單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作第1章、認(rèn)識(shí)AT89S51單片機(jī)第2章、單片機(jī)的程序下載方法第3章、單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第4章、單片機(jī)最小系統(tǒng)的制作一、單片機(jī)根本知識(shí)

1．單片機(jī)的概念

單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)。它把組成微型計(jì)算機(jī)的中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、I/O接口電路、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及串行通信接口等功能部件制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。國際上通常稱單片機(jī)為微控制器(MCU)，又稱為嵌入式微控制器(EMCU)。第1章、認(rèn)識(shí)AT89S51單片機(jī)2．單片機(jī)的開展概況

單片機(jī)誕生至今，已開展成上百種系列的近千個(gè)品種。單片機(jī)的開展大致分為如下5個(gè)階段。

(1)單片機(jī)的誕生：1971年美國Intel公司研制的4位微處理器Intel4004。(2)單片機(jī)的初級(jí)階段：以1976年Intel公司研制的MCS-48為代表。

(3)單片機(jī)的完善階段：以Intel公司的MCS-51系列為代表。由于這類單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，各大公司競相研制，共約有幾十個(gè)系列、300多個(gè)品種。其中，MCS-51系列單片機(jī)因其優(yōu)良的性能價(jià)格比處于主導(dǎo)地位。(4)單片機(jī)向微控制器過渡階段：實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)，主頻更高，同時(shí)配置了多路的A/D、D/A轉(zhuǎn)換通道，適用于更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。以MCS-51兼容的8位單片機(jī)為主流。(5)微控制器全面開展階段：世界各大單片機(jī)研制公司相繼推出了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的通用型或?qū)Ｓ眯偷膯纹瑱C(jī)。3．單片機(jī)的應(yīng)用

單片機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣泛，主要的應(yīng)用領(lǐng)域如下：

(1)工業(yè)控制方面的應(yīng)用：單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線控制、電機(jī)控制、溫度控制、航空航天導(dǎo)航系統(tǒng)、電梯智能控制等。

(2)儀器儀表方面的應(yīng)用：如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器、各種物理量的測(cè)量儀器等。

(3)計(jì)算機(jī)外部設(shè)備與智能接口方面的應(yīng)用：如圖形終端機(jī)、機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤/磁帶機(jī)、程控交換機(jī)、通信終端等。(4)商用產(chǎn)品方面的應(yīng)用：如自動(dòng)售貨機(jī)、電子收款機(jī)、電子秤等。

(5)家用電器方面的應(yīng)用：如微波爐、電視機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)、錄像機(jī)、音響設(shè)備等。

單片機(jī)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、金融、教育、科研、國防等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。

二、AT89S51單片機(jī)的封裝及引腳功能

AT89S51采用40引腳DIP封裝。圖1-1AT89S51的實(shí)物圖AT89S51共40個(gè)引腳，如圖1-2所示，大致分為如下四類。圖1-2AT89S51的引腳分布圖(1)電源引腳。

VCC(40腳)：電源端，接+5V電源。

VSS(20腳)：接地端(GND)。

(2)時(shí)鐘電路引腳。

XTAL1(19腳)：外接晶振輸入端。

XTAL2(18腳)：外接晶振輸出端。(3)控制線引腳。

RESET/VPD(9腳)：復(fù)位端/備用電源輸入端。在單片機(jī)正常工作狀態(tài)下，當(dāng)RESET端出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。VPD端可外接備用電源，以便在VCC掉電或電壓降到一定值時(shí)向單片機(jī)供電。

/VPP(31腳)：片外程序存儲(chǔ)器選擇輸入端/Flash存儲(chǔ)器編程電源端。端為低電平時(shí)，訪問外部程序存儲(chǔ)器〔片外ROM〕，為高電平時(shí)，直接訪問片內(nèi)ROM。VPP端是對(duì)AT89S51片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)作為編程允許電源?+12V的輸入端。ALE/(30腳)：地址鎖存允許端/編程脈沖輸入端。當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端輸出的脈沖用于鎖存P0口(即P0.0～P0.7)分時(shí)送出的低8位地址(下降沿有效)。當(dāng)不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端以時(shí)鐘頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，可用作外部定時(shí)脈沖源。對(duì)內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳用于輸入編程脈沖。

