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)設(shè)計(jì)和制作江西冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院劉昆山劉星慧【摘要】本文經(jīng)過(guò)講解單片機(jī)工作條件，設(shè)計(jì)并制作單片機(jī)最小系統(tǒng)，編寫(xiě)單片機(jī)C語(yǔ)言程序，調(diào)試單片機(jī)產(chǎn)品，掌握單片機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)過(guò)程?！娟P(guān)鍵字】單片機(jī)C語(yǔ)言，單片機(jī)入門(mén)，單片機(jī)最小系統(tǒng)一、單片機(jī)最小系統(tǒng)功效介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)，或稱(chēng)為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少元件組成以單片機(jī)為關(guān)鍵元件能夠正常工作含有特定功效單片機(jī)系統(tǒng)，是單片機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)關(guān)鍵電路。圖1單片機(jī)最小系統(tǒng)成品圖本制作采取單片機(jī)C語(yǔ)言編程，關(guān)鍵能完成單燈閃爍任務(wù)，經(jīng)過(guò)AT89S51單片機(jī)控制一個(gè)LED亮和滅，實(shí)現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。同時(shí)應(yīng)含有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，而且使用單片機(jī)片內(nèi)程序存放器存放用戶(hù)程序。二、知識(shí)點(diǎn)講解1、AT89S51單片機(jī)介紹AT89S51是美國(guó)ATMEL企業(yè)生產(chǎn)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K可系統(tǒng)編程Flash只讀程序存放器，器件采取ATMEL企業(yè)高密度、非易失性存放器技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集成Flash程序存放器既可在線(xiàn)編程（ISP），也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程。單片機(jī)應(yīng)用能夠了解為是單片機(jī)芯片經(jīng)過(guò)其引腳控制多種不一樣外圍電路，實(shí)現(xiàn)多種具體功效，所以要學(xué)好單片機(jī)技術(shù)，必需先了解單片機(jī)引腳功效。AT89S51采取了40引腳雙列直插DIP封裝形式，實(shí)物圖圖2所表示，引腳配置圖圖3圖4所表示。圖2AT89S51實(shí)物圖圖3AT89S51引腳圖圖4AT89S52引腳圖2、引腳功效介紹IO口灌（流進(jìn)）電流大，拉（流出）電流小。P0：漏極開(kāi)路雙向IO口,使用時(shí)，當(dāng)電流流出需外加上拉電阻外部地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)，可帶八個(gè)TTL負(fù)載P1：準(zhǔn)雙向口(看成輸入口用時(shí)，須將IO口置1(P1=0XFF;i=P1;))，可帶四個(gè)TTL負(fù)載P1.0：T2定時(shí)計(jì)數(shù)器2外部脈沖輸入立即鐘輸出P1.1：T2EX定時(shí)計(jì)數(shù)器2捕捉、自動(dòng)重裝觸發(fā)輸入及減法計(jì)數(shù)控制P1.5：MOSI,主動(dòng)輸出從動(dòng)輸入引腳，用于flash(閃存)編程P1.6：MISO,主動(dòng)輸入從動(dòng)輸出引腳，用于flash編程P1.7：SCK,同時(shí)時(shí)鐘，用于flash編程ISP編程時(shí)用P2：準(zhǔn)雙向口，可帶四個(gè)TTL負(fù)載外部地址總線(xiàn)高八位P3：準(zhǔn)雙向口，可帶四個(gè)TTL負(fù)載P3.0：RXD，串行輸入P3.1：TXD，串行輸出P3.2：INT0，外部中止0輸入P3.3：INT1，外部中止1輸入P3.4：T0，定時(shí)計(jì)數(shù)器0外部脈沖輸入P3.5：T1，定時(shí)計(jì)數(shù)器1外部脈沖輸入P3.6：/WR，外部數(shù)據(jù)存放器寫(xiě)選能信號(hào)P3.7：/RD，外部數(shù)據(jù)存放器讀選能信號(hào)VCC：電源正極，工作電壓范圍：4.0v-5.5v。