單片機(jī)最小系統(tǒng)詳解設(shè)計(jì)報(bào)告

1、摘要近年來隨著計(jì)算機(jī)在社會領(lǐng)域的滲透，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測和自動控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。本次課程設(shè)計(jì)包括STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)（包括復(fù)位和時(shí)鐘電路）還有蜂鳴器電路、LED電路和RS232串口電路以及用于擴(kuò)展功能的四排與I/O端口相連的插孔。利用Protel電路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，PCB布線，借此鞏固單片機(jī)應(yīng)用、模擬電路、數(shù)字電路課程及學(xué)會工程軟件protel的使用。關(guān)鍵詞：最小系統(tǒng)，I/O端口，ST

2、C89C51,PCBAbstractAbstractRecentyears,withthepenetrationofcomputersinthesocialsphere,SCMapplicationsareconstantlydeepening,whiledrivingtraditionalcontroldetectstherapidlygrowingupdated.Inthereal-timedetectionandautomaticcontrolofmicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenusedasacorecomp

3、onent,onlythemicrocontrollerknowledgeisnotenough,shouldbebasedonthespecifichardwarearchitecture,aswellasapplication-specificsoftwarefeaturesobjectcombinetomakeperfect.ThecurriculumincludestheSCMSTC89C51minimumsystem(includingresetandclockcircuit)andthebuzzercircuit,eightdigitaltubedisplaycircuit,RS2

4、32serialportcircuitry,andusedtoextendthefunctionalityofthefourrowswiththeI/Oportsareconnectedjack.Protelcircuitdesignsoftwarefortheuseofschematicdesign,PCBlayout,therebyconsolidatingmicrocontrollerapplications,analogcircuits,digitalcircuitscoursesandlearntouseengineeringsoftwareProtel.Keyword:Keywor

5、d:minimumsystem,I/OPort,STC89C51,PCB1 .單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.1.片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一個(gè)基本的MCS-51單片機(jī)通常包括：中央處理器、ROM、RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和I/O口等各功能部件， 各個(gè)功能由內(nèi)部的總線連接起來， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。其內(nèi)部框圖如圖1.1所示。1.2.片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴(kuò)展部分等部分組成。最小系統(tǒng)原理圖如圖1.2所示。圖1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2單片機(jī)的引腳功能常見的51單片機(jī)中一般采用雙列直插（DIP）封裝，共40個(gè)引腳。圖3.2為引腳排列圖。其中的40個(gè)引腳大致可以分為4類：電源、時(shí)鐘、控制和

6、I/O引腳。圖2.1STC89C51引腳排列圖1.3.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：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。圖2.1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)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來說晶振可以在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)電容的大小對振蕩頻率有微小

7、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2040pF一之間選擇（本實(shí)驗(yàn)套件使用30pF）;當(dāng)采用陶瓷諧振器件時(shí)，電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?，?050pF之間。通常選取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（PCB）時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機(jī)芯片靠近，以減少引線的寄生電容，保證振蕩器可靠工作。 檢測晶振是否起振的方法可以用示波器可以觀察到XTAL2輸出的十分漂亮的Pi,oPi.Pi,oPi.1 1PLPL2 2P1.P1.3 3P1,P1,4 4P1.P1.5 5Pl.Pl.7 7RSTRSTCRXD)P3CRXD)P3. .0 0C

8、TXDPCTXDP3.1(TMTT513.1(TMTT513.3.2 2ClClSTT)STT)P3.P3.3 3TO)P3.TO)P3.4 4T1PS2/CAD2CADIPS2/CAD2)PU.3/CAt3)PU.3/CAt3產(chǎn)*4/CAD4PU_54/CAD4PU_5/ /tAD5tAD5PO,O/PO,O/Pl).7/(AL7Pl).7/(AL7 FX/vppFX/vpp.LE/.LE/PRPRHSHS1 1八AISOP2.6/A1AISOP2.6/ P2.S/P2.S/A13P2.P2.4 4( (A1A12)P2,32)P2,3/tAI1/tAI1 P2-2/A1P2-2/A1U)U

9、)P2P2,1,1/ /*2*2，F(xiàn)2F2+ +。/(AHi正弦波，也可以使用萬用表測量（把擋位打到直流擋，這個(gè)時(shí)候測得的是有效值）XTAL2和地之間的電壓時(shí)，可以看到2V左右一點(diǎn)的電壓。1.4.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（運(yùn)行不正常）或死機(jī)（停止運(yùn)行）時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)位。MCS-51系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（第9管腳）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)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：上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。圖中所示的復(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

10、RESET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，通過按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達(dá)到手動復(fù)位的效果。一般來說，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)際測量，以確保單片機(jī)的復(fù)位電路可靠。1.5.EA/VPP（31腳）的功能和接法51單片機(jī)的EA/VPP（31腳）

