单片机关键技术基础详解（四）

 

       单片机被广泛应用于工业控制，家电，消费电子，医疗电子，仪表测量等领域，为应广大初级电子工程师/单片机爱好者之需，电子发烧友网隆重策划整合推出《单片机关键技术基础详解》系列技术文章，以后会陆续推出其他章节，敬请广大工程师朋友继续关注和留意。应广大工程师网友对前三个章节热烈反响，电子发烧友网会再接再厉为各位工程师网友推出更多技术精品系列文章，以飨读者。

阅读相关系列章节

单片机关键技术基础详解（一）
单片机关键技术基础详解（二）
单片机关键技术基础详解（三）

　　一、电子电路设计之C51单片机常见问题

　　笔者在工作中实际使用过AT89C2051、AT89C51、AT89C52等51单片机，后来应用***新茂、华邦等厂家的51单片机。实践中遇到许多问题，都是书本上没有的。我印象中，书本上的知识只有一页插图了，就是cpu的时序图。最初直接用汇编写程序，然后是C51嵌套汇编。编译器曾用伟福系列编译器，后来使用keil等，感觉这些编译器大同小异。需要熟练的C语言基础，加上单片机应用的特殊性。

　　本文就51单片机应用中一些常见问题作个总结，这都是我实际碰到过的，因为文章篇幅所限，这些问题远远不足以表达单片机的常见问题。希望对初学者有所帮助，文中不完善的地方务请指点。谢谢！

　　1：C51编译器如何区分位地址和字节地址

　　是靠预定义实现的，比如：sfr P0 = 0x80; sbit P0_0 = 0x80;前者声明了P0端口地址位于0x80，后者说明了P0端口的bit0，即P0.0位于位地址空间0x80处。这2个0x80具有完全不同的含义，靠关键字sfr和sbit来区别。这样当程序被编译时，编译器会依此编译成相应的汇编语言。例如：

　　C51语句： P0 = 1;

　　P0声明为sfr，因此编译成：mov 80h，01h，将把0x01数据送入0x80单元，由于0x80单元物理上对应P0端口，因此，P0.0脚将输出高电平（其实是呈现高阻态，P0口独有的），其他.1-.7脚输出低电平。

　　C51语句： P0_0 = 1;

　　P0_0声明为sbit，因此编译成：setb 80h，这将把位地址空间的0x80地址的bit的值置1。这个位正是P0口的bit0，执行后，P0.0将输出高阻态。而P0.1-.7不会变化。

　　2：C51为什么要嵌套汇编

　　51单片机一个显著优点就是指令执行时间固定，因此可以适应时序要求严格的场合。例如符合ISO7816协议的cpu卡的读写，对时序要求比较严格。其实就是用io脚做出来的同步半双工串口。支持cpu卡的程序一般比较庞大，需要用c51来组织，但是由于c编译的不确定性，必须把底层程序封装成汇编语言模块嵌入到工程中。这就带来几个问题：如何声明函数、参数如何传递等。限于篇幅，不能说得很细。下面举例：

　　汇编程序单独保存一个文件，加入到工程中，函数如下：

　　_proc_a：

　　mov a， r7

　　inc a

　　mov r7， a

　　ret

　　用c语言在.h文件中声明： extern unsigned char proc_a（unsigned char val）;

　　调用时形如： retvalue = proc_a（0x11）;

　　说明：

　　a：汇编程序如果带参数，则需要在汇编程序前多加一个下划线。而声明它的地方不用加（伟福编译器这么要求的）。

　　b：函数的形参中第一参数用R7传递，函数返回值用R7返回，这是C51的通用规范。其他参数都有相应规定。函数可以返回一个位，用psw的c位返回。

　　c：上面的语句，执行顺序是把0x11给R7，然后跳转子程序，子程序将它加1后送回。

　　d：函数跳转到汇编程序时，本区的R0-R7，A，B，PSW，DPTR等寄存器可以供子程序使用，不必考虑调用后是否要恢复这些常规资源。上例中，A的值被函数使用了，编程者不必恢复调用前的值。

　　3：51单片机的P0口特殊之处

　　许多新手都碰到这个问题，其实很简单，这涉及到芯片的io脚是怎么做出来的。这对硬件工程师来说十分重要。TTL的io脚模型：

　　

