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单片机作业

“单片机原理与应用”课程作业

学校/学院：

济南大学/自动化与电气工程学院

班级：

电控0901

姓名：

孙甜甜

学号：

20090321198

任课教师：

胡岩

目录

<一>MCS-51系列单片机的原理及应用概述

（1）原理………………

（2）应用………………

<二>对MCS-51系列单片机的详细介绍

（1）MCS-51系列单片机——生产厂家………………

（2）MCS-51系列单片机——结构………………

（3）MCS-51系列单片机——并行I\O口结构………………

（4）MCS-51系列单片机——引脚………………

（5）MCS-51系列单片机——存储器………………

1．程序存储器………………

2.数据存储器（内部、外部）………………

（6）MCS-51系列单片机——指令系统

1.数据传送类指令………………

2.算数运算类指令………………

3.逻辑运算及移位类指令………………

4.控制转移类指令………………

5.位操作类指令………………

（7）MCS-51系列单片机——寻址方式………………

（8）MCS-51系列单片机——中断系统………………

（9）MCS-51系列单片机——功能扩展………………

（10）MCS-51系列单片机——开发与应用………………

<三>单片机控制应用事例——跑马灯系统设计

“单片机原理与应用”课程作业

前言：

通过一个学期的认真学习，在老师的详细讲解下，我知道了“单片机原理与应用”这门课程是以MCS-51系列单片机为基本内容，介绍了微型计算机的基本概念，阐明了单片机的内核结构、工作原理、面向用户特性、指令系统、扩展、中断、程序设计以及常用的外围芯片等相关知识，详细叙述了单片机存储器系统设计、输入输出接口设计、A/D、D/A转换技术和中断系统的设计与应用，讨论了用户系统软硬件的设计方法。

最重要的是，还仔细讲述了MCS-51系列单片机的高级语言程序设计的编写。

使我受益匪浅。

<一>MCS-51系列单片机的原理及应用概述

（1）原理

MCS-51系列单片机是继MCS-48系列单片机之后发展起来的高档8位单片机，它的出现直接与半导体HMOS工艺的发展有关。

它扩大了片内存储器容量及外部存储器寻址空间，增强了指令及寻址功能，扩大了并行I\O口，新增设了全双工串行I\O口，增加了中断源及优先级，新增了乘除法、比较、位操作等功能指令，克服了MCS-48系列存储器容量小、运算功能弱的不足，提高了全机的操作速度。

MCS-51系列单片机把运算器和控制器集成在一块芯片上，称微处理器——CPU；把主存储器按不同容量集成，由多片组成微型计算机的主存储器；把外部输入、输出接口电路集成各种不同的外围接口电路芯片。

通过CPU的外部总线，把各功能芯片组合在一块电路板上，构成一台微型计算机，通过各种外围接口芯片，配置各种不同的输入，输出等外部设备。

（2）应用

由于一片单片机就是一台计算机，因此它具有许多独特优点，即体积小、重量轻、单一电源、低功耗、功能强、价格低廉、运算速度快、抗干扰能力强、可靠性高等。

所以单片机特别适用于实时监控系统，应用领域越来越广，已成为传统工业技术改造，各类产品更新换代，实现自动化、智能化的理想机型。

另外，MCS-51系列单片机还可以用在蜂鸣器、继电器、定时器、流水灯、数码管显示、独立按键、温度控制、时钟、电子称、报警、汽车或电动车的运动、各种家电等应用领域。

<二>对MCS-51系列单片机的详细介绍

（1）MCS-51系列单片机——生产厂家

有来自德州仪器的msp430作为世界上功耗最低的微处理器，深圳宏晶科技公司的stc系列，无锡俊哲科技有限公司是集单片机设计、开发、营销于一体的高科技企业；北京华虹NEC集成电路设计有限公司的嵌入式网络单片机，ATMEL公司的AVR单片机，Motorola公司的单片机，Scenix公司的单片机，

MICROCHIP公司的PIC单片机，EPSON单片机，东芝单片机，台湾的有义隆，华邦，合泰，时速等生产厂家。

另外，深圳市众人电子技术有限公司，它是以三星MCU、台湾松翰MCU专业代理销售为主，为客户提供各类电子产品方案开发的科技公司，他生产的三星单片机、松翰单片机已经广泛的应用在各类电子产品上，如汽车电子、防盗器、空调、洗衣机、电风扇、电表、电子秤、温控器、仪器仪表等等

