目录第一章总体设计 (5)1.1设计目的 (5)1.2设计任务与要求 (5)1.3基本工作原理 (5)1.4设计方案 (5)第二章单片机简介 (6)2.1单片机结构 (6)2.2单片机的封装形式、引脚定义及功能 (7)2.3单片机的工作原理 (8)2.4 CPU的工作原理 (8)2.5存储器结构 (9)2.6 CPU时序及时钟电路 (10)2.7复位操作 (12)第三章硬件设计 (14)3.1整体硬件接结构 (14)3.2功能模块电路 (14)3.3系统硬件原理电路图 (16)第四章软件设计 (17)4.1软件总体结构设计 (17)4.2各功能模块设计 (18)总结与心得 (25)参考文献： (26)第一章总体设计1.1设计目的1)了解单片机的基本原理及相关的简单应用。

2)掌握用单片机设计系统的一般步骤。

3)了解LED数码管的基本知识和驱动方法。

4)掌握单片机系统各个组成部分的作用以及分布位置。

5)学会运用单片机的硬件资源。

1.2设计任务与要求8个彩灯的控制电路的任务为：用AT89S51单片机设计设计一个8个彩灯控制电路。

要求：完成以下花形变化：1) 从左到右依次点亮，8个灯全亮；从右到左依次熄灭，8个灯全灭。

时间节拍为1秒。

2)从两边向中间依次点亮，8个灯全亮；从中间向两边依次熄灭，8个灯全灭。

时间节拍为1秒。

3)循环往复，用LED管模拟彩灯。

4)用汇编语言编程，用proteus仿真。

1.3基本工作原理此次使设计一个能控制八路彩灯的控制器，其中彩灯用发光二极管模拟。

由P1.6和P1.7口控制电路启动与停止，根据彩灯的亮灭要求，利用数据指针查表，将查到的内容送给P2口进行显示，然后调用1s延时程。

若查到的内容为跳出代码就重新开始循环。

1.4设计方案软件方面：通过汇编语言编程实现不同要求的状态，由延时程序实现1秒的延时时间。

硬件方面：彩灯启动与停止由P1.6和P1.7口进行控制，彩灯的显示状态由AT89C51的P2口输出显示。

芯片的控制由AT89C51的外接晶振和复位电路进行控制。

第二章单片机简介2.1单片机结构2.1.1 80C51单片机的功能结构如下图所示，单片机是属于三总线结构，80C51单片机功能方框图如图2-1所示：图2-1单片机内部结构框图2.1.2 单片机内容结构单片机的内部结构如图2-2所示。

从图中看出，它具有以下特征；适于控制应用的8位CPU56字节片内数据存储器，分高低两个128字节4K字节片内程序存储器64KB程序存储器空间64KB数据存储器空间4个8位共32根双向并可按位寻址的I/O口线两个16位定时/计数器；一个全双工的串行I/O接口有5个中断源有片内时钟振荡器具有布尔处理（位处理）能力图2-2 单片机内部结构2.2单片机的封装形式、引脚定义及功能2.2.1 80C51封装80C51系列单片机具有双列直插式和方形两种封装。

2.2.2 80C51系列单片机引脚功能①引脚分布：如图2-3所示为双列直插式引脚分布图②引脚功能VCC----工作电源+5VGND----电源地ALE/ PROG -----访问外部存储器时作为低8位地址锁存控制信号；在对EPROM编程时作为编程脉冲输入；在不访问外部存储器和非EPROM编程状态下，该脚输出频率为1/6单片机晶振频率的方波信号，该信号，可作为时钟脉冲，但在访问数据存储器时会丢失一个脉冲；PSEN——外部程序存储器读选通信号。

EA/VPP——访问程序存储器控制信号。

当EA为低电平时，只读外部存储器，当EA为高电平时则先读内部程序存储器，再读外部程序存储器；这个引脚在编程时接编程电压VPP.XTAL1——片内振荡电路输入端。

XTAL2——片内振荡电路输出端。

P0-P3——输入输出端口。

2.3单片机的工作原理2.3.1 指令与程序图2-3引脚分布1)指令规定计算机执行特定操作的命令，分成操作码和操作数，以二进制编码形式出现，具有固定的格式。

2)程序程序就是跟据要求编制的指令集合。

2.4 CPU的工作原理CPU是微机的核心部件，由控制器和运算器两部分组成。

1)控制器控制器由指令部件、时序部件、控制部件三部分组成。

①指令部件：由程序计数器、指令寄存器和指令操作码译码器构成。

程序计数器——用来存放指令的地址的部件。

指令寄存器——用来暂时存放指令的部件。

指令操作码译码器——对指令操作码进行分析、解释并在输出端产生各种电平。

②时序部件：由时钟系统和节拍发生器构成。

时钟系统——它产生具有一定频率和宽度的脉冲信号。

节拍发生器——节拍发生器产生节拍电位和节拍脉冲。

③微操作控制部件：对节拍信号和指令操作码信号进行加工处理，产生各种信号。

2)运算器运算器是数据进行算术运算和逻辑运算的执行部件，单片机不仅有很强的算术运算能力，而且有非常强的位处理能力，因此，特别适合用在实时控制场合。

3)单片机执行程序的过程系统复位，程序计数器PC的值为0000H。

在控制信号的作用下，根据PC值从内存单元中取出相应的指令。

将取出的指令送指令寄存器，经指令译码器分析，译码信号与时序信号合成，形成所需的各种微操作信号。

循环往复执行，直到结束。

2.5存储器结构2.5.1单片机存储器空间分布如图2-4所示，80C51单片机存储器在物理结构上分片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器四个空间；在逻辑结构上（使用上）分成片内外统一编址的64KB程序存储器、256B的片内数据存储器以及64KB片外数据存储器。

