基于AT89S51单片机控制的八路LED显示设计

　　一、单片机的内部结构

　　AT89S51单片机兼容标准8051的指令系统及引脚。下面以AT89S51单片机为例，简要介绍51系列单片机的内部结构。

　　通常，单片机片内含CPU、ROM、RAM、并行I/O口、定时器/计数器、中断控制系统、时钟电路、系统总线等。

　　1.中央处理器（CPU）

　　中央处理器是AT89S51单片机的，完成运算和控制功能。其CPU能处理8位二进制数或代码。

　　2.程序存储器

　　程序存储器用于存放用户编写的程序、原始数据或表格，分为片内程序存储器和片外程序存储器。

　　AT89S51采用片内、片外统一编址的64kB（0000H~FFFFH）程序存储器地址空间。片内有4kB Flash Memery.地址范围为0000H~OFFFH.

　　既可在线编程（ISP），也可以用传统方法进行编程。

　　采用汇编语言或C语言编写的源程序，必须通过编译软件（如Keil C51）把编译生成二进制代码，即机器码。用户编写的程序、原始数据、表格等，都是以二进制的形式存放在程序存储器中的。计算机的工作，就是按照事先编好的程序从0000H地址单元一条条地循序执行的。

　　当AT89S51（31） 脚EA接高电平时，从片内ROM 中的0000H地址单元开始执行程序。当AT89S51（31）脚EA接低电平时，片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM 中取指令。

　　内部ROM 0000H~002AH共43个单元。被分为六段，作为程序运行的入口地址使用。其中：

　　0000H~0002H 为复位后或初始化引导程序地址区；0003H~000AH 外部中断0中断入口地址区；000BH~001 2H 定时器/计数器0中断入口地址区；001 3H~001 AH 外部中断1中断入口地址区；001 BH~0022H 定时器/计数器1中断入口地址区；0023H ~ 002AH 串行中断入口地址区。

　　通常， 我们编写程序时不得占用上述中断程序入口地址单元， 即0003H~002AH单元。也就是说， 主程序一般不放在该地址空间。编程时， 可以采用起始伪指令ORG,跳过0003H~002AH单元。

　　伪指令，是告诉汇编程序如何进行汇编的一类指令，不会被汇编成机器代码，只能为汇编软件（如Keil C51）所识别。

　　单片机复位后，是从0000H单元开始取指令执行程序的。因此，应在O000H~O002H三个单元存放一条无条件转移指令，转到主程序，程序结构如下：

　　ORG O00H:用伪指令ORG指示随后的指令代码从0000H地址单元开始存放。

　　LJMP START;在O000H~0002H存放一条长跳转指令，执行该指令，程序转到以START为语句标号的地址执行。

　　ORG 0030H;伪指令ORG指示随后的指令代码从0030H地址单元开始存放。

　　START: ;START是主程序入口地址标号，主程序开始。

　　……

　　END ;结束伪指令，标志程序代码到此结束。

　　通过该程序，保留了各中断入口地址。对各个中断入口地址的使用，我们在学习中断系统时再进行介绍。

　　3.数据存储器（RAM ）

　　单片机的数据存储器有片内和片外之分，AT89S51片内有256字节RAM,其中高128单元被专用寄存器占用，低128字节供用户使用，用于存放可读写的数据。片外数据存储器可扩展6kB存储空间，地址范围为0000H~FFFFH.片内和片外RAM 的地址空间各自独立， 指令MOV用于片内数据存储器之间的传送，指令MOVX用于片外数据存储器和累加器A之间的数据传送。

　　AT89S51内部RAM共有256字节，通常分为低128字节（地址00H~7FH）和高128字节（地址80H~FFH）两部分。低128字节，按其用途分为三个区域，如表1所示。

表1

　　（1）工作寄存器区

　　工作寄存器区有四组工作寄存器，每组8个寄存器，用于存放操作数及中间结果等。其地址为内部RAM 的00H~1FH单元地址。在任一时刻，CPU只能使用其中一组寄存器，并把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器组，用R0~R7表示。当前使用的到底是哪一组工作寄存器，则由程序状态字寄存器PSW 得RS1、RS0位的状态组合决定，表2为工作寄存器选择。

表2 工作寄存器选择

　　RS1和RS0的状态可以通过指令修改，如指令：

　　SETB RS1 :置RS1为1

　　CLR RS0 ;置RS0为0

　　置当前工作寄存器为第2组，R0~R7的物理地址为10H~17H.

　　（2）位寻址区。

　　内部RAM的20H~2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对各RAM单元的每一位进行位操作，因此，把该区又称为位寻址区。位寻址区有16字节RAM单元，共128位，位地址为00H~7FH.可以用位操作类指令对其进行位操作。如指令：

　　CLR 00H ;00H为位地址，而不是字节地址，将位地址00H清零

　　SETB 07H ;07H为位地址，不是字节地址，将位地址07H置1

　　当位地址为80H~FFH时，所代表的是特殊功能寄存器的位地址。

　　如指令：CLR P1.0

　　CLR 9OH

　　（3）用户RAM 区及堆栈。

　　用户RAM区，包括堆栈区和用户标志区等用户自己设定的数据区。其地址在内部RAM低128单元中。如果用户的程序要使用四组工作寄存器，其单元地址为30H ~7FH,共8O个单元，如果用户程序不需要四组工作寄存器，则其中一部分工作寄存器区也可作用户RAM使用。用户RAM区中的堆栈，用来暂存数据和地址，它是按"先进后出"的原则存取数据的。

