單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計與制作

單片機最小系統(tǒng)設(shè)計和制作江西冶金職業(yè)技術(shù)學院劉昆山劉星慧【摘要】本文經(jīng)過講解單片機工作條件，設(shè)計并制作單片機最小系統(tǒng)，編寫單片機C語言程序，調(diào)試單片機產(chǎn)品，掌握單片機產(chǎn)品開發(fā)基礎(chǔ)過程?！娟P(guān)鍵字】單片機C語言，單片機入門，單片機最小系統(tǒng)一、單片機最小系統(tǒng)功效介紹單片機最小系統(tǒng)，或稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少元件組成以單片機為關(guān)鍵元件能夠正常工作含有特定功效單片機系統(tǒng)，是單片機產(chǎn)品開發(fā)關(guān)鍵電路。圖1單片機最小系統(tǒng)成品圖本制作采取單片機C語言編程，關(guān)鍵能完成單燈閃爍任務(wù)，經(jīng)過AT89S51單片機控制一個LED亮和滅，實現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。同時應(yīng)含有上電復位和手動復位，而且使用單片機片內(nèi)程序存放器存放用戶程序。二、知識點講解1、AT89S51單片機介紹AT89S51是美國ATMEL企業(yè)生產(chǎn)低功耗，高性能CMOS8位單片機，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)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集成Flash程序存放器既可在線編程（ISP），也可用傳統(tǒng)方法進行編程。單片機應(yīng)用能夠了解為是單片機芯片經(jīng)過其引腳控制多種不一樣外圍電路，實現(xiàn)多種具體功效，所以要學好單片機技術(shù)，必需先了解單片機引腳功效。AT89S51采取了40引腳雙列直插DIP封裝形式，實物圖圖2所表示，引腳配置圖圖3圖4所表示。圖2AT89S51實物圖圖3AT89S51引腳圖圖4AT89S52引腳圖2、引腳功效介紹IO口灌（流進）電流大，拉（流出）電流小。P0：漏極開路雙向IO口,使用時，當電流流出需外加上拉電阻外部地址數(shù)據(jù)總線，可帶八個TTL負載P1：準雙向口(看成輸入口用時，須將IO口置1(P1=0XFF;i=P1;))，可帶四個TTL負載P1.0：T2定時計數(shù)器2外部脈沖輸入立即鐘輸出P1.1：T2EX定時計數(shù)器2捕捉、自動重裝觸發(fā)輸入及減法計數(shù)控制P1.5：MOSI,主動輸出從動輸入引腳，用于flash(閃存)編程P1.6：MISO,主動輸入從動輸出引腳，用于flash編程P1.7：SCK,同時時鐘，用于flash編程ISP編程時用P2：準雙向口，可帶四個TTL負載外部地址總線高八位P3：準雙向口，可帶四個TTL負載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，定時計數(shù)器0外部脈沖輸入P3.5：T1，定時計數(shù)器1外部脈沖輸入P3.6：/WR，外部數(shù)據(jù)存放器寫選能信號P3.7：/RD，外部數(shù)據(jù)存放器讀選能信號VCC：電源正極，工作電壓范圍：4.0v-5.5v。GND：地RST：復位端，高電平有效XTAL1（clockin）、XTAL2(clockout)：時鐘引腳，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)品時不超出6MHZ。常見晶振型號：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/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鎖存信號/編程脈沖輸入，F(xiàn)osc/6PSEN：外部程序存放器讀選通信號2、產(chǎn)品框圖設(shè)計對51系列單片機來說，單片機要正常工作，必需含有五個基礎(chǔ)電路，也稱五個工作條件：1、電源電路，2、時鐘電路，3、復位電路，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ISP下載電路。