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单片机实验室试验箱应用

本科毕业设计论文

单片机实验室实验箱的软件包设计

学生姓名：

赵政

班级：

电自088

学号：

0801010838

指导教师：

盛文利

所在单位：

电气工程学院

答辩日期：

2012年6月25日

摘要

单片机即单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），是集CPU,RAM,ROM,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，其往往作为一个核心部件来使用。

但是，仅单片机方面的知识是不够的，还应根据硬件结构软硬结合，加以完善。

目前大多数高校都建立了单片机实验室,基本上配备了实验箱等硬件仿真设备。

但实验箱硬件电路固定、实验内容较难改动,很难适应单片机技术的快速发展以及培养学生的单片机开发能力、创新能力。

利用OTH的软件仿真技术，可以在一定程度上弥补上述不足，搭建一个虚拟实验平台，可以实现更多的实践环节，提供学生自行学习的条件，对学科建设有着积极的意义。

该试验箱系统是由单片机最小系统及扩展电路组成。

本设计的各模块系统结构简单，造价成本低，功能齐全，具有很强的实用性。

关键词CPU；定时器；计数器；微控制器；数字温度传感器

Abstract

Single-ChipMicrocomputer,Single-ChipMicrocomputerisaMicrocontrolerwhichcollectsCPU,RAM,ROM,timing,countingandmanymeetingorifices.

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofsinglechipisacceptedbroadlyinreal-timedetectionandautomaticcontrolofmicrocomputer.Althoughit’softenactasthecorecomponentofsinglechipsystem,itisnotenoughonlywiththeknowledgeofsinglechip.Engineersalsoneedtothinkaboutthestructureofthehardwaretoperfectthesystem.

Currentlymosthighereducationinstitutionshavebuiltsinglechiplaboratory,equippedwithexperimentboxandotherhardwaresimulationequipment.Butthecircuitryoftheexperimentboxisfixedandtheexperimentstepsarehardtobechanged.Itisnotfitthetrendofrapiddevelopmentspeedofsinglechiptechnology.Itisalsounsuitedtodevelopstudents’abilitiesandcreativities.

WiththeintroductionoftheQTHemluatorsimulationtechnology,itcanbesolvedatacertainextent.Wecoulddesignmoreexperimentstepsandhelpstudentscompletingtheirself-studywiththesimulationexperimentalplatform.Itisapositivetechnologyforsystemconstruction.TheexperimentchestiscomposedofthesmallestsystemofSingal-Chipandextendingelectrocircui

Themodulesofthedesignaresimpleinthesystemstructure,lowincost,readyinfuctionandhighpracticability.

Keywords:

CPU；timer；counter；micro-controler；figuretemperaturetransducer

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题背景及研究的意义1

1.1.1课题背景1

1.1.2课题研究的意义1

1.2单片机的发展概况2

1.2.1单片机的发展历史2

1.2.2单片机技术现状及将来发展趋势3

1.3本文的研究内容3

第2章MCS-51单片机组成及结构分析4

2.1MCS-51单片机基本功能特性4

2.2MCS-51单片机的引脚定义与特性5

2.3MCS-51单片机存储器和寄存器7

2.3.1程序存储器8

2.3.2内部数据存储器8

2.3.3外部数据存储器12

2.4MCS-51单片机工作时序12

第3章MCS-51单片机内部接口电路13

3.1MCS-51单片机的定时/计数器13

3.1.1定时/计数器的结构13

3.1.2定时/计数器的方式寄存器和控制寄存器14

3.2MCS-51单片机中断系统16

3.2.1与中断有关的特殊功能寄存器16

3.2.2中断系统的应用18

3.3单片机内部接口设备的使用实验19

3.3.1实验一：

MCS-51定时器实验19

3.3.2实验二：

MSC-51中断系统的应用实验21

3.3.3实验三：

MSC-51串行口的应用实验23

第4章MCS-51单片机实验箱系统扩展24

4.1MCS-51单片机系统扩展24

4.2单片机实验箱的接口扩展25

4.2.1实验四：

8255A接口扩展实验25

4.2.2实验五：

模数转换实验34

4.2.3实验六：

步进电机控制实验37

附录：

QTH仿真器的使用说明40

结论45

致谢46

参考文献47

第1章绪论

1.1课题背景及研究的意义

1.1.1课题背景

单片机，全称单片微型计算机（英语：

Single-ChipMicrocomputer），又称微控制器（Microcontroller），是把中央处理器、存储器、定时/计数器（Timer/Counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。

