1、 單片機原理及應用課程綜述專業班級： 電氣13-5班 姓 名：徐毅、周兵、李浩宇、趙國輝、依力斯特 一、課程綜述姓名： 徐毅 姓名： 周兵 本學期，我們在課程教學老師謝軍老師與實驗教學老師張亞老師的指導下，以MCS-51單片機為主要學習對象，由淺到深地了解和學習單片機極其應用系統，在將老師講解與個人學習相結合基礎上，我對本學期單片機極其應用系統的學習總結理解如下：首先我們要了解什么是單片機。單片機又稱單片微控制器，是指在一塊芯片體上集成中央處理器CPU、隨機存儲器ROM或EPROM、定時器/計數器、中斷控制器、以及串行和并行I/O接口等部件，構成一個完整微型計算機。目前，新型單片機內還有A/D

2、及D/A轉換器、高速輸入/輸出部件、DMA通道、浮點運算等特殊功能部件。它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。概括的講，一塊芯片就成了一臺計算機。 單片機特點及應用如下，單片機具有體積小、功能強、應用面廣等優點，目前正以前所未見的速度取代著傳統電子線路構成的經典系統，蠶食著傳統數字電路與模擬電路固有的領地。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機了解計算機原理與結構的最佳選擇。現在，這種單片機的使用領域已十分廣泛。單片機的應用可分為單機應用和多機應用。單機應有主要用于測控系統、智能儀表、機電一體化產品、智能接口、智能民

3、用產品等領域，是目前應用最多的方式。而多機應用又可分為功能集散系統、并行多機控制系統及局部網絡系統。單片機按用途大體上可分為兩類，一種是通用型單片機，另一種是專用型單片機。單片機經過幾十年來的發展可總結為以下五個階段：1）、四位單片機：僅能用于簡單控制，但價格便宜。2）、低檔8位單片機：不帶串行接口，尋址范圍一般在4KB內，其功能可滿足一般工業控制和智能化儀器等的需要。3）、高等8位單片機：帶有串行接口，尋址范圍可達64KB，有多級中斷處理系統、16位定時器/計數器，其功能較強，是目前應用的主要產品。4）、16位單片機：計算速度和控制功能大幅度提高，具有很強的實時處理能力。5）、新一代單片機：

4、在結構上才有雙CPU或內部流水線，CPU位數有8位、16位、32位，時鐘頻率高達40MHz，片內帶有PWM輸出、監視定時器WDT、可編輯計數器陣列PCA、DMA傳輸、調制解調器等。芯片向高集成化、低功耗方向發展，使得單片機在大量數據的實時處理、高級通信系統、數字信號處理、復雜工業過程控制、高級機器人以及局域網等方面得到大量的應用。其中，MCS-51單片機是美國INTEL公司于1980年推出的產品，與MCS- 48單片機相比，它的結構更先進，功能更強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令，指令數達111條，MCS-51單片機可以算是相當成功的產品，一直到現在，MCS-51系列或其兼容的單片機

5、仍是應用的主流產品，在本學期的單片機課程教學中也是以MCS-51單片機作為代表進行理論基礎學習。在查閱相關資料及老師的講解，我將對MCS-51單片機的基本組成進行綜合論述。（1）、在基本組成方面:經過總結了解到，首先其內部結構包含了：一個8位CPU，功能很強大，由運算器和控制器構成；4KB ROM或EPROM（8031中沒有ROM）；128字節RAM數據存儲器；21個特殊功能寄存器SFR；4個8位并行I/O接口，其中P0、P2為地址線/數據線。可尋址64KB ROM和64KB RAM；一個可編程全雙工串行接口；具有5個中斷源，兩個優先級，嵌套中斷結構；兩個16位定時器/計數器；一個片內振蕩器及

6、時鐘電路。運算器以完成二進制的算術/邏輯運算部件ALU為核心，再加上暫存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序狀態標志寄存器PSW及布爾處理器。累加器ACC是一個八位寄存器，它是CPU中工作最頻繁的寄存器。在進行算術、邏輯運算時，累加器ACC往往在運算前暫存一個操作數（如被加數），而運算后又保存其結果（如代數和）。寄存器B主要用于乘法和除法操作。標志寄存器PSW也是一個八位寄存器，用來存放運算結果的一些特征，如有無進位、借位等。控制器是CPU的神經中樞，它包括定時控制邏輯電路、指令寄存器、譯碼器、地址指針DPTR及程序計數器PC、堆棧指針SP等。這里程序計數器PC是由16位寄存器構成的計數器。

