8051单片机系统扩展.docx
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8051单片机系统扩展
课程名称:
微机控制技术及应用大作业
题目:
8051单片机系统扩展
学院：
系别：
班级：
学生姓名:
学 号:
第１章：
概述
1.1设计的目的与意义
单片机由于其集成度高，可靠性好，易于使用等优点在一些简单的应用场合如智能仪器仪表、小型检测及控制系统等得到广泛的应用。
但由于单片机内部的资源有限，对于一个较复杂的应用场合，单片机片内所具有的功能就显得不能满足要求了，这时就必须在片外做相应的扩展，构成更强的单片机系统，以适应特定应用系统的需要。
因此为了进一步巩固和学习单片机的知识,本课程设计为MCS-51单片机系列中的８０５１单片机的系统扩展,在硬件电路部分，此设计采用MCS-51系列中的8051单片机,74LS373地址锁存器，扩展外部数据存储器RAM6264，8255A接口芯片等元器件。
本设计采用地址锁存器选中各芯片各引脚,再通过软件部分的编程使单片机达到系统扩展的目的。
1.2单片机的概述与应用
1.2.1单片机定义：
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM）,只读程序存储器（ROM）,输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI）,显示驱动电路显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务
1.2.2单片机的特点：
✧集成度高、体积小
✧面向控制、功能强
✧抗干扰能力强
✧功耗低
✧使用方便
✧性能价格比高
✧容易产品化
1.2.3单片机的发展趋势：
单片机正朝着大容量高性能化、小容量低价格比、外围电路内装化、多品种化以及I/O接口功能的增强、功耗降低等方向发展。
单片机的发展可分为以下四个阶段：
Ø第一阶段（1974~1976年）：
单片机初级阶段。
因工艺有限，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。
Ø第二阶段（1976~1978年）：
低性能单片机阶段。
以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表，这种单片机片内集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器RAM和ROM等，不足之处位串行口，中断处理比较简单。
Ø第三阶段（1978~1983年）：
高性能单片机阶段。
这个阶段推出的单片机普遍带有串行口多级中断系统，16位定时、计数器，片内ROM、RAM容量加大，寻址范围可达64K.
Ø第四阶段（1983年至今）：
16位以上的单片机和超8位单片机并行发展阶段
1.2.4单片机的应用范围：
→测控系统。
→智能仪表。
→机电一体化产品。
→智能接口。
→智能民用产品。
（衣、食、住、行）
第二章：
设计原理
2.1设计要求与基本思路
2.1.1设计要求：
将8051单片机外接一片RAM6264和一片8255A组成一个应用系统。
并将6264的所有存储单元内容清零后，再把片外某50个单元内容置1-32H。
设置8255A的A口为方式1输出，B口方式0输入，C口高四位输入，C口低四位输入。
2.1.2基本思路：
✧设计出硬件电路，并画出电路的原理图；
✧设计出软件电路，画出程序流程图；
✧编制程序，写出源程序代码；
✧撰写5000字的详细说明书，最后总结出主要元器件的一些参数，并选择出所需要的一些元器件；
✧写出个人总结。
2.2设计方案的选择
2.2.1MCS-51单片机系统扩展概述
系统扩展是指为加强单片机某方面功能，在最小应用系统基础上，增加一些外围功能部件而进行的扩充。
存储器的扩展
存储器是计算机系统中的记忆装置，用来存放要运行的程序和程序运行所需要的数据。
单片机系统扩展的存储器通常使用半导体存储器，根据用途可以分为程序存储器（一般用ROM）和数据存储器（一般用RAM）两种类型。
片外可扩展存储器的最大容量为216=64KB，地址范围为0000H～FFFFH。
允许片外程序存储器和数据存储器的地址重叠。
I/O接口的编址方法：
一种是独立编址，另一种是统一编址。
MCS-51单片机采用了统一编址方式，即I/O端口地址与外部数据存储单元地址共同使用0000H～FFFFH（64KB）。
