認識單片機和單片機最小系統(tǒng)

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1、 項目一 認識單片機及單片機最小系統(tǒng) 知道單片機的概念 了解單片機的應用領(lǐng)域 了解AT89S51單片機命名規(guī)則、封裝形式和外形實物 熟悉AT89S51單片機各引腳的功能 了解單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 學會制作單片機最小系統(tǒng) 了解單片機應用系統(tǒng)的建立過程 自從1946年美國賓夕尼亞大學研制了世界上第一臺數(shù)字電子計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）以來，計算機的發(fā)展經(jīng)歷了四個時代。在短短的幾十年中，已發(fā)展出大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的計算機，其運算速度每秒鐘可達上萬億次以上。近年來，計

2、算機正朝著巨型化、智能化、網(wǎng)絡化、微型化的方向發(fā)展。 微型化的發(fā)展也就是微型計算機的發(fā)展。在微型計算機中，單片微型計算機（簡稱單片機）是其重要的成員。單片機的發(fā)展也非常迅速，它依靠一定的硬件基礎(chǔ)，根據(jù)特定環(huán)境，能完成一定的需求。因其結(jié)構(gòu)比較簡單、工作任務針對性較強，使得在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中都能看見它的蹤跡。 自從1974年美國仙童（Fairchild）公司運用計算機技術(shù)生產(chǎn)了世界上第一塊單片機（F8）以來，在短短的幾十年中，作為微型計算機中的一個重要分支，單片機的應用面極廣，發(fā)展速度也很驚人。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，微型計算機應用越來越廣泛，越來越多的電器也具有了“自動”、“智

3、能”、“微電腦控制”等功能。例如微電腦控制電磁爐、全自動洗衣機，智能電風扇等。那么這些“自動”、“智能”、“微電腦控制”到底是什么呢？又怎么去實現(xiàn)的呢？ 能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能的主角就是——單片機。 1．單片機名稱由來 所謂單片機，就是一塊集成電路芯片。它采用超大規(guī)模集成技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力（如算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳輸、中斷處理）的微型中央處理器（CPU）、隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、只讀程序存儲器（ROM）、輸入/輸出電路（I/O接口），甚至還包括振蕩電路、定時計數(shù)器、串行通信接口（SCI）、顯示驅(qū)動電路（LCD或LED驅(qū)動電路）、脈寬調(diào)制電路（PWM），模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器

4、等電路集成到一塊芯片上，構(gòu)成一個小而完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務。 這樣一塊集成電路具有一臺計算機的基本功能，因而被稱為單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)，簡稱“單片機（SCM）”，也被稱為微控制單元或者微控制器（MCU），MCU(Micro Controller Unit)。所以，單片機就是一臺芯片級的微型計算機。 單片機控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以通過軟件控制來實現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化。現(xiàn)在單片機的應用領(lǐng)域非常廣泛，其應用意義遠不限于它的應用范疇或由此帶來的

5、經(jīng)濟效益，更重要的是它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計思想。它是控制技術(shù)的一次革命，是一座重要的里程碑。 圖1-1-1 各種各樣的單片機 2．單片機的應用領(lǐng)域 單片機廣泛應用于家用電器、數(shù)碼電子產(chǎn)品、醫(yī)用電子設(shè)備、智能儀器儀表、計算機網(wǎng)絡和通信、實時工業(yè)生產(chǎn)管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分為以下幾個范疇。 1、在家用電器/數(shù)碼電子產(chǎn)品中的應用 現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，大到電冰箱、洗衣機、空調(diào)、彩電、電飯煲，小到筆記本電腦、數(shù)碼攝像/照相機、智能手機等，無所不在。家用電器是單片機的一個重要應用領(lǐng)域，前景十分廣闊。圖1－1－2列出了一些現(xiàn)在市面上較流行的

6、家電、碼數(shù)產(chǎn)品。 圖1-1-2 單片機在洗衣機等家用電器中的應用 2、在醫(yī)用電子設(shè)備中的應用 單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途也相當廣泛，如醫(yī)用呼吸機、各種分析儀、監(jiān)護儀、超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等。 圖1-1-3 單片機在過敏皮試儀、超聲波診斷儀、X光機等醫(yī)療器設(shè)備中的應用 3、在智能儀器儀表上的應用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中。結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素和壓力等物理量的測量。采用單片機控制可使儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比采用