它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低。

由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器。

因此，国内很多工科院校也把《单片机原理及应用》作为必修的课程，我们学校也把这门课程视为重点课程之一，为此学院专门设立了多个实验室，并且新引进单片机试验箱，以供同学们更好的掌握所学的理论知识。

1.1.2课题研究的意义

这次毕业设计我所研究的实验箱是我院实验室为了加强同学们实践能力的实验课所使用的单片机实验箱内容主要有：

1、将实验箱的实验重新巩固一遍，了解实验箱的基本实验内容。

2、将实验箱的功能程序整理出来，做一个总结，也帮助同学们以后更加清晰的学习单片机实验箱的功能。

同时在这个课题过程中，我对单片机这门非本专业学习的课程有了更加深刻的理解。

51单片机的编程语言常用的有二种，一种是汇编语言，一种是C语言。

汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。

其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。

而C语言编译后的代码比汇编长，对于初学者来说上手较难。

综合以上，对于刚接触单片机的同学来说，应该从汇编学起。

因为汇编语言是最接近机器码的一种语言，可以加深初学者对单片机各个功能模块的了解，从而打好扎实的基础。

故本课程设计采用汇编语言进行软件包编写。

1.2单片机的发展概况

1.2.1单片机的发展历史

单片机控制系统取代了以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

单片机作为微型计算机的一个分支，它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，主要分为4个阶段：

第一阶段（1974年-1978年）：

初级单片机阶段。

以Intel公司的MCS-48为代表。

这个系列的单片机在片内集成了8位CPU、并行I/O、8位定时器/计数器、RAM等。

无串口I/O，寻址范围不大于4K。

第二阶段（1978年-1983年）：

高性能单片机阶段。

此时的单片机品种多，功能强，以MCS-51系列为代表。

这个阶段的单片机均带有串行I/O口，具有多级中断处理系统，定时器/计数器为16位，片内RAM和ROM容量相对增大，且寻址范围可达64KB。

这类单片机应用领域广泛，性价比优良。

第三阶段（1983年-1990年）：

16位单片机和8位高性能单片机并行发展阶段。

此阶段的单片机的最大的特点是实时处理能力强，生产工艺先进，集成度高，内部功能强，而且允许用户采用工业控制的专用语言编程，如PL/M、C语言、BASIC语言等。

如Intel生产的MCS-96系统和ATMAL公司生产的8XC552系列，特别适用于实时控制。

第四阶段（1990年至今）：

1990年2月美国推出的i80860超级单片机轰动了整个计算机界，它的运算速度为1.2亿次/秒，可进行32位整数运算和64位浮点运算，同时片内具有一个三维图形处理器，可构成超级图形工作站。

随着半导体技术的发展，巨型计算机单片化将成为现实。

单片机园地里，单片机品种异彩纷呈，争奇斗艳。

有8位、16位甚至32位机，但8位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。

而INTEL公司凭着他们雄厚的技术，性能优秀的机型和良好的基础，目前仍是单片机的主流产品。

只不过是九十年代中期，INTEL公司忙着开发他们个人电脑微处理器，已没有足够的精力继续发展自己创导的单片机技术，而由PHILIPS等公司继续发展C51系列单片机。

1.2.2单片机技术现状及将来发展趋势

目前，单片机正朝着高性能和多品种方面发展，尤其是8位单片机，以其价格低廉、应用软件齐全、开发应用方便等特点成为当前单片机中的主流，16位单片机和专用单片机也已进入普及应用阶段。

单片机的发展具体体现在如下几个方面：

（1）CPU的发展：

速度、精度功能增强，性能不断提高

（2）存储器的发展

（3）内部资源增多：

A/D、D/A、EEPROM

（4）加强片内输入、输出接口功能

（5）外围电路内装化

（6）多功能引脚

（7）制造工艺上的提高

（8）片内ROM中固化应用软件和系统软件

（9）寻址范围大

单片机的技术还在不断发展，新型单片机还将不断涌现。

当前单片机的产量占整个微机（包括一般的微处理器）产量的80%以上，在我国，低档8位单片机于20世纪80年代就开始应用，目前已转向高档的8位和16位单片机的开发和应用。