　　P1，P2，P3口都可以理解成左图，注意vcc下面有个电阻，因此可以理解成：引脚输出1的能力弱。地那边没有电阻，可以理解成引脚吸入电流能力强。而P0口，可以理解成右图。这就是集电极开路输出，也叫OC输出。可以看出，当CTR=1时，三极管导通，引脚被接地;当ctr=0时，三极管截止，引脚浮空，也叫三态。这个端口这么做的目的是考虑P0口肩负读写数据和地址复用，这个关系要仔细看懂cpu时序图。因此，P0口要加合适的上拉电阻，绝不要加下拉电阻。上拉电阻的选择要看外部负载情况。

　　4：P1-3口如何输入输出

　　从上节的左图可以看出。做输出时，ctr=1则输出强信号0，ctr=0则输出弱信号1。当io脚做输入时，应使ctr=0，这样三极管截止。外部信号如果是1，则上拉电阻加强了这个1，单片机就会读到1。当外部信号为0时，注意，必须将上拉电阻的上拉作用全部抵消，才能在引脚上得到0。

　　因此，对于程序来说，把io脚置1就处于接收状态，当然也是输出1状态。程序置io口为1，读取的信号是不是1就依靠外部电路了，如果外部电路没有“吃掉”上拉电阻的电流，则读取得到1，反之，虽然程序置io脚为1，但是读取得到的就是0。

　　因此，如果用io脚的高电平驱动外部电路时，要小心外部电路把这个1“吃掉”从而输出不了1。而作为输入时，为0电平的外设必须足够有能力将io脚拉低。所以，用io脚直接点亮led的时候，最好用反逻辑，就是输出0，让led亮。这样能保证驱动能力。就是io脚接led的负端，led的正端过电阻接vcc。

　　因此，io脚输出1时，外部电路将它强行接地是没有关系的，而io脚输出0的时候，外部电路强行接电源就会把io脚损坏。所以，程序加电之后，一般把所有io口都写成1：MOV P0，0FFH。

　　P3口引脚复用，必须引脚都处于输出1状态。例如，把RXD脚输出0，则它什么数据都读不进来了，笔者早期曾调试一整天才发现串口收不到数据是没有把RXD置1的原因，把时间都浪费在外围了，当时很是汗颜。

　　5：有关晶振

　　单片机的晶振在内部可以简化成一个反向器。当晶振输入脚XI刚过坎压、被认为是1的一瞬间，输出脚XO就输出0，这个0会带动晶振使XI电压下降，当降低到坎压被认为是0的一瞬间，输出脚XO就输出1。这样周而复始。

　　因此，用示波器观察正常工作的晶振输入脚XI时，得到的是一个不高不低的近似水平线。而XO则是幅值很大的正弦波。测量晶振输入脚XI时，示波器表笔要打在X10档上，否则，表笔就能把晶振弄停。

　　因此布线时，晶振输入脚XI要尽量靠近晶振，而XO脚可稍远。同时XO具有一定的驱动能力，某些芯片可以用它驱动其它时序电路（不推荐这么做，因为系统可靠性下降）。

　　写到这里，才发觉51单片机的问题太多了，这篇文字简直就是沧海一粟。以后再补充吧，另行成文。

　　二、实验用单片机开发板介绍

　　该开发板集成了单片机系统最常用，最关键的功能单元，包括字符液晶显示，图片/汉字显示，数码管显示，实时时钟，步进电机控制，继电器控制，ADC转换，E2PROM操作，串口通信等等，提供C51例程大全。

　　基本配置

　　1、STC89C51单片机，支持串口在线下载程序，也就是你不用买单片机烧写器也能够随时烧写程序到你的单片机里，随时观察你修改的程序运行状况。

　　2、4位8段数码管显示（可做计数器，定时器，频率计，流水灯，电子钟等各种显示实验）

　　3、MAX232芯片RS232通讯接口（可以做为与计算机通迅的接口同时也可做为STC单片机下载程序的接口）

　　4、独立的+5V直流电源供电（避免了因用USB口供电容易烧坏电脑主板的隐患）

　　5、蜂鸣器（可以让单片机发声，唱歌，让单片机变成电子琴）。

　　

