MCS51单片机.docx

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MCS51单片机

一、概述

MCS-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。

如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。

它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。

但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。

（一）控制器

控制器是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。

单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。

首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送至指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。

这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。

控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。

（二）存储器的结构

MCS-51单片机存储器采用的是哈佛结构,即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开,程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式,寻址空间和控制系统。

这种结构对于单片机面向控制的实际应用极为方便,有利。

在8051/8751弹片击中,不仅在片内集成了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器,而且还具有极强的外存储器的扩展能力,寻址能力分别可达64KB,寻址和操作简单方便.MCS-51的存储器空间可划分为如下几类:

1.程序存储器

单片机系统之所以能够按照一定的次序进行工作,主要是程序存储器中存放了经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。

程序实际上是一串二进制码,程序存储器可以分为片内和片外两部分。

8031由于无内部存储器,所以只能外扩程序存储器来存放程序。

MCS-51单片机复位后,程序存储器PC的内容为0000H,故系统必须从0000H单元开始取指令,执行程序.程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址.一般在该单元存放一条绝对跳转指令,跳向用户设计的主程序的起始地址。

2.内部数据存储器

MCS-51单片机内部有128个字节的随机存取存储器RAM,作为用户的数据寄存器,它能满足大多数控制型应用场合的需要,用作处理问题的数据缓冲器。

MCS-51单片机的片内存储器的字节地址为00H-7FH.MCS-51单片机对其内部RAM的存储器有很丰富的操作指令,从而使得用户在设计程序时非常方便。

地址为00H-1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区,每个区含8个8位寄存器,编号为R7-R0。

用户可以通过指令改变PSW中的RS1,RS0这二位来切换当前的工作寄存器区,这种功能给软件设计带来极大的方便,特别是在中断嵌套时,为实现工作寄存器现场内容保护提供了极大的方便。

3.特殊功能寄存器（SFR-SpecialFunctionRegister）

特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的状态,实际上是MCS-51单片机各功能部件的状态及控制寄存器.SFR综合的,实际的反应了整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式.SFR实质上是一些具有特殊功能的片内RAM单元,字节地址范围为80H-FFH.特殊功能寄存器的总数为21个,离散的分布在该区域中,其中]有些SFR还可以进行位寻址.128个字节的SFR块中仅有21个字节是由定义的.对于尚未定义的字节地址单元,用户不能作寄存器使用,若访问没有定义的单元,则将得到一个不确定的随机数.

4.并行I/O口

MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口（Port），分别记作P0-P3，共有32根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。

实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。

这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位寻址。

由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有一些差异。

P0口是双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。

P1口是8位准双向I/O口，可驱动4个LS型负载。

P2口是8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。

P3口是8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。

P1口、P2口、P3口各I/O口线片内均有固定的上拉电阻，当这3个准双向I/O口做输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态，故称为双向三态I/O口。

5.时钟电路与时序

时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。

MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。

在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。

CPU发出的时序信号有两类，一类用于片内对各个功能部件的控制，这列信号很多。

另一类用于片外存储器或I/O端口的控制，这部分时序对于分析、设计硬件接口电路至关重要。

这也是单片机应用系统设计者普遍关心的问题。

6.单片机的应用领域

单片机应用领域可以归纳为以下几个方面。

（1）智能仪表。

用单片机系统取代老式的测量、控制仪表，实现从模拟仪表向数字化、智能化仪表的转化，如各种温度仪表、压力仪表、流量仪表、电能计量仪表等。

（2）测控系统。

用单片机取代原有的复杂的模拟数字电路，完成各种工业控制、数据采集系统等工作。

（3）电能变换。

应用单片机设计变频调速控制电路。

（4）通信。

用单片机开发通信模块、通信器材等。

（5）机电产品。

应用单片机检测、控制传统的机械产品，使传统的机械产品结构简化，控制智能化，提高了机电产品的可靠性，增强了产品的功能。

（6）智能接口。

在数据传输中，用单片机实现外部设备与微机通信。

二、系统设计要求

（一）基本功能

1.能够显示时分秒

2.能够调整时分秒

（二）扩展功能

1.能够任意设置定时时间

2.定时时间到闹铃能够报警

3.实现了秒表功能

三、硬件总体设计方案

用一扬声器来本次设计时钟电路，使用了AT89C51单片机芯片控制电路，单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路，使得电路简明易懂，使用键盘键上的按键来调整时钟的时、分、秒，进行定时提醒，同时使用C语言程序来控制整个时钟显示，使得编程变得更容易，这样通过四个模块：

