【文章內(nèi)容簡介】 1芯片簡介 MCS．51單片機是國內(nèi)外成型的單片微型計算機，采用三總線結(jié)構(gòu)可擴展它有如下特點： (1)集成度高 MCS．51單片機的典型代表產(chǎn)品為8031，803l芯片內(nèi)部包含了128字節(jié)的RAM，4個8位并行I／O口，1個全雙工的串行口，2個16位的定時器、計數(shù)器，以及一個處理功通用很強大中央處理器，但片內(nèi)無程序存儲器。 (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 MCS一5 1芯片內(nèi)部采用模塊結(jié)構(gòu)，增加或更新一個模塊，就能得到指令系統(tǒng)和引腳兼容的新產(chǎn)品。 (3)系統(tǒng)擴展方便 MCS一5 l具有外擴到64K字節(jié)程序存儲和64K字節(jié)的外部RAM和I／O 口的能力，當MCS．51芯片內(nèi)部RAM和芯片本身的I／O口線不夠用時，即可進行系統(tǒng)擴展。 (4)可靠性高 MCS．51單片機的總線大多采用3總線而不易受干擾，而且MCS．51應用系統(tǒng)體積小，容昴采取屏蔽等措施，適用范圍寬，在各種環(huán)境下都能可靠工作。． (5)處理功能強，速度高 MCS．51單片機指令系統(tǒng)中有加減乘除及各邏輯運算和轉(zhuǎn)移指令，還具有位操作功能，這在檢測控制中特別有用。 (6)容易產(chǎn)品化 MCS．5l由于單片機應用系統(tǒng)具有體積小，可靠性高，功能強價格低等特點，因此很容易形成產(chǎn)品，可以把它裝入各種儀器，儀表及控制裝置中。 MCS．5l單片機具有以下特點，使其在工業(yè)控制中可得到可廣泛的應用。MCS．51系列單片機主要有803805l、8751等多種型號。因MCS一51單片機可兼容，這里以8031為例加以介紹。 8031內(nèi)部包含一個微處理器，128個字節(jié)RAM，4KB字節(jié)ROM，21個特殊功能寄存器，4個8位并行口，一個全雙工串行口，兩個16位的定時器 ／計數(shù)器。單片機805I就是一個完整的計算機。 803l是MCS一51系列單片機的典型產(chǎn)品，以這一代表性的機型進行系統(tǒng) 的講解。 803l單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總路線、地址總線和控制總線等三大總線。 中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。 803l內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放結(jié)果或用戶定義的字型表。 8031共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 定時/計數(shù)器(ROM)。8031有兩個16位可編程定時／計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或 計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。有4個并行輸入輸出口(P0、PP2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。8031內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以同步移位器使用。8031具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷，兩個定時／計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。8031內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但803 1單片機需外置振蕩電容。 單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTEL的MCS一51系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS．96系列單片機則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。MCS一5l系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3．2所示。 圖3．2 MCS．5l系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 由如下功能部件組成 (1)微處理器(CPU)； (2)數(shù)據(jù)存儲器（RAM)； (3)程序存儲器（ROM/EPROM），8031沒有此插件； (4)4個8淵亍I／0I1(P0口、Pl口、P2 L]、P3口)： (5)1個串行口； (6)2個16位競爭士器／計數(shù)強 (7)中斷系統(tǒng) (8)特殊功能害Fi與．器(SFR) MCS．51系列單片機中的803805l及875l均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位32個I／0口，中斷口線與P3口線復用。引腳的功能如圖3．3所示。 Pin9：RESE/ Vpd復位信號復用腳，當8031通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。 圖3．3 8031引腳結(jié)構(gòu) 803l的復位方式可以是自動復位也可是以手動復位。此外，RESET／Vpd還是Vet掉電期間，此引腳可以接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。 當訪問外部程序存儲器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1／6位的時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機是EPROM，在編程其間，PROG將用于輸入編程脈沖。 Pin29：PSEN當訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號，PC 的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在PO和P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，CPU讀入并執(zhí)行。 Pin31：EA／Vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和807l單片機，內(nèi)置有4kB的程序存儲器，當EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序存儲器超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的803l，EA端必須接地。