山东交通学院毕业设计（论文）
3．MCS-51系列单片机
3.1 8051单片机的总体结构
MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。
8051是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4kB的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。
3.1.1 8051单片机的总体框图及功能
内部总体结构如下： 8位CPU
4kbytes 程序存储器(ROM) 128bytes的数据存储器(RAM) 32条I/O口线
111条指令，大部分为单字节指令 21个专用寄存器 2个可编程定时/计数器 5个中断源，2个优先级 一个全双工串行通信口
外部数据存储器寻址空间为64kB 外部程序存储器寻址空间为64kB 逻辑操作位寻址功能 双列直插40PinDIP封装 单一+5V电源供电
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李文婷：基于超声波的液位测量系统
图3.1 8051单片机的内部基本结构 Figure 3.1 8051 MCU internal basic structure
图3.1是8051的内部结构框图，从图中可以看出，单片机内部各功能部件都是挂靠在内部总线上的，它们通过内部总线传送地址信息，各功能部件分时使用总线，即所谓的内部但总线结构。 3.1.2 8051的引脚功能
8051单片机采用40脚双列直插式封装，其引脚排列及逻辑符号如图3.2所示。
图3.2 8051单片机引脚图 Figure 3.2 8051 MCU pin map
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下面分别说明各引脚的含义和功能[3]。 （1）主电源引脚Vcc和Vss
Vcc──电源端。工作电源和编程校验（+5V）。 Vss──接地端。
（2）时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1和XTAL2分别用作晶体振荡电路的反相器输入和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为晶振频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号；若采用外部振荡电路，则XTAL2用于输入外部振荡脉冲，该信号直接送至内部时钟电路，而XTAL1必须接地。
（3）控制信号引脚RST/Vpp、ALE/PROG、PSEN和EA/Vpp RST/Vpp ──RST为复位信号输入端。当RST端保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，使单片机完成复位操作。第二功能Vpp 为内部RAM的备用电源输入端。当主电源Vcc一旦发生断电（称掉电或失电），降到一定低电压值时，可通过Vpp为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使上电后能继续正常运行。
ALE/PROG──ALE为地址锁存允许信号。在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0扩展地址低8位的地址信号。在不访问外部存储器时，ALE也以时钟振荡频率的1/6的固定速率输出，因而它又可用作外部定时或其它需要。但是，在遇到访问外部数据存储器时，会丢失一个ALE脉冲。ALE能驱动8个LSTTL门输入。第二功能PROG是对内部ROM编程时的编程脉冲输入端。
PSEN──外部程序存储器ROM的读选通信号。当访问外部ROM时，PSEN产生负脉冲作为外部ROM的选通信号。而在访问外部数据RAM或片内ROM时，不会产生有效的PSEN信号。PSEN可驱动8个LSTTL门输入端。
EA/Vpp──访问外部程序存储器控制信号。对80C51，它们的片内有4KB的程序存储器，当EA为高电平时，CPU访问程序存储器有两种情况：第一种情况是访问的地址空间在0～4K范围内，CPU访问片内程序存储器；第二种情况是访问的地址超出4K时，CPU将自动执行外部程序存储器的程序，即访问外部ROM。当EA接地时，只能访问外部ROM。第二功能Vpp 为编程电源输入。
（4）4个8位I/O端口P0、P1、P2和P3
P0口（P0.0～P0.7）是一个8位漏极开路型的双向I/O口。第二功能是在访问外部存储器时，分时提供低8位地址线和8位双向数据总线。在对片内ROM进行编程和校验时，P0口用于数据的输入和输出。
P1口（P1.0～P1.7）是一个内部带提升电阻的准双向I/O口。在对片内ROM编程和校验时，P1口用于接收低8位地址。
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P2口（P2.0～P2.7）是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O口。第二功能是在访问外部存储器时，输出高8位地址。在对片内ROM进行编程和校验时，P2口用作接收高8位地址和控制信号。
P3口（P2.0～P2.7）是一个内部带提升电阻的8位准双向I/O口。
3.2 8051单片机的定时器/计数器
3.2.1 8051的定时器／计数器功能
（1）计数功能
所谓计数是指时外部脉冲进行计数。外部脉冲通过T0(P3.4)、T1(P3.5)两个信号引脚输入。输入的脉冲在负跳变时有效，进行计数器加1(加法计数)。计数脉冲的频率不能高于晶振频率的1/24。
（2）定时功能
定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲。也就是每个机器周期计数器加1。 3.2.2 定时器控制寄存器
表 3.1 定时器控制寄存器（TCON） Table 3.1 timer control register (TCON)
位地址 位符号 8FH TF1 8EH TR1 8DH TF0 8CH TR0 8BH IE1 8AH IT1 89H IE0 88H IT0
（1）TF0（TF1）计数溢出标志位
当计数器计数溢出（计满）时，该位置“1” 查询方式时，此位作状态位供查询，软件清“0”； 中断方式时，此位作中断标志位，硬件自动清“0”。 （2）TR0（TR1） 定时器运行控制位 TR0（TR1）=0 停止定时器／计数器工作 TR0（TR1）=1 启动定时器／计数器工作 软件方法使其置“1”或清“0”。
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3.2.3 工作方式控制寄存器
各位定义如下：
表3.2 工作方式控制器寄存器 TMOD
Table 3.2 controller TMOD
位序 位符号 B7 GATE B6 — B5 M1 B4 M0 B3 GATE B2 — B1 M1 B0 M0 C/T C/T
（1）GATE 门控位
GATE=0以运行控制位TR启动定时器
GATE=1以外中断请求信号（/INT0或/INT1）启动定时器 （2）C/T 定时方式或计数方式选择位 C/T=0定时工作方式 C/T=l计数工作方式
（3）M1、M0 工作方式选择位 M1、M0=00 方式0 M1、M0=01 方式1 M1、M0=10 方式2 M1、M0=11 方式3 3.2.4 中断允许控制寄存器（IE）
（1）EA中断允许总控制位
（2）ET0和ET1定时／计数中断允许控制位 ET0(ET1)=0禁止定时／计数中断 ET0(ET1)=1允许定时／计数中断 3.2.5 定时器/计数器的工作方式
（1）方式0
方式0是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH0全部8位和TL0的低5位构成。TH0的高3位弃之不用。
当为定时工作方式时，定时时间的计算公式为：
（213-计数初值）×晶振周期×12 （2）方式1
方式1是16位计数结构的工作方式，计数器由TH0全部8位和TL0全部8位构成。其电路和工作情况与方式0完全相同。
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