键盘、芯片、扬声器、显示屏即可满足设计要求。

（一）系统功能实现总体设计思路

如图3-10所示为AT89S51芯片的引脚图，图3-10AT89S51芯片外部引脚图

此设计原理框图如图3-11所示，此电路包括以下四个部分：

单片机，键盘，闹铃电路及显示电路。

图3-11设计原理框图

经多方论证硬件我们小组采用AT89C51单片机和7SED八位共阳极数码管等来实现单片机电子时钟的功能。

详细元器件列表如表3.12所示：

（二）各部分功能实现

.1.单片机发送的信号通过程序控制最终在数码管上显示出来。

2.单片机通过输出各种电脉冲信号来驱动控制各部分正常工作。

3.为使时钟走时与标准时间一致，校时电路是必不可少的，键盘用来校正数码管上显示的时间。

单片机通过控制闹铃电路来完成定时闹钟的功能。

（三）系统工作原理

设计的电路主要由四模块构成：

单片机控制电路，显示电路、闹铃电路以及校正电路。

详细电路功能图如图3-30：

详细电路功能图如图3-30

本设计采用C语言程序设计，使单片机控制数码管显示时、分、秒，当秒计数计满60时就向分进位，分计数器计满60后向时计数器进位，小时计数器按“23翻0”规律计数。

时、分、秒的计数结果经过数据处理可直接送显示器显示。

当计时发生误差的时候可以用校时电路进行校正。

设计采用的是时、分、秒显示，单片机对数据进行处理同时在数码管上显示。

（四）时钟各功能分析及图解

1.时钟运行图。

仿真开始运行时，或按下key4键时，时钟从12：

00：

00开始运行，其中key2键对分进行调整，key3对小时进行调整，key6可以让时钟暂停。

时钟运行图如图3-41所示：

2.秒表计时图。

当按下key1键进入秒表计时状态，key6是秒表暂停键，可按key4键跳出秒表计时状态。

秒表计时图如图3-42所示：

图3-41时钟运行图。

图3-42秒表计时图

3.闹铃设置图及运行图。

当按下key5，开始定时，分别按key2调分，key3调时设置闹铃时间，然后按下key4键恢复时钟运行状态（图3-43）当闹铃设置时间到时，蜂鸣器将发出10秒中蜂鸣声（图3-44）。

图3-43闹铃时间设置图

该数字钟是用一片AT89C51单片机通过编程去驱动8个数码管实现的。

通过6个开关控制,从上到下6个开关KEY1-KEY6的功能分别为：

KEY1,切换至秒表；KEY2,调节时间,每调一次时加1；KEY3,调节时间,每调一次分加1；KEY4,从其它状态切换至时钟状态；KEY5,切换至闹钟设置状态,也可以对秒表清零；KEY6,秒表暂停.控制键分别与P1.0~P1.5口连接．其中：

A通过P2口和P3口去控制数码管的显示如图所示P2口接数码管的a——g端，是控制输出编码,P3口接数码管的1——8端,是控制动态扫描输出．B从P0.0输出一个信号使二极管发光，二极管在设置的闹钟时间到了时候发光，若有乐曲可以去驱动扬声器实现。

图3-44闹铃运行图

4.电路功能使用说明

（1）各个控制键的功能：

可对时间进行校准调节（只能加１）；按下设置键数字时钟进入闹钟设置状态，设置闹钟的时间；时加１、分加１键是在校准时间时或设置闹钟时间对小时数或分钟数调节而设置的；按下秒切换键就可以进入秒表模式，同时秒表也开始计时，按下秒表暂停、复位键就暂停、归零，如果要重新对秒计时则可以按秒表开始、复位；清零键可以对闹钟清零。

（2）AT89C51单片机，通过编写程序对数码显示进行控制。

（3）八个7段数码管显示时钟和秒表信号

四、软件总体设计方案

（一）主程序流程图

软件程序从开始执行，先通过初始化各个寄存器，经过扫描按键来决定是否设定参数来执行相应功能的程序，进而在数码管上显示。

如图4-10：

（二）

图4-20中断流程图

时间的显示通过此中断程序来控制，并且通过与设定的时间进行比较来判断是否让闹铃工作。

程序中包含时间的设定，如设定tcount来使秒等工作，进而来控制分和时。

如上图图4-20。

A.秒表中断程序流程

秒表功能通过另一个程序来实现。

通过保护主程序的数据来进行秒表功能。

程序中需要设置秒表的具体显示方法。

如图4-3：

图4-3秒表中断程序流程图

B.按键程序流程。

图4-4为时钟和闹钟的调节，程序中通过扫描来判断按键是否按下进行时间和闹钟的调节。

图4-4按键程序流程图

参考文献

【1】李叶紫．王喜斌编著MCS_51单片机应用教程清华大学出版社．2008.6.

【2】陆剑．单片机应用技术指导书河南工业职业技术学院2005.12.

【3】汪道辉.单片机系统设计与实践.电子工业出版社（50页时、分、秒计时器设计，59页键盘及接口技术）.

【4】系列单片机设计实例.北京航空航天大学出版社（81—89页数码管时钟电路的设计）.