單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)情境3 3單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 3.1 學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)：（1）掌握掌握51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)和制作；和制作；（2）熟悉熟悉Keil uVision2軟件的使用，掌握軟件的使用，掌握51單片機(jī)單片機(jī)c語(yǔ)言程序的編寫和調(diào)試。語(yǔ)言程序的編寫和調(diào)試。（3）熟悉熟悉Proteus軟件的使用。軟件的使用。3.2 3.2 任務(wù)分析：任務(wù)分析：任務(wù)名稱任務(wù)名稱：在獨(dú)立電路板上設(shè)計(jì)制作單片機(jī)最小系在獨(dú)立電路板上設(shè)計(jì)制作單片機(jī)最小系統(tǒng)，滿足：統(tǒng)，滿足：（1）在萬(wàn)用板上制作單片機(jī)最小系統(tǒng)，在萬(wàn)用板上制作單片機(jī)最小系統(tǒng)，使該系統(tǒng)具有看

2、門狗電路、使該系統(tǒng)具有看門狗電路、I/O口擴(kuò)展電口擴(kuò)展電路、總線擴(kuò)展電路、程序下載接口、工路、總線擴(kuò)展電路、程序下載接口、工作指示燈；作指示燈；（2）編寫基本控制程序，下載調(diào)試，編寫基本控制程序，下載調(diào)試，使該系統(tǒng)能夠正常工作，并且容易更改使該系統(tǒng)能夠正常工作，并且容易更改該系統(tǒng)的控制程序。該系統(tǒng)的控制程序。任務(wù)背景任務(wù)背景：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)是各種智能電子設(shè)備的單片機(jī)最小系統(tǒng)是各種智能電子設(shè)備的控制中樞，穩(wěn)定的最小系統(tǒng)是電子設(shè)備長(zhǎng)控制中樞，穩(wěn)定的最小系統(tǒng)是電子設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。本次工作任務(wù)是為一期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。本次工作任務(wù)是為一小型溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作單片機(jī)控制電小型溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作

3、單片機(jī)控制電路板。路板。3.2 3.2 任務(wù)分析：任務(wù)分析：3.2 3.2 任務(wù)分析：任務(wù)分析：任務(wù)要求：任務(wù)要求：（1）合理選擇單片機(jī)、晶振、看門狗、電阻、電容等芯片和原件；（2）完成全電路理論設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助分析與仿真、繪制電路圖，自制電路板、焊接調(diào)試；（3）撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告、調(diào)試總結(jié)報(bào)告及使用說(shuō)明書。3.2 3.2 任務(wù)分析：任務(wù)分析：工作任務(wù)所需要的設(shè)備、工具和材料工作任務(wù)所需要的設(shè)備、工具和材料：具有232串行口的計(jì)算機(jī)、雙蹤示波器、5V直流電源、萬(wàn)用表（模擬或數(shù)字）、電烙鐵、導(dǎo)線，自制電路板的各種工具一套及元器件若干。3.3 3.3 任務(wù)知識(shí)點(diǎn)：任務(wù)知識(shí)點(diǎn)：3.3.1 單片機(jī)單片機(jī)最小

4、系統(tǒng)的組成最小系統(tǒng)的組成3.3.2 單片機(jī)的引腳單片機(jī)的引腳3.3.3 如何讓單片機(jī)工作起來(lái)如何讓單片機(jī)工作起來(lái)3.3.4 51單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展3.3.5 為單片機(jī)編寫程序?yàn)閱纹瑱C(jī)編寫程序3.3.6 用用Keil uVision2 編寫單片機(jī)程序編寫單片機(jī)程序3.3.7 PROTEUS軟件簡(jiǎn)介軟件簡(jiǎn)介3.3.1 3.3.1 單片機(jī)單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成最小系統(tǒng)的組成：3.3.1 3.3.1 單片機(jī)單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成最小系統(tǒng)的組成： 電源、復(fù)位電路和晶振電路是單片機(jī)工作起來(lái)必須的條件。 下載程序電路是用計(jì)算機(jī)將單片機(jī)程序固化到單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的電路。 LED指示燈電路是用

5、來(lái)做固化程序的控制對(duì)象，驗(yàn)證程序是否正確運(yùn)行的標(biāo)志。 I/O口電路和總線驅(qū)動(dòng)電路是用來(lái)擴(kuò)展單片機(jī)的控制對(duì)象的接口電路。3.3.23.3.2單片機(jī)的引腳單片機(jī)的引腳：3.3.33.3.3如何讓單片機(jī)工作起來(lái)如何讓單片機(jī)工作起來(lái)：3.3.33.3.3如何讓單片機(jī)工作起來(lái)如何讓單片機(jī)工作起來(lái)：電源電源：?jiǎn)纹瑱C(jī)的第40腳接電源的正極， 20腳接電源的地線。電源電壓為+5V，正負(fù)偏差不能超過(guò)百分之五。3.3.33.3.3如何讓單片機(jī)工作起來(lái)如何讓單片機(jī)工作起來(lái)：振蕩電路振蕩電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部由大量的時(shí)序電路構(gòu)成，沒(méi)有時(shí)鐘脈沖單片機(jī)的各個(gè)部分就無(wú)法工作。所以在單片機(jī)的內(nèi)部集成有振蕩電路，外部只需要按照上面的

