单片机最小系统的设计与制作.doc

单片机最小系统设计和制作
江西冶金职业技术学院 刘昆山 刘星慧

【摘 要】本文经过讲解单片机工作条件，设计并制作单片机最小系统，编写单片机C语言程序，调试单片机产品，掌握单片机产品开发基础过程。
【关键字】单片机C语言，单片机入门，单片机最小系统

一、单片机最小系统功效介绍
单片机最小系统，或称为最小应用系统，是指用最少元件组成以单片机为关键元件能够正常工作含有特定功效单片机系统，是单片机产品开发关键电路。

图1单片机最小系统成品图
本制作采取单片机C语言编程，关键能完成单灯闪烁任务，经过AT89S51单片机控制一个LED亮和灭，实现闪烁现象。同时应含有上电复位和手动复位，而且使用单片机片内程序存放器存放用户程序。
二、知识点讲解
1、AT89S51单片机介绍
AT89S51是美国ATMEL企业生产低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K 可系统编程Flash只读程序存放器，器件采取ATMEL企业高密度、非易失性存放器技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集成Flash程序存放器既可在线编程（ISP），也可用传统方法进行编程。
单片机应用能够了解为是单片机芯片经过其引脚控制多种不一样外围电路，实现多种具体功效，所以要学好单片机技术，必需先了解单片机引脚功效。AT89S51采取了40引脚双列直插DIP封装形式，实物图图2所表示，引脚配置图图3图4所表示。

图2 AT89S51实物图 图3 AT89S51引脚图

图4 AT89S52引脚图
2、引脚功效介绍
IO口灌（流进）电流大，拉（流出）电流小。
P0：漏极开路双向IO口,使用时，当电流流出需外加上拉电阻
外部地址数据总线，可带八个TTL负载
P1：准双向口(看成输入口用时，须将IO口置1(P1=0XFF;i=P1;))，可带四个TTL负载
P1.0：T2定时计数器2外部脉冲输入立即钟输出
P1.1：T2EX定时计数器2捕捉、自动重装触发输入及减法计数控制
P1.5：MOSI,主动输出从动输入引脚，用于flash(闪存)编程
P1.6：MISO, 主动输入从动输出引脚，用于flash编程
P1.7：SCK, 同时时钟，用于flash编程 ISP编程时用

P2：准双向口，可带四个TTL负载
外部地址总线高八位

P3：准双向口，可带四个TTL负载
P3.0：RXD，串行输入
P3.1：TXD，串行输出
P3.2：INT0，外部中止0输入
P3.3：INT1，外部中止1输入
P3.4：T0，定时计数器0外部脉冲输入
P3.5：T1，定时计数器1外部脉冲输入
P3.6：/WR，外部数据存放器写选能信号
P3.7：/RD，外部数据存放器读选能信号

VCC：电源正极，工作电压范围：4.0v-5.5v。
GND：地
RST：复位端，高电平有效
XTAL1（clock in）、XTAL2(clock out)：时钟引脚，外接晶振友好振电容（5-47PF），晶振谐振频率范围：0hz--33Mhz，用作工控产品时不超出6MHZ。
常见晶振型号： 4MHZ，6MHZ，8MHZ，16MHZ，12MHZ，24MHZ，
5.5296MHZ，11.0592MHZ，22.1184MHZ，33.1776 MHZ
EA/Vpp：外部程序存放器选通信号/编程电压输入
EA=0：使用外部程序存放器
EA=1：先使用内部程序存放器，后使用外部程序存放器

ALE/PROG：外部低八位地址总线锁存信号/编程脉冲输入，Fosc/6
PSEN：外部程序存放器读选通信号
2、产品框图设计
对51系列单片机来说，单片机要正常工作，必需含有五个基础电路，也称五个工作条件：1、电源电路，2、时钟电路，3、复位电路，4、程序存放器选择电路，5、外围电路。为了下载程序方便，增加一个ISP下载电路。所以，单片机最小系统通常应该包含单片机、晶振电路、复位电路、外围电路、ISP下载电路等，图5所表示：

单片机
时钟电路
复位电路
外围电路
电源电路
程序存放器选择电路
ISP下载电路

图 5单片机最小系统框图
三、电路设计
我们把AT89S51单片机40个引脚分成了四类：主电源输入引脚、时钟电路引脚、控制类引脚、输入输出I/O口引脚。
1、电源电路设计
单片机芯片第40脚为正电源引脚VCC，通常外接+5V电压。第20脚为接地引脚GND，常见电源电路设计图6所表示：

