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了解單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)任務(wù)3單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)1認(rèn)識單片機(jī)1.了解單片機(jī)的基本概念及發(fā)展史。2.掌握AT89S51單片機(jī)的封裝及引腳定義。3.了解AT89S51單片機(jī)的主要功能特性。在利用單片機(jī)實現(xiàn)預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)前,首先需要對單片機(jī)有一個基本的了解。本任務(wù)的目的就是使讀者對單片機(jī)形成一定的感性認(rèn)識,學(xué)會識別不同封裝形式單片機(jī)的引腳編號,并掌握各個引腳功能的定義。一、單片機(jī)的概念單片機(jī)是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器(CPU)、隨機(jī)存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、I/O接口電路、中斷系統(tǒng)及定時/計數(shù)器等主要計算機(jī)部件集成到一塊芯片上,使其具有計算機(jī)的基本功能,稱為單片微型計算機(jī)(SingleChipMicroComputer,SCMC),簡稱單片機(jī)。二、單片機(jī)的發(fā)展史第一階段(1976—1979)單片機(jī)的探索階段Intel公司MCS-48為代表
第二階段(1979—1982)單片機(jī)的完善階段Intel公司MCS-51為代表
第三階段(1982—1990)16位單片機(jī)推出階段Intel公司MCS-96為代表
第四階段(1990至今)微控制器全面發(fā)展階段MicrochipPICMotorola為代表MC68HC三、單片機(jī)的封裝形式及引腳定義PDIP封裝形式的AT89S51單片機(jī)的引腳描述引腳定義引腳編號功能描述VCC40電源引腳,接+5V電源GND20接地引腳,接+5V電源地XTAL1和XTAL219和18時鐘引腳,外接時鐘電路RST9復(fù)位引腳,用于單片機(jī)復(fù)位P0.0~P0.7(P0口)39~321.作為8位雙向I/O口使用2.在訪問外部存儲器或外部接口電路時,分時用作低8位地址線和數(shù)據(jù)總線P1.0~P1.7(P1口)1~81.作為8位準(zhǔn)雙向I/O口使用2.用于ISP編程下載(P1.5、P1.6、P1.7)(續(xù)表)引腳定義引腳編號功能描述P2.0~P2.7(P2口)21~181.作為8位準(zhǔn)雙向I/O口使用2.在訪問外部存儲器或外部接口電路時,分時用作高8位地址線P3.0~P3.7(P3口)10~171.作為8位準(zhǔn)雙向I/O口使用2.具有第二功能(詳見課題五中具體應(yīng)用)/Vpp31外部/內(nèi)部程序存儲器使能端29外部程序存儲器讀選通信號端ALE/30地址鎖存允許信號端四、AT89S51的功能特性?兼容MCS-51系列產(chǎn)品。?4KBFlash存儲器,支持
在線編程,可反復(fù)擦寫1000次。?128B片內(nèi)RAM。?工作電壓4.5~5.5V。?全靜態(tài)時鐘0~33MHz。?32個雙向I/O口線。?2個16位定時/計數(shù)器。?5個中斷源,2個中斷優(yōu)
先級。?1個全雙工UART串行口。?看門狗定時器。?低功耗空閑和省電模式。生產(chǎn)廠家類別型號舉例圖片ATMEL公司AT89系列AT89C2051(DIP封裝)AT89S52(DIP封裝)AT90系列(AVR單片機(jī))ATmega48(QFP封裝)查找資料,了解常見的其他類型單片機(jī)。生產(chǎn)廠家類別型號舉例圖片STC公司STC單片機(jī)STC89C52RC(DIP封裝)MicroChip公司PIC單片機(jī)PIC16F877A(DIP封裝)PHILIPS公司51LPC系列LPC2148FBD64(LCC封裝)生產(chǎn)廠家類別型號舉例圖片TI公司MSP430系列MSP430F1612(QFP封裝)TMS370系列TMS370C722FNT(LCC封裝)Motorola公司MC68HC908系列MC68HC908SR12CB(DIP封裝)單擊此處返回目錄任務(wù)2了解單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
