1、单片机论文单片机原理论文张书畅（重庆理工大学，光电信息学院，电子信息科学与技术一班）摘要：二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在这个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。 单片机具有体积小、功
2、能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 现在，这种单片机的使用领域已十分广泛。彩电、冰箱、空调、录像机、VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。 单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。单片机按用途大体上可分为两类，一种是通用型单片机，另一
3、种是专用型单片机。 1单片机基础知识1.1 单片机基础知识 单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。 MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，与MCS- 48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。 MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和
4、8751等通用产品。 DP-51S单片机仿真实验仪是由广州致远电子有限公司设计的DP系列单片机仿真实验仪之一，是一种功能强大的单片机应用技术学习、调试。 1.2 单片机的应用领域 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为如下几个范畴： 一、在智能仪器仪表的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能
5、比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 二、在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。三、在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。四、在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了
6、单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 五、单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。1.3单片机的发展趋势 单片机现在可以说是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用
7、提供了广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 一、微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，
8、还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。二、低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。像80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。CMOS虽然功耗低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合
9、。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 三、主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以80C51占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集合（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEX公司近年的单片机产量与日俱增，与其底价质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是
10、依存互补、相辅相成、共同发展的道路。 九十年代以后，单片机在结构上采用双CPU或内部流水线，CPU位数有8位、16位、32位，时钟频率高达20MHZ，片内带有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。芯片向高度集成化、低功耗方向的发展，使得单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。这类单片机有NEC公司的MPD7800，MITSUBISHI公司的M337700，REVKWELL公司的R6500。 2.硬件设计2.1 硬件设计2.1.1 80C51单片机的内部结构 图2-1为80C51单
11、片机功能结构框图 80C51 芯片内部集成了 CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，并由内部总线把这些不见连接在一起。80C51单片机内部包含以下一些功能部件：(1) 一个8位CPU；(2) 一个片内振荡器和时钟电路；(3) 4KB ROM（80C51有4KB掩膜ROM，87C51有4KB EPROM，80C31片内有无ROM）；(4) 128B内RAM；(5) 可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；(6) 两个16位定时/计数器；(7) 21个特许功能寄存器；(8) 4个8位并行I/O口，共32条可编程I/O端线；(9) 一个可编程全双工串行口；(10) 5个中断
12、源，可设置成2个优先级。外时钟源 外部事件计数 中断 控制 并 行 口 串行通信 图2-1 80C51单片机功能结构框图2.1.2 80C51单片机的引脚功能 80C51单片机一般采用双列直插DIP封装，共40个引脚，图2-2a为引脚排列图。图2-2b为逻辑符号图。40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 图2-2 80C51引脚图1.电源 (1)Vcc芯片电源，接+； (2)Vss接地端。2.时钟 XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体。3.控制线 控制线共有4根，其中3根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能
