2.2 MCS-51單片機系統及應用舉例

MCS-51單片機在一片芯片上集成了計算機的基本功能部件，功能較強，在實際應用中，可以根據需要加上輸入、輸出接口電路組成智能儀器，根據智能儀器功能的不同及選用的CPU芯片的不同，會有相應不同的系統構成。

2.2.1 8051/8751/8951的最小系統

所謂最小系統，是指能滿足要求的最小配置系統。由于MCS-51系列單片機內部沒有集成時鐘電路所需的晶體振蕩器，也沒有復位電路，因此最小系統必須外接這些部件。這幾種芯片都有片內4KB程序存儲器，區別僅在于8951內部為E2PROM，8051內部為ROM，8751內部為EPROM，如果系統要處理的工作不太復雜，程序加數據不超過4KB，那么這些芯片只要外接晶體振蕩器和復位電路就可以構成最小系統，如圖2.5所示，其主要特征包括以下幾點。

（1）有4KB內部程序存儲器（地址是0000H～0FFFH），EA引腳要接高電平。

（2）有128B內部數據存儲器（地址是00H～7FH）。

（3）因為沒有用到外部程序存儲器和數據存儲器，所以P0～P3口可以全部作為I/O接口。

圖2.5中電源引腳和接地引腳也要接上，一般在電路原理圖中因為電源引腳Vcc總是接+5V，接地引腳總要接地，所以不畫出來，接線時要注意。最小系統的構成非常簡單，可以利用它進行實驗和開發小產品。

圖2.5 8051/8751/8951的最小系統

2.2.2 單片機系統的并行擴展

當CPU選用8031，或者系統的程序比較長，需要存儲的數據比較多，上面的最小系統不能滿足要求時，就需要外接程序存儲器和數據存儲器，通常稱為單片機系統的擴展。

MCS-51系列單片機一般用74LS373配合其擴展，以8051為例，只接一片27128（16KB）外部程序存儲器和一片62256（32KB）外部數據存儲器，擴展后的單片機系統電路接法如圖2.6所示。其主要特征如下。

（1）有16KB外部程序存儲器（地址是0000H～3FFFH），EA引腳要接地，內部沒有程序存儲器。

（2）有32KB外部數據存儲器（地址是0000H～7FFFH），內部仍有128B的數據存儲器可用。

圖2.6 擴展后的單片機系統

（3）因為P0和P2口要作為地址線和數據線，所以不能作為I/O接口，只有P1和P3口可以作為I/O接口，且P3.6和P3.7要作為外部數據存儲器的讀/寫控制線，也不能用，可見I/O端口減少了很多，但程序和數據存儲量擴大了。

（4）圖2.6中RST引腳直接接高電平，通電后就一直工作。沒有重啟按鈕。

2.2.3 單片機系統的串行擴展

在單片機應用系統中，現在常用到帶有I2C串行總線接口的芯片，因為采用這種I2C串行總線接口的芯片與單片機連接簡單，連接線少，結構緊湊，使用比較方便。

I2C總線是由Philips公司開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線，它由數據線SDA和時鐘線SCL構成，可發送和接收數據。各種采用I2C總線標準的器件均并聯在總線上，每個器件內部都有I2C接口電路，器件的地址由芯片內部的硬件電路和外部地址引腳共同決定，并建立了簡單的主從關系，每個器件既可以作為發送器，又可以作為接收器。

作為例子，圖2.7給出了8051單片機與串行存儲E2PROM芯片CAT24WC04的接口電路，8051單片機的P1.0，P1.1作為I2C總線與CAT24WC04的SDA和SCL相連，連接時注意I2C總線須通過上拉電阻接電源，P1.2與WP相連，CAT24WC04的地址線A2、A1、A0直接接地，片選地址為000，因此CAT24WC04的器件地址碼的高7位為1010000。存儲容量為4KB。

從圖2.7中可以看到，這種用I2C總線串行擴展的單片機系統既增加了單片機的程序存儲器，又保留了很多I/O接口，且接線也簡單。圖中所用到的CAT24WCXX系列是美國CATALYST公司出品的串行（CMOS）E2PROM芯片，有1～256KB不同容量的芯片，如CAT24WC04就是64KB存儲容量的芯片。

圖2.7 8051單片機與串行存儲E2PROM的接口電路

2.2.4 應用舉例

1.MCS-51系列單片機在調速系統中的應用

在單片機控制的小功率直流電機調速系統中，利用單片機的內部定時器產生占空比不同的矩形波，可以改變電機定子電壓接通和斷開的時間，從而控制電機轉速。

【例2.1】 若要求單片機輸出頻率為10kHz的矩形波，占空比為2∶1（高電平時間長），單片機頻率為12MHz，寫出有關程序。

分析：輸出頻率為10kHz的矩形波，即周期為100μs。高電平持續時間為66.7μs，低電平持續時間為33.3μs。由于定時時間短，定時器采用模式2即8位定時器/計數器模式（并具有自動重裝載功能）。

定時33.3μs，初值=2 8-33.3=DFH

定時66.7μs，初值=2 8-66.7=BDH

方法：利用定時器的模式2自動重裝載功能，只要每次計數溢出，就自動重新裝入TH0中的值（時間常數），使定時器能交替實現66.7μs和33.3μs定時。

程序清單：

MOV    TMOD,#02H       ；TMOD為8051的內部寄存器，設置T0為模式2
MOV    TL0,#0BDH       ；送初值，高電平持續時間
MOV    TH0,#0DFH       ；低電平持續時間
MOV    A,#0BDH         ；高電平持續時間送到A寄存器
SETB    TR0             ；啟動T0
SETB    P1.0             ；P1.0引腳輸出高電平
L0:   JNB     TF0,L0           ；循環等待，定時時間是否到？這里也可以用中斷
CLR     TF0             ；清定時器0溢出標志
CPL     P1.0             ；P1.0引腳輸出取反
XCH    A,TH0           ；交換時間常數，為下次定時做準備
SJMP    L0
END