图6电源电路 图7时钟电路
2、时钟电路设计
单片机是一个时序电路，必需要有时钟信号才能正常工作。单片机芯片18脚（XTAL2）、19脚（XTAL1）分别为片内反向放大器输出端和输入端，只要在18脚（XTAL2）和19脚（XTAL1）之间接上一个晶振，再加上2个30PF瓷片电容即可组成单片机所需时钟电路。常见时钟电路图7所表示。
注意，当采取外部时钟时，19脚（XTAL1）接地，18脚（XTAL2）接外部时钟信号，本文就不具体讨论了。
3、复位电路设计
单片机芯片第9脚RST（Reset）是复位信号输入端。单片机系统在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态等情况下全部需要复位。复位作用是使中央处理器CPU和其它功效部件全部恢复到一个确定初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51系列单片机复位靠外部电路实现，信号从RST引脚输入，高电平有效，只要保持RST引脚高电平2个机器周期，单片机就能正常复位。
常见复位电路有上电复位电路（图8所表示）和按键复位电路（图9所表示）两种。

图8上电复位电路 图9按键复位电路
4、程序存放器选择电路
单片机芯片第31脚（EA）为内部和外部程序存放器选择输入端。当EA引脚接高电平时，CPU先访问片内4KB程序存放器，实施内部程序存放器中指令，当程序计数器超出0FFFH时，将自动转向片外程序存放器，既是从1000H地址单元开始实施指令；当EA引脚接低电平时，不管片内是否有程序存放器，CPU只访问片外程序存放器。
AT89S51内部有4KB程序存放器，所以依据该引脚功效，只要将该引脚接上高电平，才能先从片内程序存放器开始取指令。
常见程序存放器选择电路就是将第31脚直接接到正电源上。
5、外围电路设计
单片机关键控制功效是经过单片机I/O口按不一样时序输出不一样高低电平控制外部电路实现特定功效。
I/O口，是英文IN/OUT缩写，就是输入/输出意思。AT89S51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。这四个口电路结构不完全相同，所以使用也有区分。
外围电路设计关键依据项目要实现功效，本项目要实现功效是用单片机控制一个LED闪烁，先来分析图8LED工作原理图：

图10 LED显示电路
假如用“1”表示高电平，“0”表示低电平。当开关K接上高电平，既是K=1时，LED1不亮；当开关K接上低电平，既是K=0时，LED1亮。LED1亮和灭，完全受开关K控制。
假如把开关K换成单片机第1个引脚，电路设计图11：

图11 单片机控制1个发光二极管LED显示电路
现在只需要经过指令控制单片机第1个引脚输出高电平，就能够控制LED不亮。或经过指令控制单片机第1个引脚输出低电平，就能控制LED发光。从图8到图9实现了开关控制到软件控制LED一个转变。
6、ISP下载电路设计
ISP是一个通用程序下载方法，AT89S5X系列单片机全部有ISP下载接口。AT89S51单片机实现了ISP下载功效，能够经过ISP下载线把程序下载到单片机芯片中。ISP下载线成本低廉，一个并口ISP下载线只需几十元即可得到，是单片机初学者必备工具之一。
通常和市场上并口ISP下载器相配套牛角座接口定义图12所表示。

图12 接口定义
AT89S51单片机第6到第9引脚定义以下：
端口引脚
第二功效
P1.5第6脚
MOSI（数据串行输入，用于ISP编程）
P1.6第7脚
MISO（数据串行输出，用于ISP编程）
P1.7第8脚
SCK（同时控制时钟，用于ISP编程）
RST第9脚
RST复位引脚

ISP下载电路设计以下：

图13 ISP下载电路
依据单片机工作条件和上面电路设计，单片机最小电路原理图设计图14所表示：
二、单片机最小系统原理图

图14 单片机最小系统原理图

三、单片机最小系统工作原理
1、硬件电路分析
对51系列单片机来说，单片机要正常工作，必需含有五个基础电路，也称五个工作条件：1、电源电路，2、时钟电路，3、复位电路，4、程序存放器选择电路，5、外围电路。为了下载程序方便，增加一个ISP下载电路。所以，单片机最小系统通常应该包含单片机、晶振电路、复位电路、外围电路、ISP下载电路等，以下图所表示：