(29腳)：讀片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)輸出端。當(dāng)AT89S51從外部程序存儲(chǔ)器取指令時(shí)，端產(chǎn)生負(fù)脈沖，作為外部ROM的選通信號(hào)。在訪問外部RAM或片內(nèi)ROM時(shí)，不產(chǎn)生有效的PSEN非信號(hào)。(4)?I/O引腳(P0～P3口)。

P0口(32～39腳)：P0.7/AD7～P0.0/AD0，是8位雙向I/O口，也是地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。當(dāng)P0口作輸入/輸出口用時(shí)，必須外接上拉電阻。當(dāng)訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，P0口用作地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口線。

P1口(1～8腳)：P1.0～P1.7，是8位雙向I/O口，內(nèi)部帶上拉電阻。P1口的第二功能：ISP在系統(tǒng)編程。

P1.5MOSI(主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收〕；

P1.6MISO(主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送〕；

P1.7SCK(主機(jī)發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)〕；P2口(21～28腳)：P2.0/A8～P2.7/A15，是8位雙向I/O口，內(nèi)部帶上拉電阻。當(dāng)訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，P2口用作高8位地址總線。

P3口(10～17腳)：P3.0～P3.7，是8位雙向I/O口，內(nèi)部帶上拉電阻。P3口的每一個(gè)引腳可作為一般I/O口用，此外還具有第二功能：表1-1P3口的第二功能

三、AT89S51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1、存儲(chǔ)器

單片機(jī)的存儲(chǔ)器分兩種：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)存儲(chǔ)器采用哈佛結(jié)構(gòu)，它將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開編址，各自有自己的尋址方式。

(1)程序存儲(chǔ)器：用于存放已編寫好的程序及數(shù)據(jù)表格。AT89S51中采用的是Flash，其存儲(chǔ)容量為4?KB。需要指出的是，在64KB的ROM中，0003H、000BH、0013H、001BH和0023H5個(gè)單元地址在AT89S51單片機(jī)中是系統(tǒng)專用的，用戶不能更改。

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：用于存放輸入/輸出數(shù)據(jù)、中間運(yùn)算結(jié)果，常用類型為RAM。AT89S51中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器較小，存儲(chǔ)容量僅為128B。假設(shè)存儲(chǔ)器空間不夠用，可以外部擴(kuò)展。低128B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間分配：①工作存放器區(qū)：地址范圍為0000H～001FH，共32個(gè)存儲(chǔ)單元，分為四組，每組有8通用存放器R0～R7。每組均可作為CPU當(dāng)前的工作存放器，可通過程序狀態(tài)字(PSW)的RS1、RS0兩位進(jìn)行當(dāng)前工作狀態(tài)的設(shè)置，如表1-2所示。當(dāng)復(fù)位時(shí)，自動(dòng)選中第0組工作存放器。一旦選中了一組，其他三組的地址空間只用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，不能作為存放器，如果有需要必須重新設(shè)置。表1-2工作存放器組選擇表②位尋址區(qū)：地址范圍為0020H～002FH，共16個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)8位，共128位，其地址編碼為0000H～007FH，這些地址單元構(gòu)成了位尋址區(qū)，如表1-3所示。位尋址區(qū)既可采用位尋址方式訪問，也可采用字節(jié)尋址方式訪問。

③用戶RAM區(qū)：地址范圍為30H～7FH，共80個(gè)單元，可作為堆?；驍?shù)據(jù)緩沖使用。表1-3位尋址區(qū)地址分配表

2、特殊功能存放器：AT89S51單片機(jī)中共有21個(gè)SFR并分布在80H～FFH地址范圍中。累加器ACC

累加器ACC(簡稱A存放器或累加器A)是一個(gè)具有特殊用途的8位存放器，主要用來存放一個(gè)操作數(shù)或存放運(yùn)算的結(jié)果。累加器ACC是CPU中使用最頻繁的存放器，MCS-51指令系統(tǒng)中多數(shù)指令的執(zhí)行都通過它進(jìn)行。