13、，在某种条件下是另一种功能。 (1)ALE/PROG地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。 80C51在并行扩展外存储器（包括并行扩展I/O口）时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，且均为二进制数。那么如何区分是低8位地址还是8位数据信号呢？当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是8位数据信号。在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。 需要指出的是，当CPU不执行访问外RAM指令（MOVX）时，ALE以时钟振荡频率1 / 6的固定频率输出，因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟
14、或其他需要。但是，当CPU执行MOVX指令时，ALE将跳过一个ALE脉冲。 ALE端可驱动8个LSTTL门电路。 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 (2)PSEN外ROM读选通信号。 80C51读外ROM时，没个机器周期内PSEN两次有效输出。PSEN可作为外ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内ROM或读外RAM时，PSEN无效。 PSEN可驱动8个LSTTL门电路。 (3) RST/Vpd复位/备用电源。 正常工作时，RST（Reset）端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，80C51芯片即实现复位操作，复位后一
15、切从头开始，CPU从0000H开始执行指令。 Vpd功能：在Vcc掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由Vpd向片内供电，以保持片内RAM中的数据不丢失。 (4) EA/Vpp 内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：正常工作时，EA为内外ROM选择端。80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外（80C31芯片无内ROM，全部在片外）。当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC（程序计数器）值超过4KB（0FFFH）时，将自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，因此E
16、A必须接地。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源Vpp。 对4个控制引脚，应熟记起第一功能，了解其第二功能。 严格来讲，80C51的控制线还应该包括P3口的第二功能。4. I/O引脚 80C51共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚 (1)P0口8位双向I/O口。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用作双向I/O口。 在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。位结构如图2-4所示。P0口能驱动8个LSTTL门。 图2-4 P0口位结构(2) P1口
17、8位准双向I/O口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。位结构如图2-5所示。 P1口能驱动为4个LSTTL门。图 2-5 P1口位结构 (3) P2口8位准双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用于传送高8位地址(属地址总线) 。P2口能驱动4个LSTTL门。P2口的位结构如图2-6所示，引脚上拉电阻同P1口。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。图 2-6 P2口位结构 (4) P3口8位准双向I/O口。可作一般I/O口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输
18、入输出和控制信号(属控制总线)。P3口驱动能力为4个LSTTL门。 图 2-7 P3口位结构P3口第二功能如下: P3.0RXD:串行口输入端; P3.1TXD:串行口输出端; P3.2INT0:外部中断0请求输入端; P3.3INT1:外部中断1请求输入端 P3.4T0:定时/计数器0外部信号输入端; P3.5T1:定时/计数器1外部信号输入端; P3.6WR:外RAM写选通信号输出端; P3.7RD:外RAM读选通信号输出端。 上述4个I/O口,各有各的用途。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, 4个I/O口都可作为双向I/O口用。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时
19、, P0口专用于分时传送低8位地址信号和8位数据信号,P2口专用于传送高8位地址信号。P3口根据需要常用于第二功能,真正可提供给用户使用的I/O口是P1口和一部分未用作第二功能的P3口端线。 2.2 应用系统硬件设计2.2.1 硬件系统电路图以下是应用系统硬件的构成图，共由7部分构成。1、单片机小系统包括：（1）复位电路； （2）时钟电路； （3）80C51。2、六反相缓冲/变换器：3个 3、光电隔离器：16个4、电流放大器：16个 5、中间继电器：16个6、驱动继电器：16个 7、负载（电灯）：16个 系统构成图2.2.2 4049驱动器： 4049是6反相缓冲驱动器，内由6个反相器构成。作
20、用：将P0.0P1.7口输出的驱动电流放大，达到足够的电流使光电隔离器中的发光二极管发光，使光电器件的输出满足逻辑上的要求，完成光电隔离的作用。2.2.3光电隔离器 在这个电路板里使用的是光耦4N25的光电隔离器。光电隔离器的原理： 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端获得一个反向的输出逻辑信号，这样就实现了电光电的转换。2.2.4 继电器： 在这个电路板上使用的是直流电磁继电器。里面有两种，一种是中间继电器，一种是驱动继电器。继电器工作原理： 继电器就是电子机械开关，它是用漆包铜线在一
21、个圆铁芯上绕几百圈至几千圈，当线圈中流过电流时，圆铁芯产生了磁场，把圆铁芯上边的带有接触片的铁板吸住，使之断开第一个触点而接通第二个开关触点。当线圈断电时，铁芯失去磁性，由于接触铜片的弹性作用，使铁板离开铁芯，恢复与第一个触点的接通。因此，可以用很小的电流去控制其他电路的开关。整个继电器由塑料或有机玻璃防尘罩保护着，有的还是全密封的，以防触电氧化。 如上图所示，当控制电路中的开关K闭合时，电磁铁便具有磁性，将衔铁吸下，使继电器触点接触，与触点相连接的电源电路便接通；当控制开关K断开时，电磁铁的磁性被撤消，继电器触点弹开，电源电路亦随之断开。2.2.5 其他硬件 除了用到光电隔离器、驱动器、继电
