单片机应用技术讲座(2009-7)

目 录培训教学讲义单片机应用技术内江师范学院物理与电子信息工程学院教师：刘道兴2009年07月目 录第一讲 单片机结构与工作原理11.1 单片机概述112 单片机的结构和原理5第二讲 单片机寻址与指令系统162.1 指令系统简介162.2 MCS-51单片机指令格式和指令分类162.3 MCS-51单片机的寻址方式172.4 MCS-51单片机指令的分类研究18第三讲 单片机程序设计263.1 单片机汇编语言源程序的结构形式263.2 单片机汇编语言伪指令273.3 单片机汇编语言源程序的编辑和汇编273.4 编制程序的步骤293.5 MCS-51汇编语言实用程序30第四讲 单片机应用系统设计（基本知识）4941 单片机应用系统的研制步骤4942 单片机应用系统的可靠性设计和故障诊断5343 单片机开发系统5544 单片机应用系统设计58第二部分 单片机应用系统设计实例60交通指示灯控制系统设计61数字式多路温度采集系统设计771第一讲 单片机结构与工作原理第一讲 单片机结构与工作原理1.1 单片机概述20世纪70年代出现的微型计算机，在科学技术界引起了影响深远的变革。在70年代中期，微型计算机家族中又分裂出一个小小的派系单片机。单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。计算机两大分支的产生，大大促进了现代计算机技术的飞速发展。单片机以面向对象的实时控制为己任，不断增强控制能力，降低成本，减小体积，改善开发环境，以空前的速度迅速而广泛地取代经典电子系统。1.1.1 单片机系列简介1. 什么是单片机微处理器（Microprocessor)也被称为微处理机，它包括算术逻辑部件ALU、控制部件CU和寄存器组R三个基本部分和内部总线；微处理器相当于一般计算机系统结构中的运算器和控制器的组合，称为中央处理器（CPU），它是微型计算机的核心部件。微型计算机（Micro Computer)简称为微机，它是以微处理器为核心，加上存储器M (ROM和RAM）、I/O（输入输出）接口和系统总线组成的。微型计算机的性能很大程度上由微处理器的性能决定。微型计算机的分类（按微型计算机的组成和规模分类）(1)多板机：微型计算机的各组成部分安装在多个印刷电路板上的微型计算机。(2)单板机：微型计算机的各组成部分安装在一个印刷电路板上的微型计算机。(3)单片机：微型计算机的各组成部分CPU、 ROM（EPPOM）、RAM 和I/O接口，集成在一个超大规模集成电路芯片上的微型计算机；称为单片微型计算机，简称单片机。因单片机广泛应用于嵌入式系统，又被称为微控器或嵌入式计算机。2. 单片机发展概况以Intel公司1976年推出的8位机为起点，发展经历三个阶段：第一代单片机1976年开始，代表性产品：MCS-48；特点：采用专门的结构设计；内容：集成电路8位CPU、并行I/O口，8位定时计数器，RAM，ROM；第二代单片机1978年开始，代表性产品：MCS-51；特点：完善了外部总线，确立了控制功能；并行三总线结构：外部并行总线16位地址线，寻址64KB空间；8位数据总线；有相应控制总线；提供多机通信串行接口；具有多级中断处理；16位定时/计数器；片内RAM，ROM容量增大；片外有A/D转换接口；在指令中设置有大量位操作指令，和片内地址空间构成位操作系统，增强了位操作功能；指令中设置了条件跳转、无条件跳转指令，增强了控制功能；设置了特殊功能寄存器，对外围功能电路集中管理，增减外围设备管理方便。真正开创了微控制器的发展道路。第三代单片机1982年开始，代表性产品：80C51，MCS-96；技术特点：发展单片机的控制功能；完善高档8位单片机，改善其结构；发展16位单片机及专用单片机；16位CPU，片内RAM，ROM容量进一步增大；片内有输入输出部件，多通道10位A/D转换部件；具有8级中断处理，实时处理功能更强；重要标志：技术学科边缘性；电气商广泛介入；单片机发展趋势结构功能发展方向；大容量高性能化，小容量低价格化，外围电路内装化；增强I/O口功能；目前以及未来相当长的一段时间内，单片机相关的系统技术为：(1) 全盘CMOS化。CMOS电路具有众多的优点，如极宽的工作电压范围、极佳的本质低功耗及功耗管理特性，已成为目前单片机及其外围器件流行的半导体工艺。(2) 单片机在片ROM应用。目前单片机已广泛使用在片程序存储器技术，最广泛的应用状态是OTPROM、FlashROM、MaskROM。外部程序存储器的扩展方法，实际应用中已很少见。(3) 以串行方式为主的外围扩展。目前单片机外围器件普遍提供了串行扩展方式。串行扩展具有方便、灵活、电路系统简单、占用I/O口资源少等优点，是一种流行的扩展方式。(4) 8位机的主流地位。这是由面向对象、大多数嵌入应用对象有限响应时间要求所决定的。从8位机诞生至今，乃至今后相当长的时期内，单片机应用领域中8位机的主流地位不会改变。3. 常用单片机系列简介80C51系列具有CHMOS结构、集成度高，增设了两种可选低功耗方式，可向外部接口电路扩展；87C51单片机是80C51含EPROM的产品，可用智能编程法进行编程；89C51单片机是80C51含E2PROM的产品。