所以，單片機最小系統(tǒng)通常應(yīng)該包含單片機、晶振電路、復位電路、外圍電路、ISP下載電路等，圖5所表示：單片機單片機時鐘電路復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單片機最小系統(tǒng)框圖三、電路設(shè)計我們把AT89S51單片機40個引腳分成了四類：主電源輸入引腳、時鐘電路引腳、控制類引腳、輸入輸出I/O口引腳。1、電源電路設(shè)計單片機芯片第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，常見電源電路設(shè)計圖6所表示：圖6電源電路圖7時鐘電路2、時鐘電路設(shè)計單片機是一個時序電路，必需要有時鐘信號才能正常工作。單片機芯片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）之間接上一個晶振，再加上2個30PF瓷片電容即可組成單片機所需時鐘電路。常見時鐘電路圖7所表示。注意，當采取外部時鐘時，19腳（XTAL1）接地，18腳（XTAL2）接外部時鐘信號，本文就不具體討論了。3、復位電路設(shè)計單片機芯片第9腳RST（Reset）是復位信號輸入端。單片機系統(tǒng)在開機時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位。復位作用是使中央處理器CPU和其它功效部件全部恢復到一個確定初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。MCS-51系列單片機復位靠外部電路實現(xiàn)，信號從RST引腳輸入，高電平有效，只要保持RST引腳高電平2個機器周期，單片機就能正常復位。常見復位電路有上電復位電路（圖8所表示）和按鍵復位電路（圖9所表示）兩種。圖8上電復位電路圖9按鍵復位電路4、程序存放器選擇電路單片機芯片第31腳（EA）為內(nèi)部和外部程序存放器選擇輸入端。當EA引腳接高電平時，CPU先訪問片內(nèi)4KB程序存放器，實施內(nèi)部程序存放器中指令，當程序計數(shù)器超出0FFFH時，將自動轉(zhuǎn)向片外程序存放器，既是從1000H地址單元開始實施指令；當EA引腳接低電平時，不管片內(nèi)是否有程序存放器，CPU只訪問片外程序存放器。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)程序存放器開始取指令。常見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)計單片機關(guān)鍵控制功效是經(jīng)過單片機I/O口按不一樣時序輸出不一樣高低電平控制外部電路實現(xiàn)特定功效。I/O口，是英文IN/OUT縮寫，就是輸入/輸出意思。AT89S51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。這四個口電路結(jié)構(gòu)不完全相同，所以使用也有區(qū)分。外圍電路設(shè)計關(guān)鍵依據(jù)項目要實現(xiàn)功效，本項目要實現(xiàn)功效是用單片機控制一個LED閃爍，先來分析圖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。當開關(guān)K接上高電平，既是K=1時，LED1不亮；當開關(guān)K接上低電平，既是K=0時，LED1亮。LED1亮和滅，完全受開關(guān)K控制。假如把開關(guān)K換成單片機第1個引腳，電路設(shè)計圖11：圖11單片機控制1個發(fā)光二極管LED顯示電路現(xiàn)在只需要經(jīng)過指令控制單片機第1個引腳輸出高電平，就能夠控制LED不亮?；蚪?jīng)過指令控制單片機第1個引腳輸出低電平，就能控制LED發(fā)光。從圖8到圖9實現(xiàn)了開關(guān)控制到軟件控制LED一個轉(zhuǎn)變。6、ISP下載電路設(shè)計ISP是一個通用程序下載方法，AT89S5X系列單片機全部有ISP下載接口。AT89S51單片機實現(xiàn)了ISP下載功效，能夠經(jīng)過ISP下載線把程序下載到單片機芯片中。ISP下載線成本低廉，一個并口ISP下載線只需幾十元即可得到，是單片機初學者必備工具之一。