档单片 机的位处理系统能够对LO口进行位寻址及位操作,大大的加强了玩0口线控制的灵活性。 (3)有些单片机设置了一些特殊的串行接口功能,为构成网络化系统提供了方便条件。 4.外围电路内装化 随着集成度的不断提高,有可能把众多的外团功能器件集成在片内。这也是单片机发展 的重要趋势。除了一般必须具有的ROM、RAM定时器/计数器、中断系统外,随着单片机档次 的提高,以适应检测、控制功能更高的要求,片内集成的部件还有模/数转换器、数/模转换器、 DMA控制器、中断控制器、锁相环、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱 动器等。 随着集成电路技术及工艺的不断发展,能装入片内的外围电路也可以是大规模的,把所需 的外围电路全部装入单片机内,即系统的单片化是目前单片机发展趋势之一。 5.低耗化 8位单片机中有1/2的产品已CMOS化,CMOS芯片的单片机具有功耗小的优点,而且为 了充分发挥低功耗的特点这类单片机普遍配置有Wait和Stp两种工作方式。例如采用 CHMOS工艺的MCS-51系列单片机8031/80C51/87C51在正常运行(5V,12MHz)时,工作电 流为16nA,同样条件下wa方式工作时,工作电流则为3.7m4,而在sop(2V)时,工作电流仅 为50nA。 综观单片机几十年的发展历程,单片机的今后发展方向将向多功能、高性能高速度、低电 压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内存储器容量增加和ash存储器化方向发展。但 其位数不一定会继续增加,尽管现在已经有了32位单片机,但使用的并不多。可以预言,今后 的单片机将是功能更强集成度和可靠性更高而功耗更低,以及使用更方便。 此外,专用化也是单片机的-个发展方向,针对单一用途的专用单片机将会越来越多。 1.5单片机的应用 单片机以其卓越的性能,得到了广泛的应用,已深入到各个领域。单片机应用在检测、控 制领域中,具有如下特点 (1)小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装成各种智能测控设备及各种智能仪 器仪表。 (2)可靠性好,适应温度范围宽。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的,能适应 各种恶劣的环境。 M(S-51系列单片机的温度使用范围也较微处理器芯片宽,其温度范围为: 民品 0C~70°C 工业品 40°C85.°C 军品 65°C-125 (3)易扩展,很容易构成各种规模的应用系统,控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强, 指令系统有各种控制功能的指令。 (4)可以很方便地实现多机和分布式控制系统。 PDF文件使用" pdf factory pro试用版本创建ww, fineprint, com.cn 单片机的应用范围很广,在下述的各个领域中得到了广泛的应用。 1.工业自动化 在自动化技术中,无论是过程控制技术、数据采集还是测挖技术,都离不开单片机。在工 业自动化的领域中,机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用,在这种集机械、微电子和计算 机技术为一体的综合技术(例如机器人技术)中,单片机将发挥非常重要的作用。 2.智能仪器仪表 目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越髙。在自动化测量仪器仪表中,单片机应 用十分普及。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度,简化结构减小体积而易于 携带和使用加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。 3.消费类电子产品 该应用主要反映在家电领域。月前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程 度。例如洗衣机、电冰箱、空调机、电视机微波炉、手机、IC卡、汽车电子设备等。在这些设 备中使用了单片机后,其功能和性能大大提高,并实现了智能化、最优化控制。 4.通讯方面 在调制解调器、程控交换技术方面,单片机得到了厂泛的应用。 5武器装备 在现代化的武器装备中,如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导 航系统,都有单片机深人其中 6.终端及外部设备控制 H算机网络终端设备如银行终端以及计算机外部设备,如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传 真机、复印机等,在这些设备中都使用了单片机。 7.多机分布式系统 可用多片单片机构成分布式测控系统,它使单片机的应用进入了一个新的水平。 综上所述,从工业自动化、{能仪器仪表家用电器方面等,直到国防尖端技术领域单片 机都发挥着十分重要的作用。 