　　堆栈有进栈和出栈两种操作，由栈指针SP管理。分别采用压栈和出栈指令PUSH和POP进行数据的存和取。

　　系统复位后，SP的值为07H,此时堆栈是从08H单元开始的。由于08H~1FH单元属于工作寄存器1~3区，如果程序中要用到这些区，把SP值改为2FH或更大。堆栈在内部RAM的30H~7FH单元中开辟。SP值一经确定，堆栈的位置也就确定下来了。由于SP可通过指令初始化为不同值。因此堆栈的位置是浮动的。如：

　　说明：（ ）：表示某寄存器、存储单元或表达式的内容。（（））：表示某寄存器、存储单元或表达式的内容为地址单元的内容。

　　4.特殊功能寄存器（SFR）

　　内部RAM的高128单元是特殊功能寄存器区其单元地址为80H~FFH.本文只讲解累加器ACC.

　　累加器A是常用的特殊功能寄存器。它既可存放操作数，也可存放运算的中间结果。51系列单片机（AT89S51）中大部分单操作数指令的操作数取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。

　　如：指令MOV A,Rn;把当前工作寄存器的内容送累加器A.指令MOV A,#data;把立即数data送累加器A.

　　5. 定时器/计数器

　　51系列单片机（AT89S51）共有2个16位定时器/计数器，用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。

　　6. 并行I/O口

　　AT89S51共有四个8位I/O I:1 P0、P1、P2、P3,以实现数据的并行输入输出。在下面的实例中。

　　我们便是用P1 1:3连接8只发光二极管，并通过程序对其进行控制。

　　7. 串行口

　　AT89S51有一个全双工的串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口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。

　　8. 中断控制系统

　　AT89S51共有5个中断源，即外中断2个、定时/计数中断2个、串行中断1个。

　　综上所述，51系列单片机（AT89S51）虽然只是一个芯片，但具有计算机应该具有的基本部件。

　　是一个简单的微型计算机系统。

　　二、8路LED花样显示电路设计

　　为了实现8路LED间隔显示所设计的八路LED花样显示电路如图1所示。其中，发光二极管可选用3mm 的，晶振为12MHz的，电路可用15~17cm的板搭焊，单片机加一个40DIP的紧锁lC插座，电源可用装在4.5V电池盒的三节5号电池提供。

图1 8路LED花样显示电路图

　　三、制作

　　到电子市场上购买以上材料后（正常价格约20元），便可进行电路的焊接了。焊接步骤如下：

　　（1）在板上依据8路LED花样显示电路设计好PCB电路图，然后以紧锁座为中心焊接其他元件。

　　（2）电路焊接顺序为：电源电路一外围电路一振荡电路一复位电路一程序存储器选择电路。

　　焊接前，应先对元器件引脚或电路板的焊接部位进行处理，~ 般有"刮/擦"、"镀"、"测"三个步骤：

　　刮/擦，就是做好焊接部位的清洁工作。一般是用小刀、细砂纸或橡皮擦，对紧锁座的引脚、电路板进行清理，去除其上的污垢。

　　镀，就是在刮净的元器件的待焊接部位上镀锡。

　　具体做法是：先蘸松香酒精溶液涂在刮净的元器件焊接部位，再将带锡的热烙铁头压在其上，并转动元器件，使之均匀地镀上一层很薄的锡层。

　　测，就是用万用表检测所有元器件的质量是否可靠，若质量不可靠或已损坏，则用同规格元器件替换焊接对象不同，电烙铁的工作温度也不相同。用电烙铁碰触松香， 若有"吱吱" 声，说明温度合适；若没有声音，仅能使松香勉强熔化，说明温度太低；若烙铁头一碰上松香就大量冒烟，则说明温度太高。

　　焊接过程一般以2~3s为宜。正常情况下，本电路焊接可以在3小时内完成。

　　四、程序设计

　　ORG O000H;随后的指令代码从O000H单元开始存放LJMP START;转标号START处ORG 0030H;随后的指令代码从0030H单元开始存放。

　　START:MOV P1,#10101010B;使得（P1）= 1o101010B,8路LED间隔发光END;结束伪指令，说明程序到此结束。

　　使用Keil C51 uVision2 编辑源程序、编译源代码并生成目标程序代码，再把目标程序代码通过编程器写到单片机中。把单片机芯片插到八路LED花样显示电路的紧锁插座上，并通电观察结果。

　　该程序实现了用单片机控制八只LED发光的功能。执行该程序，LEDI、LED3、LED5、LED7点亮，LED2、LED4、LED6、LED8熄灭，如图2所示：

　　请读者思考， 如果把指令"START:MOVP1,#1O101010B" 换成"START:MOV P1,#01010101 B".LED1~LED8的发光状态将如何？

　　如果想要前面四只LED亮，后面4只LED灭，该如何修改程序？

参考文献:

[1]. AT89S51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89S51_970858.html.
[2]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[3]. RS1 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS1_1187734.html.
[4]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.