　　6、模数转换芯片ADC0832（两路可调AD输入，串行接口控制，转换效率高，是我们常用的模数转换器件）。

　　7、ULN2003步进电机驱动控制，可控制继电器和驱动步进电机（这是迈进工控自动化的第一步，对步进电机的操作是在单片机学习中所必须要面对的，也是必须要掌握的内容，机械精确定位，必须使用步进电机，数码相机调焦，扫描仪等设备都大量使用步进电机）

　　8、SPI串行实时时钟电路（DS1302）以及备用电源（熟悉SPI总线，用DS1302可以做一个万年历电子时钟，待机电流非常小，扣式电池的备用电源能保证时钟芯片工作几年时间，掉电时间照走，相比用定时器做的时钟，它的时间准，且不用计算，闰年自动生成，重新上电，数据不乱），对于类似像时钟芯片的操作也是我们必须要掌握的。

　　9、继电器控制，学习如何使用弱电控制强电，这在电器安全控制，远程控制方面非常有用。

　　10、AT24C02外部EEPROM芯片（IIC总线元件实验），该芯片的FLASH保存的数据可以保证10年不丢失。

　　11、字符液晶1602LCD接口。（采用接插件方式方便插拔，可显示两行 每行16个 共计32.任意ASCII码字符 它的功能应用比数码管丰富很多 显示的信息量也很大，可设计为仪器设备的控制面板人机交互模块）。

　　12、图形点阵液晶12864LCD接口（采用接插件方式方便插拔，可显示任意汉字和图形是目前单片机图文显示最常用的显示器件，我们的实验板支持带字库的12846液晶，开发程序更方便。12846液晶不随板赠送）。

　　13、4*4矩阵键盘（熟悉矩阵键盘编码，解码扫描原理，可做为人机交互信息输入接口）。

　　14、单片机32个IO口全部引出，方便用户进行自由扩展，增加新功能。

　　15、可安装锁紧装置，方便主芯片的安装及卸取

　　16、大部分元件采用贴片封装，有效的节省了系统空间。功能模块电源切换采用软件控制，无需跳线跳接，具有极强的系统综合控制功能。

　　17、光盘中含本实验板所有例程。赠送破解版KEIL编译，调试，仿真软件，STC单片机程序下载软件，电路板设计软件PROTEL 99SE，PROTEL 2004DXP等及所有电路图、实验板详细使用教程等。

　　标配组件

　　单片机开发板标准配置

　　1、主机开发板一套（配齐板上所有元件）

　　2、串口通讯电缆一条（兼程序下载线）

　　3、1602字符液晶一块

　　4、光盘一张DVD（开发板全套资料）

　　可以单独销售电路板及电子元件，用户可自己焊接调试。

　　三、IC解密之单片机算术运算指令

　　单片机算术运算指令汇总，不带进位位的单片机加法指令

　　ADD A，#DATA ;例：ADD A，#10H

　　ADD A，direct ;例：ADD A，10H

　　ADD A，Rn ;例：ADD A，R7

　　ADD A，@Ri ;例：ADD A，@R0

　　用途：将A中的值与其后面的值相加，最终结果否是回到A中。

　　例：MOV A，#30H

　　ADD A，#10H

　　则执行完本条指令后，A中的值为40H。

　　下面的题目自行练习

　　MOV 34H，#10H

　　MOV R0，#13H

　　MOV A，34H

　　ADD A，R0

　　MOV R1，#34H

　　ADD A，@R1

　　带进位位的加法指令

　　ADDC A，Rn

　　ADDC A，direct

　　ADDC A，@Ri

　　ADDC A，#data

　　用途：将A中的值和其后面的值相加，并且加上进位位C中的值。

　　说明：由于51单片机是一种8位机，所以只能做8位的数**算，但8位运算的范围只有0-255，这在实际工作中是不够的，因此就要进行扩展，一般是将2个8位的数**算合起来，成为一个16位的运算，这样，能表达的数的范围就能达到0-65535。如何合并呢？其实很简单，让我们看一个10进制数的例程：