6、電路圖將晶振和電容接到單片機(jī)的18（XTAL2）、19(XTAL1)引腳，就構(gòu)成了一個(gè)完整的振蕩器。接通電源，這個(gè)振蕩器就會(huì)產(chǎn)生固定頻率脈沖，使單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)序邏輯電路開(kāi)始工作。晶振的頻率決定了單片機(jī)工作的快慢。復(fù)位電路復(fù)位電路：用于將單片機(jī)內(nèi)部各電路的狀態(tài)，恢復(fù)到初始值。按照上面的接線圖將電阻和電容接到單片機(jī)的第9（RST）引腳，在通電的瞬間使9腳獲得一段時(shí)間的高電平，單片機(jī)內(nèi)部的電路就自動(dòng)復(fù)位了。3.3.33.3.3如何讓單片機(jī)工作起來(lái)如何讓單片機(jī)工作起來(lái)：3.3.33.3.3如何讓單片機(jī)工作起來(lái)如何讓單片機(jī)工作起來(lái)：EA引腳引腳：用戶編寫的應(yīng)用程序都存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器中，若編寫

7、的程序較長(zhǎng)，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器容量不夠用時(shí)，就要考慮在單片機(jī)芯片的外部另外增加程序存儲(chǔ)器芯片。那么單片機(jī)中的控制器是如何知道程序是被存在什么地方呢？它是通過(guò)31（EA）腳上的電平狀態(tài)進(jìn)行判斷的，若EA接電源正端，就表示程序已被存入單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器，反之是存在單片機(jī)外部存儲(chǔ)器。在本例中，所選單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)容量已經(jīng)夠用，所以只需按照接線圖將EA引腳接到+5V即可。3.3.33.3.3如何讓單片機(jī)工作起來(lái)如何讓單片機(jī)工作起來(lái)：輸入輸出引腳輸入輸出引腳：?jiǎn)纹瑱C(jī)引腳中凡用P，后面跟數(shù)字標(biāo)注的引腳均為輸入輸出引腳。8個(gè)引腳為一個(gè)“口”，上圖中P1.0腳為P1口的第0號(hào)引腳。輸入輸出引腳狀態(tài)受程序控制，可

8、以將單片機(jī)內(nèi)部的信號(hào)送出來(lái)（輸出），也可以將與引腳相連的外部信號(hào)送到單片機(jī)內(nèi)部去（輸入）。上圖中P1.0腳與LED負(fù)極相連，LED正極通過(guò)限流電阻R1接電源正極，當(dāng)單片機(jī)的P1.0腳為高電平時(shí)，LED熄滅；當(dāng)P1.0腳為低電平時(shí)，LED點(diǎn)亮?？梢?jiàn)，只要控制P1.0腳電平的高低，就能控制LED的亮滅。3.3.33.3.3如何讓單片機(jī)工作起來(lái)如何讓單片機(jī)工作起來(lái)：MAX202電路電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作的硬件條件具備以后，需要將程序固化到程序存儲(chǔ)器中，可以采用燒錄器的方法固化。本例中，采用STC89C52單片機(jī)的ISP固化程序的方法，即單片機(jī)的TXD、RXD兩個(gè)引腳通過(guò)MAX202的電平變換和計(jì)算機(jī)的串口

9、連接，將下載的程序固化到單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中。3.3.33.3.3如何讓單片機(jī)工作起來(lái)如何讓單片機(jī)工作起來(lái)：看門狗電路看門狗電路：看門狗又叫 watchdog timer（WDT）,是一個(gè)定時(shí)器電路, 一般有一個(gè)輸入,叫喂狗,一個(gè)輸出到MCU的RST端,MCU正常工作的時(shí)候,每隔一端時(shí)間輸出一個(gè)信號(hào)到喂狗端給 WDT 清零,如果超過(guò)規(guī)定的時(shí)間不喂狗(一般在程序跑飛時(shí)),WDT 定時(shí)超過(guò),就會(huì)給出一個(gè)復(fù)位信號(hào)到MCU,使MCU復(fù)位， 防止MCU死機(jī)。 看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說(shuō)程序跑飛。本例中采用的STC89C52單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)集成了看門狗定時(shí)器，不用外接看門狗電路。問(wèn)題與思考問(wèn)