7、要單片機執行一個程序，就必須把該程序按順序預先裝入存儲器ROM的某個區域。單片機動作時應按順序一條條取出指令來加以執行。因此，必須有一個電路能找出指令所在的單元地址，該電路就是程序計數器PC。當單片機開始執行程序時，給PC裝入第一條指令所在地址，它每取出一條指令（如為多字節指令，則每取出一個指令字節），PC的內容就自動加1，以指向下一條指令的地址，使指令能順序執行。只有當程序遇到轉移指令、子程序調用指令，或遇到中斷時，PC才轉到所需要的地方去。8051 CPU指定的地址，從ROM相應單元中取出指令字節放在指令寄存器中寄存，然后，指令寄存器中的指令代碼被譯碼器譯成各種形式的控制信號，這些信號與單

8、片機時鐘振蕩器產生的時鐘脈沖在定時與控制電路中相結合，形成按一定時間節拍變化的電平和時鐘，即所謂控制信息，在CPU內部協調寄存器之間的數據傳輸、運算等操作。 存儲器是單片機的又一個重要組成部分，每個存儲單元對應一個地址，如256個單元共有256個地址，用兩位16進制數表示，即存儲器的地址（00HFFH）。存儲器中每個存儲單元可存放一個八位二進制信息，通常用兩位16進制數來表示，這就是存儲器的內容。存儲器的存儲單元地址和存儲單元的內容是不同的兩個概念，不能混淆。 此外，存儲器又分為程序存儲器、和數據存儲器和特殊功能寄存器三部分，程序存儲器是控制計算機動作的一系列命令，單片機只認識由“0”和“1”

9、代碼構成的機器指令。單片機的數據存儲器由讀寫存儲器RAM組成。其最大容量可擴展到64k，用于存儲實時輸入的數據。8051內部有256個單元的內部數據存儲器，其中00H7FH為內部隨機存儲器RAM，80HFFH為專用寄存器區。實際使用時應首先充分利用內部存儲器，從使用角度講，搞清內部數據存儲器的結構和地址分配是十分重要的。因為將來在學習指令系統和程序設計時會經常用到它們。8051內部數據存儲器地址由00H至FFH共有256個字節的地址空間，該空間被分為兩部分，其中內部數據RAM的地址為00H7FH（即0127）。 而用做特殊功能寄存器的地址為80HFFH，特殊功能寄存器（SFR）的地址范圍為80

10、HFFH。在MCS51中，除程序計數器PC和四個工作寄存器區外，其余21個特殊功能寄存器都在這SFR塊中。其中5個是雙字節寄存器，它們共占用了26個字節。特殊功能寄存器反映了8051的狀態，實際上是8051的狀態字及控制字寄存器。（2）、在單片機的指令系統方面：MCS-51單片機的指令系統是一個具有255種代碼的集合，絕大多數指令包含兩個基本部分：操作碼和操作數。操作碼表明指令要執行的性質；操作數說明參與操作的數據或數據所存放的地址。MSC-51單片機有包括：數據傳送指令、算數運算指令、邏輯運算指令、控制轉移指令、位操作指令111條，有立即尋址、直接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、相對尋址、

11、變址尋址、位尋址7種尋址方式。在學習單片機的指令系統時候我們學習了一種跟機器打交道的比較實用的匯編語言，在這個學習過程是非常有趣的，你可要通過自己編寫程序區控制單片機。通過設計可以用單片機制造一些電子產品輸入自己設計的程序是它完成我們所需要的功能。MCS-單片機作為最早的單片機其結構簡單，容易較好的讓我們初學者入門，而一切所以的后來的單片機的原理都是由MCS-拓展的，所以我們學習MSC-51為我們單片機打下堅實的基礎。（3）、匯編語言程序設計方面：一般情況下，程序設計過程可分為以下幾個步驟。 1）、分析問題，確定算法或接替思路；  2）、畫流程圖； 3）、編寫程序； 4）、調試和修改

