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1、单片机概述 单片机是微单片微型计算机的简称，微型计算机的一种。 它把中央处理器 （CPU）,随机存储器 （ RAM ） ，只读存储器 （ROM ）,定时器 计数器以及IO 接口，串并通信等接口电路的功能集成与一块电路芯片的微型计算机。 字长 ：在计算机中有一组二进制编码表示一个信息，这组编码称为计算机的字，组成字的位 数称为 “ 字长 ” ，字长标志着精度，MCS-51 是 8 位的微型计算机。 89c51 是 8 位（字长）单片机（51 系列为 8 位） 单片机硬件系统仍然依照体系结构：包括CPU(进行运算、控制)、RAM( 数据存储器)、 ROM( 程序存储器） 、输入设备和输出设备、内部
2、总线等。 由于一块尺寸有限的电路芯片实现多种功能，所以制作上要求单片机的高性能，结构简单， 工作可靠稳定。 单片机软件系统包括监控程序，中断、控制、初始化等用户程序。 一般编程语言有汇编语言和C 语言，都是通过编译以后得到机器语言（二进制代码）。 1.1 单片机的半导体工艺 一种是 HMOS 工艺，高密度短沟道MOS 工艺具有高速度、高密度的特点； 另一种是 CHMOS 工艺，互补金属氧化物的HMOS 工艺， 它兼有 HMOS 工艺的特点还具有 CMOS 的低功耗的特点。例如：8181 的功耗是630mW,80C51 的功耗只有110mW 左右。 1.2 开发步 5 骤： 1.设计单片机系统的
3、电路 2.利用软件开发工具（如：Keil c51 ）编辑程序，通过编译得到.hex 的机器语言。 3.利用单片机仿真系统（例如：Protus）对单片机最小系统以及设计的外围电路，进行模拟 的硬软件联合调试。 4.借助单片机开发工具软件（如：STC_ISP 下载软件）读写设备将仿真中调试好的.hex 程序 拷到单片机的程序存储器里面。 5.根据设计实物搭建单片机系统。 2.1MCS-51 单片机的组成：(有两个定时器 ) CPU(进行运算、控制)、 RAM( 数据存储器 )、ROM( 程序存储器） 、I/O 口 (串口、并口） 、内 部总线和中断系统等。 工作过程框图如下： 运算器 组成： 8
4、位算术逻辑运算单元ALU （Arithmetic Logic Unit） 、8 位累加器 A（Accumulator ） 、 8 位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word） 、8 位暂存寄存器TMP1 和 TMP2 等。 功能：完成算术运算和逻辑运算 控制器 组成：程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、堆栈指针SP、数据指针DPTR、 定时控制逻辑和振荡器OSC 等电路。 功能： CPU 根据 PC 中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR 中， ID 对 IR 中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC 配合下对ID 译码后的信号进行分
5、时，以产 生执行本条指令所需的全部信号。 2.2 存储器 MCS-51 的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又有片内和片外之分。 （1）程序存储器 一般将只读存储器（ROM ）用做程序存储器。可寻址空间为64KB ，用于存放用户程序、 数据和表格等信息。MCS-51 单片机按程序存储器可分为内部无ROM 型（如 8181）和内部 有 ROM 型（如 8181）两种，连接时引脚有区别。程序存储器结构如图所示： EA （2）数据存储器 一般将随机存储器（RAM ）用做数据存储器。可寻址空间为64KB 。MCS-51 数据存储器 可分为片内和片外两部分。片外RAM ：最大范围： 0000HFFFF
6、H，64KB ；用指令 MOVX 访问。片内RAM ：最大范围： 00HFFH，256B；用指令MOV 访问。又分为两部分：低 128B（007FH）为真正的RAM 区，高 128B（ 80FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。 如图所示。 2.3 定时器 /计数器（ TL0, TH0, TL1和 TH1 ） MCS-51 单片机中有两个16 位的定时器 /计数器 T0 和 T1， 它们由 4个 8 位寄存器（TL0, TH0, TL1 和 TH1）组成， 2 个 16 位定时器 /计数器是完全独立的。可以单独对这4 个寄存器进行 寻址，但不能把T0 和 T1 当做 16 位寄存器来使用。 8
7、181 内部有两个16 位可编程序的定时器/计数器 ，均为二进制加1 计数器，分别命名为T0 和 T1。T0 和 T1 均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器模式下，T0 和 T1 的计数脉 冲可以由单片机时钟脉冲经12 分频后提供。在计数器模式下，T0 和 T1 的计数脉冲可以从 P3.4 和 P3.5 引脚上输入。 对 T0 和 T1 的控制由定时器方式选择寄存器TMOD 和定时器控制 寄存器 TCON 完成 2.4 中断系统 中断：指 CPU 暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后 返回到原程序执行的过程。 中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路
8、。 中断源：指能产生中断请求信号的源泉。 8181 可处理 5 个中断源 （2 个外部， 3 个内部） 发出的中断请求， 并可对其进行优先权处理。 外部中断的请求信号可以从P3.2, P3.3（即和）引脚上输入，有电平或 边沿两种触发方式； 内部中断源有3 个， 2 个定时器 /计数器中断源和1 个串行口中断源。 8181 的中断系统主要由中断允许控制器IE 和中断优先级控制器IP 等电路组成。 2.5MCS-51 单片机外部引脚 8181 单片机有40 个引脚，分为端口线、电源线和控制线三类。 电源线GND ：接地引脚20。VCC ：正电源引脚40。接 5V 电源 2.6MCS-51 单片机