当MCS-51单片机应用统扩展较多外部设备和I/O接口时，要占去大量的数据存储器的地址。
2.2.2MCS-51系列单片机的外部扩展原理
1．MCS-51系列单片机的片外总线结构
MCS-51系列单片机具有很强的外部扩展功能。
其外部扩展都是通过三总线进行的。
Ø地址总线（AB）：
地址总线用于传送单片机输出的地址信号，宽度为16位，P0口经锁存器提供低8位地址，锁存信号是由CPU的ALE引脚提供的；P2口提供高8位地址。
Ø数据总线（DB）：
数据总线是由P0口提供的，宽度为8位。
Ø控制总线（CB）：
RD、WR、ALE、PSEN（读、写、地址锁存允许,外部ROM读选通）
2.2.3系统扩展选址有两种方法：
a）线选法：
利用单片机的一根空闲高位地址线（通常采用P2的某根口线）选中一个外部扩展I/O端口芯片，若要选中某个芯片工作，将对应芯片的片选信号端设为低电平，其它未被选中芯片的片选信号端设为高电平，从而保证只选中指定的芯片工作。
优点：
不需要地址译码器，可以节省器件，减小体积，降低成本
缺点：
可寻址的器件数目受到很大限制，而且地址空间不连续，这些都会给系统设计带来不便。
线选法进行外部扩展举例：
b）地址译码法:
对于容量较大的存储器或I/O端口较多的单片机应用系统进行外部扩展，当芯片所需要的片选信号多于可利用的高位地址线时，就需要采用地址译码法。
地址译码法必须采用地址译码器，常用的地址译码器有3-8译码器74LS138、双2-4译码器74LS139等。
地址译码法进行外部扩展举例：
本设计中采用地址译码法对其进行设计
2.2.4地址锁存器
程序存储器扩展时，还需要地址锁存器，地址锁存器常用的有带三态缓冲输出的8D锁存器74LS373、带有清除端的74LS273。
74LS373是带有三态门的8D锁存器，当三态门的使能信号线为低电平时，三态门处于导通状态，允许锁存器输出，锁存控制端为11脚LE，采用下降沿锁存，控制端可以直接与CPU的地址锁存控制信号ALE相连。
74LS273是带有清除端的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。
CPU的ALE信号必须经过反相器反相之后才能与74LS273的控制端CLK端相连。
地址锁存器使用74LS373较多。
引脚图如下页图所示。
与8051连接电路如下图所示。
2.2.5所用8255A芯片的介绍
a）Intel8255A芯片是通用可编程并行接口电路，广泛应用于单片机扩展并行I/O口。
它具有3个8位并行口PA,PB和PC，一个8位的数据口D0～D7，PC口分高4位和低4位。
高4位可与PA口合为一组（A组）,低4位可与PB口合为一组（B组），PC口可按位置位/复位。
40条引脚，DIP封装。
b）8255内部结构如下图所示：
c）8255A的3种工作方式
方式0（基本输入/输出方式）：
不需要任何选通信号，适合于无条件传输数据的设备，数据输出有锁存功能，数据输入有缓冲（无锁存）功能。
方式1（选通输入/输出方式）：
A组包括A口和C口的高四位（PC7～PC4），A口可由程序设定为输入口或输出口，C口的高四位则用来作为输入/输出操作的控制和同步信号；B组包括B口和C口的低四位（PC3～PC0），功能和A组相同。
方式2（双向I/O口方式）：
仅A口有这种工作方式，B口无此工作方式。
此方式下，A口为8位双向I/O口，C口的PC7～PC3用来作为输入输出的控制和同步信号。
此时，B口可以工作在方式0或方式1。
d）8255A方式选择控制字：
2.2.6MCS-51单片机对外部存储器的扩展应考虑的问题：
选择合适类型的存储器芯片：
Ø只读存储器（ROM）常用于固化程序和常数，可分为掩膜ROM、可编程PROM、紫外线可擦除EPROM和电可擦除E2PROM几种。
若所设计的系统是小批量生产或开发产品，则建议使用EPROM和E2PROM；若为成熟的大批量产品，则应采用PROM或掩膜ROM。
Ø随机存取存储器（RAM）常用来存取实时数据、变量和运算结果。
可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两类。
若所用的RAM容量较小或要求较高的存取速度，则宜采用SRAM；若所用的RAM容量较大或要求低功耗，则应采用DRAM，以降低成本。
Ø此外，还可以选择OTPROM、Flash存储器、FRAM、NVSRAM、用于多处理机系统的DSRAM（双端口RAM）等。
2.3设计框图
2.4设计原理图
☺MCS-51单片机外扩RAM6264芯片的电路原理图如下图所示
