单片机控制中的中断和定时器/计数器功能及其应用

1.单片机的定义、分类和特点

（1）单片机的定义 单片机是把CPU、存储器、I/O接口及其他功能的电路集成到一个芯片上的单芯片微型计算机，也称为MCU（微控制器）。在单片机上只要外加少许外围电子元器件便可以构成一套简易的控制系统。由于单片机芯片设计及制造技术方面的原因，在有限的芯片上无法设计出太多的内存空间，因此单片机上的ROM及RAM的容量都比较小。目前根据应用的需要在单片机的芯片里除加入了输入输出控制、定时计数器及外部中断的控制功能电路外，还加入了A-D（模-数）转换及D-A（数-模）转换功能的接口电路。

（2）单片机的分类 按其存储器类型可分为五种类型：

1）MASKROM类：程序在芯片封装过程中用掩膜工艺制作到ROM区中，如80C51，适合于大批量生产。

2）EPROM类：紫外线可擦写存储器类，如87C51（价格较贵）。

3）ROMless类：无ROM，如80C31，电路扩展复杂，现在较少使用。

4）OTPROM类：可一次性写入程序。

5）FlashROM类：可多次编程写入存储器，如89C51、89S51等，其成本低，开发调试方便，可重复编写程序。

（3）单片机的主要特点由于单片机具有体积小、成本低、运用灵活、易于产品化、较高的性价比、抗干扰能力强、温度适应范围宽等优点，使其在控制领域中得到了广泛的应用，单片机已经成为工业控制领域中不可缺少的器件之一。

2.单片机中的一些常用术语

（1）总线 指能为多个部件服务的信息传送线。在微机系统中，各个部件通过总线相互通信，总线包括地址总线、数据总线和控制总线。地址总线是用来传送由CPU发出的用于选择要访问的器件或部件地址的数据。数据总线是用来传送微机系统内的各种类型的数据。

（2）汇编 是能完成一定任务的机器指令的集合。

（3）二进制数和16进制数

1）二进制数：只有0和1两个数码，基数为二。

2）16进制数：采用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F等16个数码，其中A～F相应的十进数为10～15，基数是16。

（4）指令 是计算机所能执行的一种基本操作的描述，是计算机软件的基本单元。

（5）存储器 用来存放计算机中的所有信息，包括程序、原始数据、运算的中间结果及最终结果等。

（6）中断 中断是单片机实时处理内部或外部事件的一种内部机制。当某种内部或外部事件发生时，单片机的中断系统将迫使CPU暂停正在执行的程序，转而去进行中断事件的处理，中断处理完毕后，又返回被中断的程序，继续执行下去。

（7）存储器 用来存放程序和数据的装置。根据存取功能可分为RAM和ROM两种。

1）RAM（随机存取存储器）：主要用来存放各种输入数据、输出数据、中间结果、最终结果以及与外存交换的信息等，当掉电后，RAM中所存储的信息都将消失。

2）ROM（只读存储器）：ROM通过特别手段可将信息存入其中，并能长期的保存被存储的信息。一般情况下，CPU只能对它进行写入操作，当断电后，ROM中所存储的信息不会消失。

（8）位（bit）和字节（Byte）

1）位：是计算机中所能表示的最基本和最小的数据单位。在计算机中的位就是指一个二进制位。

2）字节：相邻8位二进制数码被称为一个字节，即1B=8bit。也可以说一个字节的长度为8位。在计算机中常用字节数来表示存储器的容量。

（9）串行传送和并行传送

1）串行传送：指数据的各位分时传送，只需一条数据线，外加一条公共信号地线和若干条控制信号线。

2）并行传送：指数据的各位同时传送，每一条数据都需要一条传输线。

（10）D-A转换和A-D转换

1）D-A转换：是将二进制数量转换成与其量值成正比的电流信号或电压信号。

2）A-D转换：是将模拟量转换成相应的数字量，再送计算机进行处理。

3.单片机的硬件结构和构成

（1）8051单片机系统的内部结构（见图1-24）

图1-24 8051单片机系统的内部结构

1）一个8位的微处理器（CPU）：即8051单片机的CPU能处理8位二进制数或代码。

2）256B数据存储器和4KB程序存储器：

①内部数据存储器（RAM）：它是一个多用多功能数据存储器，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址等空间。8051单片机芯片共有256个RAM单元，其中后128个单元被专用寄存器占用，能作为供用户使用的寄存器只是前128个单元，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个单元，简称内部RAM，地址范围为00H～FFH（256B）。

②内部程序存储器（ROM）：8051单片机内部有4KB的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RAM，地址范围为0000H～FFFFH（64KB）。(www.xing528.com)

3）定时器/计数器：8051单片机共有2个16位的定时器/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。定时靠内部分频时钟频率计数实现；做计数器时，对P3.4（T0）或P3.5（T1）端口的低电平脉冲计数。

4）并行I/O口：8051单片机共有4个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3）以实现数据的输入输出。

5）串行口：8051单片机有一个全双工的通用异步串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为移位器使用。RXD（P3.0）脚为接收端口，TXD（P3.1）脚为发送端口。