图2-4 单片机存储器结构2.5.2 程序存储器1)程序存储器的作用用来存放操作程序。

2)程序存储器的空间分布分片内和片外，共64KB空间，EA=1，先访问片内程序存储器再访问片外存储器，其地址是连续的；当EA=0时，只访问片程序存储器。

复位时PC=0000H，值得注意的是，程序存储器从0003H～0030H共40个单元作为中断处理用。

2.5.3数据存储器1)数据存储器的作用数据存储器用于存放中间运算结果、数据暂存和缓冲、标志位等。

2)数据存储器空间分布数据存储器由片内256字节（含低128单元和高128单元）和片外64KB两个存储空间组成，结构如图2-5所示：2-5单片机数据存储器2.6 CPU时序及时钟电路CPU从取指令、分析指令到执行指令的全过程中，都是在时序控制下一拍一拍地进行的。

下面介绍时序的几个概念：时钟周期又叫节拍，定义为时钟脉冲频率的的倒数，如f=12MHZ，则T=1/12。

CPU完成一种基本操作所需的时间称机器周期。

如CPU取指令、分析指令、执行指令等。

一个机器周期分6个状态，记为S1—S6，因此，一个周期由12个节拍组成。

CPU执行一条指令所需要的时间称之为指令周期，如图2-6所示。

图2-6 单片机指令周期2.6.1指令时序1)取指令和执行指令：取指令：CPU在每出现一次ALE取一次指令，一个周期出现二次ALE。

第一次出现在S1P2、第二次出现在S4P2，宽度为一个状态。

执行指令：80C51共有111条指令，指令时序分成单字节、单周期指令时序；双字节单周期指令时序；单字节双周期指令时序；二字节二周期指令时序；一字节四周期指令时序。

2)指令执行过程(如图2-7是单片机指令执行过程)：图2-7 单片机指令执行过程现说明如下：①单字节、单周期指令时序：在S1期间读入操作码，并把它送入指令寄存器，接着开始执行，并在本周期的S2P2执行完毕。

如：INC A ；②双字节单周期指令时序：在S1期间读入指令操作码并锁存，在S4期间读入指令第二字节，指令在相周期的S6P2期间执行完毕。

如：ADD A ，#data③单字节双周期指令时序：在S1期间读入操作码并锁存，然后开始执行，在第二周期的最后一个状态S6P2执行完毕。

如：MOVX A ，@DPTR 2.6.2振荡器和时钟电路如图2-8所示，80C51的时钟主生方法分内部时钟方式和外部时钟方式：1)内部时钟电路此时在芯片XTAL1和XTAL2两端跨接晶体，C 取30PF ；若跨接陶瓷谐振器，C 取47pF ；晶振频率可在1.2~12MHZ 之间选择。

2)外部时钟方式此方式是利用外部振荡脉冲接 入XTAL1或XTAL2。

HMOS 和CHMOS 单片机外时钟信号接入方式不同。

如图2-9所示：8051的时钟信号由XTAL2输入，考虑到XTAL2不是TTL 电平，因此接有上拉电阻。

80C51的时钟由XTAL1输入。

2.7复位操作复位操作是单片机的初始化操作，单片机在进入运行前和在运行过程中程序出错或操作失误使系统不能正常运行时，需要进行复位操作。

复位操作后，程序将从0000H 开始重新执行，复位时特殊功能寄存器的状态如表3所示。

除此之外，复位操作还使单片机的ALE和PSEN引脚信号在复位期间变为无效状态。

单片机对复位信号的要求：一是复位信号为高电平，二是复位信号有效持续时间不少于24个振荡脉冲（两个机器周期）以上。

在这里特别要提醒的是，在一个应用系统中，如果有几片单片机同时工作，在程序上有连接关系，系统复位时，应确保每一片单片机同时复位。

复位信号由单片机的RST 引脚输入，复位操作有上电自动复位、按键复位和外部脉冲复位三种方式。

第三章 硬件设计3.1整体硬件接结构所谓接口是CPU 与外界的连接部件，以实现CPU 与外部设备的耦合和匹配。

本课题只要求外接晶振电路、复位电路、控制电路、显示接口电路。

根据总体设计要求，确定系统功能接口，设计出系统的电路原理图（如图3-1所示）。

显示设备为8个LED 灯，采用共阳极接法。

利用89C51的P2口进行显示输出和P1.6和P1.7进行启动和停止控制。

3.2功能模块电路3.2.1外接晶振电路每个单片机系统里都有晶振，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

外接晶振电路是向AT89C51芯片提供基准频率。

外接晶振电路图如下：AT89C51显示电路外接晶振电路复位电路控制电路 图3-13.2.2复位电路关于单片机的复位，是为了把电路初始化到一个确定的状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。

当单片机的复位引脚出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位电路图如下：3.2.3控制电路利用单片机芯片AT89C51的P1.6和P1.7口进行彩灯的启动和停止这两个状态的控制，如果按下P1.6的开关按钮彩灯就启动，当按下P1.7的按钮时彩灯就立即停止（全部熄灭）。