　　66+78。

　　这两个数相加，我们根本不在意这的过程，但事实上我们是这样做的：先做6+8（低位），然后再做6+7，这是高位。做了两次加法，只是我们做的时候并没有刻意分成两次加法来做罢了，或者说我们并没有意识到我们做了两次加法。之所以要分成两次来做，是因为这两个数超过了一位数所能表达的范置（0-9）。

　　在做低位时产生了进位，我们做的时候是在适当的位置点一下，然后在做高位加法是将这一点加进去。那么计算机中做16位加法时同样如此，先做低8位的，如果两数相加产生了进位，也要“点一下”做个标记，这个标记就是进位位C，在PSW中。在进行高位加法是将这个C加进去。例：1067H+10A0H，先做67H+A0H=107H，而107H显然超过了0FFH，因此最终保存在A中的是7，而1则到了PSW中的CY位了，换言之，CY就相当于是100H。然后再做10H+10H+CY，结果是21H，所以最终的结果是2107H。

　　带借位的单片机减法指令

　　SUBB A，Rn

　　SUBB A，direct

　　SUBB A，@Ri

　　SUBB A，#data

　　设（每个H，（R2）=55H，CY=1，执行指令SUBB A，R2之后，A中的值为73H。

　　说明：没有不带借位的单片机减法指令，如果需要做不带位的减法指令（在做第一次相减时），只要将CY清零即可。

　　乘法指令

　　MUL AB

　　此单片机指令的功能是将A和B中的两个8位无符号数相乘，两数相乘结果一般比较大，因此最终结果用1个16位数来表达，其中高8位放在B中，低8位放在A中。在乘积大于FFFFFH（65535）时，0V置1（溢出），不然OV为0，而CY总是0。

　　例：（A）=4EH，（B）=5DH，执行指令

　　MUL AB后，乘积是1C56H，所以在B中放的是1CH，而A中放的则是56H。

　　除法指令

　　DIV AB

　　此单片机指令的功能是将A中的8位无符号数除了B中的8位无符号数（A/B）。除法一般会出现小数，但计算机中可没法直接表达小数，它用的是我们小学生还没接触到小数时用的商和余数的概念，如13/5，其商是2，余数是3。除了以后，商放在A中，余数放在B中。CY和OV都是0。如果在做除法前B中的值是00H，也就是除数为0，那么0V=1。

　　加1指令

　　INC A

　　INC Rn

　　INC direct

　　INC @Ri

　　INC DPTR

　　用途很简单，就是将后面目标中的值加1。例：（A）=12H，（R0）=33H，（21H）=32H，（34H）=22H，DPTR=1234H。执行下面的指令：

　　INC A （A）=13H

　　INC R2 （R0）=34H

　　INC 21H （21H）=33H

　　INC @R0 （34H）=23H

　　INC DPTR （ DPTR）=1235H

　　说明：从结果上看INC A和ADD A，#1差不多，但INC A是单字节，单周期指令，而ADD #1则是双字节，双周期指令，而且INC A不会影响PSW位，如（A）=0FFH，INC A后（A）=00H，而CY依然保持不变。如果是ADD A ，#1，则（A）=00H，而CY一定是1。因此加1指令并不适合做加法，事实上它主要是用来做计数、地址增加等用途。另外，加法类指令都是以A为核心的

　　四、单片机中晶振的作用

　　单片机工作时，是一条一条地从RoM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。—个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12MHz晶振，它的时钟周期是1/12us，它的一个机器周期是12×（1/12）us，也就是1us。

　　MCS—51单片机的所有指令中，有一些完成得比较快，只要一个机器周期就行了，有一些完成得比较馒，得要2个机器周期，还有两条指令要4个机器周期才行。为了衡量指令执行时间的长短，又引入一个新的概念：指令周期。所谓指令周期就是指执行一条指令的时间。例如，当需要计算DJNZ指令完成所需要的时间时，首先必须要知道晶振的频率，设所用晶振为12MHz，则一个机器周期就是1us。而DJNZ指令是双周期指令，所以执行一次要2us。如果该指令需要执行500次，正好1000us，也就是1ms。

　　机器周期不仅对于指令执打有着重要的意义，而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了12MHz晶振，那么当定时器的数值加1时，实际经过的时间就是1us，这就是单片机的定时原理。

