單片機(jī)最小系統(tǒng)

1、單片機(jī)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)，很多初學(xué)者在學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的時(shí)候往往一頭霧水，不知何從下 手。為此，筆者結(jié)合自己使用單片機(jī)多年的經(jīng)驗(yàn)，特意設(shè)計(jì)了單片機(jī)開(kāi)發(fā)所需的Study-c整機(jī)和硬件套件，并結(jié)合套件精心編寫(xiě)了單片機(jī)從入門到精通系列教程。通過(guò)講述單片機(jī)原理、電路設(shè)計(jì)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟 件工具、編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)實(shí)例讓讀者全面接觸單片機(jī)技術(shù)。教程編排上由淺入深，循序漸進(jìn)，內(nèi)容力求完整、實(shí) 用、趣味并存，使讀者在輕松愉快的學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步提高單片機(jī)軟硬件綜合設(shè)計(jì)水平。一、內(nèi)容提要本講主要向大家介紹51系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)并通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)10 口的輸岀控制。以點(diǎn)亮外部連接的 LED發(fā)光二極管）為例

2、，簡(jiǎn)要的介紹單片機(jī)的原理、最小系統(tǒng)的組成，并通過(guò) 簡(jiǎn)單的C51程序設(shè)計(jì)來(lái)講述編譯軟件 Keil的使用并下載Hex文件燒寫(xiě)單片機(jī)。二、原理簡(jiǎn)介在了解原理之前，首先讓我們思考一個(gè)問(wèn)題，什么是單片機(jī)，單片機(jī)有什么用？這是一個(gè)有意思的問(wèn)題，因?yàn)槿魏稳硕疾荒芙o出一個(gè)被大家都認(rèn)可的概念，那到底什么是單片機(jī)呢？普遍來(lái)說(shuō)，單片機(jī)又稱單片微控制器，是在一塊芯片中集成了 CPU中央處理器）、RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）、R0M程序存 儲(chǔ)器）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種功能的l/O輸入/輸岀）接口等一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件，從 而可以完成復(fù)雜的運(yùn)算、邏輯控制、通信等功能。在這里，我們沒(méi)必要去找到明確的概念來(lái)解讀什么是單 片機(jī)

3、，特別在使用 C語(yǔ)言編寫(xiě)程序的時(shí)，不用太多的去了解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理等。從應(yīng)用 的角度來(lái)說(shuō)，通過(guò)從簡(jiǎn)單的程序入手，慢慢的熟悉然后逐步深入精通單片機(jī)。在簡(jiǎn)單了解了什么是單片機(jī)之后，然后我們來(lái)構(gòu)建單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是讓單片 機(jī)能正常工作并發(fā)揮其功能時(shí)所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系 統(tǒng)。對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入 /輸岀設(shè)備等 見(jiàn)圖1 ）。圖1單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖三、電路詳解依據(jù)上文的內(nèi)容，設(shè)計(jì)51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)見(jiàn)圖2。vcc+ ClR9J10KGNDC2JMO59?M30pFWpF2

4、3467E910111213-1斗-151617191920P1.0verPl 1Pi?PO.tXADO)PL3PO.l(ADl)Fl 4PD.2(AO2Pl.5鞏UAD3)Pl.6P0.4(AD*)Pl. 7PO.5(AD5)P0.6(AD6)RSIP0.?(AD7)P3 0(RKD)EAAPPP3 l(TKD)F3 MINTOALBPROGP? 3(TNT1)PSENPl-KTO)P3.5(T1)P2.7(A15)P3.6(WR)P2.6A14P3.7(RD)P25(A13)P2AA12)XIAL2P2.3(A1I)X1AL1P2 2(A1O)P21(A9)GNDP2.0(AB)40U1