存放器B

存放器B也是一個(gè)8位存放器，在乘法和除法運(yùn)算中用作ALU的輸入之一。其他情況下，B可作為一個(gè)工作存放器使用。程序狀態(tài)字(ProgramStateWord，PSW)

程序狀態(tài)字(PSW)是一個(gè)8位存放器，用來保存指令執(zhí)行結(jié)果的狀態(tài)信息，為后續(xù)指令的執(zhí)行提供狀態(tài)條件。其各位定義如下：

CY：進(jìn)位標(biāo)志位，又稱為“位累加器〞。

AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志位。

F0：用戶通用狀態(tài)標(biāo)志位。

RS1、RS0：當(dāng)前工作存放器區(qū)選擇位。OV：溢出標(biāo)志位。

—：保存位。

P：奇偶標(biāo)志位。

堆棧指針(StackPointer，SP)

堆棧是指用戶在單片機(jī)內(nèi)部RAM中開辟的、遵循“先進(jìn)后出〞原那么、只能從一端存取數(shù)據(jù)的一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。把存取數(shù)據(jù)的一端稱為棧頂，用一個(gè)專用8位存放器SP來表示，稱為堆棧指針。MCS-51的堆棧是向上(即向地址增加的方向)生成的，堆棧指針SP的初始值稱為棧底。在堆棧操作過程中，SP始終指向堆棧的棧頂。數(shù)據(jù)指針存放器(DPTR)

數(shù)據(jù)指針存放器(DPTR)是一個(gè)16位的專用存放器，其高位字節(jié)存放器用DPH表示，低位字節(jié)存放器用DPL表示。DPTR既可作為一個(gè)16位存放器DPTR來處理，也可作為兩個(gè)獨(dú)立的8位存放器DPH和DPL來處理。

DPTR主要用來存放16位地址，可通過它訪問64?KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或外部程序存儲(chǔ)器空間。

程序計(jì)數(shù)器(ProgramCounter，PC)

PC是CPU的最根本部件，它是一個(gè)獨(dú)立的16位程序計(jì)數(shù)器，但不屬于特殊功能存放器，不可以訪問，在物理結(jié)構(gòu)上是獨(dú)立的，用于存放下一條待執(zhí)行指令的地址。PC的根本工作過程可以描述為：PC中的數(shù)作為指令地址輸出給程序存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器按此地址輸出指令字節(jié)，同時(shí)PC本身自動(dòng)加1，指向下一條指令。但在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、調(diào)用類指令或響應(yīng)中斷等操作時(shí)，PC的工作過程將有所不同。

MCS-51的PC是一個(gè)16位存放器，其尋址范圍是64KB(即216B)。在MCS-51指令系統(tǒng)中有一類基址加變址尋址的指令，PC可用作該類指令的根本地址存放器。

3、輸入/輸出(I/O)接口

AT89S51的輸入/輸出接口包括4個(gè)8位并行口(P0～P3)，共32根口線。4、其他內(nèi)部資源

AT89S51內(nèi)部還有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)和1個(gè)全雙工串行口。

定時(shí)/計(jì)數(shù)器：可以通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí)，也可對(duì)外部事件的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

中斷系統(tǒng)：有5個(gè)中斷源，其中外部中斷源2個(gè)(由單片機(jī)的外圍引腳、引入)、內(nèi)部中斷源3個(gè)(分別由2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器及串行口產(chǎn)生)?？梢詫?duì)5個(gè)中斷源進(jìn)行中斷允許和中斷優(yōu)先級(jí)的控制。全雙工串行口：一個(gè)可編程全雙工串行通信接口，具有通用異步接收/發(fā)送器(UART)的全部功能，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，還可以作為一個(gè)同步移位存放器使用。第2章：單片機(jī)的程序下載方法一、用編程器下載：二、ISP下載：三、程序下載步驟1、用匯編語言或C語言編寫源程序；