22、器之外，还用到了三极管、电灯、电线等。 3.应用系统开发工具DP-51S3.1 DP-51S 硬件结构 （1）电路外观 DP-51S单片机仿真实验仪上具有丰富的外围接口和板上元件。 DP-51S的单片机仿真实验仪的电路布局如图3.1所示： （2）主要器件 电路主要器件如表3.1所示：编号型号功能 说明U1DIP-40封装CPU主器件，可插仿真头U2、U374HC537数据地址锁存器U4、U14LN3361BS3位8段共阳极数码管U5MAX810电压监控复位器件U6PCF8563实时时钟芯片U7CAT24WC02串行EPROM存储器U8MAX232RS232串口通信接口器件U9ASC08098位
23、并行A/D转换器件U11TL431精密集成稳压器件U12DAC08328位并行D/A转换芯片U13LM324集成运算放大器PWMLEDLEDPWM指示U1974HC00TTL与非门U2074HC02TTL或非门U2174HC04TTL非门U2274HCC138138译码器U23HM6225632K SRAMU2474HC74TTL D触发器L1-L8LED8个LED发光管KL0-KL7KEY键盘RUNLEDRUN指示Y11105926MHz石英晶振单片机时钟晶振Y232768KMHz石英晶振实时时钟使用的晶振图3.11 DP-51S 单片机仿真实验仪（3）应用接口 为了能够更好的学习使用DP-
24、51S单片机访真实验仪的系统资源，电路中为用户保留有许多应用接口。（4）电源插座POWER 该电源插座POWER为DP-51S单片机访真实验仪提供适合的工作电源。请使用陪到的+9V专用电源，以避免损坏电路组件，当DP-51S中外机访真实验仪连接+9V专用地安源后，电源指示POWER亮，说明供电正常，否则应检查电源电路。（5）串口COM1、COM2 COM1目标号为RS232，外形是DB9形式，是单片机的RS232输出，可以通过串行通信电缆与计算机进行串口通行，现实数据信息的交换。而COM2口标号为UART，外形是DB9针式，直接是但片机的串中信号线输出，因此可以完成单片机的串口信号线输出，因此
25、可以完成单片机之间的相互通信。（6）+5V：电源输出接口J3 通过J3接口，DP-51S单片机访真实验仪能QGV、200mA的直流电源。方便用户开发自己的应用电路。注意，输出电流不可大雨200mA，否则将影响DP-51S实验仪正常工作。（7）D/A转换电源输入J6 和接口J6为单片机访真实验仪的D/A及其相关电路提供+12V和-12V工作电源，这样用户可以直接得到较为精确、正负对称的模拟量信号。J6的引脚排列如图3.17所示，各引脚的具体功能描述如表3.4所示（8）A/D主那换模拟量输入接口J7 该接口为用户提供了6路A/D转换输入通道（分别为Vin2-Vin7），用户可以能过该接口采集、测量
26、各种物理量，当然输入的有效信号应该是该物理量被转化后所对应的电压值，且输入的电压信号必须保证在：0-5V之间，而别外2路A/D（Vin0和Vin1）已经通过2个精密可调动电位器直接接到了电源+5V上，这样用户可以调节电位器从而实现改变该通道输入模拟量的大小，给大家调试实验提供了方便。（9）单片机晶振接口Y1 DP-51S单片机访真实验仪为拥护提供了一个可自由选择晶体频率的接口，拥护根据自己的实际需要使用大小不同的晶体。3.2 DP-51S单片机仿真实验仪功能特点 （1）用户可使用自带的P87C52X2单片机来进行仿真调试响应的单片机用户和序，也可以选配具有ISP功能的P89C6Xx2，P89C
27、51RX2、P89C66x单片机作为目标MCU，且工作晶振频率可选：1-12MHz。 （2）板上集成从多常用接口电路：32KSRAM芯片62C253：3个独立LED显示、3个独立按键；6个8段数码管与8按键组成的键盘/显示电路：12C借口实时时钟芯片PCF8563T：FC接口EPROM芯片24WC02；RS232串行通讯接口芯片MAX232；串行显示2个8段数码管电路；字符液晶显示屏接口；无源蜂鸣器电路NUZZER；红外接收电路RFIN；阻容复位电路、电源监控电路MAX810。这此实用借口电路涵盖了MCU的各个应用领域，能够提供用户领先的应用设计方法。 （3）电路信号的切换通过跳线器进行选择，
28、可靠性高，使用方便。 （4） 提供实验电路的各部分原理图，提供各个实验课题的汇编程序A51源代码，浅显易懂，入门方便，使用户快速掌握应用系统的设计方法。 （5）预留ISP接口，支持PHILIPSISP单片机（如P89c51rx2。P89C66x、P89C6xX2等）的ISP编程。 （6）通过MON51接口与高度软件协会配合，可按单步、断点、连续等方式测试实际应用程中； （7）进行实时操作系统的学习，如RTXTiny实时操作系统、uC/OS-KI实时操作系统、SmallRTOS实时操作系统等。RTXTiny实时操作系统中德国KeiSoflware公司设计的，关于是SmallRTOS实时操作系统的
29、源码可以在网站下载，至于详细的设计思想、就用设计实例和中间件，请参考基于80C51单片机的SmallRTOS实时操作系统的设计原理及其应用专著。有了这样的基础您就有了从8位的单片机过渡到32位ARM的扎实功底，如果你的基础比较好，还可以深入学习。uC/OS-实时操作系统，不仅可以在80C51单片机上使用，而且是可以十分方便地移植到32位ARM上使用 （8）利用DP-51S单片机仿真实验仪引用的CPU信号，可以边接自己的实际应用系统。4.应用系统仿真软件Keil C514.1 Keil C51 介绍 KeilC51 mVision2集成开发环境是KeiSoftwre，lnc/KeilElektr
30、onikGmbH开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台，内以多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工和建立、管理，编译，连接，目标代码的生成，软件访真，硬件访真等完整的开发流和。尤其C编译工具在产生代码的准确性和效率性达到了较高的水平，而可以附加灵活的控制选项。KeilC51集成开发环境的主要环境的主要功能是以下几点： （1）mVision2 for WindowsTM：是一个集成开发环境，它将项目管理，源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的Z1环境中。 （2）C51国际标准优化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的口标模块。 （3）A51宏汇编器：从80C51汇编冤代码产生可
31、重定位的口标模块。 （4）BL51连接/定位器：组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块。 （5）LIB51库管理器：从口际模块生成连接器可以使用的库文件。 （6）OH51目标文件至HEX格式的转换器：从绝对目标模块生成IntelHEX文件。 （7） RTX-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项口的设计。 这个工具套件足为专业软件开发人员设计的，但任何层次的编程人员都可以使用，并获得80C51微控制器的部分应用。4.2 Keil C51 集成工具和用途 mVision2支持所有的Keil80C51的工具软件，包括C51编译器、宏汇编器、连接器/定位器和目标文件至Hex格式转换器，mVision2可以自动完成便宜、汇编、连接程序的