在編程時，EA／Vpp腳還需加上12V的編程電壓。 3．3．2外部程序存儲器2764 由于803l單片機內(nèi)部無程序存儲器，所以必須擴展外部程序存儲器，用 來存放程序表格常數(shù)。外部程序存儲器有27127327627128等。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，大容量存儲芯片的產(chǎn)量劇增，售價不下降，致使一些小容量芯片價格高于大容量芯片，比如2712732價格較貴，且大容量存儲器性能價格比較明顯較高?；谝陨咸攸c，我們選用2764作為外部程序存儲器。2764為8KX8位容量的紫外線擦除可編程只讀存儲器，采用單+5v電源，工作電流75mA，維護電流位35mA，讀出時間最大為250ns，28腳雙列直插式封裝。引腳狀態(tài)如表3．1所示。CE/PGOEVppD7~D0讀入低高+5V程序讀出未選中高X+5V高阻編程+25V程序?qū)懭氤绦蛐Ｕ偷?25V程序讀出編程禁止低高+25V高阻3．3．3外部數(shù)據(jù)存儲器6264 該芯片具有功耗低的特點。在維持狀態(tài)只需幾個微電流，很適宜作需要斷電保護或需要長期低功耗狀態(tài)的存儲器。引腳狀態(tài)如表3．2所示。 狀態(tài)CS1OEWED7~D0未選中1高阻禁止011高阻讀入001數(shù)據(jù)讀入寫入010數(shù)據(jù)寫入表3．2 6264引腳狀態(tài)3．3．4地址鎖存器74LS373 MCS一51單片機受引腳數(shù)的限制，數(shù)據(jù)線和地址線是復用的，由P0口線 兼用。為了將它們分離出來，以便同單片機機外的擴展芯片正確連接，需要在單片機外部增加地址鎖存器。目前，常用的地址鎖存器芯片有，74LS3782874LS573等。74LS373是一種帶有三態(tài)門的8D鎖存器，其引腳如圖3．4所示。其引腳說明如下： D7～DO：8位數(shù)據(jù)線輸入 Q7Q0：8位數(shù)據(jù)線輸出 C：數(shù)據(jù)輸入鎖存引腳，高電平有效。當訪信號為高電平時，外部數(shù)據(jù)選通到內(nèi)部鎖存器，負跳變時，數(shù)據(jù)鎖存到鎖存器中。 OC：數(shù)據(jù)輸出允許腳，低電平有效。當該信號為低電平時，三態(tài)門打開，鎖存器中數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出線。當該信號為高電平時，輸出線為高阻態(tài)。 圖3．4 74LS373封裝圖 OCCDQ011100X不變1XX高阻態(tài)表3．3 74LS373功能表 3．3．5地址譯碼器74LS 139 譯碼法就是使用譯碼器對MCS．5l的高位地址進行譯碼，譯碼器的輸出作為存儲器芯片的片選信號。這是一種最常用的存儲器地址分配的方法，它能有效的利用存儲器空間，適用于大容量多芯片的存儲器擴展。譯碼電路可以使用現(xiàn)有的譯碼器芯片。最常用的譯碼器芯片有：74LS373(3—線8線譯碼器)，74LSl39(雙2線一線譯碼器)，74LS37154(4線一16線譯碼器)。它們使用靈活，完全可以根據(jù)設計者的要求來組合譯碼，產(chǎn)生片選信號。若全部高位地址線都參加譯碼，稱為全譯碼；若僅僅部分高位地址線參加譯碼，稱為部分譯碼，部分譯碼存在著部分存儲器地址空間相重疊的情況。 根據(jù)設計的需要，選擇譯碼芯片74LSl39。74LSl39是一種雙2線一4線譯碼器．這兩個譯碼器完全獨立，分別有各自的數(shù)據(jù)輸入端，譯碼狀態(tài)主次端以及數(shù)據(jù)輸入允許端．其引腳如圖3．5所示。74LSl39真值表如表3．4所示： 圖3．5 74LSl39引腳圖 3．4顯示部分的設計 803l雖然有4個8位I／O端口，但真正能提供借用的只有Pl口，因為P2和P0口通常用于外部傳送地址和數(shù)據(jù)，P3口也有他的第二功能。因此，803l通常需要擴展。由于我們用外輸出時間時，時間的個位，十位，信號燈的顯示都要用到一個I／O端口，顯然803l的端口是不夠，需要擴展。擴展的方法有兩種， (1)借用外部RAM地址來擴展I／O端口； (2)采用I／O接口芯片來擴充，我們用8255并行接口芯片來擴展I／O端口。 8255可編程并行接口芯片有三個輸入輸出端口，即A口、B口和C口，對應于引腳PA7～PA0、PB7～PB0和PC7～PC0。其內(nèi)部還有一個控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作為輸入輸出的數(shù)據(jù)端口。C口作為控制或狀態(tài)信息的端口它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每個端口包含一個4位鎖存器。它們分別與端口A／B配合使用，可以用作控制信號輸出或作為狀態(tài)信號輸入。 輸入端輸出端允許選擇EBAQ0Q1Q2Q31XX11110000111001101101011010111110表3．4 74LSl39真值表 8255可編程并行接口芯片方式控制字格式說明： 8255有兩種控制命令字，一個是方式選擇控制字，另一個是C口按位置位/復位控制字。方式控制字格式說明 D7：設定工作方式標志，l有效。 DD5：A口方式選擇 0 0：方式0 0 1：方式1 1 X：方式2 D4：A口功能 (1=輸入，0=輸出) D3：C口高4位功能 (1=輸入，0=輸出) D2：B口方式選擇 (0=方式0，1=方式1) D1：B口功能 (1=輸入，0=輸出) D0：C口低4位功能 (1=輸入，0=輸出) 8255可編程并行接口芯片工作方式說明： 方式0：基本輸入／輸出方式。適用于三個端口中的任何一個。每一個端口都可以用作輸入或輸出。輸出可被鎖存，輸入不能鎖存。 方式l：選通輸入／輸出方式。這時A 121或B口的8位外設線用作輸入或輸出，C El的4條線中三條用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆?lián)絡信號和中斷請求信號。 方式2：雙向總線方式。只有A口具備雙向總線方式，8位外設線用作輸入或輸出，此時C口的5條線用作通訊聯(lián)絡信號和中斷請求信號。 當定時器定時為1秒時程序跳轉(zhuǎn)到時間顯示及信號燈顯示子程序，它將依次顯示信號燈時間，同時一直顯示信號燈的顏色，這是在返回定時子程序定時一秒，在顯示黃燈的下一個時間，這樣依次把所有的燈色的時間顯示完后再重新給時間計數(shù)器賦初值，重新進入循環(huán)。 要使行人能看見信號燈的情況，必須把8255輸出的信號進行放大，這里我們用vT為雙向晶閘管當門極為高電平時晶閘管導通，該支路指示燈亮；平時關斷，該支路指示燈滅。 LED燈的顯示原理為通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二極管是否點亮而顯示不同的的字形如SP，g，f,e，d，C，b，a管腳上加上7FH所以SP上為0伏，不亮其余為TTL高電平，全亮則顯