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1、生物医学电子所,单片机原理及应用,第二部分,第一部分,第三部分,课程简介,课程构成： 总学时56：理论课40学时，实验课16学时 成绩评定：平时成绩(10%)+实验(20%) +期末考试(70%),第二部分,第一部分,第三部分,课程简介,参考教材： 单片机原理及接口技术 李朝青主编，北京航空航天大学出版社，2001 MCS-51/96系列单片机原理及应用(修订版) 孙涵芳、徐爱卿主编，北京航空航天大学出版社，2002. .单片机基础(修订版) 李广弟等主编. 北京航空航天大学出版社. 2001,第二部分,第一部分,第三部分,课程设置,理论基础 (14学时)： 单片机概述 MCS-51单片机硬件
2、结构 MCS-51单片机指令系统及汇编语言程序设计 实例应用 (26学时) ： 存储器扩展、中断与定时器、I/O接口扩展 串行数据通信、A/D及D/A转换接口,第二部分,第一部分,第三部分,第1章 单片机概述,基本概念,第二部分,第一部分,第三部分,微型计算机(PC)组成:,定时器/计数器(T/C),中央处理器CPU: Central Processing Unit,只读存储器ROM: Read Only Memory,随机存储器RAM: Random Access Memory,输入输出接口I/O: Input/Output Interface,定时器/计数器T/C: Timer/Count
3、er,总线: Bus,基本概念,单片机 (Single-Chip Microcomputer): 将计算机的基本组成部分集成在一个芯片或一个完整的封装器 件内。 单片机系统 : 在单片机芯片的基础上扩展其它电路构成的具有一定应用功能 的计算机应用系统。 单片机应用系统 : 针对具体的应用需求，将单片机系统与特定开发环境相结合， 使其功能化。,基本特点,结构简单、体积小巧； 性能价格比高； 可靠性高、功耗小； 应用范围广泛。,应用领域(1),构成智能化产品，实现仪器设备的智能化、自动化： 智能化仪器仪表； 家用电器； 计算机外设中的应用。,应用领域(2),在工业测控领域中的应用： 数据采集与处理
4、； 工业过程控制。,实际应用举例(1),恒温电冰箱,实际应用举例(2),电磁炉,输入设备,输出设备,实际应用举例(3),MP3,实际应用举例(4),生物医学工程应用举例,数字体温计,腋下的体表皮肤温度 由温度传感器采集，温度传感器把体温这个物理量进行某种变换后形成电信号 这个电信号是连续的模拟信号，需要转换成数字信号才能显示。于是模数转换和显示处理电路实现转换并输出到液晶屏显示。,工业流水线应用举例,装小球生产线,小球被传送带运送并掉入下方的纸箱中，纸箱在另一条传送带上被运送，每个纸箱装满10个小球后就换下一个纸箱装球。 现在需要设计一个单片机控制系统，实现以上的小球装箱要求，并实时显示当前装
5、球的纸箱序号和已装的小球数。,工业流水线应用举例,装小球生产线系统框图,基本种类,INTEL公司： 8位单片机：MCS-48、MCS-51 16位单片机： MCS-96、MCS-196 MOTOROLA公司：68系列、68HC系列 ZILOG公司：Z8系列 ATMEL公司：89系列 TI公司：MSP系列,MCS-51单片机的部分子系列(共10个),通用异步接收发送器,程序设计与开发软件：,程序设计语言： 汇编语言、C语言 开发软件： Proteus, Vision 等,本章小结 - 单片机概述,单片机的基本概念 单片机的特点和应用领域 单片机的基本种类(MCS-51) 单片机的程序设计语言及仿
6、真软件,单片机是什么？ 单片机能做什么？ 为什么要学习单片机?,第三部分,第二部分,第一部分,第2章 单片机芯片的硬件结构,MCS-51单片机的基本逻辑结构,CPU,振荡器和时序 OSC,总线扩展 控制器,数据存储器 128B RAM,216位 定时器/计数器,I/O接口,程序存储器 4KB ROM,串行口,外中断,内中断,控制,并行口,串行通信,外部时钟源,外部事件计数,P0驱动器,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,RAM地址寄存器,RAM,4KB ROM,B寄存器,暂存器1,暂存器2,ACC,SP,程序地址寄存器,缓冲器,PC+1,PC,DPTR,中断、串行口和定时器,PSW,P1锁存器
7、,P1驱动器,P3锁存器,P3驱动器,定时控制,指令寄存器,指令译码器,OSC,ALU,P0.0-P0.7,P2.0-P2.7,P3.0-P3.7,P1.0-P1.7,XTAL1 XTAL2,PSEN ALE EA RESET,MCS-51单片机 内部结构图,P0驱动器,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,RAM地址寄存器,RAM,4KB ROM,B寄存器,暂存器1,暂存器2,ACC,SP,程序地址寄存器,缓冲器,PC+1,PC,DPTR,中断、串行口和定时器,PSW,P1锁存器,P1驱动器,P3锁存器,P3驱动器,定时控制,指令寄存器,指令译码器,OSC,ALU,P0.0-P0.7,P2.0