7、電子或數(shù)字電路要更加強大。例如，精密的測量設(shè)備（功率計、示波器和各種分析儀等）。圖1-1-4是一個PH/ORP儀表，用于環(huán)境監(jiān)測、工礦企業(yè)、科學研究、水產(chǎn)養(yǎng)殖場等場合的pH值的測定并經(jīng)內(nèi)部處理后顯示在LCD顯示屏上。 圖1-1-4 單片機在智能儀器儀表中的應用 4、在計算機網(wǎng)絡和通信中的應用 單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡和通信設(shè)備間的應用提供了極好的物質(zhì)條件?，F(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機、電話、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信系統(tǒng)，到日常工作中隨處可見的移動電話、集群移動通信、無線電對講機等。

8、 圖1-1-5 數(shù)字程控電話 圖1-1-6阿爾卡特朗訊會議電話 5、在實時工業(yè)生產(chǎn)管理及過程控制中的應用 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如，工廠生產(chǎn)線的智能化管理、生產(chǎn)設(shè)備的智能化控制、各種報警系統(tǒng)與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。 此外，單片機在工商、金融、科研、教育和國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 1．單片機的封裝形式 MCS-51系列單片機的封裝形式主要有三種:PDIP、PLCC、TQFP。以AT89S51型號為例，封裝形式如圖1-1-7(a)、1-1-7(b)、1-1-7(c)。 圖1-2-1(

9、a) PDIP封閉形式 圖1-2-1(b) PLCC封閉形式 圖1-2-1(c) TQFP封閉形式 2．單片機的外部引腳及其功能 MCS-51系列單片機中各類型的端子是相互兼容的，用HOMS工藝制造的單片機大多采用40端子雙列直插（DIP）封裝。當然，不同芯片之間的端子功能會略有差異，在設(shè)計、應用時應當注意。 MCS-51是高檔8位單片機，但由于受到集成電路芯片引腳數(shù)目的限制，會有很多引腳具有第二功能。以AT89S51型號為例，MCS-51的引腳如圖1-1-8所示，40個引腳大致可分為4類：

10、電源、時鐘、控制總線和I/O引腳。 圖1-2-2 MCS-51單片機外部引腳圖 各引腳的功能如下： 1、電源引腳：VCC和VSS VCC：電源輸入端。作為工作電源和編程校驗，接+5V。 VSS：接地端。 2、時鐘振蕩電路引腳：XTAL1和XTAL2 在使用內(nèi)部振蕩電路時，XTAL1和XTAL2用來接石英晶體和微調(diào)電容，振蕩頻率為晶振頻率，振蕩信號送至內(nèi)部時鐘電路產(chǎn)生時鐘脈沖信號：在使用外部時鐘時，XTAL1和XTAL2用于接外部時鐘源。 3、控制信號引腳：RST/VPD，，和 RST/VPD：RST為復位信號輸入端。當RST端保持兩個機器周期以上的高電平時，單片機完成復

11、位操作。VPD為內(nèi)部RAM的備用電源輸入端。當電源VCC一旦斷電或者電壓降到一定值時，可以通過VPD為單片機內(nèi)部RAM提供電源，以保護片內(nèi)RAM中的信息不丟失，且上電后能夠繼續(xù)正常運行。 ：ALE為地址鎖存信號。當訪問外部存儲器時，ALE作為低8位地址鎖存信號。為片內(nèi)EPROM編程時的編程脈沖輸入端。 ：外部程序存儲器的讀選通信號，當訪問外部ROM時，產(chǎn)生負脈沖作為外部ROM的選通信號。 ：為訪問程序存儲器的控制信號。當為低電平時，CPU對ROM的訪問限定在外部程序存儲器；當為高電平時，CPU對ROM的訪問從內(nèi)部0～4KB地址開始，并可以自動延至外部超過4KB的程序存儲器。VPP為片內(nèi)E

