项目一-认识单片机和单片机最小系统.doc

项目一 认识单片机及单片机最小系统

Ø 知道单片机的概念
Ø 了解单片机的应用领域
Ø 了解AT89S51单片机命名规则、封装形式和外形实物
Ø 熟悉AT89S51单片机各引脚的功能
Ø 了解单片机内部结构

Ø 学会制作单片机最小系统
Ø 了解单片机应用系统的建立过程
自从1946年美国宾夕尼亚大学研制了世界上第一台数字电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）以来，计算机的发展经历了四个时代。在短短的几十年中，已发展出大规模和超大规模集成电路的计算机，其运算速度每秒钟可达上万亿次以上。近年来，计算机正朝着巨型化、智能化、网络化、微型化的方向发展。
微型化的发展也就是微型计算机的发展。在微型计算机中，单片微型计算机（简称单片机）是其重要的成员。单片机的发展也非常迅速，它依靠一定的硬件基础，根据特定环境，能完成一定的需求。因其结构比较简单、工作任务针对性较强，使得在国民经济的各个领域中都能看见它的踪迹。
自从1974年美国仙童（Fairchild）公司运用计算机技术生产了世界上第一块单片机（F8）以来，在短短的几十年中，作为微型计算机中的一个重要分支，单片机的应用面极广，发展速度也很惊人。

随着计算机技术的发展，微型计算机应用越来越广泛，越来越多的电器也具有了自动”、“智能”、“微电脑控制”等功能。例如微电脑控制电磁炉、全自动洗衣机，智能电风扇等。那么这些“自动”、“智能”、“微电脑控制”到底是什么呢？又怎么去实现的呢？
能够实现这些功能的主角就是——单片机。
1．单片机名称由来
所谓单片机，就是一块集成电路芯片。它采用超大规模集成技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传输、中断处理）的微型中央处理器（CPU）、随机存取数据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O接口），甚至还包括振荡电路、定时计数器、串行通信接口（SCI）、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块芯片上，构成一个小而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
这样一块集成电路具有一台计算机的基本功能，因而被称为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)，简称“单片机（SCM）”，也被称为微控制单元或者微控制器（MCU），MCU(Micro Controller Unit)。所以，单片机就是一台芯片级的微型计算机。
单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以通过软件控制来实现，并能够实现智能化。现在单片机的应用领域非常广泛，其应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。它是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。

图1-1-1 各种各样的单片机

2．单片机的应用领域
单片机广泛应用于家用电器、数码电子产品、医用电子设备、智能仪器仪表、计算机网络和通信、实时工业生产管理及过程控制等领域，大致可分为以下几个范畴。
1、在家用电器/数码电子产品中的应用
现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，大到电冰箱、洗衣机、空调、彩电、电饭煲，小到笔记本电脑、数码摄像/照相机、智能手机等，无所不在。家用电器是单片机的一个重要应用领域，前景十分广阔。图1－1－2列出了一些现在市面上较流行的家电、码数产品。

图1-1-2 单片机在洗衣机等家用电器中的应用
2、在医用电子设备中的应用
单片机在医用设备中的用途也相当广泛，如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等。

图1-1-3 单片机在过敏皮试仪、超声波诊断仪、X光机等医疗器设备中的应用
3、在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中。结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素和压力等物理量的测量。采用单片机控制可使仪器仪表数字化、智能化、微型化且功能比采用电子或数字电路要更加强大。例如，精密的测量设备（功率计、示波器和各种分析仪等）。图1-1-4是一个PH/ORP仪表，用于环境监测、工矿企业、科学研究、水产养殖场等场合的pH值的测定并经内部处理后显示在LCD显示屏上。

图1-1-4 单片机在智能仪器仪表中的应用
4、在计算机网络和通信中的应用
单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件。现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信系统，到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信、无线电对讲机等。

图1-1-5 数字程控电话 图1-1-6阿尔卡特朗讯会议电话
5、在实时工业生产管理及过程控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统和数据采集系统。例如，工厂生产线的智能化管理、生产设备的智能化控制、各种报警系统与计算机联网构成二级控制系统等。
此外，单片机在工商、金融、科研、教育和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

1．单片机的封装形式
MCS-51系列单片机的封装形式主要有三种:PDIP、PLCC、TQFP。以AT89S51型号为例，封装形式如图1-1-7(a)、1-1-7(b)、1-1-7(c)。

图1-2-1(a) PDIP封闭形式

图1-2-1(b) PLCC封闭形式 图1-2-1(c) TQFP封闭形式
2．单片机的外部引脚及其功能
MCS-51系列单片机中各类型的端子是相互兼容的，用HOMS工艺制造的单片机大多采用40端子双列直插（DIP）封装。当然，不同芯片之间的端子功能会略有差异，在设计、应用时应当注意。
MCS-51是高档8位单片机，但由于受到集成电路芯片引脚数目的限制，会有很多引脚具有第二功能。以AT89S51型号为例，MCS-51的引脚如图1-1-8所示，40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制总线和I/O引脚。