GND：地RST：復(fù)位端，高電平有效XTAL1（clockin）、XTAL2(clockout)：時(shí)鐘引腳，外接晶振友好振電容（5-47PF），晶振諧振頻率范圍：0hz--33Mhz，用作工控產(chǎn)品時(shí)不超出6MHZ。常見(jiàn)晶振型號(hào)：4MHZ，6MHZ，8MHZ，16MHZ，12MHZ，24MHZ，5.5296MHZ，11.0592MHZ，22.1184MHZ，33.1776MHZEA/Vpp：外部程序存放器選通信號(hào)/編程電壓輸入EA=0：使用外部程序存放器EA=1：先使用內(nèi)部程序存放器，后使用外部程序存放器ALE/PROG：外部低八位地址總線(xiàn)鎖存信號(hào)/編程脈沖輸入，F(xiàn)osc/6PSEN：外部程序存放器讀選通信號(hào)2、產(chǎn)品框圖設(shè)計(jì)對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，單片機(jī)要正常工作，必需含有五個(gè)基礎(chǔ)電路，也稱(chēng)五個(gè)工作條件：1、電源電路，2、時(shí)鐘電路，3、復(fù)位電路，4、程序存放器選擇電路，5、外圍電路。為了下載程序方便，增加一個(gè)ISP下載電路。所以，單片機(jī)最小系統(tǒng)通常應(yīng)該包含單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、外圍電路、ISP下載電路等，圖5所表示：?jiǎn)纹瑱C(jī)單片機(jī)時(shí)鐘電路復(fù)位電路外圍電路電源電路程序存放器選擇電路ISP下載電路圖5單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖三、電路設(shè)計(jì)我們把AT89S51單片機(jī)40個(gè)引腳分成了四類(lèi)：主電源輸入引腳、時(shí)鐘電路引腳、控制類(lèi)引腳、輸入輸出I/O口引腳。1、電源電路設(shè)計(jì)單片機(jī)芯片第40腳為正電源引腳VCC，通常外接+5V電壓。第20腳為接地引腳GND，常見(jiàn)電源電路設(shè)計(jì)圖6所表示：圖6電源電路圖7時(shí)鐘電路2、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)單片機(jī)是一個(gè)時(shí)序電路，必需要有時(shí)鐘信號(hào)才能正常工作。單片機(jī)芯片18腳（XTAL2）、19腳（XTAL1）分別為片內(nèi)反向放大器輸出端和輸入端，只要在18腳（XTAL2）和19腳（XTAL1）之間接上一個(gè)晶振，再加上2個(gè)30PF瓷片電容即可組成單片機(jī)所需時(shí)鐘電路。常見(jiàn)時(shí)鐘電路圖7所表示。注意，當(dāng)采取外部時(shí)鐘時(shí)，19腳（XTAL1）接地，18腳（XTAL2）接外部時(shí)鐘信號(hào)，本文就不具體討論了。3、復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)芯片第9腳RST（Reset）是復(fù)位信號(hào)輸入端。單片機(jī)系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)時(shí)或在工作中因干擾而使程序失控，或工作中程序處于某種死循環(huán)狀態(tài)等情況下全部需要復(fù)位。復(fù)位作用是使中央處理器CPU和其它功效部件全部恢復(fù)到一個(gè)確定初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。MCS-51系列單片機(jī)復(fù)位靠外部電路實(shí)現(xiàn)，信號(hào)從RST引腳輸入，高電平有效，只要保持RST引腳高電平2個(gè)機(jī)器周期，單片機(jī)就能正常復(fù)位。常見(jiàn)復(fù)位電路有上電復(fù)位電路（圖8所表示）和按鍵復(fù)位電路（圖9所表示）兩種。圖8上電復(fù)位電路圖9按鍵復(fù)位電路4、程序存放器選擇電路單片機(jī)芯片第31腳（EA）為內(nèi)部和外部程序存放器選擇輸入端。當(dāng)EA引腳接高電平時(shí)，CPU先訪(fǎng)問(wèn)片內(nèi)4KB程序存放器，實(shí)施內(nèi)部程序存放器中指令，當(dāng)程序計(jì)數(shù)器超出0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外程序存放器，既是從1000H地址單元開(kāi)始實(shí)施指令；當(dāng)EA引腳接低電平時(shí)，不管片內(nèi)是否有程序存放器，CPU只訪(fǎng)問(wèn)片外程序存放器。AT89S51內(nèi)部有4KB程序存放器，所以依據(jù)該引腳功效，只要將該引腳接上高電平，才能先從片內(nèi)程序存放器開(kāi)始取指令。