11、是內(nèi)部和外部程序存儲器的選擇管腳。當(dāng)EA保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲器；當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存儲器，只訪問外部存儲器。對于現(xiàn)今的絕大部分單片機(jī)來說，其內(nèi)部的程序存儲器（一般為flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器，而是直接使用內(nèi)部的存儲器。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。1.6.P0口外接上拉電阻51單片機(jī)的P0端口為開漏輸出，內(nèi)部無上拉電阻（見圖3）。所以在當(dāng)做普通I/O輸出數(shù)據(jù)時(shí)，由于V2截止，輸出級是漏極開路電路，要使“1”信號（即高電平）正

12、常輸出，必須外接上拉電阻。另外，避免輸入時(shí)讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)，也需外接上拉電阻。在這里簡要的說下其原因：在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來的信號一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出低電平后，鎖存器Q=0,Q=1,場效應(yīng)管V1開通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無論端口線上外接的信號是低電平還是高電平，從引腳讀入單片機(jī)的信號都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號。又如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器Q=1,Q=0,場效應(yīng)管V1截止。如外接引腳信號為低電平，從引腳上讀入的信號就與從鎖存器讀入的信號不同。 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， 應(yīng)先向P0口寫“1”，

13、此時(shí)鎖存器的Q端為“0”，使輸出級的兩個(gè)場效應(yīng)管V1、V2均截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，才可作高阻輸入。總結(jié)來說：為了能使P0口在輸出時(shí)能驅(qū)動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入“1”，使場效應(yīng)管截止，以避免鎖存器為“0”狀態(tài)時(shí)對引腳讀入的干擾。3.單片機(jī)最小系統(tǒng)3.1.1電源供電模塊圖3.1.1電源USB供電模塊電路圖對于一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)來講，首要問題就是為整個(gè)系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。51單片機(jī)雖然使用時(shí)

14、間最早、應(yīng)用范圍最廣，但是在實(shí)際使用過程中，一個(gè)和典型的問題就是相比其他系列的單片機(jī)，51單片機(jī)更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)重要手段就是為單片機(jī)系統(tǒng)配置一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計(jì)算機(jī)的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。電源電路中接入了電源指示LED,圖中R3為LED的限流電阻。K2為電源開關(guān)。3.1.2復(fù)位電路JJUSB2_GNDGND1N58191N5819I IJND11CoutCoutr rC C2+2+ICinICinJC2-15C2-15IOJLV-151V-151ininL LXHnJCh

15、wuJfJChwuJf1l3llt1l3llt16167TTT1 13 3亙TTToCIOCIOHHHHTXDRXDTXDRXDIKC1+vs+C1-C2+C2-VS-T2OUTR2IN11621531441351261171089VCCGNDT1OUTR1INR1OUTT1INT2INR2OUT10104104MAX232MAX232士C9C9LED2LED2QOOOOGNDGND圖3.1.5MAX232芯片引腳結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)傳輸過程：MAX232的11腳T1IN接單片機(jī)的TXD端P3.1,TTLdiaper從單片機(jī)的TXD端發(fā)出，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換為RS232電平后從MAX232的14腳T1

16、OUT發(fā)出，再經(jīng)過交叉用口線連接到計(jì)算機(jī)RXD端，計(jì)算機(jī)手段數(shù)據(jù)。PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)從PC機(jī)串口的TXD端發(fā)出數(shù)據(jù)，再逆向流向單片機(jī)的RXD端P3.0接收數(shù)據(jù)。3.1.6用口接口DB9的引腳圖圖3.1.6用口接口DB9的弓I腳圖114USB轉(zhuǎn)TTL電路4.1 USB轉(zhuǎn)TTL電路介紹圖4.1.1USB轉(zhuǎn)TTL電路圖圖4.1.1為USB下載器的電路圖， 它能直接將程序代碼轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需的TTL電平，并通過單片機(jī)的RXD和TXD對單片機(jī)進(jìn)行通信、下載程序等。在沒有串口的情況下， 可以使用圖4.1.1中所示的USB轉(zhuǎn)TTL電路對單片機(jī)進(jìn)行程序下載，如圖所示，此電路的轉(zhuǎn)換芯片使用的是PL2303的芯片，

17、只要在計(jì)算機(jī)中安裝好對應(yīng)的驅(qū)動程序，就可以直接通過USB接口進(jìn)行下載。圖4.1.2為PL2303的引腳分布圖。12Ml1QKiRU2U)KTXDOSCDTR_NOSCPLL_TES1DDJ32GND_PLLRXDTD_PLLLD_MODEGNDTRI.STATEPDGNDDSRNDCD_NRESETCTS_N5NDJV3&HTD_NVDDJV3,EE_CLKDMEEDATADPC&lC&lVDD46GND?GND?ITO91。11_ _1212B14UIOIPL23OPL23OC03C03_|VDDO5C2OSC1FLL_TE5TGND.PLLVDD.PLLLD_MOD

