基于89C51的单片机开发

物理与电子工程学院1基于89C51的单片机开发设计报告设计者：张建祥摘要89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机也被称作“单片微型计算机”、“微控制器”、“嵌入式微控制器”。单片机一词最初是源于“SingleChipMicrocomputer”,简称SCM。随着SCM在技术上、体系结构上不断扩展其控制功能，单片机已不能用“单片微型计算机”来表达其内涵。国际上逐渐采用“MCU”(MicroControllerUnit)来代替，形成了单片机界公认的、最终统一的名词。为了与国际接轨，以后应将中文“单片机”一词和“MCU”唯一对应解释。在国内因为“单片机”一词已约定俗成，故而可继续沿用。我们所做的是单片机板子，它在工作原理和结构上基本类似于单片机，是单片机的压缩型，便于我们需诶和研究。【关键词】：89C51，串行接口，发光二极管，数码管等。物理与电子工程学院2一、89C51单片机的基本组成图所示为89C51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：（1）一个8位的微处理器（CPU）。（2）片内数据存储器RAM(128B/256B)。存放可以读/写的数据---运算的中间结果、最终结果、欲显示的数据等。（3）片内程序存储器ROM/EPROM(4KB/8KB)。存放程序，一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31等。（4）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。（5）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。频率基准源计数器内部总线中断中断控制并行I/O口串行输入/输出振荡器及定时电路4K/8K字节程序存储器ROM128/256字节数据存储器RAM2个16位定时器/计数器8051CPU64K字节总线扩展控制可编程I/O口4×8位可编程串行口物理与电子工程学院3（6）五个中断源的中断控制系统。（7）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机之间的串行通信。（8）片内振荡器和时钟产生电路。但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率12MHZ。以上各个部分通过内部数据总线相连接。二、89C51单片机内部结构189C51单片机内部结构图8051/8751/8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，其内部结构除ROM/EPROM不同外，其余完全相同。一个完整的计算机应该由运算器，控制器，存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。一般微处理器（如Z80）只包括运算器和控制器两部分。和一般微处理器相比，89C51增加了四个8位I/O口，一个串行口，4KBROM，128BRAM，很多工作寄存器及特殊功能寄存器（SFR）。各部分的功能简述如下.2、中央处理单元（CPU）CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，有运算器和控制器等部件组成。2.1运算器运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU，8位的暂存器1，物理与电子工程学院4暂存器2，8位的累加器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW等。ALU：可对4位（半字节），8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。能作加、减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和与、或、异或、求补及循环移位等逻辑操作。ACC：累加器ACC，8位，一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。在指令中用助记符A来表示。PSW：程序状态寄存器，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。PSW中各位状态供程序查询和判别用。B：8位寄存器，在乘、除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果；若不做乘、除运算时，则可作为通用寄存器使用。2.2控制器控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器及定时电路等。程序计数器PC：由两个8位的计数器PCH及PCL组成，共16位。PC实际上是程序的字节地址计数器，PC中的内容是将要执行的下一条指令的地址。指令寄存器IR及指令译码器ID：由PC中的内容指定ROM地址，取出来的指令经指令寄存器IR送至指令译码器ID，由ID对指令译码并送PLA产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。振荡器及定时电路：89C51单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容（2个30pF左右），其频率范围为1.2MHz-12MHz。3、存储器89C51片内有ROM（程序存储器，只能读）和RAM（数据存储器，可读可写）两类，他们有各自独立的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式很不相同。3.1、程序存储器（ROM）89C51及8751的片内程序存储器容量为4KB，地址从0000H开始，用于存放程序和表格常数。3.2、数据存储器（RAM）89C51/8751/8031片内数据存储器均为128B，地址为00H-7FH，用于存放运物理与电子工程学院5算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。在这128B的RAM中，有32个字节单元可指定为工作寄存器，这同一般微处理器不同。89C51的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一编址。由图1可见，89C51单片机内部还有SP，DPTR，PCON，…，IE，IP等特殊功能寄存器，它们也同128字节RAM在一个队列编址，地址为80H~FFH。在这128字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器（SFR），在这些特殊功能寄存器中还包括P0~P3口锁存器。3.3、I/O接口89C51有四个8位并行接口，即P0-P3。它们都是双向端口，每个端口有8条I/O线，均可输入/输出。P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O口当作一般特殊功能寄存器来寻址。4、管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。物理与电子工程学院6P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于物理与电子工程学院7施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。结构特点8位CPU；片内振荡器和时钟电路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，两个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器；5CPU时序时钟的基本概念启动单片机后，指令执行顺序：89C51也可使用外部振荡脉冲信号，由XTAL2端输入，直接送至内部时钟电物理与电子工程学院8路。因为XTAL2的逻辑电平与TTL电平不兼容，所以应接一个上拉电阻（5.1KΩ)。如图2-8所示。晶体振荡器的振荡信号从XTAL2端输入到片内的时钟发生器上，如图2-9所示。图2-7振荡电路图2-8外接时钟源接法图2-989C51的片内振荡器及时钟发生器三、Max2321、MAX232芯片简介MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC芯片,适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口.MAX232芯片内都有一个电源电压变换器,可以把输入的+5V电源电压变换为RS-232C输出电平所需的±10V电压.所以,采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了.对于没有±12V电源的场合,其适应性更强.加之其价格适中,硬件接口简单,所以被广泛采用.MAX232芯片的典型工作电路如下图所示.物理与电子工程学院92、