8、-P2.7,P3.0-P3.7,P1.0-P1.7,XTAL1 XTAL2,PSEN ALE EA RESET,MCS-51单片机 内部结构图,运算器,P0驱动器,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,RAM地址寄存器,RAM,4KB ROM,B寄存器,暂存器1,暂存器2,ACC,SP,程序地址寄存器,缓冲器,PC+1,PC,DPTR,中断、串行口和定时器,PSW,P1锁存器,P1驱动器,P3锁存器,P3驱动器,定时控制,指令寄存器,指令译码器,OSC,ALU,P0.0-P0.7,P2.0-P2.7,P3.0-P3.7,P1.0-P1.7,XTAL1 XTAL2,PSEN ALE EA RESE
9、T,MCS-51单片机 内部结构图,控制器,P0驱动器,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,RAM地址寄存器,RAM,4KB ROM,B寄存器,暂存器1,暂存器2,ACC,SP,程序地址寄存器,缓冲器,PC+1,PC,DPTR,中断、串行口和定时器,PSW,P1锁存器,P1驱动器,P3锁存器,P3驱动器,定时控制,指令寄存器,指令译码器,OSC,ALU,P0.0-P0.7,P2.0-P2.7,P3.0-P3.7,P1.0-P1.7,XTAL1 XTAL2,PSEN ALE EA RESET,MCS-51单片机 内部结构图,存储器,P0驱动器,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,RAM地址寄存器
10、,RAM,4KB ROM,B寄存器,暂存器1,暂存器2,ACC,SP,程序地址寄存器,缓冲器,PC+1,PC,DPTR,中断、串行口和定时器,PSW,P1锁存器,P1驱动器,P3锁存器,P3驱动器,定时控制,指令寄存器,指令译码器,OSC,ALU,P0.0-P0.7,P2.0-P2.7,P3.0-P3.7,P1.0-P1.7,XTAL1 XTAL2,PSEN ALE EA RESET,MCS-51单片机 内部结构图,I/O接口,P0驱动器,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,RAM地址寄存器,RAM,4KB ROM,B寄存器,暂存器1,暂存器2,ACC,SP,程序地址寄存器,缓冲器,PC+1,
11、PC,DPTR,中断、串行口和定时器,PSW,P1锁存器,P1驱动器,P3锁存器,P3驱动器,定时控制,指令寄存器,指令译码器,OSC,ALU,P0.0-P0.7,P2.0-P2.7,P3.0-P3.7,P1.0-P1.7,XTAL1 XTAL2,PSEN ALE EA RESET,MCS-51单片机 内部结构图,80C51单片机的引脚功能,电源引脚,Vcc(40脚)：电源端，为+5V。 Vss(20脚)：接地端。,80C51单片机的引脚功能,时钟电路引脚,XTAL2(18脚)： 接外部晶体和微调电容的一端 XTAL1 (19脚)： 接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡 电路反向放大器
12、的输入端，在采用外部时钟时，该 引脚接地。,80C51单片机的引脚功能,控制信号引脚,RST/VPD（9脚）： RST：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。 VPD ：RST引脚的第二功能，备用电源输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入该引脚，为RAM提供备用电源，以保证RAM中的信息不丢失，使得复位后能继续正常运行。,80C51单片机的引脚功能,控制信号引脚,ALE/PROG（30脚）： ALE：地址锁存允许信号端。正常工作时，该引脚以振荡频率的1/6固定输出正脉冲。CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号
13、作为锁存低8位地址的控制信号。它的负载能力为8个LS型TTL负载。 PROG：是对片内带有4KB ROM的编程写入时的编程脉冲输入端。,80C51单片机的引脚功能,控制信号引脚,PSEN（29脚）： 程序存储器允许信号输出端。 在访问片外ROM时，定时输出负脉冲作为读片外ROM的选通信号，接片外ROM 的OE端。 它的负载能力为8个LS型TTL负载。,80C51单片机的引脚功能,控制信号引脚,EA/Vpp（31脚）： EA：外部程序存储器地址允许输入端。 当该引脚接高电平时，CPU访问片内ROM并执行片内程序存储器中的指令，但当PC值超过0FFFH（片内ROM为4KB）时，将自动转向执行片外R
14、OM中的程序。 当该引脚接低电平时，CPU只访问片外ROM并执行外部程序存储器中的程序。,控制信号引脚,EA/Vpp（31脚）： Vpp：对片内ROM固化编程时的编程电压输入端 （12-21V）,80C51单片机的引脚功能,I/O端口引脚,P0（32-39脚）： 漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载。 P0口可作为一个数据输入/输出口； 在CPU访问片外存储器时，P0口为分时复用的低8位地址总线和8位数据总线。,当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入全1， 此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。,80C51单片机的引脚功能,I/O端口引脚,P1（1-8脚）： 带内部上拉