12、；  匯編語言語句有兩種基本類型：指令語句和偽指令語句。指令語句由上所述的五類指令組成偽指令語句（指示性語句）則是指那些不由CPU執行，只為匯編程序在匯編源程序是提供有關信息。偽指令語句除了所定義的具體數據要生成目標代碼外，其他項均不生成目標代碼。匯編語言的基本格式：MCS-51匯編語言的四分段格式為：標號字段 、操作碼字段 、操作數字段 、注釋字段，用匯編語言進行編程時，還要注意各個字段的語法及格式規則，以免造成不必要的麻煩。在我看來，匯編語言程序設計是單片機學習中最復雜的部分，因此我們必須在熟練掌握各條指令的功能的基礎上，通過各種實際程序，慢慢熟悉匯編語言的編寫，需要耐心。（4）

13、、在中斷系統方面： 所謂中斷就是指計算機在執行某一程序的過程中，由于計算機系統內、外的某種原因，而必須中止程序的執行，轉去執行相應的處理程序，待處理結束之后，再回來繼續執行被中斷的原程序的過程。采用中斷技術之后的計算機，可以解決CPU與外設之間速度匹配的問題，使計算機可以及時處理系統中許多隨機的參數和信息。同時，它也提高了計算機處理故障能力與應變的能力。 單片機的特點是一段程序反復執行，程序中的每個指令的執行都需要一定的執行時間，如果程序沒有執行到某指令，則該指令的動作就不會發生，這樣就會耽誤很多快速發生的事情，例如，按鈕按下時的下降沿。要使單片機在程序正常運行過程中，對快速動作做出反應，就必

14、須使用單片機的中斷功能，該功能就是在快速動作發生后，單片機中斷正常運行的程序，處理快速發生的動作，處理完成后，在返回執行正常的程序。中斷功能使用中的困難是需要精確地知道什么時候不允許中斷發生(屏蔽中斷)、什么時候允許中斷發生(開中斷)，需要設置哪些寄存器才能使某種中斷起作用，中斷開始時，程序應該干什么，中斷完成后，程序應該干什么等等。中斷學會后，就可以編制更復雜結構的程序。 在學習總結MCS51單片機的同時，我們也充分用到了之前學習的專業基礎課包括：電路基礎、模擬電子技術、數字電路基礎等課程，從而使我們再一次的對上述課程的鞏固學習，從新的對知識梳理了一遍更加深刻了對知識的印象，了解到了知識串接

15、的重要性。以上就是我通過本學期的學習，對單片機相關內容知識的一些基本總結與論述。二、單片機應用實例設計1、實例題目及要求1）、題目：設計一個簡易計算器。計算器電路包括三個部分：七段數碼管顯示電路顯示數據和結果、4*4鍵掃描電路、單片機微控制電路。2） 、要求： 具體設計如下：（1）可以進行四則運算。（2）鍵盤包括數字鍵（09）、符號鍵（+、-、×、÷）、清除鍵和等號鍵，共16個按鍵。（3）執行過程：開機顯示零，等待鍵入數值，當鍵入數字，通過LED顯示出來，當鍵入+、-、*、/運算符，計算器在內部執行數值轉換和存儲，并等待再次鍵入數值，當再鍵入數值后將顯示鍵入的數值，按等號就

16、會在LED上輸出運算結果。2、系統整體設計思路本次設計采用51單片機作為控制芯片。開機顯示零，等待鍵入數值，當鍵入數字，通過LED顯示出來，當鍵入+、-、*、/運算符，計算器在內部執行數值轉換和存儲，并等待再次鍵入數值，當再鍵入數值后將顯示鍵入的數值，按等號就會在LED上輸出運算結果。3、硬件設計及描述（1）、主要元器件工作原理和功能描述 1）、AT89C51簡介  AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C

17、51是一種帶2K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51芯片內部引腳圖2）、7段數碼管的結構與工作原理  7段數碼管一般由8個發光二極管組成，其中由7個細長的發光二極管組成數字顯示，另外一個圓形的發光二極管顯示小數點。當發光

18、二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發光。控制相應的二極管導通，就能顯示出各種字符，盡管顯示的字符形狀有些失真，能顯示的數符數量也有限，但其控制簡單，使有也方便。發光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數碼管，陰極連在一起的稱為共陰極數碼管。3）、矩陣按鍵 鍵盤是單片機系統中最常用的人機對話輸入設備，用戶通過鍵盤向單片機輸入數據或指令。鍵盤控制程序需完成的任務有：監測是否有鍵按下，有鍵按下時，在無硬件去抖的動電路時，應用軟件延時方法消除按鍵抖動影響；當有多個鍵同時按下時，只處理一個按鍵，不管一次按鍵持續多長時間，僅執行一次按鍵功能程序。矩陣按鍵掃描程序是一種節省IO口的方法,按鍵數目越多節省IO口