C500系列单片机与80C51系列单片机相兼容；W78C51系列单片机与80C51系列单片机相兼容；ATMEL公司的技术优势：Flash存储器技术，生产技术；继承了INTER公司微控制技术，将Flash技术与80C31核结合，生产单片机AT89C51系列；应用广泛,“兼容性好”，取代MCS-51系列；AT89C51系列分类：标准型：AT89C51，AT89LV51，AT89C52，AT89LV52，40脚；低档型：AT89C1051，（1kFlash）AT89C2051，（2kFlash）20脚；高档型：AT89S8252，（8kFlash，2kEEPROM）.Microchip公司推出PIC系列单片机；采用的是RISC结构，RISC采用Harvard双总线结构，将地址总线与数据总线分开，数据与地址可以同时传送，有速度与功能优势；PIC系列单片机包括PIC12C x x x、PIC16C5 x、PIC16C7 x、PIC17C x x及PIC18C x x x等；4单片机应用领域由于单片机的上述特点，其常用于控制系统中。针对不同的控制对象，采用不同功能的接口，编写相应的接口及应用程序，可以获得不同用途的控制系统。在实时过程控制中应用；实时控制是利用微机系统对被控对象及时进行数据采集和处理，并按最佳状况对被控对象进行控制。其控制对象是一个生产过程或物理过程。在仪器仪表中应用；在机电一体化中应用；在人类生活中应用；在办公自动化中、商业营销中、通信系统中、计算机外部设备中、模糊控制中应用；1.1.2 单片机应用系统简介单片机应用系统是利用单片机为某应用目的而设计的单片机专用系统。典型的单片机应用系统是指单片机用于工业测控功能所必备的硬件结构系统，它包括单片机及扩展电路、过程输入输出通道、人机联系和接口电路等，如图1-1所示。图1-1 典型的单片机应用系统单片机及扩展电路简称主机电路，用于存储程序、数据并进行一系列运算处理。扩展电路是指单片机片内部件不能满足系统要求时，外部扩展的程序存储器（EPROM）和数据存储器（RAM）及I/O口等。过程输入输出通道，包括模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道两大部分。采集的模拟量信号，经过模拟量输入通道的A/D转换器转换成数字信号，再通过接口送入单片机进行加工处理、分析运算等。处理得到的数字结果，通过模拟输出通道的D/A转换器，转换为模拟量的输出控制，通常为伺服驱动控制。开关量输入输出通道用来输入输出开关量信号。人机联系部件是沟通操作者与系统之间的联系，通常有键盘、显示器、打印机等。通信接口实现系统与外界进行数据交换；常用串行标准接口RS-2320或并行标准接口IEEE-488等。应用系统的开发是一个过程，这个过程包括提出任务、研究定型、生产、投入使用该微机产品。具体阶段是：系统（产品）的总体方案论证、系统设计、硬件与软件开发、目标样机调试。总之，开发一个单片机应用系统包括总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试运行和维护等内容。开发过程的明显特点是：产品的硬件软件不可分割，有机联系互有影响。硬件研制中面临的问题是测试。软件设计调试需要软件工具和相应的硬件环境。微机开发系统MDS是开发微机应用软件及硬件的有效工具。单片机开发系统是用来帮助研制单片机应用系统的一种专用设备，是一种通用的调试程序工具。单片机开发系统由主处理机、在线仿真器、EPROM写入器及相关的软件（交叉汇编程序、仿真调试程序、EPROM写入程序等）组成。该系统可以出借其CPU和RAM，供用户控制板上的工作。用户通过控制板，利用开发系统调试自己的应用软件，搞好后，固化到EPROM中。单片机开发系统的基本功能：利用仿真器实现在线仿真；在线仿真器ICE是一系列硬件构成的设备，它的仿真头有一个40引脚的插头，是单片机信号的延伸；在开发系统上通过仿真器调试应用系统时，就像使用本系统中真实的单片机芯片一样（这种感觉不出的“替代”称为“仿真”）。在线仿真时，开发系统能将其CPU、存储器等“出借”给应用系统，允许应用系统充分自由使用，实现应用系统的硬件软件的开发设计。利用开发系统对应用系统的硬件、软件进行调试；用户通过开发系统有效控制目标程序运行，检查运行结果，对存在的硬件故障、软件错误进行定位。利用开发系统对应用系统的软件进行辅助设计；进行程序编辑、汇编。利用开发系统的EPROM写入器对调试通过确定的程序写入EPROM。*较完善的开发系统能进行程序汇编、反汇编、 程序文本打印、转存储、跟踪调试、运行、附配子程序库等。12 单片机的结构和原理介绍MCS-51系列单片机、AT89系列单片机1.2.1 MCS-51系列单片机属于MCS-51系列的单片机芯片有许多种，如8051，8031，8751，80C51BH，80C31BH等等。它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。常用8051代表MCS-51系列单片机。1.2.1.1 MCS-51系列单片机的基本结构框图图1-2 MCS-51系列单片机的基本结构框图在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：一个8位的微处理器(CPU）。片内数据存储器RAM(128B/256B），用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。片内程序存储器ROM/EPROM (4KB/8KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但是8031，8032;80C31等内部不带ROM/EPROM。四个8位并行I/O接口P0-P3,每个口既可以用作输入，也可以用作输出。两个定时器计数器，每个定时器计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式；并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。五个中断源的中断控制系统。一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微