16MCS-51系列单片机 MCS是Itel公司生产的单片机符号,例如ltel公司的MCS-48、MCS-51、MCs-96系列 单片机。MCS-51系列单片机既包括三个基本型8031、8051、8751,也包括对应的低功耗型 80C3l、80C51、87C5l。 20世纪80年代中期以后, Intel公司以专利转让的形式把805内核技术转让给许多半导 体芯片生产厂家,如ATML、 PHILIPS ANALOG DEVICES、 DALLAS等。这些厂家生产的芯片是 MCS-51系列的兼容产品,准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与 8051的系统结构(主要是指令系统)相同,采用CMOS工艺,因而,常用8051系列米称呼所有 具有8051指令系统的单片机,它们对8051单片机一般都做了一些扩充,更有特点。其功能和 市场竞争力更强,不该把它们直接称为MCS-51系列单片机,因为MCS只是rtel公司专用的 单片机系列型号。 MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容,主要在内 5 PDF文件使用"pdffactoryfr0"试用版本创建www,fineprint.com.cn 部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类: 1.甚本型(典型产品:8031/8051/8751) 803内部包括一个8位CPU、128个字节RAM,21个特殊功能寄存器(SFR)、4个8位并行 /O口、1个全双工串行口,2个16位定时器/计数器,但片内无程序存储器,需外扩EPOM芯 片 805l是在8031的基础上,片内又集成有4KHOM,作为程序存储器,是一个程序不超过4K 字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时,代为用户烧制的,出厂的8051都是含有特 殊用途的单片机。所以801适合于应用在程序已定,且批量大的单片机产品中。 8751是在8031基础上,增加了4K字节的 EPROM,它构成了一个程序小于4KB的小系统。 用户可以将程序固化在 EPROM中,可以反复修改程序。但其价格相对于803较贵。8031外 扩一片4 KB EPROM的就相当于8751,它的最大优点是价格低。随着大规模集成电路技术的不 断发展,能装人片内的外围接口电路也可以是大规模的。 2.增强型 Intc公司在MCSs-51系列三种基本型产品基础上,又推出增强型系列产品,即52子系列, 典型产品:8032/8052/8752。它们的内部RAM增到256字节,8052、8752的内部程序存储器扩 展到8KB,16位定时器/计数器增至3个,6个中断源,串行口通信速率提高5倍。 3.低功耗型 代表性产品为:80C31BH/87C51/8051。均采用 CHMOS工艺,功耗很低。例如,8051的功 耗为630mW,而8051的功耗只有12mW,它们用于低功耗的便携式产品或航天技术中。 此类单片机有二种掉电工作方式: 种掉电工作方式是CP停止工作,其它部分仍继续工作;另一种掉电工作方式是,除片 内RAM继续保持数据外,其它部分都停止工作。此类单片机的功耗低,非常适于电池供电或 其它要求低功耗的场合。 4.专用型 如nel公司的8044/8744,它们在8051的基础上,又增加一个串行接口部件,主要用于利 用串行口进行通讯的总线分布式控制系统。 再如美国 Cypress公司最近推出的 EZU SR-2100单片机,它是在8051单片机内核的基础 上,又增加了USB接口电路,可专门用于USB串行接口通讯。 5.超8位型 在8052的基础上,采用 CHMOS工艺,并将MC-%系列(16位单片机)中的一些L0部 件如:高速输入/输出( HSL/HSI0)、AD转换器、脉冲宽度调制(PWM)看门狗定时器( WATCH DOC)等移植进来构成新·一代MCS-51产品。介于MCS-5和MCS-96之间。PHHP(菲力 蒲)公司生产的80C552/87552/830552系列即为此类产品。目前此类单片机在我国已得到了 较为广泛的使用。 6.片内闪烁存储器型 随着半导体存储器制造技术和大规模集成电路制造技术的发展,片内带有闪烁( Flash)存 储器的单片机在我国已得到广泛的应用 上述各种型号的单片机中,其中最具代表性的产品是美国 ATMEL公司推出的AT89C5, 是一个低功耗高性能的含有4K字节闪烁存储器的8位CMos单片机,时钟频率高达20MH, F文件使用" pdf fact ory pr0"试用版本创建ww, fineprint,com,cn 与8031的指令系统和引脚完全兼容。闪烁存储器允许在线(+5V)电擦除、电写入或使用通用 编程器对其重复编程。此外,89C51还支持由软件选择的二种掉电工作方式,非常适于电池供 电或其它要求低功耗的场合。由于片内带 EPROM的837C51价格偏高,而89C51芯片内的4KB 闪烁存储器可在线编程或使用编程器重复编程,且价格较低,因此89(51受到了应用设计者的 欢迎。 