当前嵌入式系统的出现给高端单片机的应用又增添了新的活力。

1.3本文的研究内容

通过此次毕业设计，旨在进一步提高实验室实验箱的应用效率，将软件包整理成册，方便同学们日后实践后的理解和复习。

我把这次毕业设计所做的工作整理出论文形式以供参阅。

论文包括：

实验程序软件包以及附加的芯片介绍、结构与线路图、实验方法等。

第2章MCS-51单片机组成及结构分析

所有51系列单片机都是以Intel公司早期的典型产品8051为内核的。

世界上许多著名的半导体厂商相继推出的各个系列单片机都与MCS-51这个系列相兼容。

产品型号不断增加、品种不断丰富、功能不断加强、性能不断提高。

MSC-51单片机的内部结构如下图2-1：

2.1MCS-51单片机基本功能特性

MCS-51系列单片机分为51子系列和52子系列，在51子系列中，典型代表为8751、8051、8031等，在52子系列中，典型代表为8752、8052、8032等，这两个子系列单片机的指令系统与引脚功能完全兼容，仅在内部功能部件稍有差异，主要功能特点如下：

✓8位CPU，含片内振荡器；

✓4KB的程序存储器ROM；

✓128B的数据存储器RAM；

✓64KB的外部程序存储器寻址能力；

✓64KB的外部数据存储器寻址能力；

✓32根输入输出（I/O）线；

✓2个16位定时/计数器；

✓1个全双工异步串行口；

✓21个特殊功能寄存器；

✓5个中断源，2个优先级；

✓具有位寻址功能。

图MCS-51单片机基本组成框图2-2

2.2MCS-51单片机的引脚定义与特性

在51系列单片机中最常见的封装是标准型DIP（双列直插）40脚。

凡封装相同的51系列单片机，其引脚定义和功能与8051基本兼容，使用时绝大部分器件可以互换。

图2-4是40脚封装的逻辑功能与实际引脚排列图，其中图（a）是逻辑功能图，图（b）是实际引脚图。

其功能见表2-3所示。

对于PLCC44脚和PQFP44脚封装如图2-5所示。

在44脚的封装中，新型器件多集成了一个准双向的P4口（P4.0、P4.1、P4.2和P4.3可以驱动4个LSTTL负载），而早期的8051产品无P4口（对应脚为空脚）其它引脚的定义完全与基本型8051相同。

MCS－51单片机的引脚功能和含义图2-3

引脚名称

脚号

功能描述

Vcc

+5V电源端（+4.5V～+5.5V）

Vss

接地端

P0.0～P0.7

39～32

①P0口是一个8位开漏极双向I/O口。

它能够吸收8个LSTTL低电平负载的灌电流；②被写入“1”的那些P0口引脚将处于悬浮态，即这些引脚为高阻抗输入状态；③在使用外部存储器时，低8位的地址和数据总线复用这个口。

在这中应用中，当其输出为“1”时，它使用了负载能力很强的提升电路，用于提高上升速度（当配合

信号时，访问外部程序存储器。

而当

、

信号时，访问外部数据存储器）。

④P0口在作为普通的输入/输出（I/O）口时，必须在P0口上外接上拉电阻。

P1.0～P1.7

1～8

①P1口是一个8位准双向I/O口，内部已有上拉电阻；②P1口能够驱动4个LSTTL负载；③作为输入端的那些引脚，必须先对该位输出“1”（即对其编程为输入状态）；④在8052中，P1.0和P1.1引脚还有T2和T2EX功能，T2是定时/计数器2的外部输入端，T2EX是定时/计数器2的“记录方式”的输出端。

P2.0～P2.7

21～28

①P2口是一个8位准双向I/O口，内部已有上拉电阻；②P2口能够驱动4个LSTTL负载；③作为输入端的那些引脚，必须先对该位输出“1”（即对其编程为输入状态）；④在总线操作时，P2口为高8位地址线。

P3.0～P3.7

10～17

①P3口是一个8位准双向I/O口，内部已有上拉电阻；②P3口能够驱动4个LSTTL负载；③作为输入端的那些引脚，必须先对该位输出“1”（即对其编程为输入状态）；④在作特定的复用功能时，P3复用脚功能：