19、就越可觀，思路：先判斷某一列（行）是否有按鍵按下，再判斷該行（列）是那一只鍵按下。但是，在程序的寫法上，采用了最簡單的方法，使得程序效率最高。本程序中，如果檢測到某鍵按下了，就不再檢測其它的按鍵，這完全能滿足絕大多數需要，又能節省大量的CPU時間。本鍵盤掃描程序的優點在于：不用專門的按鍵延時程序，提高了CPU效率，也不用中斷來掃描鍵盤，節省了硬件資源。另外，本鍵盤掃描程序，每次掃描占用CPU時最短，不論有鍵按下或者無鍵按下都可以在很短的時間完成一次掃描。 矩陣鍵盤電路圖4）、元器件清單AT89C51單片機一片，4*4鍵盤一個，6位共陽極的七段數碼管一個，連線和電阻和開關若干。51單片機的P2口

20、作鍵盤口，其中P2.4-P2.7為鍵盤掃描輸出線，P2.0-P2.3為鍵盤掃描輸入線。鍵盤由4*4共16個按鍵組成，10個數字鍵（由0-9組成）5個運算符號（加減乘除等于）組成，1個清除鍵（作用相當于整體復位）。6個數碼管用于顯示當前數值的十萬，萬，千，百，十，個，P1口接6個數碼管的八段，P0口分別接6個數碼管的公共端，P1口輸出數碼管的字形碼，P0口輸出數碼管的字位碼。4、軟件設計及描述1）、軟件設計流程圖2）、鍵盤掃描流程圖3）、匯編語言程序及注釋#include<reg51.h>#define uchar unsigned char 簡化unsigned char變量名稱#

21、define uint unsigned int 簡化unsigned int變量名稱sbit dula=P26; 為引腳，定義一個變量名稱。sbit wela=P27;sbit beep=P23;uchar temp,key;uchar fun;long int num1,num2,res;uchar aa,dis;uchar code table=0x00,0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;uchar code weixuan=0xdf,0xef,0xf7,0xfb

22、,0xfd,0xfe;void delay(unsigned char i)uchar j,k; for(j=i;j>0;j-) for(k=125;k>0;k-);void bee()beep=0;delay(255);delay(255);beep=1;key_scan() P3=0xfe; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delay(10); if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xee: key=0; break; case 0xde: key=1; break; cas

23、e 0xbe: key=2; break; case 0x7e: key=3; break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; P3=0xfd; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delay(10); if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xed: key=4; break; case 0xdd: key=5; break; case 0xbd: key=6; break; case 0x7d: key=7; break; while

24、(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; P3=0xfb; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delay(10); if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xeb: key=8; break; case 0xdb: key=9; break; case 0xbb: key=10; break; case 0x7b: key=11; break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; P3=0xf7;

25、 temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delay(10); if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xe7: key=12; break; case 0xd7: key=13; break; case 0xb7: key=14; break; case 0x77: key=15; break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; void Init()num1=0;num2=0;wela=1;P0=0xdf;wela=0;dula=1;P0

26、=table1;dula=0;key=16;aa=0;dis=0;res=0;void dis_play(long int nm)uchar a1,a6;long int shu;shu=nm;if(shu=0) wela=1; P0=0xdf; wela=0; dula=1; P0=table1; dula=0;elsefor(a6=0;a6<6;a6+)a1=shu%10;if(shu!=0)a1=a1+1;shu=shu/10;P0=tablea1; dula=1;dula=0;P0=weixuana6;wela=1;wela=0;delay(5);void display()sw

27、itch (dis) case 0: dis_play(num1); break; case 1: dis_play(num2); break; case 2: dis_play(res); break; void shanshuo()wela=1;P0=0xff;wela=0;delay(255);void check()if(key!=16)bee();if(key>=10)switch (key) case 10:Init();break; / CE case 11: switch (fun) case 0:res=num1+num2,dis=2;break; case 1:res

28、=num1-num2,dis=2;break; case 2:res=num1*num2,dis=2;break; case 3:res=num1/num2,dis=2;break; ;break; / = case 12:fun=0,aa=1,shanshuo();break; / + case 13:fun=1,aa=1,shanshuo();break; / - case 14:fun=2,aa=1,shanshuo();break; / * case 15:fun=3,aa=1,shanshuo();break; / / else switch (aa) case 0:num1=num