10、題與思考：(1)在51單片機(jī)系統(tǒng)中什么是晶振周期、狀態(tài)周期、機(jī)器周期、指令周期，它們之間是什么關(guān)系？(2)單片機(jī)復(fù)位引腳需要什么樣的電平？如果通過(guò)阻容電路實(shí)現(xiàn)？電路中的電阻電容值是如何確定的？如果增加手動(dòng)復(fù)位應(yīng)該如何連線？(3)51單片機(jī)中P0口結(jié)構(gòu)和其它I/O口比較有什么不同？在使用中要注意什么？3.3.4 3.3.4 51單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展：(1)并行總線的工作原理并行總線的工作原理3.3.4 3.3.4 51單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展：(1)并行總線的工作原理并行總線的工作原理地址總線地址總線：51單片機(jī)的地址總線為16位，分為高八位地址線和低八位地址

11、線兩部分，高八位地址線由P2口提供，低八位地址線由P0口分時(shí)提供。P2口做地址線時(shí)具有輸出鎖存功能，輸出地址信息能夠保留，直到下一次輸出新的地址；P0口是數(shù)據(jù)和地址分時(shí)復(fù)用的端口，為保留其輸出的地址信息，需要在外部加地址鎖存器鎖存輸出的地址信息。地址鎖存器的控制信號(hào)由單片機(jī)的地址鎖存控制信號(hào)ALE提供，由ALE的下降沿控制鎖存時(shí)刻。3.3.4 3.3.4 51單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展：(1)并行總線的工作原理并行總線的工作原理數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線：51單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線為八位，由P0口提供。當(dāng)P0口用做數(shù)據(jù)總線時(shí)是雙向且輸入三態(tài)的通道口，使用時(shí)不必外加其他芯片?？刂瓶偩€控制總線：對(duì)5

12、1單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，用到的控制信號(hào)主要有地址鎖存信號(hào)ALE，片外程序存儲(chǔ)器讀信號(hào)PSEN ，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O口讀寫控制信號(hào) WR、RD 等。3.3.4 3.3.4 51單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展：(1)并行總線的工作原理并行總線的工作原理程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路3.3.4 3.3.4 51單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展：(1)并行總線的工作原理并行總線的工作原理訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器的時(shí)序圖訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器的時(shí)序圖3.3.4 3.3.4 51單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展：(1)并行總線的工作原理并行總線的工作原理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

13、的擴(kuò)展3.3.4 3.3.4 51單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展：(1)并行總線的工作原理并行總線的工作原理外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀時(shí)序圖外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀時(shí)序圖3.3.4 3.3.4 51單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展：(1)并行總線的工作原理并行總線的工作原理外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫時(shí)序圖外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫時(shí)序圖3.3.4 3.3.4 51單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展單片機(jī)并行總線的擴(kuò)展：(2)提高并行總線驅(qū)動(dòng)能力的方法提高并行總線驅(qū)動(dòng)能力的方法當(dāng)并行總線外部所接設(shè)備超出其負(fù)載能力時(shí)，應(yīng)增加總線的驅(qū)動(dòng)能力，下圖為采用74HC245芯片的總線擴(kuò)展電路。問(wèn)題與思考：?jiǎn)栴}與思考：（1）在51單片機(jī)系統(tǒng)中

14、必須進(jìn)行總線擴(kuò)展嗎？在什么情況下進(jìn)行總線擴(kuò)展？都需要用到哪些信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展？（2）51單片機(jī)在進(jìn)行并行總線擴(kuò)展時(shí)外部設(shè)備的數(shù)量有什么要求？如果超出了要求應(yīng)如何處理？（3）簡(jiǎn)述51單片機(jī)并行總線擴(kuò)展應(yīng)如何計(jì)算芯片地址？可以舉例說(shuō)明。3.3.5 3.3.5 為單片機(jī)編寫程序?yàn)閱纹瑱C(jī)編寫程序：要想讓單片機(jī)工作起來(lái)，還需要向單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中輸入程序，就像人需要思想一樣。本例就是控制LED燈的亮滅。而單片機(jī)中的控制器都是數(shù)字電路，只認(rèn)識(shí)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，例如使P1.0引腳電平變化的指令： 指令一：11010010 10010000 ； 將單片機(jī)第1引腳置高電平 指令二：11000010 10010000 ； 將單片機(jī)第1引腳置低電平 這種能夠被單片機(jī)識(shí)別的二進(jìn)制語(yǔ)言成為機(jī)器語(yǔ)言。3.3.5 3.3.5 為單片機(jī)編寫程序?yàn)閱纹瑱C(jī)編寫程序：