P3.0脚对应RXD（串口输入端）；

P3.1脚对应TXD（串口输出端）；

P3.2脚对应

（外部中断0的输入端）；

P3.3脚对应

（外部中断1的输入端）；

P3.4脚对应T0（定时/计数器0的输入端）；

P3.5脚对应T1（定时/计数器1的输入端）；

P3.6脚对应

（是对外部数据存储器“写”的选通信号的输出端）；

P3.7脚对应

（是对外部数据存储器“读”的选通信号的输出端）。

RST/Vpd

①复位信号的输入端，高电平有效（非TTL电平）；②当单片机的主电源Vcc断开时，RST引脚还是芯片内部RAM的辅助电源端（只对HMOS芯片有效）。

ALE

①地址锁存允许信号，高电平有效；当对外部存储器操作时，ALE的高电平时，发出地址信号，ALE的下降沿锁定由P0口输出的低8位地址信号。

②当不用外部存储器时，ALE可作为标准的脉冲信号（其频率是晶振频率的1/6）。

是外部程序存储器的选通信号，低有效，能驱动8个LSTTL负载。

①当

为高电平时，单片机先执行片内程序存储器的程序，当地址超出内部程序存储器范围是，再执行外部程序存储器的程序；②当

为低电平时，单片机只执行外部程序存储器的程序。

XTAL1

①内部振荡器的输入端；②当使用外部时钟时，对CMOS芯片，XTAL1为输入端；对HMOS芯片，XTAL1应接地。

XTAL2

①内部振荡器的输出端；②当使用外部时钟时，对CMOS芯片，XTAL2应悬浮不用；对HMOS芯片，XTAL2为输入端。

图2-38051引脚配置图

（a）逻辑功能图（b）实际引脚图

图2-444脚排列图

（a）PLCC44脚（b）PQFP44脚

2.3MCS-51单片机存储器和寄存器

单片机的存储器有程序存储器ROM和数据存储器RAM之分。

8051标准型单片机的存储器结构如图所示。

图2-58052单片机的存储器结构

（a）程序存储器（b）内部数据存储器（c）外部数据存储器

2.3.1程序存储器

标准的51单片机程序存储器地址范围是：

0000H～FFFFH，共64KB空间。

图2-8（a）是程序存储器的配置图。

在64KB的程序存储器中0000H～0002AH（地址向量区）区域具有特殊用途，是保留给系统使用的。

0000H是单片机的入口地址（启动地址），一般在该单元（0000、0001、0002）中存放一条绝对跳转指令。

事实上，51单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H，故系统必须从0000H单元开始取指令，执行程序。

除0000H单元外，其它的0003H、000BH、0013H、001BH和0023H特殊单元分别对应于5种中断源的中断子程序的入口地址。

其含义是：

0003H～000AH，为外部中断0（

）的中断地址区；

000BH～0012H，为定时/计数器0（T0）的中断地址区；

0013H～001AH，为外部中断1（

）的中断地址区；

001BH～0022H，为定时/计数器1（T1）的中断地址区；

0023H～002AH，为串口（TI，RI）中断地址区。

2.3.2内部数据存储器

在51单片机中，内部数据存储器在物理上又分为2个独立的区域，即内部SRAM区和特殊功能寄存器区。

其结构如图2-8（c）所示。

虽然地址重叠，但物理空间完全不一样。

那么在操作时怎样区分呢？

只能通过不同的指令来区分。

具体的说，操作内部低128字节的SRAM，要用直接或间接寻址指令；操作高128字节的SRAM，只能用间接寻址指令；操作特殊功能寄存器SFR区，只能用直接寻址指令。

MCS-51单片机对内部SRAM的操作区域有特殊的规定，其内部数据划分见图2-9所示。

图2-68052内部数据存储器结构

（1）寄存器工作组区的划分

在低128字节的SRAM中，00H～1FH共32单元是4个通用工作寄存器组的专用区。

每一个区有8个名字相同的通用寄存器R0～R7。

寄存器与SRAM的地址对应关系如表2-3所示。

表R0～R7寄存器与SRAM的地址对照

寄存器

名称

地址

0区

1区

2区

3区

00H

08H

10H

18H

01H

09H

11H

19H

02H

0AH

12H

1AH

03H

0BH

13H

1BH

04H

0CH

14H

1CH

05H

0DH

15H

1DH

06H

0EH

16H

1EH

07H

0FH

17H

1FH

需要指出的是：

单片机在上电或复位后，寄存器组被默认为组0，如果要使用别的工作组，需要设置PSW中的RS1、RS0这两位。

另外，系统在复位后，堆栈指针SP自动赋为07H，堆栈操作的数据将从08H开始存放。

这样一来，寄存器组1～组3就无法用了。

为了解决这一问题，在程序初始化时，应该先设置SP的值。

例如，将SP置成70H，以后堆栈的数据就从71H存了。

（2）位操作区的划分

片内SRAM的20H～2FH为位寻址区域（这是51单片机所特有的功能），这16个字节的每一位都有一个特定的位地址，位地址范围为00H～7FH。

位地址分配见表2-4所示。

表SRAM中的位寻址区地址分配

SRAM字节地址

20H

21H

22H

23H

24H

25H

26H

27H

28H

29H

2AH

2BH

2CH

2DH

2EH

2FH

需要指出的是：

位寻址区的每一个字节地址（单元）既可作为普通的SRAM单元使用，也可对单元中的每一位进行位操作。

但到底如何使用，要通过具体的指令区分。

（3）其它SRA

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