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1、基于8051单片机的流水灯设计 毕业设计 目录 摘要 (1) ABSTRACT (2) 前言 (3) 第1章系统方案设计 (4) 1.1 系统总体设计方案 (4) 1.2 基本功能简介 (4) 1.3 系统程序 (4) 第2章8051单片机原理分析及硬件电路 (6) 2.1 8051单片机简述 (6) 2.1.1 8051单片机的基本组成 (6) 2.1.2 8051的信号引脚 (8) 2.2 晶体振荡电路 (10) 2.3 上电复位电路 (11) 2.4 8051单片机的并行I/O口 (12) 2.5 8051单片机的中断系统 (12) 2.6 8051单片机的定时/计数器 (13) 2.6
2、.1 定时/计数器的定时功能 (13) 2.6.2 用于定时/计数器控制的寄存器 (14) 第3章8051单片机与8155的接口设计 (15) 3.1 并行I/O接口8155 (15) 3.1.1 8155内部功能结构及引脚 (15) 3.1.2 作片外RAM使用 (16) 3.1.3 作扩展I/O口使用 (16) 3.1.4 I/O口的工作方式 (18) 3.1.5 定时/计数器使用 (18) 3.28051单片机并行I/O扩展 (19) 3.2.1 8051并行扩展总线 (19) 3.2.2 8051单片机与8155的接口 (19) 第4章单片机与8155的接口设计的应用 (21) 4.1
3、 LED显示 (21) 4.2 按键扫描 (22) 第5章结论 (24) 参考文献 (26) 毕业设计小结 (27) 附录 (28) 摘要 二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用
4、领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，本文将用单片机8051和外围接口8155、发光二极管、晶振、复位、电源等电路以及必要的软件组成的以8051为核心，辅以简单的设备和必要的电路，设计了一款简易的流水灯，并编写简单的程序，使其能够自动工作。 关键词：单片机8051，外围接口8155，流水灯。 前言 随着电子技术的日益进步，微型计算机的发展突飞猛进。其发展之一就是将微处理器及其外围芯片，如程序存储器、并行、串行I/
5、O口、定时器/计数器、中断控制器及其它控制部件集成在一个芯片之中，制成单片机。而近年来推出的一些高档单片机还包含有许多特殊功能单元。因此，只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统，并具有集成度高、可靠性高、性能价格比高、适应温度范围宽、抗干扰能力强、小巧灵活、易于实现机电一体化等优点，已广泛应用于智能化仪器仪表的检测、控制以及生产设备自动化、家用电器等领域。 学习单片机，接触到的第一个例子几乎都是流水灯。我想不仅仅是因为这个例子比较典型吧。其使用意义也大可见到。都市的夜色中闪烁着各式各样的霓虹灯，其中用得最多的大概要算流水灯，它的行云流水般的效果为宁静的夜晚带来生机，大
6、街上形形色色的广告牌也离不开它。而且流水灯向多方面发展，可加工成艺术品供欣赏，可接在刹车电路，大灯电路，电源电路，产生绚丽灿烂的流水效果。相信不久的将来它会发展到更宽的领域去。学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，本文将用单片机8051和外围接口8155、发光二极管、晶振、复位、电源等电路以及必要的软件组成的以8051为核心，辅以简单的设备和必要的电路，设计了一款简易的流水灯，并编写简单的程序，使其能够自动工作。 第1章系统方案设计 1.1系统总体设计方案： 在做此设计时，应先确定其系统框架，以下便是此设计的系统框图。 图2.1 系统框图 1.2基本功能简介 本文将用单片机8051和外围接
7、口8155、发光二极管、晶振、复位、电源等电路以及必要的软件组成的以8051为核心，辅以简单的设备和必要的电路，设计了一款简易的流水灯，并编写简单的程序，使其能够自动工作 1.3系统程序 本设计的系统程序流程图如下图所示 图2.2 系统设计流程图 第2章8051单片机原理分析及硬件电路 2.18051单片机原理简述 MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051内部有4 KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031内部无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。本设计使用的是8051。下面我们就对本系列单片机的内部组成及信号引脚进行说明。 2.1.180
8、51单片机的基本组成 1) 中央处理器（CPU） 中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。有运算电路和控制电路，其中控制电路是单片机的指挥控制部件，保证单片机各部分能自动而协调的工作。例如定时控制电路和振荡电路均属于控制电路。单片机执行程序就是在控制电路的控制下进行的。首先从程序存储器读出指令，送指令寄存器保存；然后送指令译码器进行译码，译码结果送定时控制电路，有定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号；再送到系统的各个部件去控制相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，而执行程序就是不断地重复这一过程。 2) 内部数据存储器（内部RAM） 8051芯片中共有256个RAM单元，通常把这25
9、6个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H7FH）和高128单元（单元地址80HFFH）。内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80HFFH。因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（Special Function Register），也可称为特殊功能寄存器SFR区。但高128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是低128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。片内低128字节RAM 是用户真正可以存取随机数据的数据存储器，其地址为00H-7FH。 3) 内部程序存储器（内部ROM
10、） 8051共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部ROM。它的片内ROM地址为0000H0FFFH（4KB），它的片外ROM最大容量可为0000HFFFFH。片内与片外ROM在低4KB地址出现重叠，这种重叠的区分由8051的管脚EA进行控制。还有一组特殊单元是0003H002AH，共40个单元。这40个单元被均匀地分为5段，作为5个中断源的中断地址区。中断响应后，按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序，因此在中断地址区中理应存放中断服务程序。但通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此通常也是从中断地址区首地址开始存放一条无
11、条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址。 4) 定时/计数器 8051共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。 5) 并行I/O口 8051共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。每个口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。 6) 串行口 M
12、CS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。 7) 中断控制系统 MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。 8) 时钟电路 MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6 MHz和12 MHz。 从上述内容可以看出，MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包
13、括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。2.1.2 8051的信号引脚 MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图2.1。 图2.1 MCS-51 引脚图、逻辑符号图 下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。 （1）主电源引脚VCC和VSS： VCC（40脚）接+5V电压； VSS（20脚）接地。 （2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2： XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，此引脚应接地； XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振
14、荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 （3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠地复位。 2.2 晶体振荡电路 1. 时钟信号的产生 在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2 。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL
15、2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图2.1所示。 时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。一般地，电容C1和C2取30 pF左右，晶体的振荡频率范围是1.212 MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。MCS-51在通常应用情况下，使用振荡频率为6 MHz或12 MHz。 图3.3 时钟振荡电路 2. 时序 时序是用定时单位来说明的。MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。下面分别加以说明。 1) 节拍与状态 把振荡脉冲的周期定义为节拍（用P表示）。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号的周期，其定义为状态（用S表示）。 这样，一个状态就包含两个节拍，具前半周期对应的拍节叫节拍1（P1），后半周期对应的节拍叫节拍2(P2）。 2) 机器周期 MCS-51采用定时控制方式, 因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期