18、ETRI.MCTJEBHDVDDRESETGND_3V3VDD-SVSDMDP圖4.1.2PL2303的弓I I腳分布圖引腳名稱及作用：TXD:TXD:數(shù)據(jù)輸出到串口；DTR_NDTR_N: :數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，低電平有效；RST_N:RST_N:輸出發(fā)送請求，低電平有效；VDD_232:VDD_232:電源RS-232供電電源，RS-232輸出信號(PIN1PIN3)為5V電平， 可以在3V和3.3V電源下操作，VDD_232必須與RS-232接口使用同一電源(RS-232輸入電平應(yīng)在35之間)；RXD:RXD:串口數(shù)據(jù)輸入；RI_NRI_N: :振鈴指示，低電平有效；GND:GND:電源地；

19、VDD:VDD:電源正端；DSR_N:DSR_N:數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好，低電平有效；DCD_N:DCD_N:數(shù)據(jù)傳送檢測，低電平有效；CTS_N:CTS_N:清除發(fā)送，低電平有效；SHTD_NSHTD_N: :關(guān)閉RS-232收發(fā)器；EE_CLKEE_CLK: :在復(fù)位期間這個(gè)引腳用于仿真，在正常操作期間，這個(gè)腳是串行ROM的時(shí)鐘;13TXDDTRNVDD232RXDRll_hlGM口VDDOSR_NDCD_NCTS_NISHTD_NEEjCLKEE_DATAEE_DATAEE_DATA: :串行ROM數(shù)據(jù)信號；DP:DP:USBDPLUS信號；DM:DM:USBDMINUS信號；VDD_3V3VD

20、D_3V3: :USB收發(fā)器3.3V電源；GND_3VGND_3V3:電源地；RESETRESET: :系統(tǒng)復(fù)位；VDD:VDD:電源正端；GND:GND:電源地；TRI_STATETRI_STATE: :端口狀態(tài)，此引腳在復(fù)位后被采樣，當(dāng)為高電平時(shí)，RS-232輸出在休眠期間停止工作，當(dāng)為低電平時(shí)，RS-232輸出tri-state在休眠期間；LD_MD/SHTD:負(fù)載設(shè)置/掉電指示.此引腳在復(fù)位期間為輸入采樣，用220K上拉電阻用于指示重型USB設(shè)備（500mA）,220K電阻接地指示輕型負(fù)載，復(fù)位后，此引腳變成輸出，輸出負(fù)的SHTD_N信號；VDD_PLLVDD_PLL: :PLL電源供

21、應(yīng)5V;GND_PLLGND_PLL: :PLL電源地；PLL_TESTPLL_TEST: :PLL測試模式設(shè)置；OSC1:OSC1:震蕩器輸入；OSC2:OSC2:震蕩器輸出。145單片機(jī)最小系統(tǒng)擴(kuò)展部分5.1.1 LED電路470圖5.1.1LED電路圖圖5.1.1中主要元件有470的排阻、LED、。470的排阻為每個(gè)LED的限流電阻。此最小系統(tǒng)提供了8個(gè)獨(dú)立LED,由P0口控制， 采用共陽級接法所以只有當(dāng)P0口輸出低電平時(shí)LED才會點(diǎn)亮。時(shí)間間隔為1000ms1000ms的循環(huán)左移流水燈參考程序。#include#includeunsignedchara,b,k,j,x;voiddela

22、yms(uintx)for(a=x;a0;a-)for(b=110;b0;b-);voidmain()k=0 xfe;while(1)P0=k;150123456701234567po,po,().n*0.(),0.().n*0.(),0.0.0.FpppFpppp*pp*pD1 10 0) )1 11 11 1Irr9delayms(1000);j=_crol_(k,1);k=j;P0=j；)5.1.2蜂鳴器電路L*Q1、PNPGND圖51.2蜂鳴器電路圖圖5.1.2中蜂鳴器使用的是PNP三極管進(jìn)行驅(qū)動控制的， 此蜂鳴器為電磁式有源蜂鳴器。三極管的集電極通過蜂鳴器接5V電源，基極是控制端，發(fā)射極接地，當(dāng)單片機(jī)的P3.7俞出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲。蜂鳴器為感性原件，也可以在兩端并接一個(gè)二極管來起到泄放作用?？刂品澍Q器發(fā)出滴滴聲的參考程序。#includeunsignedchara,b;sbitbeep=P3A7;voiddelayms(uintx)(for(a=x;a0;a-)16P3.7R11I2(X)for(b=110;b0;b-);)voidmain()(while(1)(delayms(100);beep=0;delay