单片机关键控制功效是经过单片机I/O口按不一样时序输出不一样高低电平控制外部电路实现特定功效。
I/O口，是英文IN/OUT缩写，就是输入/输出意思。AT89S51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。这四个口电路结构不完全相同，所以使用也有区分。
外围电路设计关键依据项目要实现功效，本项目要实现功效是用单片机控制一个LED闪烁。
现在只需要经过指令控制单片机第1个引脚输出高电平，就能够控制LED不亮。或经过指令控制单片机第1个引脚输出低电平，就能控制LED发光。
2、程序设计
依据上面设计硬件电路，设计源程序以下：
#include<reg52.h> //52系列单片机头文件
sbit LED1=P1^0; //申明单片机P1口第一个引脚
void delay unsigned char k //延时子函数
{
unsigned char i,j;
for(i=0;i<k;i++)
for(j=0;j<200;j++);
}
Main() //主函数
{
while(1) //实现永久循环
{
LED1=0; //点亮LED1
delay(200); //延时
LED1=1; //熄灭LED1
delay(200); //延时
}
}
四、元件清单及实物图
单片机最小系统元件列表
序号
名称
代号
规格
数量
备注
1
电阻
R1，R2
220欧姆
2

2
电阻
R3
10K
1

3
电解电容
C1
10UF
1

4
瓷片电容
C2，C3
30PF
2

5
发光二极管
D1
3MM
1

6
轻触开关
SW1
6X6X7
1

7
晶振
X1
12MHZ
1

8
牛脚座
J1
10P
1

9
单片机芯片
IC1
AT89S51
1

10
万能板

7X9CM
1

11
IC紧锁座

DIP40P（绿色）
1

12
单排针

1*4PIN2.54mm
2

13
拖焊专用导线

0.5单股铜导线
2米

14
焊锡

凯纳0.8,很好用
2米

五、调试技巧及成品图
1、硬件电路焊接步骤
（1）依据原理图和万能板大小，设计好元件布局，然后开始焊接，首先固定好紧锁座，并先焊接振荡电路。

（2）第二步应该焊接复位电路。

（3）第三步焊接ISP下载电路

（4）第四步，焊接外围功效电路。

（5）第五步，焊接电源电路，及程序存放器选择电路，就是将第31脚直接接到正电源上。全部电路焊接完成后，插上单片机芯片，以下图所表示：

2、把程序写入到单片机最小系统中进行调试
第一步：编辑源代码。通常使用Keil uVision4 编辑源程序，也就是用键盘把程序输入电脑。
第二步：使用Keil uVision4编译源代码，并生成目标程序代码。
第三步：单片机芯片烧写。
用本店提供USB接口ISP下载线，USB接口接计算机，另一头接在单片机作品牛角座上。打开本店提供ISP下载软件progisp.exe，progisp.exe关键作用是ISP下载线控制单片机作品和计算机通讯，并把目标程序代码经过ISP下载线写入到单片机芯片中。
第四步：程序下载完成后，立即就能够观察结果，LED不停闪烁。
3、可能出现故障分析
正常情况下，接上电源（或插上了USB接口ISP下载线）后全部能够正常观察到单灯闪烁效果，假如没有，那我们应该从下面多个步骤来检测：
第一步，用万用表检测电源是否接通，关键是看看40脚和20脚之间是否有5V电压。
第二步，检测第31引脚，是否有5V电源，目标是确保使用了片内存放器。
第三步：检测P3口或P2口空闲电压是否有5V电压，假如没有，说明单片机系统没有工作。
第四步：用万用表检测复位电路，经过复位按键，检测第9脚电压是否会改变。假如按键没有按下，电压为0V，按键按下后，电压立即变为5V，以后很快降为0V，则表示复位电路正常。
第五步，用示波器检测振荡电路，关键是检测第18、19脚。检测是否有振荡波产生。假如有，表示振荡电路正常。这步关键检验线路是否正确，元器件通常不会有任何问题。
最终，检测每条PCB板上焊接走线是否有短路、断路、虚焊等焊接故障，一定要确保焊接走线正常导电，初学者是最轻易犯这个错误。
单片机最小系统经过我们一段时间设计、焊接、编程、调试后，达成了预定单灯闪烁功效，即使只是简单焊接和调试，但从中我们也接触了不少相关单片机知识。经过本作品设计，对单片机有了初步认识，从而能够了解单片机工作模式和具体过程，明白了怎样利用单片机来设计满足自己设定功效作品，和利用单片机来控制系统等。掌握了这些就能够利用单片机最小系统来拓展功效，制作自己想做东西，对科研立项等活动有很大帮助作用。