基于8051单片机的流水灯设计_毕业设计

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指导教师签名：日期：

基于8051单片机的流水灯设计

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)

2.6.1 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 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/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

2.1 8051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。

2.1.18051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256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H～7FH）和高128单元（单元地址80H～FFH）。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80H～FFH。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）

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0000H～0FFFH（4KB），它的片外ROM最大容量可为0000H～FFFFH。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0003H～002AH，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

MCS-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

①RST/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10μF的电容，以保证可靠地复位。

表 P3各口线的第二功能定义

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XTAL2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1.2～12 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

的宽度为6个状态，并依次表示为S1～S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、…、S6P2。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期, 因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频。

当振荡脉冲频率为12 MHz时，一个机器周期为1μs；当振荡脉冲频率为6 MHz 时，一个机器周期为2μs。本设计采用的晶振频率为12MHz。

3) 指令周期

指令周期是最大的时序定时单位, 执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它一般由若干个机器周期组成。不同的指令，所需要的机器周期数也不相同。通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，等等指令的运算速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令执行速度越快。

单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平。第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。ALE信号每出现一次，CPU 就进行一次取指操作，但由于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此取指令操作也随指令不同而有小的差异。

2.2 上电复位电路

复位是单片机的初始化操作，其主要红能是把程序计数器PC内容初始化为0000H，也就是使单片机从0000H单元开始执行程序，同时使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。8051单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为开关复位。

单片机复位的条件是：必须使RST/VPD 或RST引（9）加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。2μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位电路如图3.4（a），（b）所示。图 3.4（a）为上电复位电路，它是通过外部复位电路的电容充电来实现的。在电源Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电

电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。 (a) 上电复位电路，(b) 按键复位电路

μ

1 k

(a)(b)

图3.4 单片机常见的复位电路；

2.4 8051单片机的并行I/O口

1. P0口8位双向口线，其第一功能是作为通用的I/O口，CPU在传送输入/输出数据时。输出数据可以锁存，输入数据可以缓存；第二功能是当CPU访问外部存储器时，分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。

电路中包含有一个数据输出锁存器、两个三态数据输入缓冲器、一个数据输出的驱动电路和一个输出控制电路。当对P0口进行写操作时，由锁存器和驱动电路构成数据输出通路。由于通路中已有输出锁存器，因此数据输出时可以与外设直接连接，而不需再加数据锁存电路。

2. P2口8位双向口线。其第一功能是当不带片外存储器时，作为通用I/O 口；第二功能是8051带片外存储器时，与P0口配合，传送片外存储器的高8位。

2.5 8051单片机的中断系统

1.中断源

8051单片机中断系统共有6个中断源，即2个外部中断，2个定时器中断和2个串行中断。本文采用的是定时器中断。

定时器中断是为满足定时或计数的需要而设置的。在单片机芯片内部有2个定时器T0和T1，所以定时器中断也有2个：定时器1中断和定时器0中断。当

计数器溢出时，表明定时时间到计数值满，这时内部电路就产生中断请求。

2.中断控制

中断控制是指提供给用户使用的中断控制手段。具体到8051，中断控制的内容共有四项：中断允许控制、中断请求控制、中断优先控制和外中断触发方式控制。这些控制内容分布在4个控制寄存器中：中断允许寄存器、定时器控制寄存器、串行控制寄存器和中断优先级寄存器。中断控制是通过硬件实现的，但须进行软件设置。

1) 中断允许控制寄存器IE

该寄存器用于控制是否允许使用中断。本设计所使用的标志位如下：

EA:中断允许总控制位。EA=0，中断总禁止，禁止所有中断。EA=1，中断总允许，其后中断的禁止或允许由各类中断自行设置。

ET1：定时器中断允许控制位。ET1=0,禁止定时器中断。ET1=1,允许定时器中断。

可见，8051通过中断允许控制寄存器对中断允许实行两级控制：中断系统总控制和各类中断单独控制。本设计中，只有当EA=1时，开放中断系统，这时才能由定时器中断控制位控制定时器中断的允许与禁止。

2) 定时器控制寄存器TCON

寄存器地址为88H，位地址为8FH-88H。虽然该寄存器名称为定时器控制寄存器，但多数位都是为中断控制而设置的。本设计所采用的标志位如下：

TF1：定时器T1计数溢出标志位。当计数器产生计数溢出时，相应的溢出标志位由硬件置1，并自动产生定时中断请求。此外，也可以作为状态位供查询使用。

2.6 8051单片机的定时/计数器

在单片机控制应用中，定时和计数的需求很多，为此在单片机中都有定时器/计数器，8051中有两个16位定时器/计数器，本设计使用的是定时器T1。

2.6.1 定时/计数器的定时功能

定时器的定时功能是通过计数器的计数来实现的，此时的计数脉冲来自单片机芯片内部，每个机器周期有一个计数脉冲，即每个机器周期计数器加 1.由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此，计数频率为振荡频率的1/12。此

单片机采用12MHz晶振，则计数频率为1MHz，即每微秒计数器加1。这样，在使用定时器时既可以根据计数值计算出定时时间，也可以通过定时时间的要求算出计数器的预置值。