12、PROM編程的21V電源輸入端。 4、I/O口引腳：P0、P1、P2和P3 P0口（P0.0～P0.7）：第一功能是作為8位的雙向I/O口使用，第二功能是在訪問外部存儲器時，分時提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)。在對片內(nèi)EPROM進行編程和校驗時，P0口用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。 P1口（P1.0～P1.7）：8位準雙向I/O口。 P2口（P2.0～P2.7）：第一功能是作為8位的雙向I/O口使用，第二功能是在訪問外部存儲器時，輸出高8位地址A8~A15。 P3口（P3.0～P3.7）：第一功能是作為8位的雙向I/O口使用，在系統(tǒng)中，這8個引腳又具有各自的第二功能，如表1.1所示。 表

13、1.1.1 P3口的第二功能 P3引腳 引腳名稱及第二功能 P3引腳 引腳名稱及第二功能 P3.0 RXD 串行數(shù)據(jù)輸入端 P3.4 T0 定時/計數(shù)器T0外部輸入端 P3.1 TXD 串行數(shù)據(jù)輸出端 P3.5 T1 定時/計數(shù)器T1外部輸入端 P3.2 外部中斷0輸入端 P3.6 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號 P3.3 外部中斷1輸入端 P3.7 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號 與其他計算機一樣，單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也主要是由中央處理器（CPU）、存儲器及輸入/輸出（并行/串行接口）等控制電路組成。不同的是，單片機將這些主要部件都

14、集中在一個芯片內(nèi)，使該芯片具備一臺計算機所需的較為完整的硬件系統(tǒng)。如圖1.3所示為MCS-51系列單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 CPU 時鐘電路 ROM RAM 定時計數(shù)器 并行接口 串行接口 中斷系統(tǒng) P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1 圖1-3-1 MCS-51系列單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 從圖1-1-9可以看出，MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含：振蕩/分頻器、中央處理器（CPU）、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、中斷控制系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、擴展功能控制電路、并行接口電路（I/O口）和串行接口電路，

15、它們通過內(nèi)部總線有機地連接起來。 1．振蕩/分頻器 振蕩器是產(chǎn)生時基脈沖信號的發(fā)源地，它為單片機內(nèi)所有功能部件提供統(tǒng)一而精確的基準脈沖信號，是單片機執(zhí)行各種動作和指令的時間基準，如果沒有基準脈沖信號，單片機將失去執(zhí)行指令的動力與時序。MCS-51系列單片機的時鐘電路有兩種方式：內(nèi)部時鐘振蕩方式和外部時鐘振蕩方式，如圖1-1-10(a)、(b)所示。 圖1-3-2(a) 內(nèi)部振蕩方式 如圖1-3-2(b) 外部振蕩方式 圖1.4 內(nèi)部時鐘振蕩方式 對于內(nèi)部時鐘振蕩方式，單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益放大器，引腳X

16、TAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端，所以只需在片外接一個晶振便可以構(gòu)成自激振蕩器，為系統(tǒng)提供時鐘信號。接在晶振上的電容一般取30pF左右，晶振的振蕩頻率范圍是1～24MHz，在通常情況下MCS-51單片機使用的振蕩頻率為6MHz和12MHz，在現(xiàn)在的通信系統(tǒng)中常采用的頻率為11.0592MHz。電路連接實物如圖1-1-11所示。 晶體振蕩器 30pF電容器 圖1-3-3 內(nèi)部振蕩電路實物圖 而對于外部時鐘振蕩方式，則是直接通過引腳XTAL2將外部的時鐘脈沖接入單片機內(nèi)部，從而使單片機有一個穩(wěn)定的工作時序，外部的時鐘脈沖通常是由特定的振蕩電路產(chǎn)生。 2

17、．中央處理器（CPU） 眾所周知，任何一臺計算機都離不開CPU，它是計算機分析和運算的核心部件，CPU向外發(fā)送各種控制指令，是計算機的指揮控制中心，它大體上由運算器和控制器組成。在CPU正常工作時，運算器負責執(zhí)行各種算術(shù)運算和邏輯運算?？刂破鞯闹饕δ苁牵焊鶕?jù)接收到的指令操作碼或運算器的運算結(jié)果，來決定或發(fā)出相應的控制指令從而來完成指令的讀取、運算和控制任務。 3．程序存儲器（ROM） 程序是控制計算機動作的一系列命令，單片機只認識由“0”和”1“代碼構(gòu)成的機器指令。在單片機處理問題之前必須事先將編好的程序、表格、常數(shù)匯編成機器代碼后存入單片機的存儲器中，該存儲器稱為程序存儲器。 程