1.了解AT89S51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。2.了解AT89S51單片機(jī)I/O端口的結(jié)構(gòu)特點。3.掌握AT89S51單片機(jī)I/O端口的使用方法。設(shè)計單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),不僅要進(jìn)行程序的設(shè)計,還要進(jìn)行硬件電路的設(shè)計。因此,設(shè)計時要求設(shè)計者對單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)要有一定的了解。本任務(wù)就是要在了解單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,掌握單片機(jī)I/O端口與外圍電路的合理設(shè)計方法。一、單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)各組成部分說明組成部分說明中央處理器(CPU)單片機(jī)的核心部件,是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器,能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼,CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)地工作,完成運算和控制輸入輸出功能等操作數(shù)據(jù)存儲器(RAM)內(nèi)部有256B的RAM,其中包含128B用戶數(shù)據(jù)存儲單元(地址為00H~7FH)和128B專用寄存器單元(地址為80H~FFH)程序存儲器(ROM)內(nèi)部有4KB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(T0、T1)含有兩個16位的定時/計數(shù)器(T0、T1),以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能組成部分說明并行輸入輸出(I/O)口共有4組8位并行I/O口(P0、P1、P2和P3),用于單片機(jī)與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸全雙工串行口內(nèi)置一個全雙工串行通信口,用于與其他設(shè)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,也可以當(dāng)同步移位器使用中斷系統(tǒng)共含有5個中斷源(2個外部中斷、2個定時/計數(shù)器中斷和1個串行中斷),并具有2級的優(yōu)先級別選擇時鐘電路需外接晶振和微調(diào)電容構(gòu)成振蕩電路,產(chǎn)生單片機(jī)運行的脈沖時序(續(xù)表)二、單片機(jī)的I/O端口AT89S51單片機(jī)有4個并行的I/O端口,即P0、P1、P2和P3口。每個端口均由8個引腳(即8位)構(gòu)成,包括一個鎖存器、一個輸出驅(qū)動器和一個輸入緩沖器。P0口為雙向8位三態(tài)I/O口,作為通用I/O口時,每一位能以吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL負(fù)載。當(dāng)用于外接存儲器或者擴(kuò)展I/O接口時,作為數(shù)據(jù)總線(D0~D7)和地址總線(A0~A7)的低8位(分時復(fù)用,通過ALE信號區(qū)分)。CPU可對其按字節(jié)方式或位方式進(jìn)行操作。1.P0口
P0口為漏極開路輸出端口,即漏極沒有電阻接至電源。作為I/O口輸出時,輸出低電平為“0”,但輸出高電平為高阻態(tài)(并非+5V,相當(dāng)于懸空狀態(tài)),也就是說P0口不能真正地輸出高電平,因此在使用時需外接上拉電阻,由電源通過這個上拉電阻給負(fù)載提供電流,如右圖所示。P0口作為通用I/O口時,要外接上拉電阻才能輸出高電平,上拉電阻的阻值由外部負(fù)載電流決定;當(dāng)作為地址/數(shù)據(jù)總線時,無需外接上拉電阻,此時不能再作通用I/O口使用。P1口為8位準(zhǔn)雙向I/O口。使用時與P0口相似,但其內(nèi)部具有提升電路,由于輸入不能鎖存,必須先輸出1才能正確讀出端口電平,故稱為準(zhǔn)雙向口。作為通用I/O口使用時可以直接驅(qū)動4個TTL負(fù)載。
2.P1口?P1.5:MOSI端(用于ISP編程,主出從入數(shù)據(jù)端)。?P1.6:MOSO端(用于ISP編程,主入從出數(shù)據(jù)端)。?P1.7:SCK端(用于ISP編程,串行時鐘輸入端)。同時P1口的部分引腳還具有第二功能:P2口為8位準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)用作通用并行I/O口時,其操作方式與P0、P1口類似,每一位可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。當(dāng)用于外接存儲器或者擴(kuò)展I/O接口時,P2口作為擴(kuò)展的高8位地址(A8~A15)總線口,與P0口共同構(gòu)成16位地址總線(A0~A15)。3.P2口引腳符號名稱功能P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2外部中斷0輸入P3.3外部中斷1輸入P3.4T0定時器0的外部輸入P3.5T1定時器1的外部輸入P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫信號P3.7外部數(shù)據(jù)存儲器讀信號