6264的地址范围为：
0000H～1FFFH。
MCS-51扩展6264的电路连接方法：
数据线：
P0口接RAM的D0~D7；
地址线：
6264容量为8KB，213=8KB，需要A0～A12共13根地址线。
P0口经地址锁存器后接RAM的A0~A7；P2.0～P2.4接RAM的A8~A12。
控制线：
ALE接373的LE，RD接RAM的OE、WR接RAM的WE，
只有一片EPROM，且系统无其他I/O接口及外围设备扩展，片选CE可以接地。
☺MCS-51单片机外扩8255A芯片的电路原理图如下图所示
8255A芯片内部已有数据总线驱动器，可以直接与MCS-51单片机总线相连接（P0口接D0～D7）。
8255A的RESET分别与MCS-51单片机的RESET相连，单片机地址线最低2位分别接8255A芯片的A1，A0。
PA,PB,PC及控制寄存器的地址分别是7FFCH,7FFDH,7FFEH和7FFFH。
而当MCS-51单片机同时外扩RAM6264芯片和8255A时的电路与前两者有所不同，其原理图如下所示：
第3章硬件电路设计
3.1时钟电路
3.2复位电路
3.3有关8051的电路：
3.4单片机与I/O设备的关系：
第四章：
程序设计
4．1程序设计的思路与流程图
4．2程序清单与代码
ORG4000H
START:
MOVR0,#00H
LOOP:
MOV@R0,#00H
INCR0
JNZR0,LOOP
MOVR1,#60H
MOVR7,#32H
MOVA,#1
LOOP1:
MOV@R1,A
INCA
INCR1
DJNZR7,LOOP1
MOVDPTR,#7FFFH
MOVA,#0ABH
MOVX@DPTR,A
END
4．3程序调试
通过上面的硬件设计和软件设计过程，8051单片机系统扩展设计的工作已经基本完成了，接下来的工作就是对所设计好的应用系统进行调试。
通过调试可以检查出系统出现的一些错误，从而进行下一步的修改，直至调试成功。
（1）在调试工作面板上按电路图连接好电路；
（2）在PC机上运行汇编语言编程软件，并输入已编好的程序代码；
（3）先对程序进行编译，如果有错误还得对程序进行修改，如果编译正确可以进行下一步操作；
（4）打开仿真开关，若仿真成功，则调试成功
第5章元件明细表
5.1所用芯片引脚图及说明
1、MCS-51
芯片介绍：
MCS-51系列单片机是美国Intel公司开发的8位单片机，又可以分为多个子系列。
MCS-51系列单片机共有40条引脚，包括32条I/O接口引脚、4条控制引脚、2条电源引脚、2条时钟引脚。
引脚说明：
P0.0～P0.7：
P0口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为存储器扩展时的地址/数据复用口。
P1.0～P1.7：
P1口8位口线，通用I/O接口无第二功能。
P2.0～P2.7：
P2口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为存储器扩展时传送高8位地址。
P3.0～P3.7：
P3口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为为单片机的控制信号。
ALE/PROG：
地址锁存允许/编程脉冲输入信号线（输出信号）
PSEN：
片外程序存储器开发信号引脚（输出信号）
EA/Vpp：
片外程序存储器使用信号引脚/编程电源输入引脚
RST/VPD：
复位/备用电源引脚
2、74LS373
芯片介绍：
74LS373是带有三态门的八D锁存器，当使能信号线OE为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q-8Q输出到OUT1-OUT8，当OE端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT1-OUT8处于浮空状态。
G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE为低电平，这时，当G端输入端为高电平时，锁存器输出（1Q-8Q）状态和输入端（1D-8D）状态相同；当G端从高电平返回到低电平（下降沿）时，输入端（1D-8D）的数据锁入1Q-8Q的八位锁存器中。
当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。
引脚说明如下：
D0～D7：
锁存器8位数据输入线Q0～Q7：
锁存器8位数据输出线GND：