9、的工作方式： MCS-51 系列单片机的工作方式可分为：复位方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电保 护方式、节电工作方式和EPROM 编程 /校验方式。 复位电路有两种：上电自动复位和上电/按键手动复位，如图所示。 程序执行方式是单片机基本工作方式，可分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。 节电工作方式是一种低功耗的工作方式，可分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式。是 针对 CHMOS 类芯片而设计的，HMOS 型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电保 护功能。 1HMOS 单片机的掉电保护 当 VCC 突然掉电时，单片机通过中断将必须保护的数据送入内部RAM ，备用电源 VPD 可
10、以维持内部RAM 中的数据不丢失。 2 CHMOS 单片机的节电方式 CHMOS 型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流为1122mA，空闲状态时为 1.75mA，掉电方式为550 A。因此， CHMOS型单片机特别适用于低功耗应用场合， 它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器PCON 中相应的位来控制。 3.空闲工作方式：将IDL 位置为 1（用指令MOV PCON, #01H ） ，则进入空闲工作方式， 0INT1INT 其内部控制电路如右图所示。此时，CPU 进入空闲待机状态，中断系统、串行口、定时器/ 计数器，仍有时钟信号，仍继续工作。退出空闲状态有两种方法：一是中断退出，二是硬
11、件 复位退出。 4. 掉电工作方式： 将 PD 置为 1（用指令MOV PCON, #18H） ，可使单片机进入掉电工作 方式。此时振荡器停振，只有片内的RAM 和 SFR 中的数据保持不变，而包括中断系统在 内的全部电路都将处于停止工作状态。退出掉电工作方式，只能采用硬件复位的方法。 欲使 8181 从掉电方式退出后继续执行掉电前的程序，则必须在掉电前预先把SFR 中的内容 保存到片内RAM 中，并在掉电方式退出后恢复SFR 掉电前的内容。 2.7 单片机的时序 时序： CPU 在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。时序是用定时单位来描述的， MCS-51 的时序单位有四个，分别是时钟
12、周期（节拍）、状态、机器周期和指令周期。 MCS-51 的时序单位： 1. 时钟周期：又称为振荡周期、 节拍 （用 P表示）， 定义为单片机提供时钟信号的振荡源（OSC） 的周期。它是时序中的最小单位。 2. 状态（用 S表示） ：单片机振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的状态。一 个状态有两个节拍，前半周期对应的节拍定义为P1，后半周期对应的节拍定义为P2。 3. 机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。MCS-51 中规定一个机 器周期包含12 个时钟周期，即有6 个状态，分别表示为S1S6。若晶振为6MHz ，则机器 周期为 2s，若晶振为12MHz ，则机器周
13、期为1s。 4. 指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是时序中的最大单位。一个指 令周期通常含有14 个机器周期。指令所包含的机器周期数决定了指令的运算速度，机器 周期数越少的指令，其执行速度越快。以机器周期为单位，指令可分为单周期、双周期和 四周期指令。 3.1 单片机系统的工程设计 设计要求： 一、可靠性和稳定性是衡量单片机系统工程设计指标。 提高系统可靠性的几种基本方法包括：1.系统采用双机系统2.采用集散式控制系统3.进行软 硬件滤波：几种常用的数字滤波方法包括：(1)中值滤波(2)算术平均值滤波(3)防脉冲干扰 平均值滤波4.提高元器件的可靠性5.提高印制电路板的质量：
14、设计是布线及接地要合理6. 对供电电源采用抗干扰措施7.加强输入输出通道的抗干扰性 二、系统自诊断功能 当系统正常运行的时候，定时对各工作模块进行监控，并对外界的情况作出快速应变处理。 应能自己及时切换到后备装置投入运行或及时发出信号，以便手动操作。 三、操作维修方便 尽量降低对操作人员的专业知识要求，于，控制开关尽量少，操作顺序简便，数据输入与输 出显示采用十进制表示，能有效地定位故障，以便进行维修和系统的推广。 四、性能 /价格比 设计的时候尽量考虑花钱少，能用软件实现的应该采用软件实现。 设计方法： 一、总体设计：1.掌握工作原理2.机器和元器件的选择3.软硬件功能的划分：硬-提高工作
15、速度，减少工作量，花钱多；软-花钱少，增加软件复杂性，降低系统工作速度 二、硬件设计任务1.掌握工作原理 三、软件设计1.系统定义2.软件结构3.程序设计 4.1 模拟量输入通道的一般组成 模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、前置放大器、采样保持器、模/数转换器 和接口逻辑电路等组成。其核心是模/数转换器。 4.2AD 转换器及技术指标：A/D 转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是模拟量输入 通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间的接口。 分辨率 ：通常用数字量的位数n（字长）来表示，若n8，满量程输入为5.12V，则 LSB 对应于模拟电压。 转换时间 ：从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成n 位转换所需要 变 送 器 信号 预处 理 多路 转换 器 前置 放大 器 A/D 转换 器 接口 逻辑 电路 PC 总 线 模拟输入通道 采样 保持 器 过 程 参 数