P3口為8位準(zhǔn)雙向口,其結(jié)構(gòu)和操作方式等與P2口類似。同時P3口還可按位復(fù)用為第二功能,具體見下表。
4.P3口三、單片機(jī)I/O口的讀寫操作
P0口作為輸出口使用單片機(jī)最小系統(tǒng)P2口作為輸入口使用單片機(jī)的4個I/O口在使用時,當(dāng)某一端口既作輸入又作輸出使用,且要進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)輸入操作時,需先將該端口寫“1”然后再讀。[例]P1口在輸出轉(zhuǎn)輸入操作時的軟件編程方法。匯編:MOVP1,#23HC51:P1=0x23;//P1口作輸出口使用MOVP1,#0FFHP1=0xff;//先將P1口置“FF”MOVA,P1ACC=P1;//P1口由輸出轉(zhuǎn)輸入口若端口只作輸入口使用,則讀數(shù)時不必再向端口先寫“1”。已知P0口內(nèi)部位結(jié)構(gòu)圖如下圖所示,試查找相關(guān)資料分析為何當(dāng)P0口輸出高電平時需外接上拉電阻。單擊此處返回目錄任務(wù)3單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計1.了解單片機(jī)最小系統(tǒng)各部分的組成及功能。2.掌握單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計與制作方法。單片機(jī)是一種微控制器,而任何微控制器正常工作最基本的條件是要有正確的電源、時鐘和復(fù)位電路(即最小系統(tǒng)),三者缺一不可。因此,在所有的單片機(jī)應(yīng)用電路中,單片機(jī)必須滿足以上三個條件才能正常運行工作。本任務(wù)就是要認(rèn)識單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成及各部分的作用,并最終完成單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計與制作,這是每一位設(shè)計者必須掌握的最基本的硬件電路設(shè)計知識。一、電源電路——單片機(jī)的工作電壓
單片機(jī)要想工作,首先要有為整個系統(tǒng)提供電源的供電模塊。電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和基礎(chǔ)。51系列單片機(jī)工作電源的電壓一般為+4.5~+5.5V,典型值為+5V,即將單片機(jī)的VCC腳接+5V電源,GND腳接地。二、時鐘電路——單片機(jī)的“心臟”即單片機(jī)內(nèi)部的高增益反向放大器通過XTAL1、XTAL2引腳外接作為反饋元件的片外晶體振蕩器(呈感性)與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個自激振蕩器,向內(nèi)部的時鐘電路提供振蕩時鐘。1.內(nèi)部時鐘方式外部時鐘方式常用于多片51單片機(jī)同時工作,以便于同步。它是將外部振蕩脈沖信號通過CMOS門電路輸入至XTAL1腳,XTAL2腳懸空,如下圖所示。時鐘電路異常也會引起單片機(jī)CPU不工作,可通過測量ALE腳是否有六分頻信號輸出來判斷振蕩電路是否起振。2.外部時鐘方式3.時序51系列單片機(jī)的一個機(jī)器周期由12個振蕩周期組成,分為6個狀態(tài),分別稱為S1、S2、S3、S4、S5、S6,每個狀態(tài)都包含P1和P2兩相。振蕩周期、狀態(tài)周期、機(jī)器周期和指令周期的關(guān)系如下:[例]AT89S51外接晶振頻率為12MHz,則4個時間周期的具體值為:解:振蕩周期=1/12μs狀態(tài)周期=2×振蕩周期=1/6μs機(jī)器周期=6×狀態(tài)周期=1μs指令周期=(1~4)×機(jī)器周期=1~4μs三、復(fù)位電路——單片機(jī)恢復(fù)初始狀態(tài)值1.硬件復(fù)位上電復(fù)位電路上電與按鍵均有效的復(fù)位電路2.軟件復(fù)位即看門狗復(fù)位,AT89S51內(nèi)部自帶看門狗定時器,由一個14
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