（2）MCS-51系列单片机——结构

MCS-51系列单片机结构主要包含如下：

一个8位cpu，

一个片内振荡器及时钟电路，

4K\8K字节的程序存储器ROM或EPROM,

128\256字节的数据存储器RAM，

可寻址外部程序存储器和数据存储器各64K字节的控制电路，

32线并行I\O口（4个8位并行I\O端口）

一个可编程全双工串行口

2~3个16位定时器\计数器

具有5个中断源、两个优先级嵌套中断结构

具有较强功能的布尔位处理

另外，MCS-51系列单片机硬件结构主要包括：

主机（运算器——CPU的核心部件；控制器——计算机硬件系统的指挥中心，包括PC、IR、ID、微操作序列部件；主存储器——存储大量二进制代码）外部设备（输入设备；输出设备；外存储器）

中央处理器CPU主要由8位运算器ALU、布尔处理器、定时\控制部件、若干寄存器（累加器A、寄存器B、堆栈及栈指针SP、数据指针DPTR）等主要部件组成。

ALU主要包括运算器、布尔处理器、累加器A、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW寄存器等，主要功能是实现逻辑算数运算，位变量处理和数据传送等操作.

（3）MCS-51系列单片机——并行I\O口结构

8051共有4个8位双向并行I\O通道口，各具独特的电路结构，每位均具有自己的锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。

通常，p0、p1、p2口均可做典型的并行I\O通道口用，p3口作I\O口或第二变异功能口用，在需外部功能扩展方式时，则p0口为地址\数据线复用，p2口作高八位地址线用，p1口均可做典型的并行I\O通道口用，变成了典型的外部总线结构。

（4）MCS-51系列单片机——引脚

8051单片机的外形结构为40条引脚双列直插式封装。

他的40个引脚大致可分为电源、时钟、控制、I\O引脚4类。

电源：

（1）VCC-芯片电源，接+5V

（2）VSS-接地端

时钟：

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端

控制线：

控制线共有4根

ALE\PROG：

地址锁存允许\片内EPROM编程脉冲

ALE功能：

用来所存p0口送出的低8位地址

PROG功能：

片内有EPROM芯片，在他编程期间，此引脚输入编程脉冲

PSEN：

外ROM读选通信号

RST\VPD：

复位\备用电源

PST功能：

复位信号输入线

VPD功能：

在vcc掉电情况下，接备用电源

EA\VPP：

内外ROM选择\片内EPROM编程电源

EA功能：

内外ROM选择端

VPP功能：

片内有EPROM芯片，在他编程期间，施加编程电源vpp

I\O线：

80c51共有4个8位并行I\O端口，p0、p1、p2、p3口，共32个引脚，p3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）

（5）MCS-51系列单片机——存储器

1．程序存储器

用来存放程序和表格常数。

程序存储器以程序计数器PC作地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64K字节。

程序存储器中存放的是指令代码，即指令的地址，也可存放数据。

片内、片外统一编址。

2．内部数据存储器它用来存放随时改写的数据

内部RAM位地址图

上图为内部数据存储器地址空间，由图可见，MCS-51的内部数据存储器分为内部RAM区和特殊功能寄存器区，而内部RAM区又分为三部分：

工作寄存器区（0~31）、位寻址RAM区（32~47）、字节寻址RAM区也称数据缓冲区（48~127）

3.外部数据存储器

它的访问地址可由工作寄存器Ri或数据指针DPTR提供。

前者由Ri提供8位访问地址，其寻址空间为256字节，由p0口输出8位地址，后者由DPTR提供16位访问地址，可寻址64K字节，DPL由p0口输出，DPH由p2口输出，读写操作的数据则由p0口输入\输出，即p0口为分时复用，

（6）MCS-51系列单片机——指令系统

MCS—51单片机指令系统的构成:

主要包括数据传送类指令、算术运算类指令、逻辑运算及移位类指令、控制转移类指令、位操作（布尔操作）等。

MCS-51系列单片机的指令系统由49条单字节指令、45条双字节指令和17条三字节指令组成。

MCS-51系列单片机用汇编语言表示的指令格式为：

标号：

操作码助记符[（目的操作数），（源操作数）]；注释

1.数据传送类指令（29条）

该指令的功能是将指令中的源操作数传送到目的操作数，即指令执行后目的操作数改为源操作数,而源操作数保持不变。

若要求在进行数据传送时,不丢失目的操作数,则可以用交换型传送指令。

数据传送类指令不影响标志位，即不影响C、AC、OV,但不包括检验累加器A奇偶性的标志位P。

数据传送类指令包括：

1内部存储器间传送：

（MOV——16条）2外部数据存储器与累加器间传送：

（MOVX——4条）3程序存储器向累加器传送：

（MOVC——2条）4数据交换：

（XCH，XCHD，SWAP—5条）5堆栈操作：

（PUSH，POP—2条）

2.算数运算类指令（24条）

功能：

它主要完成加、减、乘、除四则运算,以及增量、减量和二—十进制调整操作,对8位无符号数可进行直接运算;借助溢出标志,可对带符号数进行2的补码运算;借助进位标志,可进行多字节加减运算,也可以对压缩BCD码（即单字节中存放两位BCD码）进行运算。