　　简单地说，没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。

　　五、格雷码转二进制方法

　　二进位码第n位 = 二进位码第（n+1）位+格雷码第n位。因为二进位码和格雷码皆有相同位数，所以二进位码可从最高位的左边位元取0，以进行计算。（注：遇到1+1时结果视为0）

　　例如： 格雷码0111，为4位数，所以其所转为之二进位码也必为4位数，因此可取转成之二进位码第五位为0，即0 b3 b2 b1 b0。

　　0+0=0，所以b3=0

　　0+1=1，所以b2=1

　　1+1取0，所以b1=0

　　0+1取1，所以b0=1

　　因此所转换为之二进位码为0101

　　格雷码转换快速方法

　　（假设以二进制为0的值做为格雷码的0）

　　G：格雷码 B：二进位码

　　G（N） = B（n+1） XOR B（n）

　　

　　

　　

　　六、程序源代码里的秘密

　　许多公司程序的一开始总会有这样一段源代码：

　　const unsigned char version_num［］={。..。..};

　　大括号中为产品编号和程序版本号，产品编号和程序版本号都是公司指定的，除了少数时候可以通过外部通讯读取这个号码外，大多数时候只是放在这里，程序并没有对其做任何处理 。

　　大多数人的理解是这里的产品编号和程序版本号应该是为了方便公司对产品进行管理，比如现在有同一个型号不同版本的产品混在一起，就可以利用其进行区分。实际上这段代码的作用不是这样简单，更重要的是对外起到身份标示的作用，当出现知识产权纠纷的时候，这段代码的威力就显现了出来。

　　现在让我来给你一个假设，这个假设是针对单片机产品：你花了很长时间终于开发出一款受市场欢迎的产品，经过产品开发、市场前期推广，俨然就是花开结果，马上就是享受回报的时候。可此时杀出一家知名公司推出同样的产品，一下就把你逼到无利可图的地步。你经过仔细对比，可以确认此知名公司推出的产品用的代码就是你开发的，因为产品是你开发的，没有源代码外泄的可能。

　　难道真的这么巧是知名公司开发出了和你一模一样的产品？这种说法只能是哄小孩，一个产品，多少都有一些只有开发者自己知道的细节，只有开发者自己才知道这些细节的存在，而且这些细节是不会再产品规格书上有体现的，就好比是双胞胎，别人看就是一个模子出来的，可父母一眼就能看出许多不同。

　　现在答案是显而易见的，是知名公司通过某种非正常手段得到了你烧到芯片里面的代码。既然这样那可以去告知名公司啊，现在一个问题就出现在你面前，你如何证明这个程序是你写的？也许你会说要证明这个还不简单？我有源代码啊，知名厂家没有。可如果知名厂家说他们的源代码被当时的项目工程师离职时删除了，现在在你这里出现了，好哇，告你非法窃取公司商业机密。

　　当然，知名公司告你是告不赢的，只不过他们是大公司，不缺小钱，他们可以花一笔钱请一个律师把你拖到漫长的司法诉讼过程中，知名公司并不希望打赢官司，目的只有一个：“拖垮你，让你觉得耗不起只好自动退出。”

　　如果你在代码里面有这样的一段代码，恐怕知名公司别再妄想通过司法过程的漫长来拖垮你，你很容易就能用这段代码通过司法鉴定证明程序就是你编写的，一旦证明这个程序是你的，知名公司就不会再使用拖字诀，到那个时候就只有一条路可供他们选择，找你和解。

　　这是我通常在程序中留的个人签名，很简单，就是我常用的一个邮箱，哈！当然不会一直都是这个邮箱啦，会变来变去的，但有一个基本原则，很容易证明这个签名信息就是我。

　　const unsigned char author_msg=［‘s’，‘j’，‘_’，‘d’，‘a’，‘i’，‘@’，‘h’，‘o’，‘t’，‘m’，‘a’，‘i’，‘l’，‘。’，‘c’，‘o’，‘m’）;

　　如果你觉得这个签名还不够安全，看下面的：

　　name_sum=0;

　　for（i=0;i

　　{

　　name_sum=name_sum+author_msg［i］;

　　}

　　if（name_sum！=0xXX）

　　{

　　while（1）

　　{

　　//死循环

　　}