29、1*10+key; ;break; case 1:dis=1;num2=num2*10+key; ;break; key=16;void main()Init();while(1)key_scan();check();display(); 5、參考文獻 微機原理及其應用-溫淑煥 中國農業科學技術出版社51單片機快速上手-陳志旺 機械工業出版社 新概念51單片機C語言教程-郭天祥 電子工業出版社51系列單片機設計實例-樓然苗 北京航空航天大學出版社MCS-51系列單片微型計算機及其應用（第4版）- 孫育才 東南大學出版6、 設計人任務分配說明徐毅、依力斯特：鍵盤掃描功能程序設計、對應GG硬件的計

30、算器功能實現周兵：開機自動清除功能程序設計、應用DD計算器功能實現李浩宇：顯示功能程序設計、.趙國輝：計算器運算程序設計、對應硬件的運算功能的實現成績：姓名張三李四王五課程綜述成績實例設計成績總成績單片機應用實例設計一、定時報警器（1-2人）設計一個單片機控制的簡易定時報警器。要求根據設定的初始值（1-59 秒）進行倒計時，當計時到0時數碼管閃爍“00”（以 1Hz 閃爍），按鍵功能如下：（1）設定鍵：在倒計時模式時，按下此鍵后停止倒計時，進入設置狀態；如果已經處于設置狀態則此鍵無效。（2）增一鍵：在設置狀態時，每按一次遞增鍵，初始值的數字增 1。（3）遞一鍵：在設置狀態時，每按一次遞減鍵，初

31、始值的數字減 1。（4）確認鍵：在設置狀態時，按下此鍵后，單片機按照新的初始值進行倒計時及顯示倒計時的數字。如果已經處于計時狀態則此鍵無效。二、交通燈（3-4人）設計一個基于單片機的交通燈信號控制器。已知東、西、南、北四個方向各有紅黃綠色三個燈和顯示倒計時的兩個數碼管。要求交通燈按照表1進行顯示和定時切換，并要求在數碼管上分別倒計時顯示東西、南北方向各狀態的剩余時間。表1：交通燈的狀態切換表南北方向東西方向序號狀態序號狀態1綠燈亮 25 秒，紅、黃燈滅1紅燈亮 30 秒，綠、黃燈滅2黃燈亮 5 秒，紅、綠燈滅3紅燈亮 30 秒，綠、黃燈滅2綠燈亮 25 秒，紅、黃燈滅3黃燈亮 5 秒，紅、綠燈

32、滅回到狀態1回到狀態1三、密碼鎖1（3-4人）設計一個單片機控制的密碼鎖。單片機 P1引腳外接獨立式按鍵 S1-S8，分別代表數字鍵0-5、確定鍵、取消鍵。單片機從P3.0-P3.3輸出4個信號，分別為1個電磁開鎖驅動信號和密碼錯誤指示、報警輸出、已開鎖指示信號，分別用發光二極管L1-L4指示。P3.4接一有源蜂鳴器，用于實現提示音。基本要求：（1）初始密碼為123450，輸完后按確定鍵開鎖，取消鍵清除所有輸入，每次按鍵有短“滴”聲按鍵提示音。（2）密碼輸入正確后，輸出一個電磁鎖開鎖信號與已開鎖信號，并發出兩聲短“滴”聲提示。4秒后開鎖信號與已開鎖指示清零。（3）密碼輸入錯誤時，發出一聲長“滴”聲錯誤指示提示音，并密碼錯誤指示燈亮，三次密碼錯誤時，發出長鳴聲報警，并密碼錯誤指示燈亮，報警指示燈亮，此后15秒內無法再次輸入密碼，15秒過后，清除所有報警和指示。（4）5秒內無任何操作后，清除所有輸入內容，等待下次輸入。四、密碼鎖2（4-6人）設計一個單片機控制的密碼鎖。（1）設置6位密碼，密碼通過鍵盤輸入，若密碼正確，則將鎖打開。（2）密碼可以由用戶修改設定（只支持6位密碼），鎖打開后才能修改密碼。修改密碼之前必須再次輸入密碼，在輸入新密碼時候需要二次確認，以防止誤操作。（3）報警、鎖定鍵盤功能。密碼輸入錯誤顯示器會出現錯誤提示，若密碼輸入錯誤次數超過3次，蜂鳴器