接地引脚Vcc：
电源引脚，＋5V有效OE：
片选信号引脚G：
锁存控制信号输入引脚
3、8255A
芯片说明：
8255A是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片,它具有3个8位的并行I/O口,具有三种工作方式,可通过程序改变其功能,因而使用灵活,通用性强,可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。
8255有三种基本工作方式， 三种工作方式由工作方式控制字决定,方式控制字由CPU通过输入/输出指令来提供.三个端口中PC口被分为两个部分,上半部分随PA口称为A组,下半部分随PB口称为B组.其中PA口可工作与方式0、1和2，而PB口只能工作在方式0和1。
8255共有40个引脚,采用双列直插式封装,各引脚功能如下：
D0--D7：
三态双向数据线,与单片机数据总线连接,用来传送数据信息。
CS：
片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。
RD：
读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。
WR：
写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。
Vcc：
+5V电源。
PA0--PA7：
A口输入/输出线。
PB0--PB7：
B口输入/输出线。
PC0--PC7：
C口输入/输出线。
RESET：
复位信号线。
A1、A0：
地址线，用来选择8255内部端口。
GND：
地线。
4、6264
芯片介绍：
6264是8K*8位静态随机存储器芯片,采用CMOS工艺制造,单一+5V供电,额定功耗200mW,典型存取时间200ns,28线双列直插式封装。
其引脚功能说明如下：
A0～A12：
地址输入线
O0～O7：
双向三态数据线，有时用D0～D7表示
：
片选信号输入端，低电平有效
：
读选通信号输入线，低电平有效
：
写选通信号输入线，低电平有效
Vcc：
工作电源输入引脚，＋5V
NC：
为空引脚
CS：
第二选片信号引脚，高电平有效
5.2元器件明细表
表1元器件列表附：
导线若干
器件名称
芯片型号
数量（块）
单片机
MCS-51系列8051
1
数据存储器RAM
6264
1
I/O扩展芯片
8255A
1
地址锁存器
74LS373
1
电阻（RES）
常用电阻
3
电容（CAP）
常用电容
4
晶体振荡器
XTAL（6MHZ）
1
按扭开关
SW-PB
1
总结
通过此这次课程设计的学习，我不仅掌握了单片机的工作原理及其基本知识，并且对各种芯片的使用方法亦有了进一步的认识，对数据存储器和程序存储器的扩展以及I/O并行口的扩展知识有了更深的了解，从整体上把握了单片机的知识，收获很大。
单片机应用系统的设计最主要的部分是硬件部分和软件部分，单片机应用系统是指以单片机芯片为核心的，通过配以一定的外围电路和软件，从而达能实现某种或几种功能的应用系统的目的。
硬件部分仅仅只是我们实现某种功能的基础和平台，软件部分是硬件部分的灵魂，没有软件部分，单片机无法执行工作，软件是对硬件功能的扩展和完善。
致谢
本设计是在赵阳老师的悉心指导下完成的。
她的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多为人处世的道理。
本设计从选题到完成，每一步都是在赵老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。
另外，本设计的完成也离不开各位同学给我的建议和帮助，是他们让我明白了团队合作的精神。
在此，谨向赵老师和同学们表示崇高的敬意和衷心的感谢！
参考文献
［1］《新编MCS-51单片机应用设计》张毅刚、彭喜元等编著名，哈尔滨工业大学出版社
［2］《单片机应用技术》刘守义主编,西安电子科技大学出版社
［3］《单片机在电子电路设计中的应用》赫建国,郑燕,薛延侠编著，清华大学出版社
［4］《MCS-51单片机应用开发实用子程序》边春远，王志强编著，人民邮电出版社
［5］《单片机学习指导》李朝青编著，北京航空航天大学出版社
[6]《微型计算机原理及应用》郑学坚，周斌著，清华大学出版社
[7]《MCS-51系列单片机系统应用设计》何立民。
北京航空航天大学出版社
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