2.利用單片機的內部定時器測量外部脈沖寬度

【例2.2】 用定時器測量INT1引腳上正脈沖的寬度（機器周期數）。

分析：T0、T1定時器/計數器中有一個門控信號GATE，當該信號被設置為“1”時，只有TR1=1，并且INT1為1時才能啟動定時器。利用此信號可以檢測外部某一個脈沖的寬度。

測量過程為：初始設置T1工作在方式1，定時狀態，時間常數初值為0，GATE=1。當外部待測脈沖由INT1（P3.3）輸入時，啟動T1。當INT1上再次出現高電平時，開始計數，直到INT1出現低電平為止。此時讀出的時間常數就是對機器周期的計數次數，此數乘以機器周期即為正電平寬度。其過程如圖2.8所示。

圖2.8 測量過程示意圖

程序清單：

MOV        TMOD,#90H       ；設置T1為模式1，且GATE=1
MOV        TL0,#00H         ；定時初值為0
MOV        TH0,#00H
WAIT1:    JB          P3.3,WAIT1       ；等待INT1變低電平，開始啟動TR1
SETB        TR1             ；啟動定時器
WAIT2:    JNB         P3.3,WAIT2       ；等待INT1=1，開始計數
WAIT3:    JB          P3.3,WAIT3       ；等待P3.3變低電平
CLR         T               ；結束計數
MOV        A,TL1
MOV        B,TH1           ；存放計數值
END

若f=12MHz，則A、B中的數值是以微秒為單位的正電平的寬度。也可以把該數通過顯示器顯示出來。

3.利用中斷實現故障報警

【例2.3】 用一個中斷源顯示故障的發生。如圖2.9所示的電路，當系統正常工作時，四個故障源的輸出均為高電平，顯示燈全不亮。當其中任意一個故障源出現故障時，其相應的輸出為低電平，相應的二極管顯示燈亮。

圖2.9 用中斷實現故障報警

分析：當某一故障信號輸入線由高電平變為低電平時，與門輸出為0，并通過INT0申請中斷（邊沿觸發）。在中斷服務程序中，通過查詢與故障信號相連接的P1.0、P1.2、P1.4、P1.6的值，確定故障的位置，并使相應的發光二極管亮。

程序清單：

ORG    0000H
AJMP    MAIN        ；跳過中斷服務程序
ORG    0003H       ；外部中斷0中斷矢量
AJMP    zd

主程序：

MAIN:    ANL     P1,#55H      ；P1.0、P1.2、P1.4、P1.6輸入，P1.1、P1.3、P1.5、P1.7輸出
        SETB    EX0         ；允許外部輸入
        SETB    IT0          ；邊沿觸發
        SETB    EA          ；CPU開中斷
        SJMP    $           ；循環等待，需要時這里也可以執行別的程序

中斷服務子程序：當INT0引腳出現低電平時，CPU自動執行這段程序。

zd:       JB      P1.0,L1       ；若P1.0=1，轉L1
        SETB    P1.1         ；故障1，P1.1腳輸出高電平，則相應的二極管亮
L1:       JB      P1.2,L2       ；若P1.2=1，轉L2
        SETB    P1.3         ；故障2，P1.3腳輸出高電平，則相應的二極管亮
L2:       JB      P1.4,L3       ；若P1.4=1，轉L3
        SETB    P1.5         ；故障3，P1.5腳輸出高電平，則相應的二極管亮
L3:       JB      P1.6,L4       ；若P1.6=1，轉L4
        SETB    P1.7         ；故障4，P1.7腳輸出高電平，則相應的二極管亮
L4:       RETI                ；中斷返回
        END

4.利用中斷進行定時控制外部操作

【例2.4】 用中斷進行定時控制。即要求每間隔一定時間，對現場數據實施一次采集、傳送、取數等操作，而間隔時間未到，CPU可進行數據處理、數據顯示等主程序的工作。

要求每隔150ms，從外部P1口讀一次數據，并把數據存入到內部RAM 30H（首地址）開始的存儲器中，供主程序進行處理，如果數據多的話，也可以存放在外部RAM 1000H單元（首地址）開始的數據存儲區，單片機的晶振頻率f=6MHz。

分析：實現150ms定時，采用定時器T0定時50ms、軟件計數器計數3次的方式實現。定時初值為：X=2 16-50×10-3×3×10 6/6=40536=9E58H

程序清單：

ORG    0000H
AJMP    MAIN            ；跳過中斷服務程序
ORG    000BH           ；定時器0中斷矢量
AJMP    TCT0

主程序：

ORG    0100H
MAIN:   MOV    TMOD,#01H       ；定時器T0，方式1
MOV    TH0,#9EH
MOV    TL0,#58H
MOV    DPTR,#1000H      ；外部RAM首地址
MOV    R0,#30H          ；內部RAM首地址

MOV    R3,#03H          ；軟件計數次數
SETB    ET0             ；允許T0中斷
SETB    EA              ；CPU開中斷
SETB    TR0
SJMP    $               ；等待中斷
                      ；如果需要，可在此放置顯示傳送次數等程序

中斷服務程序：

ORG    0150H
TCT0:   MOV    TH0,#9EH         ；重裝初值
MOV    TL0,#58H
DJNZ    R3,NEXT1        ；定時不到150ms，返回
MOV    A,P1
MOVX   @DPTR,A        ；從外部RAM向內部RAM傳送數據
MOV    @R0,A
INC     DPTR
INC     R0
NEXT1:  RETI                    ；開中斷返回
END