常見(jiàn)程序存放器選擇電路就是將第31腳直接接到正電源上。5、外圍電路設(shè)計(jì)單片機(jī)關(guān)鍵控制功效是經(jīng)過(guò)單片機(jī)I/O口按不一樣時(shí)序輸出不一樣高低電平控制外部電路實(shí)現(xiàn)特定功效。I/O口，是英文IN/OUT縮寫(xiě)，就是輸入/輸出意思。AT89S51共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。這四個(gè)口電路結(jié)構(gòu)不完全相同，所以使用也有區(qū)分。外圍電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵依據(jù)項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)功效，本項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)功效是用單片機(jī)控制一個(gè)LED閃爍，先來(lái)分析圖8LED工作原理圖：圖10LED顯示電路假如用“1”表示高電平，“0”表示低電平。當(dāng)開(kāi)關(guān)K接上高電平，既是K=1時(shí)，LED1不亮；當(dāng)開(kāi)關(guān)K接上低電平，既是K=0時(shí)，LED1亮。LED1亮和滅，完全受開(kāi)關(guān)K控制。假如把開(kāi)關(guān)K換成單片機(jī)第1個(gè)引腳，電路設(shè)計(jì)圖11：圖11單片機(jī)控制1個(gè)發(fā)光二極管LED顯示電路現(xiàn)在只需要經(jīng)過(guò)指令控制單片機(jī)第1個(gè)引腳輸出高電平，就能夠控制LED不亮。或經(jīng)過(guò)指令控制單片機(jī)第1個(gè)引腳輸出低電平，就能控制LED發(fā)光。從圖8到圖9實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)控制到軟件控制LED一個(gè)轉(zhuǎn)變。6、ISP下載電路設(shè)計(jì)ISP是一個(gè)通用程序下載方法，AT89S5X系列單片機(jī)全部有ISP下載接口。AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了ISP下載功效，能夠經(jīng)過(guò)ISP下載線(xiàn)把程序下載到單片機(jī)芯片中。ISP下載線(xiàn)成本低廉，一個(gè)并口ISP下載線(xiàn)只需幾十元即可得到，是單片機(jī)初學(xué)者必備工具之一。通常和市場(chǎng)上并口ISP下載器相配套牛角座接口定義圖12所表示。圖12接口定義AT89S51單片機(jī)第6到第9引腳定義以下：端口引腳第二功效P1.5第6腳MOSI（數(shù)據(jù)串行輸入，用于ISP編程）P1.6第7腳MISO（數(shù)據(jù)串行輸出，用于ISP編程）P1.7第8腳SCK（同時(shí)控制時(shí)鐘，用于ISP編程）RST第9腳RST復(fù)位引腳ISP下載電路設(shè)計(jì)以下：圖13ISP下載電路依據(jù)單片機(jī)工作條件和上面電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)最小電路原理圖設(shè)計(jì)圖14所表示：二、單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖圖14單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖三、單片機(jī)最小系統(tǒng)工作原理1、硬件電路分析對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，單片機(jī)要正常工作，必需含有五個(gè)基礎(chǔ)電路，也稱(chēng)五個(gè)工作條件：1、電源電路，2、時(shí)鐘電路，3、復(fù)位電路，4、程序存放器選擇電路，5、外圍電路。為了下載程序方便，增加一個(gè)ISP下載電路。所以，單片機(jī)最小系統(tǒng)通常應(yīng)該包含單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、外圍電路、ISP下載電路等，以下圖所表示：?jiǎn)纹瑱C(jī)關(guān)鍵控制功效是經(jīng)過(guò)單片機(jī)I/O口按不一樣時(shí)序輸出不一樣高低電平控制外部電路實(shí)現(xiàn)特定功效。I/O口，是英文IN/OUT縮寫(xiě)，就是輸入/輸出意思。AT89S51共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。