18、序存儲器可以放在片內(nèi)或片外，亦可片內(nèi)片外同時設(shè)置。由于PC程序計數(shù)器為16位，使得程序存儲器可用16位二進制地址，因此，內(nèi)外存儲器的地址最大可從0000H～FFFFH。如AT89S51內(nèi)部有4KB的ROM，就占用了由0000H～FFFFH的最低4KB，這時片外擴充的程序存儲器地址編號應由1000H開始。 4．數(shù)據(jù)存儲器（RAM） 單片機的數(shù)據(jù)存儲器由隨機讀/寫存儲器RAM組成，用于存儲實時數(shù)，可分為片內(nèi)RAM和片外RAM。片內(nèi)有256個字節(jié)單元的數(shù)據(jù)存儲器，其字節(jié)地址為：00H～7FH。外部RAM最大容量可擴展至64KB。 5．定時器/計數(shù)器 AT89S51內(nèi)部有兩個16位可編程序的定

19、時器/計數(shù)器，命名為T0和T1。它們有定時和計數(shù)兩種工作模式，可實現(xiàn)定時或計數(shù)所產(chǎn)生的中斷，并用于控制程序轉(zhuǎn)向。 6．并行I/O接口電路 AT89S51內(nèi)部有4個并行I/O接口：P0、P1、P2、P3，都有雙向I/O功能。這4個接口的具體功能見任務二單片機的外部引腳及功能中的介紹，此處不再贅述。 7．串行接口電路 AT89S51內(nèi)部有一個全雙工的可編程串行I/O口，它利用P3.1作為串行數(shù)據(jù)的發(fā)送端TXD，P3.0作為串行數(shù)據(jù)的接收端RXD。能用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當作同步移位器使用。 8．中斷控制 AT89S51內(nèi)部共有5個中斷源

20、，他可以接收外部中斷申請、定時器/計數(shù)器申請和串行口申請，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。 1．什么叫單片機最小系統(tǒng) 所謂單片機最小系統(tǒng)，是由單片機作為系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部包含了一定數(shù)量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，在外部增加復位電路和時鐘電路即可構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)雖然不能單獨完成任何功能，但它是單片機系統(tǒng)中保證單片機能夠正常工作的最基本、必不可少的一部分，各種不同功能的單片機系統(tǒng)都是在最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計的。 2．單片機最小系統(tǒng)的制作 (１)　單片機最小系統(tǒng)各部分電路原理圖

21、及實物圖 對于MCS-51系列單片機（以AT89S51為例）來說，單片機如要正常工作，需要具有４個基本電路：電源電路、時鐘電路、復位電路、程序存儲器選擇電路。 電源電路：單片機芯片的第40腳為正電源引腳VCC，一般外接+5V電壓；第20腳為接地引腳VSS。 時鐘電路：也稱為振蕩電路，它是讓單片機活起來的“心臟”。沒有振蕩電路就不能保證單片機的正常工作。 圖1-4-1(a) 時鐘電路原理圖 圖1-4-1(b) 時鐘電路實物圖面（左）、背面（右） 復位電路：單片機芯片的第9腳（RST）是復位信號輸入端，所謂復位就是使單片機內(nèi)部各電路恢復到初始值

22、。在單片機開機或工作中因干擾而使程序失控、運行中的程序處于某種死循環(huán)狀態(tài)等情況下都需要復位。AT89S51單片機的復位靠外部電路實現(xiàn)，一般可分為上電復位和按鍵復位兩種類型。原理如下圖所示： 圖1-4-2(a) 上電復位 圖1-4-2(b) 按鍵復位 實物如下圖： GND +Vcc +Vcc GND 圖1-4-2(c) 按鍵復位正面實物 圖1-4-2(d) 按鍵復位背面實物 復位條件：使第9腳（RST）保持兩個機器周期以上的高電平。 程序存儲器選擇電路設(shè)置：單片機芯片的第31腳（）為