5、STC AWX5X37托35343332262524號(hào)2221VCCSODlRJ IK圖2 51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)下面就圖2所示的單片機(jī)最小系統(tǒng)各部分電路進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。1. 時(shí)鐘電路在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路之前，讓我們先了解下51單片機(jī)上的時(shí)鐘管腳：XTALK19 腳）：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端。XTAL2V18 腳）：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端。XTAL1和XTAL2是獨(dú)立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩 器，或者是器件直接由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。圖2中采用的是內(nèi)時(shí)鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2的引腳上外接定時(shí)元件 一個(gè)石英晶體和兩個(gè)電容），內(nèi)部振蕩器便

6、能產(chǎn)生自激振 蕩。一般來(lái)說(shuō)晶振可以在 1.212MHz之間任選，甚至可以達(dá)到 24MHz或者更高，但是頻率越高功 耗也就越大。在本實(shí)驗(yàn)套件中采用的11.0592M的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個(gè)電容的大小對(duì)振蕩頻率2040pF 之間選擇 本實(shí)驗(yàn)套3050pF之間。通常選取PCB ）時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當(dāng)采用石英晶振時(shí)，電容可以在 件使用30pF ）;當(dāng)采用陶瓷諧振器件時(shí)，電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?，?33pF的陶瓷電容就可以了。另外值得一提的是如果讀者自己在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的印刷電路板 與單片機(jī)芯片靠近，以減少引線的寄生電容，保證振蕩器可靠工作。檢測(cè)晶振是否起振的方法

7、可以用示波器可以觀察到XTAL2輸岀的十分漂亮的正弦波，也可以使用萬(wàn)用表測(cè)量 把擋位打到直流擋，這個(gè)時(shí)候2V左右一點(diǎn)的電壓。運(yùn)行不正常）或死機(jī) 停止運(yùn)行）時(shí)，就需出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)測(cè)得的是有效值）XTAL2和地之間的電壓時(shí)，可以看到2. 復(fù)位電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛 要進(jìn)行復(fù)位。MCS-5I系列單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST第9管腳）行復(fù)位操作。如果 RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電自動(dòng)復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位。圖2中所示的復(fù)位電路就包括了這兩種復(fù)位方式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時(shí)電容的負(fù)極和RESET

8、相連，電壓全部加在了電阻 上，RESET的輸入為高，芯片被復(fù)位。隨之 +5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒(méi)有被按下的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，在 芯片正常工作后，通過(guò)按下按鍵使RST管腳岀現(xiàn)高電平達(dá)到手動(dòng)復(fù)位的效果。一般來(lái)說(shuō)，只要RST管腳上保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。圖中所示的復(fù)位電阻和電容為經(jīng)典值，實(shí)際制 作是可以用同一數(shù)量級(jí)的電阻和電容代替，讀者也可自行計(jì)算RC充電時(shí)間或在工作環(huán)境實(shí)際測(cè)量，以確保單片機(jī)的復(fù)位電路可靠。3. EA/VPPV31 腳）的功能和接法51單片機(jī)的EA/VPPV31 腳）

9、是內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器的選擇管腳。當(dāng)EA保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，只訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。對(duì)于現(xiàn)今的絕大部分單片機(jī)來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器 一般為flash ）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲(chǔ)器，而是直接使用內(nèi)部的存儲(chǔ)器。在本實(shí)驗(yàn)套件中，EA管腳接到了 VCC上，只使用內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器。這一點(diǎn)一定要注意，很多初 學(xué)者常常將EA管腳懸空，從而導(dǎo)致程序執(zhí)行不正常。4. P0 口外接上拉電阻51單片機(jī)的P0端口為開(kāi)漏輸出，內(nèi)部無(wú)上拉電阻 見(jiàn)圖3 ）。所以在當(dāng)做普通I/O輸出數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)閂2截止，輸岀級(jí)是漏極開(kāi)路電路，要使“1信號(hào) 即高電