通常和市場上并口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（同時控制時鐘，用于ISP編程）RST第9腳RST復位引腳ISP下載電路設(shè)計以下：圖13ISP下載電路依據(jù)單片機工作條件和上面電路設(shè)計，單片機最小電路原理圖設(shè)計圖14所表示：二、單片機最小系統(tǒng)原理圖圖14單片機最小系統(tǒng)原理圖三、單片機最小系統(tǒng)工作原理1、硬件電路分析對51系列單片機來說，單片機要正常工作，必需含有五個基礎(chǔ)電路，也稱五個工作條件：1、電源電路，2、時鐘電路，3、復位電路，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ISP下載電路。所以，單片機最小系統(tǒng)通常應(yīng)該包含單片機、晶振電路、復位電路、外圍電路、ISP下載電路等，以下圖所表示：單片機關(guān)鍵控制功效是經(jīng)過單片機I/O口按不一樣時序輸出不一樣高低電平控制外部電路實現(xiàn)特定功效。I/O口，是英文IN/OUT縮寫，就是輸入/輸出意思。AT89S51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。這四個口電路結(jié)構(gòu)不完全相同，所以使用也有區(qū)分。外圍電路設(shè)計關(guān)鍵依據(jù)項目要實現(xiàn)功效，本項目要實現(xiàn)功效是用單片機控制一個LED閃爍?，F(xiàn)在只需要經(jīng)過指令控制單片機第1個引腳輸出高電平，就能夠控制LED不亮?；蚪?jīng)過指令控制單片機第1個引腳輸出低電平，就能控制LED發(fā)光。2、程序設(shè)計依據(jù)上面設(shè)計硬件電路，設(shè)計源程序以下：#include<reg52.h>//52系列單片機頭文件sbitLED1=P1^0;//申明單片機P1口第一個引腳voiddelayunsignedchark//延時子函數(shù){unsignedchari,j;for(i=0;i<k;i++)for(j=0;j<200;j++);}Main()//主函數(shù){while(1)//實現(xiàn)永久循環(huán){LED1=0;//點亮LED1delay(200);//延時LED1=1;//熄滅LED1delay(200);//延時}}四、元件清單及實物圖單片機最小系統(tǒng)元件列表序號名稱代號規(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輕觸開關(guān)SW16X6X717晶振X112MHZ18牛腳座J110P19單片機芯片IC1AT89S51110萬能板7X9CM111IC緊鎖座DIP40P（綠色）112單排針1*4PIN2.54mm213拖焊專用導線0.5單股銅導線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)原理圖和萬能板大小，設(shè)計好元件布局，然后開始焊接，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，插上單片機芯片，以下圖所表示：2、把程序?qū)懭氲絾纹瑱C最小系統(tǒng)中進行調(diào)試第一步：編輯源代碼。通常使用KeiluVision4編輯源程序，也就是用鍵盤把程序輸入電腦。第二步：使用KeiluVision4編譯源代碼，并生成目標程序代碼。第三步：單片機芯片燒寫。用本店提供USB接口ISP下載線，USB接口接計算機，另一頭接在單片機作品牛角座上。打開本店提供ISP下載軟件progisp.exe，progisp.exe關(guān)鍵作用是ISP下載線控制單片機作品和計算機通訊，并把目標程序代碼經(jīng)過ISP下載線寫入到單片機芯片中。第四步：程序下載完成后，立即就能夠觀察結(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）后全部能夠正常觀察到單燈閃爍效果，假如沒有，那我們應(yīng)該從下面多個步驟來檢測：第一步，用萬用表檢測電源是否接通，關(guān)鍵是看看40腳和20腳之間是否有5V電壓。第二步，檢測第31引腳，是否有5V電源，目標是確保使用了片內(nèi)存放器。第三步：檢測P3口或P2口空閑電壓是否有5V電壓，假如沒有，說明單片機系統(tǒng)沒有工作。第四步：用萬用表檢測復位電路，經(jīng)過復位按鍵，檢測第9腳電壓是否會改變。假如按鍵沒有按下，電壓為0V，按鍵按下后，電壓立即變?yōu)?V，以后很快降為0V，則表示復位電路正常。第五步，用示波器檢測振蕩電路，關(guān)鍵是檢測第18、19腳。檢測是否有振蕩波產(chǎn)生。假如有，表示振蕩電路正