23、內(nèi)部與外部程序存儲器選擇輸入端。當引腳接高電平時，CPU先訪問片內(nèi)4KB的程序存儲器，執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，當程序計數(shù)器超4KB時，將自動轉(zhuǎn)向片外程序存儲器，即是從1000H地址單元開始執(zhí)行指令；當引腳接低電平時，不管片內(nèi)是否有程序存儲器，CPU只訪問片外程序存儲器。 AT89S51內(nèi)部有4KB的程序存儲器，所以根據(jù)該腳的引腳功能，只有將該腳接上高電平，才能先從片內(nèi)程序存儲器開始讀取指令。常見的程序存儲器選擇電路就是將第31腳接+5V電壓，如圖1-1-12所示。 圖1-4-3 引腳設(shè)置 3、單片機最小系統(tǒng)元器件的選擇 單片機最小系統(tǒng)的電路除了萬能板之外，元器件清單如表1

24、.2所示。 表1－4 單片機最小系統(tǒng)元件清單 序號 數(shù)量 元件名稱 元件實物圖 元件規(guī)格 1 1 電阻器R1 2K普通電阻 2 2 電容器C1、C2 30pF，瓷片電容 3 1 電容器C3 22uF電解電容 4 1 晶振 12MHz 5 1 復位開關(guān)S1 不帶自鎖按鍵 6 1 芯片插座 40腳雙列直插 芯片插座 7 1 單片機 AT89S51 8 1 萬能板 915 單片機最小系統(tǒng)實物如圖所示： GND +Vcc +Vcc GND 圖1-4-4(a)

25、 按鍵復位正面實物 圖1-4-4(b) 按鍵復位背面實物 4、電路的焊接與簡單測試 根據(jù)電路原理圖，先檢測元器件的質(zhì)量，再將元器件合理的在電路板上布局安裝，然后進行正確、可靠的焊接。注意DIP40集成電路的插座上有一個缺口，缺口左側(cè)為最低腳號第1腳，右側(cè)為最高腳號40腳，如圖1.14所示，裝配和焊接時注意不要反向插接。最后完成的電路板要做到元器件面布局合理、美觀，焊接面的焊點要穩(wěn)固、干凈，同時布線要盡量做到科學、整齊。 缺口 圖1-4-5 DIP40集成電路插座 確認所有電子元器件焊接無誤后，使用萬用表檢測硬件電路是否正常。先將指針

26、萬用表撥至R100擋，將黑表筆接在電路板的正極點，紅表筆接在電路板的負極點，所測的電阻值應為無窮大，兩表筆對調(diào)后也是一樣，說明電路板沒有短路現(xiàn)象，可以插上AT89S51單片機的芯片進行相關(guān)的調(diào)試： a、VCC和VPP的5V電源測試 接通5V電源之后，應立即測量AT89S51芯片的電源端電壓值是否正確（40腳或31腳接正極，20腳接負極）。測量時，將指針萬用表置于直流電壓擋，黑表筆接觸20腳，紅表筆接觸40腳或31腳，測量值應與供電電源電壓一致，如發(fā)現(xiàn)偏離較多，應立即中斷供電。 b、振蕩電路測試 單片機的18腳和19腳與外接的兩個電容器和晶振組成了振蕩電路，可以通過檢測18腳、19腳是否

27、有振蕩波形來判斷該電路是否具備“生命”特征，為了盡量減小檢測對電路的影響，應將示波器的探頭衰減撥至R10擋。 5、知識應用擴展 在實際的單片機設(shè)計應用，本實例中的單片機最小系統(tǒng)一般不會單獨在設(shè)計中使用，而是經(jīng)常在其基礎(chǔ)上增設(shè)一些外圍電路來實現(xiàn)、演示某些具體的功能。如圖1.15所示的一塊已安裝好的實驗電路板，實驗板上除了安裝有AT89S51單片機的最小系統(tǒng)，還安裝了LED顯示電路、七段數(shù)碼動態(tài)顯示電路、矩陣鍵盤輸入電路、外部中斷控制電路、串口中斷（與計算機通信）電路，DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）電路、電源電路等。用這塊實驗電路板，能完成AT89S51單片機的各種基本實驗和設(shè)計。 圖1-4-6 AT89S51單片機實驗板 18