10、平）正常輸岀，必須外接上拉電阻。另外，避免輸入時(shí)讀取數(shù)據(jù)岀錯(cuò)，也需外接上拉電阻。在這里簡(jiǎn)要的說(shuō)下其原因：在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來(lái)的信號(hào)一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸岀低電平后，鎖存器Q=0，Q = 1，場(chǎng)效應(yīng)管V1開(kāi)通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無(wú)論端口線上外接的信號(hào)是低電平還是 高電平，從引腳讀入單片機(jī)的信號(hào)都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號(hào)。又如，當(dāng)從內(nèi)部 總線輸岀高電平后，鎖存器 Q = 1, Q = 0,場(chǎng)效應(yīng)管V1截止。如外接引腳信號(hào)為低電平，從引腳上讀入的信號(hào)就與從鎖存器讀入的信號(hào)不同。所以當(dāng)P0 口作為通用I/O接口輸入使用時(shí)，在輸入數(shù)據(jù)前，

11、應(yīng)先向P0 口寫(xiě)“1”此時(shí)鎖存器的Q端為“0”使輸出級(jí)的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管 V1、V2均截止，引腳處于懸浮 狀態(tài)，才可作高阻輸入?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)：為了能使 P0 口在輸出時(shí)能驅(qū)動(dòng) NMOS電路和避免輸入時(shí)讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)，需外接上拉電 阻。在本實(shí)驗(yàn)套件中采用的是外加一個(gè)10K排阻。此外，51單片機(jī)在對(duì)端口 P0 P3的輸入操作上，為避免讀錯(cuò)，應(yīng)先向電路中的鎖存器寫(xiě)入“1”，使場(chǎng)效應(yīng)管截止，以避免鎖存器為“0”狀態(tài)時(shí)對(duì)引腳讀入的干擾。5. LED 驅(qū)動(dòng)電路細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在最小系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED ）的接法是采取了電源接到二極管正極再經(jīng)過(guò)1K電阻接到單片機(jī)I/O 口上的 見(jiàn)圖4中的接法1 ）。為什么

12、這么接呢？首先我們要知道LED的發(fā)光工作條件，不同的 LED其額定電壓和額定電流不同，一般而言，紅或綠顏色的LED的工作電壓為1.7V2.4V ，藍(lán)或白顏色的 LED工作電壓為2.74.2V ，直徑為3mm LED 的工作電流2mA10mA 。在這里采用紅色的 3mm 的LED。其次，51單片機(jī) 如本實(shí)驗(yàn)板中所使用的STC89C52 單片機(jī)）的I/O 口作為輸出口時(shí)，拉電流 向外輸出電流）的能力是 卩A級(jí)別，是不足以點(diǎn) 亮一個(gè)發(fā)光二極管的。而灌電流 往內(nèi)輸入電流）的方式可高達(dá) 20mA，故采用灌電流的方式驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。當(dāng)然，現(xiàn)今的一些增強(qiáng)型單片機(jī)，是采用拉電流輸岀接法2）的，只要單片機(jī)的輸岀

13、電流能力足夠強(qiáng)即可。另外，圖4中的電阻為1K阻值，是為了限制電流，讓發(fā)光二極管的工作電流限定在2mA10mA接法2四、程序設(shè)計(jì)在單片機(jī)編程語(yǔ)言上，有 C語(yǔ)言和匯編兩種選擇。本系列教程米用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，在此對(duì)C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言在進(jìn)行單片機(jī)開(kāi)發(fā)時(shí)進(jìn)行下簡(jiǎn)單比較，匯編語(yǔ)言面向硬件，要求對(duì)硬件的特性如寄存器之類的 比較熟悉，執(zhí)行效率高，但可讀性和移植性差，不同的單片機(jī)之間的程序不能通用，例如學(xué)會(huì)了51單片機(jī)的匯編指令，卻沒(méi)法用到AVR單片機(jī)上。C語(yǔ)言面向過(guò)程，可讀性和移植性很好，效率要比匯編低一些。對(duì)于剛接觸單片機(jī)的人來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)這兩種語(yǔ)言是一樣的，但在以后的開(kāi)發(fā)效率上，C語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了，其可以