算数运算类指令可分为加法（ADD）、带进位加法（ADDC）、带借位减法（SUBB）、加1（INC）减1（DEC）、乘（MUL）除（DIV）、十进制调整指令（DAA）等。

3.逻辑运算及移位类指令（24条）

逻辑运算及移位类指令主要包括：

逻辑“与”（ANL）、逻辑“或”（ORL）、逻辑“异或”（XRL）、累加器A清零（CLR）、求反（CPL）、移位指令（RL、RLC、RR、RRC）

4.控制转移类指令（17条）

功能：

有了丰富的控制转移类指令,就能很方便地实现程序的向前、向后跳转,并根据条件分支运行、循环运行、调用子程序等。

控制转移类指令包括：

无条件转移指令（LJMP、AJMP、SJMP、JMP）、条件转移指令（JZ、JNZ、CJNZ、DJNZ）、子程序调用及返回指令（LCALL、ACALL、RETRETI）、空操作指令（NOP）

5.位操作类指令（17条）

位操作又称为布尔变量操作,它是以位（bit）作为单位来进行运算和操作的。

它主要包括：

位传送指令（MOV）、位置位指令（CLR、SETB）、位逻辑指令（与ANL、或ORL、非CPL）、位条件转移指令（JC、JNC、JB、JNB、JBC）、

（7）MCS-51系列单片机——寻址方式

（8）MCS-51系列单片机——中断系统

MCS-51系列单片机的中断系统是8位单片机中功能较强的一种，它具有5~6个中断请求源，2个中断优先级，可实现2级中断嵌套。

用户可通过软件来屏蔽或接受所有中断请求。

1）MCS-51单片机的中断允许控制寄存器IE各个控制位的功能及作用：

EA：

全局中断允许位，要想打开任何中断，EA都必须为1.然后再允许某个特定的中断。

ES：

串行口中断允许。

ES=1时，串口接收或者发送完成数据以后会引起中断（TI=1，或者RI=1）

ET2：

定时计数器2的回0溢出或捕获中断响应控制位。

ET2=1，允许中断响应

ET1:

定时计数器1中断允许。

ET1=1时，当定时计数器1计数满，溢出后引起中断，可在中断函数中处理定时器。

EX1：

外部中断1允许位。

EX=1时，外部条边沿（或者电平）中断信号来后，会引起外部中断，可在外部中断函数中处理事件。

ET0/EX0功能跟上面一样，只是换了个定时器或者外部中断。

2）MCS-51单片机的中断优先级

该中断设有2级优先级，每一个中断源均可通过软件对中断优先级寄存器IP中的相应位进行设置，置1为高优先级，清0为低优先级。

对于两个以上同时请求的中断，主机只响应优先级高的中断请求。

（9）MCS-51系列单片机——功能扩展

MCS-51系列单片机提供总线型结构，可实现灵活、方便的外部功能扩展。

这时的p0口既是低8位地址总线，又是8位的数据总线，分时复用。

P2口是为高8位地址总线，从而形成了16位地址总线和8位数据总线，由ALE、PSEN、及p3口的一部分组成了控制总线，这就组成了常用的计算机总线结构。

MCS-51系列单片机系统扩展的内容为：

外部程序存储器的扩展、外部数据存储器的扩展、输入\输出接口的扩展、管理功能器件的扩展（定时器\计数器、键盘\显示器、中断优先级编码器等）

存储器扩展：

根据MCS-51系列单片机总线按宽度（16位），在片外可扩展的存储器最大容量为64KB，地址为0000H~FFFFH

因为MCS-51系列单片机对片外程序存储器和数据存储器的操作使用不同的指令和控制信号，所以允许两者的地址空间重叠，故片外可扩展的程序存储器和数据存储器分别为64K。