尽管MCS-51系列单片机以及80C5系列单片机有多种类型,但是掌握好基本型(8031 8051、8751或80C3180C51、87C51)是十分重要的,因为MCs-5系列是所有兼容、扩展型单片 机的基础。 本书常用MCS-51或8031这两个名称,前者的定义包括了8031,8051和8751三个基本产 品。后者,仅指特定的8031。 思考题及习题 1除了单片机这一名称之外,单片机还可以称为( )和( 2.微处理器、CPU、微处理机、徽机、单片机它们之间有何区别? 3.单片机与普通计算杋的不同之处在于其将( )、和 )3部 分集成于一块芯片上。 4.单片机的发展大致分为哪几个阶段? 5.单片机根据其基本操作处理的位数可分为哪几种类型? 6.MCS-51系列单片机的典型芯片分别为 )利( 7.8051与8751的区别在于 (A)内部数据存储单元数目的不同(B)肉部数据存储器的类型不同 C)內部程序存储器的类型不同 (D)内部的寄存器的数日不同 8,在家用电器中使用单片机应属于微型计算机的 (A)数据处理应用(B)控制应用(C)数值计算应用(D)辅助设计应用 7 PDF文件使用"pdffactoryfr0"试用版本创建www,fineprint.com.cn 第2章MCS-51单片机的硬件结构 本章介绍MS-51单片机的硬件结构。熟悉并掌握硬件结构对于应用设计者是十分重 要的,它是单片机应用系统设计的基础。单片机是微计算机的一个分支,在原理和结构上,单 片机与微型机之间不但没有根本性的差别,而且微计算机的许多技术与特点都被单片机继承 下来。所以,可以用学习做计算机的思路来学习单片机。 通过本章的学习,可以使读者对MCS-51单片机的硬件结构有较为全面的了解,从程序 员和应用系统设计的角度,牢记它向我们提供了哪些硬件资源,如何去应用它们。 2.1Mcs-51单片机的硬件结构 MCS-51单片机的片内结构如图2.1所示。MCS-51单片机是把那些作为控制应用所必 需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分,它由如下功能部 件组成,即微处理器(CPU)数据存储器(RAM)程序存储器(ROM/ EPRON)、并行L0口(PO 口、P!口、P2日、P口)、毕行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器(SFR)。它们都 是通过片内单一总线连接而成(见图2.1),其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构 模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器(SFR- Special Function Register)的集 中控制方式。 8 ROMIEPROM 数据存储器 PO P2 程序存储器 RAM 徵处理器 特殊功 能寄存 运算器) 定时器 中断 器 XTAL 控制器 计数器系统 (SFR) 行 P3 8 8 LE S乐 N RESET 图2.1MCS-51单片机片内结构 下面对各功能部件作进一步的说明 1.微处理器fCPU MCS-51单片机中有1个8位的微处理器,与通用的徵处理器基本相同,同样包括了运算 器和控制器两大部分,只是增加了面向控制的处理功能,不仅可处理字节数据,还可以进行位 变量的处理。例如:位处理、查表状态检測、中断处理等。 PDF文件使用"pdffactoryfr0"试用版本创建www,fineprint.com.cn 2.数据存储器(RAM} 片内为128个字节(2子系列的为256个字节),片外最多可外扩至64K字节,用来存储程 序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等,所以称为数据存储 器。128个字节的数据存储器以高速RAM的形式集成在单片机内,以加快单片机运行的速 度,而且这种结构的RAM还可以降低功耗。 3.程序存储器( ROM EPROM 8031无此部件;8051为4K字节ROM;8751则为4K字节EPOM。由于受集成度限制,片 内只读存储器一般容量较小(4K~8K字节),如果片内只读存储器的容量不够,则需用扩展片 外只读存储器,片外最多可外扩至6K字节。 4.中断系统 具有5个中断源,2级中断优先权。 5定时器/计数器 片内有2个16位的定时器计数器,只有四种工作方式。在单片机的应用中,往往需要精 确的定时,或对外部事件进行计数。为提高单片机的实时控制能力,因而需在单片机内部设置 定时器/计数器部件。 6.串行口 1个全双工的串行口,具有四种工作方式。可用来进行串行通讯,扩展并行O口,甚至 与多个单片机相连构成多机系统,从而使单片机的功能更强且应用更广。 7.P口、P口、P口、P0日 为4个并行8位LO口1。 8特殊功能寄存器(SFR) PL.G 40v 共有2]个,用于对片内各功能部件进行管理控12 39口]P00 制、监视。实际上是…些控制寄存器和状态寄存器,是P日3 P0. I 个具有特殊功能的RAM区。 