8051单片机系统扩展.docx

1、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单片机系列中的单片机的系统扩展,在硬件电路部分，此设

2、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

3、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： 第一阶段（19741976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。 第二阶段（19761978年）：低性能单片机

4、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。 第三阶段（19781983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. 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

5、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2.2.1 MCS-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

6、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0000HFFFFH。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0000HFFFFH（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

7、器的地址。2.2.2 MCS-51系列单片机的外部扩展原理 1MCS-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。 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。 数据总线（DB）：数据总线是由P0口提供的，宽度为8位。 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

8、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

9、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

10、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) Intel 8255A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D0D7 ，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

11、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（PC7PC4），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（PC3PC0），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PC7PC3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：2.2.6 MCS-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： 只读存储器（ ROM ）常用于

12、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 。 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。 此外，还可以选择OTP ROM、Flash存储器、FRAM、NVSRAM、用于多处理机系统的DSRAM（双端口RAM）

13、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：0000H1FFFH。MCS-51扩展6264的电路连接方法：数据线：P0口接RAM的D0D7 ；地址线： 6264容量为8KB，213=8KB，需要A0A12共13根地址线。P0口经地址锁存器后接RAM的A0A7 ； P2.0P2.4接RAM的A8A12 。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

14、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D0D7）。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41 程序设计的思路与流程图42 程序清单与代码 ORG 4000H

15、 START: MOV R0 ,#00H LOOP : MOV R0 , #00H INC R0 JNZ R0 , LOOP MOV R1 ,#60H MOV R7 ,#32H MOV A , #1 LOOP 1: MOV R1 ,A INC A INC R1 DJNZ R7 ,LOOP1 MOV DPTR , #7FFFH MOV A , #0ABH MOVX DPTR , A END 43 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

16、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： P0.0P0.7：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

17、器扩展时的地址/数据复用口。 P1.0P1.7：P1口8位口线，通用I/O接口无第二功能。 P2.0P2.7：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。 P3.0P3.7：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

18、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： D0D7：锁存器8位数据输入线 Q0Q7：锁存器8位数据输出线 GN

19、D：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

20、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

21、封装。其引脚功能说明如下： A0A12：地址输入线 O0O7：双向三态数据线，有时用D0D7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80511数据存储器RAM62641I/O扩展芯片8255A1地址锁存器74LS3731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-PB1 总结通过此这次课程设计的学习，我不仅掌握

22、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

23、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 4MCS-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7MCS-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