6）中断控制系统：8051单片机的中断功能较强，能满足不同控制应用的需要。其共有5个中断，即外中断2个，定时中断2个，串行中断1个，全部中断分为高级和低级两个优先级别。

7）时钟电路：8051单片机芯片的内部有时钟电路，但硅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。

（2）8051单片机的引脚功能8051单片机有标准的40引脚双列直插式集成电路芯片形式，引脚分布如图1-25所示。

1）P0.0～P0.7：P0口8位双向口线（引脚的32～39号端子）。P0口有三个功能：

①扩展外部存储器时，当作数据总线（D0～D7为数据总线接口）。

②扩展外部存储器时，当作地址总线（A0～A7为地址总线接口）。

③不扩展时，可作一般的I/O使用，内部无上拉电阻，但应在外部接上拉电阻。

2）P1.0～P1.7：P1口8位双向口线（引脚的1～8号端子）。P1口只作I/O口使用，其内部接有上拉电阻。

3）P2.0～P2.7：P2口8位双向口线（引脚的21～28号端子）。P2口有两个功能：

①扩展外部存储器时，当作地址总线使用。

②作为I/O口使用，其内部接有上拉电阻。

4）P3.0～P3.7：P3口8位双向口线（引脚的10～17号端子）。P3口有两个功能：

①作为I/O使用（其内部有上拉电阻）。

②作为串行通信接口，读写控制信号等。

5）ALE地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于把P0口的低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

图1-25 8051单片机的引脚

6）PSEN外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。

7）其他引脚：

①：访问和存储器控制信号。

②RST复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上为高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

③XTAL1和XTAL2外接晶振引脚：当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接硅晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

④V_CC：电源+5V输入。

⑤V_SS：GND接地。

4.单片机的指令和程序

（1）指令的格式 指令是指挥计算机工作的命令。指令有两种表达形式：第一种形式是机器码格式，也叫做数字的形式；第二种助记符的形式称为汇编语言指令，如MOV A，#0FEH。

（2）程序和汇编 程序是人们为了完成某种任务，按照自己的思维逻辑，使计算机按照一定的规律进行各种操作，实现特定的控制功能而编制的有关指令的集合。我们编写指令使用汇编格式，而计算机只懂机器码格式，所以要将我们编写的汇编格式的指令转换为机器码格式，这种转换有两种方法：手工汇编和机器汇编。手工汇编实际上就是查表，因为这两种格式纯粹是格式不同，所以是一一对应的，查一张表格就行了。机器汇编就是用计算机软件来替代手工查表。

单片机工作就是执行程序的过程，即逐条执行指令的过程。计算机每执行一条指令时可分为三个阶段进行，即：取指令—分析指令—执行指令。计算机进行工作时，首先要通过外部设备把程序和数据通过输入接口电路和数据总线送入到存储器，然后逐条取出执行。一般单片机中的程序都已通过编程器固化在片内或片外程序存储器中，所以一开机即可执行指令。

（3）单片机的指令系统 每种单片机都有自己独特的指令系统。因为指令系统是开发和生产厂商定义的，如要使用其单片机，用户就必须理解和遵循这些指令标准，要掌握某种单片机，指令系统的学习是必须的。单片机共有111条指令，可分为5类：数据传送类指令（共29条），算数运算类指令（共24条），逻辑运算及移位类指令（共24条），控制转移类指令（共17条），布尔变量操作类指令（共17条）。

5.单片机的应用

单片机的开发最早主要是处于汇编级的开发，那时，为单片机开发程序还是比较复杂的事情。虽然单片机的指令系统和普通计算机系统的指令非常类似，但它也有自己特殊的指令。比如MCS系列单片机的位寻址就是一个特有的寻址方式，这也增强了该类型单片机处理布尔代数的能力。除此以外，单片机的指令格式也比较特殊。单片机的主要开发工作都集中在接口技术，也就是为单片机进行扩展外部功能。单片机接口技术包括了并行接口、串行接口、数-模转换器和模-数转换器，以及接口的扩展技术。通过这些扩展工作，单片机获得了一定的交互能力，也使其内部处理能力得到有效的提高。单片机发展到今天，出现了不少高级语言开发工具，这些系统通过仿真，在更高的平台上进行快速开发，也为单片机的广泛应用铺平了道路。

单片机应用于工业测控是它的主要功能之一，例如单片机应用于汽车工业。另外，随着单片机性能的增强，单片机也同样广泛应用于计算机网络和通信技术。

如今单片机已经无处不在，与我们的生活息息相关。单片机体积小，集成度高，其内部的结构是普通计算机系统的简化。单片机具有可扩展性，在增加一些外围电路之后，就能成为一个完整的系统。比如，我们常用的一类电子秤，内部就安装了一块单片机，再加上传感器、显示器和一些附加电路，就形成了一个应用系统。单片机本身具有和普通计算机类似的强大的处理，可以增加复杂的算法，获得很强的数据处理能力。单片机在工业中的应用，极大地提高了工业设备的智能化，提高了处理能力和处理效率，而且无需占用很大的空间和复杂的设备。