2.6.2 用于定时/计数器控制的寄存器

在8051单片机中，与定时器有关的控制寄存器共有3个，分别是定时器控制寄存器、工作方式控制寄存器和中断允许控制寄存器。中断允许控制寄存器已在前面的中断一节中讲过，这里不再赘述。我们来了解前两个寄存器。

1. 定时器控制寄存器(TCON)

TCON寄存器地址为88H，位地址为8FH-88H。定时器控制寄存器中，本设计与定时器有关的控制位有1位，即TR1----运行控制位。TR1=0，停止定时器工作；TR1=1，启动定时器工作。控制计数启停只需用软件方法使其置1或清0即可。

2．定时器方式选择寄存器(TMOD)

TMOD寄存器用于设定定时器的工作方式。寄存器地址为89H，但它没有位地址，不能进行寻址，只能用字节传送指令设置其内容。

第三章 8051单片机与8155的接口设计

3.1 并行I/O 接口8155

3.1.1 8155内部功能结构及引脚

在实训电路中采用一种可编程的接口芯片8155，Intel 公司研制的8155不仅具有两个8位的I/O 端口(A 口、B 口)和一个6位的I/O 端口(C 口)，而且还可以提供256 B 的静态RAM 存储器和一个14位的定时/计数器。8155和单片机的接口非常简单，目前被广泛应用。

8155有40个引脚，采用双列直插封装，其引脚图和组成框图如下图所示。

图3.1 8155的引脚图和结构框图

下面我们对8155的引脚分类说明如下：

(1) 地址/数据线AD0～AD7（8条）：是低8位地址线和数据线的共用输入总线，常和51单片机的P0口相连，用于分时传送地址数据信息，当ALE=1时，传送的是地址。

(2) I/O 口总线（22条）：PA0～PA7、PB0～PB7分别为A 、B 口线，用于和

?5 V)

?PA7 PB0??PB7 PC0??PC7

外设之间传递数据；PC0～PC5为C端口线，既可与外设传送数据，也可以作为

A、B口的控制联络线。

(3) 控制总线（8条）：

? RESET：复位线，通常与单片机的复位端相连，复位后，8155的3个端口都为输入方式。

? WR, RD：读/写线，控制8155的读、写操作。

? ALE：地址锁存线，高电平有效。它常和单片机的ALE端相连，在ALE 的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息锁存到8155内部的地址锁存器中。因此，单片机的P0口和8155连接时，无需外接锁存器。

? CS：片选线，低电平有效。

? IO/M：RAM或I/O口的选择线。当=0时，选中8155的256 B RAM；当=1时，选中8155片内3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器。

? TIMERIN、TIMEROUT：定时/计数器的脉冲输入、输出线

3.1.2 作片外RAM使用

当CE=0，IO/M=0时，8155只能做片外RAM使用，共256 B。其寻址范围由以及AD0～AD7的接法决定，这和前面讲到的片外RAM扩展时讨论的完全相同。当系统同时扩展片外RAM芯片时，要注意二者的统一编址。对这256 B RAM的操作使用片外RAM的读/写指令“MOVX”。

3.1.3 作扩展I/O口使用

当CE=0，IO/M=1时，此时可以对8155片内3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器进行操作。与I/O端口和计数器使用有关的内部寄存器共有6个，需要三位地址来区分。

1) 命令/状态寄存器

? 和接口芯片8255一样，芯片8155 I/O口的工作方式的确定也是通过对8155的命令寄存器写入控制字来实现的。8155控制字的格式如下图所示。

? 命令寄存器只能写入不能读出，也就是说，控制字只能通过指令MOVX @DPTR, A或MOVX @Ri, A写入命令寄存器。

? 状态寄存器中存放有状态字，状态字反映了8155的工作情况。状态字的各位定义如下图所示。

? 状态寄存器和命令寄存器是同一地址，状态寄存器只能读出不能写入，也就是说，状态字只能通过指令MOVX A ，@DPTR或MOVX A，@Ri来读出，以此来了解8155的工作状态。

2) 定时器高、低8位寄存器：关于定时/计数器高、低8位寄存器的使用，我们将在后面讲到定时器使用时再作介绍。

3.1.4 I/O口的工作方式

当使用8155的三个I/O端口时，它们可以工作于不同的方式，工作方式的选择取决于写入的控制字。其中，A、B口可以工作于基本I/O方式或选通I/O 方式，C口可工作于基本I/O方式，也可以作为A、B选通方式时的控制联络线。

方式1、2时，A、B、C口都工作于基本I/O方式，可以直接和外设相连，采用“MOVX”类的指令进行输入/输出操作。方式3时，A口为选通I/O方式，由C口的低三位作联络线，其余位作I/O线；B口为基本I/O方式。方式4时，A、B口均为选通I/O方式，C口作为A、B口的联络线。

本设计的A,B,C三个I/O口都是作为基本输入输出I/O用的。A,B口为输出驱动16个LED，C口为输入完成按键扫描功能。

3.1.5 定时/计数器使用

8155的可编程定时/计数器是一个14位的减法计数器，在TIMERIN端输入