這四個(gè)口電路結(jié)構(gòu)不完全相同，所以使用也有區(qū)分。外圍電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵依據(jù)項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)功效，本項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)功效是用單片機(jī)控制一個(gè)LED閃爍。現(xiàn)在只需要經(jīng)過(guò)指令控制單片機(jī)第1個(gè)引腳輸出高電平，就能夠控制LED不亮?；蚪?jīng)過(guò)指令控制單片機(jī)第1個(gè)引腳輸出低電平，就能控制LED發(fā)光。2、程序設(shè)計(jì)依據(jù)上面設(shè)計(jì)硬件電路，設(shè)計(jì)源程序以下：#include<reg52.h>//52系列單片機(jī)頭文件sbitLED1=P1^0;//申明單片機(jī)P1口第一個(gè)引腳voiddelayunsignedchark//延時(shí)子函數(shù){unsignedchari,j;for(i=0;i<k;i++)for(j=0;j<200;j++);}Main()//主函數(shù){while(1)//實(shí)現(xiàn)永久循環(huán){LED1=0;//點(diǎn)亮LED1delay(200);//延時(shí)LED1=1;//熄滅LED1delay(200);//延時(shí)}}四、元件清單及實(shí)物圖單片機(jī)最小系統(tǒng)元件列表序號(hào)名稱(chēng)代號(hào)規(guī)格數(shù)量備注1電阻R1，R2220歐姆22電阻R310K13電解電容C110UF14瓷片電容C2，C330PF25發(fā)光二極管D13MM16輕觸開(kāi)關(guān)SW16X6X717晶振X112MHZ18牛腳座J110P19單片機(jī)芯片IC1AT89S51110萬(wàn)能板7X9CM111IC緊鎖座DIP40P（綠色）112單排針1*4PIN2.54mm213拖焊專(zhuān)用導(dǎo)線(xiàn)0.5單股銅導(dǎo)線(xiàn)2米14焊錫凱納0.8,很好用2米五、調(diào)試技巧及成品圖1、硬件電路焊接步驟（1）依據(jù)原理圖和萬(wàn)能板大小，設(shè)計(jì)好元件布局，然后開(kāi)始焊接，首先固定好緊鎖座，并先焊接振蕩電路。（2）第二步應(yīng)該焊接復(fù)位電路。（3）第三步焊接ISP下載電路（4）第四步，焊接外圍功效電路。（5）第五步，焊接電源電路，及程序存放器選擇電路，就是將第31腳直接接到正電源上。全部電路焊接完成后，插上單片機(jī)芯片，以下圖所表示：2、把程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試第一步：編輯源代碼。通常使用KeiluVision4編輯源程序，也就是用鍵盤(pán)把程序輸入電腦。第二步：使用KeiluVision4編譯源代碼，并生成目標(biāo)程序代碼。第三步：?jiǎn)纹瑱C(jī)芯片燒寫(xiě)。用本店提供USB接口ISP下載線(xiàn)，USB接口接計(jì)算機(jī)，另一頭接在單片機(jī)作品牛角座上。打開(kāi)本店提供ISP下載軟件progisp.exe，progisp.exe關(guān)鍵作用是ISP下載線(xiàn)控制單片機(jī)作品和計(jì)算機(jī)通訊，并把目標(biāo)程序代碼經(jīng)過(guò)ISP下載線(xiàn)寫(xiě)入到單片機(jī)芯片中。第四步：程序下載完成后，立即就能夠觀(guān)察結(jié)果，LED不停閃爍。3、可能出現(xiàn)故障分析正常情況下，接上電源（或插上了USB接口ISP下載線(xiàn)）后全部能夠正常觀(guān)察到單燈閃爍效果，假如沒(méi)有，那我們應(yīng)該從下面多個(gè)步驟來(lái)檢測(cè)：第一步，用萬(wàn)用表檢測(cè)電源是否接通，關(guān)鍵是看看40腳和20腳之間是否有5V電壓。第二步，檢測(cè)第31引腳，是否有5V電源，目標(biāo)是確保使用了片內(nèi)存放器。第三步：檢測(cè)P3口或P2口空閑電壓是否有5V電壓，假如沒(méi)有，說(shuō)明單片機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有工作。第四步：用萬(wàn)用表檢測(cè)復(fù)位電路，經(jīng)過(guò)復(fù)位按鍵，檢測(cè)第9腳電壓是否會(huì)改變。假如按鍵沒(méi)有按下，電壓為0V，按鍵按下后，電壓立即變?yōu)?V，以后很快降為0V，則表示復(fù)位電路正常。第五步，用示波器檢測(cè)振蕩電路，關(guān)鍵是檢測(cè)第18、19腳。檢測(cè)是否有振蕩波產(chǎn)生。假如有，表示振蕩電路正