2、用編譯軟件〔如keilC51〕編譯出.hex文件；

3、用下載軟件〔如stc-isp-v3〕下載程序；

1〕翻開軟件

2〕選擇器件

3〕“OpenFle〞選擇已編譯好的.hex文件

4〕單片機(jī)不要上電，點(diǎn)擊“Download/下載〞

5〕出現(xiàn)“仍在連接中，請(qǐng)給MCU上電...〞后，給單片機(jī)上電

6〕如果下載成功，會(huì)出現(xiàn)"downloadok"字樣一、單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)成

單片機(jī)最小系統(tǒng)是指在盡可能少的外部條件下，能使單片機(jī)獨(dú)立工作的系統(tǒng)。以AT89S51為例，由AT89S51外接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)?？紤]到在實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)際需要，本最小系統(tǒng)應(yīng)包含以下電路：

1、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路；

2、程序下載電路；

3、鍵盤電路；

4、電源電路；第3章、單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路；單片機(jī)復(fù)位就是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，使程序從0000H開始執(zhí)行。要實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，只需在AT89S51單片機(jī)的RST引腳上保持2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平信號(hào)就可以了。單片機(jī)的復(fù)位電路有兩種形式：上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。內(nèi)部時(shí)鐘電路的石英晶體振蕩器頻率一般選擇在1～60MHz之間，諧振電容采用20～30pF的瓷片電容。單片機(jī)復(fù)位后內(nèi)部各存放器的狀態(tài)2、程序下載電路以下圖為AT89S51單片機(jī)的ISP下載電路，接口采用10芯牛角插座。3、鍵盤電路為了預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)值〔溫度、濕度及光照度〕，應(yīng)設(shè)置鍵盤電路。考慮編程的方便，設(shè)置4鍵盤電路。按鍵功能如下：S1：選擇鍵。按1次，選擇預(yù)設(shè)“溫度值〞；按2次，選擇預(yù)設(shè)“濕度值〞；按3次，選擇預(yù)設(shè)“光照度值〞。S2：+鍵。短按1次，相應(yīng)的預(yù)設(shè)值+1，長按〔按的時(shí)間超過1秒〕，相應(yīng)的預(yù)設(shè)值快速增加。S3：-鍵。短按1次，相應(yīng)的預(yù)設(shè)值-1，長按〔按的時(shí)間超過1秒〕，相應(yīng)的預(yù)設(shè)值快速減小。S4：確認(rèn)鍵。按下該鍵，預(yù)設(shè)值生效，并退出預(yù)設(shè)狀態(tài)。說明：當(dāng)按鍵松開后，如在10秒內(nèi)沒有任何按鍵按下，那么自動(dòng)退出預(yù)設(shè)狀態(tài)。按鍵子程序流程圖：4、電源電路為了系統(tǒng)能正常工作，必須具備+5V電源。根據(jù)外設(shè)的不同，有些芯片還需要+12V、-12V等電源。電源的解決方案：1〕用三端穩(wěn)壓芯片自制+5V、+12V線性穩(wěn)壓電源；2〕采用AC-DC電源模塊；3〕用實(shí)驗(yàn)室提供的穩(wěn)壓電源。1〕用三端穩(wěn)壓芯片自制+5V、+12V線性穩(wěn)壓電源2〕采用AC-DC電源模塊不管采用哪種電源，在單片機(jī)最小系統(tǒng)板上要具備電源接口，并設(shè)置一個(gè)電源指示燈。第4章、單片機(jī)最小系統(tǒng)的制作一、做好整體布局規(guī)劃

首先要在萬能板上做好主要元器件和接插件的整體布局規(guī)劃。主要元器件有：單片機(jī)〔插座〕、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤電路、電源指示電路。主要接插件有：P1、P2、P3、P4四組I/O端口；程序下載接口；電源接口。整體布局參考圖：二、焊接與連線

先把元器件焊接牢固，然后連線，連線盡量走底層。用單股線剝光后連接