51单片机课题设计

实验一、单片机最小系统的熟悉

一、实验目的

在进行其他实验之前，先熟悉实验装置的核心模块——单片机最小系统模块。掌握该实验模块的电路原理和接口的使用方法。

1．掌握单片机振荡器时钟电路及CPU工作时序；掌握复位状态及复位电路设计；掌握单片机各引脚功能及通用I/O口的使用；掌握单片机基本指令的使用。

2．掌握IDE集成开发环境，仿真器和烧录器等开发工具的使用。

二、实验设备

1.单片机仿真器(伟福S51、仿真头POD-H8X5X)，烧录器(西尔特Superpro 680)；

2.单片机最小系统实验模块，键盘实验模块，发光二极管阵列实验模块。

三、实验要求

1．连接实验电路，编写简易单片机汇编程序达到下述工作要求：以任意两个独立式按键作为输入，当第一键按下时，点亮第一行发光二极管；当第二键按下时，点亮第二行发光二极管。

2．将编写的程序调入仿真器中，在IDE集成开发环境中进行调试；

3．在IDE中产生机器码文件，用烧录器烧录到单片机芯片中，插在板子上观察工作情况。

四、实验原理

4．1 AT89C51引脚说明

我们以常用的单片机芯片AT89C51为教学实例，首先对其引脚进行简要介绍：

◆P0.0～P0.7：P0口的8位双向三态I/O口线；

◆P1.0～P1.7：P1口的8位准双向口线；

◆P2.0～P2.7：P2口的8位准双向口线；

◆P3.0～P3.7：P3口的8位具有双重功能的准双向口线；

◆-ALE：地址锁存控制信号。

◆-PSEN：外部程序存储器读选通信号，读外部ROM时PSEN低电

平有效。

◆-EA：访问程序存储器控制信号，当EA为低电平时，对ROM的

读操作限制在外部程序存储器；当EA为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。

◆RST 复位信号，复位信号延续2个机器周期以上高电平时即

为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

◆XTAL1 和 XTAL2 外接晶体引线端，当使用芯片内部时钟时，

此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

◆Vss 地线。

◆Vcc +5V电源。

图1-1 AT89C51引脚图及逻辑符号图

P3口线的第二功能见表1-1，这些特殊功能我们将在以后的实验中进行学习。

表1-1 P3口线的第二功能

4．2 振荡电路、时钟电路和CPU时序

（1）振荡电路、时钟电路。如图1- 2所示，外部时钟振荡电路由晶体振荡器和电容C1、C2构成并联谐振电路，连接在XTAL1、XTAL2脚两端。对外部C1、C2的取值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。C1、C2通常取值C1=C2=30PF左右；8051的晶振最高振荡频率为12M，AT89C51的外部晶振最高频率可到24M。在单片机最小系统板上已经提供了晶振电路，在使用该电路时，应加上跳线帽，并插入合适的晶振。

图1-2 片内振荡器等效电路和外接元件

AT89C51也可以采用外部时钟方式，外部时钟从XTAL1脚输入，XTAL2脚浮空。可以采用我们板子上提供的外部时钟源作为单片机外部时钟输入。

（2）CPU时序

晶振（或外部时钟）的振荡频率的确定，就确定了CPU的工作时序。这里介绍几个重要的时序概念，我们在以后的实验中还会经常涉及到：

◇振荡周期：是指为单片机提供定时信号的振荡器的周期。

◇时钟周期：振荡周期的两倍，前部分通常用来完成算术逻辑操作；后部分完成内部寄存器和寄存器间的传输。

◇机器周期：在8051单片机中，一个机器周期由12个振荡周期组成。

◇指令周期：是指执行一条指令所占用的全部时间。一个指令周期通常含有1~4个机器周期。机器周期和指令周期是两个很重要的衡量单片机工作速度的值。

若外接12MHz晶振时，8051的四个周期的值为：

振荡周期=1/12us；

时钟周期=1/6us；

机器周期=1us；

指令周期=1~4us。

在一些应用中，传统的8051的速度显得有些慢，因此，当前很多采用8051内核的新型单片机采用了加速处理器结构，使机器周期提高到振荡周期的6倍、4倍等等，RISC（精简指令集）的采用，更让单片机在单个时钟周期完成一条指令，使得单片机在处理速度上得到大大提高。

4．3 复位状态和复位电路设计

（1）复位状态

在8051单片机中，只要在单片机的RST引脚上出现2个机器周期以上的高电平，单片机就实现了复位。单片机在复位后，从0000H地址开始执行指令。复位以后单片机的P0~P3口输出高电平，且处于输入状态，SP（堆栈寄存器栈顶指针）的值为07H（因此，往往需要重新赋值，其余特殊功能寄存器和PC（程序计数器）都被清为0。复位不影响内部RAM的状态。

（2）复位电路

单片机可靠的复位是保证单片机正常运行的关键因素。因此，在设计复位电路时，通常要使RST引脚保持10ms以上的高电平。当RST从高电平变为低电平之后，单片机就从0000H地址开始执

行程序。

8051单片机通常都采用上电自动复位和开关复位两种方式。实际使用中，有些外围芯片也需要复位，如8255等。这些复位端的复位电平要求与单片机的复位要求一致时，可以把它们连起来。

在最小系统板上，提供了一个通用的复位电路，在使用该板之前，必须将该电路与单片机联结起来。另外，还可以采用主板上的微处理器监控模块来控制复位脚，以便更加可靠地管理单片机的工作。

4．4 存储器、特殊功能寄存器及位地址

51单片机的存储器包括5个部分：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间、外部数据存储器。位地址空间、特殊功能寄存器包括在内部数据存储器内。

51单片机的内部数据存储器一般只有128字节或256字节，当空间不够用时也就需要扩展外部数据存储器（参见实验十三）。有些单片机不具有内部程序存储器，例如8031，这时就需要扩展外部程序存储器（参见实验十四）。在单片机系统中，程序存储器和外部数据存储器的编址独立，各可寻址64K字节空间。两者在电路上，可以通过PSEN信号线区别开来。