P1.3 37P02 由上可见,MCs-51单片机的硬件结构具有功能部P145 36—P0.3 件种类全,功能强等特点。特值得一提的是MCs-5P1日6 单片机CPU中的位处理器,它实际上是一个完整的I位 P|6 7875} 34P0.s 微计算机,这个1位微计算机有自己的CP位寄存器 Pl.7 88051 33P06 803 Ⅰo冂和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真过 RSTVen d9 32口P07 程控制方面非常有效;而8位机在数据采集,运算处理BB3日 3PEA'Vpp 30b ALE PROO 方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机mP32口12 SEN 的硬件资源复合在一起,者相辅相承,它是单片机技P33 28P27 术上的一个突破,这也是MCS-51单片机在设计上的精 T0P3414 27126 美之处。 TlP3.5口15 26P2s wRP3口16 25P2 22McS-51的引脚 RP3.7 24P23 XTAL2 18 23P22 掌握MCS-51单片机,应首先了解MS-51的引 XTALI D 19 22P2 脚,熟悉并牢记各引脚的功能。MCS-51系列中各种型 20 2P0 号芯片的引脚是互相兼容的。制造工艺为HMOS的 M(S-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装图2.2MC-5双列直插封装方式的引脚 PDF文件使用"pdffactoryfr0"试用版本创建www,fineprint.com.cn (DIP)方式,如图22所示。目前大多数为此类 封装方式。制造工艺为 CHMOS的80C51/ 80C52除采用DP封装方式外,还采用方形封 65432 P15 装方式,为44只引脚,如图2.3所示。 39PO4 P16口8 38P.5 40只引脚按其功能来分,可分为3类: P1.79 37日P06 ()电源及时钟引脚:vece、ws; XTALI、RsT 36日P07 P301 35日EA XTAI2。 NC012 8OC5180C52 34日NC (2)控制引脚:FSEN、ALE、EA、 RESET(即Pd3 33口ALE RsT)。 P32国14 32 PSEN (3)LO口引脚:PO、P1、P2、P3,为4个8位 P33囗15 3日P27 P34口16 30口P26 LO口的外部引脚。 P35日↓7 29P2S 下面结合图2.2来介绍各引脚的功能 819202 2.2.1电源及时钟引脚 1.电源引脚 图23MCS-51的方形封装方式的引脚 电源引脚接人单片机的工作电源。 (1)Vcc(40脚):接+5V电源; (2)vs(20脚):接地。 2.时钟引脚 两个时钟引脚 XTALI XTAL2外接品体与片内的反相放大器构成了一个振荡器,它为单片 机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可外接晶体振荡器。 (1)XIAL(19脚):接外部晶体的一个引脚。该引脚是内部反相放大器的输入端。这个反 相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接昌体振荡器时,此引脚应接地 (2)XTAL2(18脚):接外部晶体的另一端,在该引脚内部接至內部反相放大器的输出端。 若釆用外部时钟振荡器时,该引脚接收时钟振荡器的信号,即把此信号直接接到内部时钟发生 器的输入端。 2.2.2控制引脚 此类引脚提供控制信号,有的引脚还具有复用功能。 1RSI/Vp(9脚) RST(RESE)是复位信号输入端,高电平有效。当单片机运行时,在此引脚邡上持续时间 大于两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操作。在单片机正常工 作时,此脚应为05V低电平 ⅤP为本引脚的第二功能,即备用电源的输人端。当主电源vo发生故障,降低到某一规 定值的低电平时,将+5V电源自动接入RST端,为内部RAM提供备用电源,以保证片内RAM 中的信息不丢失,从而使单片机在复位后能继续正常运行 2.ALE/ PROGCAddress Latch Enable/PROGramming, 30 a4D ALE为地址锁存允许信号,当单片机上电正常工作后,AE引脚不断输出正脉冲信号。当 访问单片机外部存储器时,ALE输出信号的负跳沿用作低8位地址的锁存信号。即使不访问 外部锁存器,AIE端仍有正脉冲信号输出,此频率为时钟振荡器频率fosc的1/6。但是,每当访 问外部数据存储器时(即执行的是MOVX类指令),在两个机器周期中AE只出现一次,即丢 失一个AE脉冲。因此,严格来说,用户不宜用AE作精确的时钟源或定时信号。AUE端可 DF文件使用" pdf fact ory fro试用版本创建w" fi reprint, comin

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