I\O口扩展：

为了配置外围设备二需要扩展的I\O口与片外数据存储器统一编址，即占据相同的地址空间。

因此，片外数据存储器联同I\O口一起总的扩展容量为64KB。

此外，MCS-51系列单片机功能的扩展还包括D\A、A\D转换器的扩展，外部中断源的扩展，串行标准接口的扩展，地址空间的分配等

（10）MCS-51系列单片机——开发与应用

单片机的应用“面向实时测控”，特别适用于开发机电一体化的自动化、智能化产品，目前已广泛应用于各个领域。

它以一台独立的、高性能的单片微型计算机嵌入到各个应用领域中，成为系统的控制和指挥中心，从而实现系统的高度自动化、智能化。

MCS-51系列单片机的应用领域主要包括：

在智能仪器方面的应用（智能化仪器仪表、医疗仪器、计算机外围部件等），

在家用电器中的应用（全自动洗衣机、电冰箱、彩色电视机、电视墙、电话机、照相机、智能玩具、音响、防盗报警器、摄像监视系统、电子称、电子门锁等），

在工业测控领域中的应用（过程控制、数据采集、功能模版控制、非标准设备的监视和检测控制、旧设备和传统工艺技术的改造等）

在通信技术中的应用（微波通信、短波通信、载波通信、光纤通讯、程控交换、寻呼机、移动电话、广播、电视设备等）

此外，在军事装备中也存在着的应用

<三>单片机控制应用事例——跑马灯系统设计

（1）选择跑马灯系统设计的意义

随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯，LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰已经成为一种时尚。

跑马灯系统的设计不仅，具有电路简单，造价便宜，功耗低等优点，还可有多种独特新颖的亮灯花样。

而且还可以通过修改原程序中的延时程序的参数来改变亮灯速度和频率，还可以通过修改相关数据来改变亮灯的方式。

另外，从功能效果上来看，亮灯模式多，用户可操作性较高，经济实用，简洁美观。

这大大提高了产品的性能与灵活性，是跑马灯产品不会局限于单一的功能而限制产品的适用范围。

具有一定的可实用性。

（2）选择跑马灯系统设计的主要任务

设计一个闪烁跑马灯控制器，该控制器可以控制8个灯顺序两灭。

当单片机上电后，8个灯依次从左向右亮，并且每个灯亮的时间为1秒钟。

这时，如果按钮K1按下，则灯亮的顺序是从右向左，同样，每个灯亮的时间为1秒钟。

这时，如果按下按钮K2，会出现4个灯亮，4个灯灭，延迟4秒钟以后，又开始从左向右点亮。

最后，如果按下按钮K3，则全部灯亮，此时，若想在次点亮灯，必须重新上电。

（3）选择跑马灯系统设计的题目分析

该题目要求控制8盏灯的亮灭，可使用单片机的P1.0到P1.7口来控制。

按钮K1用P3.4口，K2用P3.2口及相应的外部中断0，K,3用P3.3口及相应的外部中断1分别来实现。

单片机使用AT89C52，电源使用5V标准电源。

顺序亮灭使用外部中断源构成循环控制语句。

（4）选择跑马灯系统设计的设计方案

1.设计原理

AT89C52具有以下标准功能：

8K字节Flash，256字节RAM，32位I\O口线，2个数据指针，三个16位定时器\计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器\计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

LED称为发光二极管，是一种固态的半导体器件，他可以直接把电转化为光。

LED有共阴极和共阳极两种，在此设计中，我们采用共阳极，共阳极将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。

2.设计流程图

主流程图

外部中断0流程图

外部中断1流程图

3.设计原理图（硬件设计）

原理图说明：

该设计选用一块AT89C52型单片机，使用其P0口，P3口的部分。

P0口作为发光二级管的控制信号输出端，P3.0作为按钮K1的信号输入口，P3.2为按钮K2外部中断0信息输入口，P3.3作为K3外部中断0的信息输入口。

单片机晶振频率为12MHz，每个机器周期1us，电源使用5v直流电。

4.设计所用元器件

51单片机（AT89C52）、电阻数干个、电容2个、晶振片（CRYSTAL）1片、二极管若干个，+5V电源、按钮开关3个、7段数码管（共阳7SEG-COM-AN）

5．C语言程序设计（软件设计）

“单片机原理与应用”课程总结

一个学期已在不知不觉中接近了尾声，仔细回想所学知识，让我收获很多，受益匪浅。

通过对“单片机的原理与应用“这门课程的认真学习，在老师的精心讲解下，再配合上相关的实验课，使我知道了这门课程是以MCS-51系列单片机为基本内容，介绍了微型计算机的基本概念，阐明了单片机的内核结构、工作原理、面向用户特性、指令系统、扩展、中断、程序设计以及常用的外围芯片等相关知识，详细叙述了单片机存储器系统设计、输入输出接口设计、A/D、D/A转换技术和中断系统的设计与应用，讨论了用户系统软硬件的设计方法。

最重要的是，还仔细讲述了MCS-51系列单片机的高级语言程序设计的编写。

总之，“单片机的原理与应用“这门课程不能力仅让我掌握了相关的专业基础知识，提高了自己的编程，而且，更为我以后的工作奠定了坚实的基础。

谢谢老师！