15、电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。,80C51单片机的引脚功能,I/O端口引脚,P2（21-28脚）： 带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。在CPU访问片外存储器时，它输出高8位地址。,80C51单片机的引脚功能,I/O端口引脚,P3（10-17脚）： 带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口除作为一般I/O口外，每个引脚都有第二功能。,I/O端口引脚,第二功能列表：,MCS-51单片机的内部存储器,256个数据存储器单元： 低128字节单元(单元地址：00H-7FH) 高128字节单元(单元地址：
16、80H-FFH),MCS-51单片机的内部数据存储器,专用寄存器区,高128单元,7FH,30H,20H,18H,10H,08H,00H,FFH,80H,低128字节单元(内部RAM),第一区,第二区,第三区,低128字节单元(内部RAM),寄存器区： 内部RAM的前32个单元作为寄存器使用 共分为4组，每组含8个寄存器，在组中按R0-R7编号 地址：00H-1FH,低128字节单元(内部RAM),寄存器区： 同一时刻，仅选择一组寄存器组工作 由PSW中的RS0、RS1决定当前工作的寄存器组 通用寄存器有两种使用方法： e.g. MOV A, R0 MOV A, 00H,低128字节单元(内部
17、RAM),寄存器区：,低128字节单元(内部RAM),位寻址区： 片内地址：20H-2FH 位地址：00H-7FH,低128字节单元(内部RAM),位寻址区：,低128字节单元(内部RAM),位寻址区： e.g. 清除位地址00H单元 CLR 00H MOV 00H, #00H 或 ANL 00H, #00H,低128字节单元(内部RAM),用户RAM区： 供用户使用的一般RAM区，其单元地址为 30H-7FH 对于用户RAM区，只能以存储单元(字节地址)的形式来使用，在一般应用中常把堆栈开辟在此区中。,高128字节单元(内部RAM),专用寄存器区： MCS-51中专门规定的寄存器共有22个
18、其中，有21个可寻址 地址：80H-FFH,高128字节单元(内部RAM),程序计数器(PC) PC中的数据为将要执行的指令地址。 16位的计数器，有自动加1的功能 没有地址，不可寻址，用户不可对其进行读写 e.g. 执行 LCALL Addr16,高128字节单元(内部RAM),累加器A(ACC) 8位寄存器，地址为：E0H 用于存放操作数，是ALU输入的一个重要来源 是ALU运算结果的暂存单元，用于存放运算的中间结果。,高128字节单元(内部RAM),累加器A(ACC) 是数据传送的中转站，单片机中的大部分数据传送都要通过累加器进行 在变址寻址方式中把累加器作为变址寄存器使用,高128字节
19、单元(内部RAM),B寄存器 8位寄存器，主要用于乘除运算 乘法运算：乘积的高8位存于B中，低8位存于A中 除法运算：B中为除数，A中为商值,高128字节单元(内部RAM),B寄存器 e.g. MUL A B ; A*B (B A) B中存放高8位，A中存放低8位 DIV A B ; A/B (A) 商 (B) 余数,高128字节单元(内部RAM),程序状态字寄存器(PSW) 8位寄存器，主要用于寄存指令执行的状态信息 PSW的各位定义如下：,AC,CY,P,OV,RS0,RS1,F0,PSW （D0H）,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,高128字节单元(内部RAM),程序状态
20、字寄存器(PSW) CY位（PSW.7）：进（借）位标志位。 执行加法（减法）运算指令时： 如运算结果最高位（D7）向前有进位（借位）， CY=1；否则，CY=0。 在位操作指令中，CY位是布尔累加器，用C表示,高128字节单元(内部RAM),程序状态字寄存器(PSW) AC位（PSW.6）：半进位标志位（辅助进位标志）。 执行加法（减法）运算指令时： 如运算结果的低半字节（D3）向高半字节有进位 （借位），AC=1；否则，AC=0。,高128字节单元(内部RAM),程序状态字寄存器(PSW) FO位（PSW.5)：用户标志。 由用户自己定义、置位、复位，以作为软件标志。 OV位（PSW.2）
21、：溢出标志位。 如有溢出，即运算结果超出-128 +127的范围时，OV=1；无溢出时，OV=0。,高128字节单元(内部RAM),程序状态字寄存器(PSW) RS0、RS1位（PSW.3和PSW.4）：工作寄存器组选择控制位。 由用户用软件改变RS0和RS1的值，以切换当前选用的工作寄存器组。上电复位时，（RS0）=（RS1）=0，CPU自然选择第0组为当前工作寄存器组。 RS0，RS1的组合关系如下表所示。,高128字节单元(内部RAM),程序状态字寄存器(PSW) RS0、RS1位（PSW.3和PSW.4）：工作寄存器组选择控制位。,高128字节单元(内部RAM),程序状态字寄存器(PSW) P位（PSW.0）：奇偶检验位。 每条指令执行后，A中“1”的个数为奇数，则P=1； 否则，P=0。 PSW.1：为保留位。,