14、幾乎完全不改動(dòng)的情況下移植，大大提高了開(kāi)發(fā)速度。控制發(fā)光二極管D1閃爍的C語(yǔ)言源程序：1. 程序詳細(xì)說(shuō)明1 ）頭文件包含。程序接下來(lái)調(diào)用的P0_0就是該頭文件中定義好的一個(gè)寄存器地址。在對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的寄存器操作之前，應(yīng)申明其來(lái)處，有興趣的讀者可以看看AT89X52.h 文件中的內(nèi)容。2 ）宏定義led,便于直觀理解也便于程序修改，將P0_0 口命名為led,這樣在程序中就可以用led代替P0_0 口進(jìn)行操作。3 ）延時(shí)函數(shù)聲明。函數(shù)在調(diào)用之前必須進(jìn)行聲明，因?yàn)楹瘮?shù)定義放在主函數(shù)之后，所以在主函數(shù) 之前對(duì)延時(shí)函數(shù)進(jìn)行了聲明。4 ）主函數(shù)入口。主函數(shù)不傳遞參數(shù)也不返回值。5 ）死循環(huán)。6 ）輸出高

15、電平，led不亮。7 ）延時(shí)一段時(shí)間，以便人眼能夠直觀看到。8 ）輸出低電平，led點(diǎn)亮。9 ）延時(shí)一段時(shí)間。10 ）延時(shí)函數(shù)定義。11 ） for語(yǔ)句循環(huán)延時(shí)。2. 程序流程圖與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象程序流程如圖5所示。經(jīng)編譯軟件keil ）編譯，生成單片機(jī)燒寫(xiě)文件，然后就可下載到單片機(jī)內(nèi)部 運(yùn)行了，硬件電路板如圖 6所示，本實(shí)驗(yàn)板上用的是 STC89C52RC ，可以用通過(guò)板載 USB轉(zhuǎn)串口燒寫(xiě) 程序。故將USB線 本實(shí)驗(yàn)套件中有）連接電腦和實(shí)驗(yàn)板。供電電源可以從USB取，也可以從外部電源取電。冷啟動(dòng)，即先點(diǎn)擊下載，然后再上電。下載程序到單片機(jī)內(nèi)運(yùn)行后，可以看到實(shí)驗(yàn)板上P0_0 口外接的LED燈D1）一

16、亮一滅的閃爍。圖5程序流程圖圖6硬件電路板圖五、總結(jié)本講主要介紹了 51單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及編寫(xiě)第一個(gè)簡(jiǎn)單的程序。從過(guò)該實(shí)驗(yàn)，可以掌握單片 機(jī)的開(kāi)發(fā)流程，從而快速入門。在該講中應(yīng)該注意幾個(gè)問(wèn)題：1. 本講座中采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，因?yàn)?C語(yǔ)言的可讀性和可移植性強(qiáng)。若讀者沒(méi)有學(xué)過(guò)C語(yǔ)言， 則應(yīng)去了解和掌握相應(yīng)的 C語(yǔ)言知識(shí)。C語(yǔ)言易學(xué)易用，相信很快就能熟練。2. 程序編譯軟件采用的是 Keil。限于篇幅的原因，在這里就不對(duì)其進(jìn)行講述，如果讀者有對(duì)其不明白的地方，可以到本刊論壇的單片機(jī)版面，作者制作了一個(gè)詳細(xì)的Keil入門教程。我們通過(guò) Keil編譯程序，最終生成燒寫(xiě)單片機(jī)的Hex代碼文件。Ke

17、il軟件界面如圖7所示，中間空白區(qū)域?yàn)榇a區(qū)，左側(cè)為項(xiàng)目列表，最下面為消息窗口。圖7 Keil軟件開(kāi)發(fā)界面3. 本實(shí)驗(yàn)板上所用的STC單片機(jī)通過(guò)串口下載程序。其上位機(jī)軟件界面如圖8所示 F： u vnMMt* n； |c3刪皿給弼 vmoaaMmmaon mca wmirtHg啊右卞科附0丁啊電dirtii* if 1M|l 廠 n/fl-EK iE/|Ug|K盹 (HT WwiEU m piv * Ml runH fl TI m.st 可輯罰TFMllflLITS - n浮堂密上&下 t*J皿ZT町.：_：廠 wiffttricuh iswaw?1iTSihii. lAmi/Itf limn

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