图1-2-2 MCS-51单片机外部引脚图
各引脚的功能如下：
1、电源引脚：VCC和VSS
VCC：电源输入端。作为工作电源和编程校验，接+5V。
VSS：接地端。
2、时钟振荡电路引脚：XTAL1和XTAL2
在使用内部振荡电路时，XTAL1和XTAL2用来接石英晶体和微调电容，振荡频率为晶振频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号：在使用外部时钟时，XTAL1和XTAL2用于接外部时钟源。
3、控制信号引脚：RST/VPD，，和
RST/VPD：RST为复位信号输入端。当RST端保持两个机器周期以上的高电平时单片机完成复位操作。VPD为内部RAM的备用电源输入端。当电源VCC一旦断电或者电压降到一定值时，可以通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，且上电后能够继续正常运行。
：ALE为地址锁存信号。当访问外部存储器时，ALE作为低8位地址锁存信号。为片内EPROM编程时的编程脉冲输入端。
：外部程序存储器的读选通信号，当访问外部ROM时，产生负脉冲作为外部ROM的选通信号。
：为访问程序存储器的控制信号。当为低电平时，CPU对ROM的访问限定在外部程序存储器；当为高电平时，CPU对ROM的访问从内部0～4KB地址开始，并可以自动延至外部超过4KB的程序存储器。VPP为片内EPROM编程的21V电源输入端。
4、I/O口引脚：P0、P1、P2和P3
P0口（P0.0～P0.7）：第一功能是作为8位的双向I/O口使用，第二功能是在访问外部存储器时，分时提供低8位地址和8位双向数据。在对片内EPROM进行编程和校验时，P0口用于数据的输入和输出。
P1口（P1.0～P1.7）：8位准双向I/O口。
P2口（P2.0～P2.7）：第一功能是作为8位的双向I/O口使用，第二功能是在访问外部存储器时，输出高8位地址A8~A15。
P3口（P3.0～P3.7）：第一功能是作为8位的双向I/O口使用，在系统中，这8个引脚又具有各自的第二功能，如表1.1所示。

表1.1.1 P3口的第二功能
P3引脚
引脚名称及第二功能
P3引脚
引脚名称及第二功能
P3.0
RXD 串行数据输入端
P3.4
T0 定时/计数器T0外部输入端
P3.1
TXD 串行数据输出端
P3.5
T1 定时/计数器T1外部输入端
P3.2
外部中断0输入端
P3.6
外部数据存储器写选通信号
P3.3
外部中断1输入端
P3.7
外部数据存储器写选通信号

与其他计算机一样，单片机的内部结构也主要是由中央处理器（CPU）、存储器及输入/输出（并行/串行接口）等控制电路组成。不同的是，单片机将这些主要部件都集中在一个芯片内，使该芯片具备一台计算机所需的较为完整的硬件系统。如图1.3所示为MCS-51系列单片机内部结构图。
CPU
时钟电路
ROM
RAM
定时计数器
并行接口
串行接口
中断系统
P0 P1 P2 P3
TXD RXD
INT0 INT1

图1-3-1 MCS-51系列单片机内部结构图

从图1-1-9可以看出，MCS-51系列单片机的内部结构包含：振荡/分频器、中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、中断控制系统、定时器/计数器、扩展功能控制电路、并行接口电路（I/O口）和串行接口电路，它们通过内部总线有机地连接起来。
1．振荡/分频器
振荡器是产生时基脉冲信号的发源地，它为单片机内所有功能部件提供统一而精确的基准脉冲信号，是单片机执行各种动作和指令的时间基准，如果没有基准脉冲信号，单片机将失去执行指令的动力与时序。MCS-51系列单片机的时钟电路有两种方式：内部时钟振荡方式和外部时钟振荡方式，如图1-1-10(a)、(b)所示。

图1-3-2(a) 内部振荡方式 如图1-3-2(b) 外部振荡方式
图1.4 内部时钟振荡方式

对于内部时钟振荡方式，单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，所以只需在片外接一个晶振便可以构成自激振荡器，为系统提供时钟信号。接在晶振上的电容一般取30pF左右，晶振的振荡频率范围是1～24MHz，在通常情况下MCS-51单片机使用的振荡频率为6MHz和12MHz，在现在的通信系统中常采用的频率为11.0592MHz。电路连接实物如图1-1-11所示。

晶体振荡器
30pF电容器

图1-3-3 内部振荡电路实物图

而对于外部时钟振荡方式，则是直接通过引脚XTAL2将外部的时钟脉冲接入单片机内部，从而使单片机有一个稳定的工作时序，外部的时钟脉冲通常是由特定的振荡电路产生。
2．中央处理器（CPU）
众所周知，任何一台计算机都离不开CPU，它是计算机分析和运算的核心部件，CPU向外发送各种控制指令，是计算机的指挥控制中心，它大体上由运算器和控制器组成。在CPU正常工作时，运算器负责执行各种算术运算和逻辑运算。控制器的主要功能是：根据接收到的指令操作码或运算器的运算结果，来决定或发出相应的控制指令从而来完成指令的读取、运算和控制任务。
3．程序存储器（ROM）
程序是控制计算机动作的一系列命令，单片机只认识由“0”和”1“代码构成的机器指令。在单片机处理问题之前必须事先将编好的程序、表格、常数汇编成机器代码后存入单片机的存储器中，该存储器称为程序存储器。
程序存储器可以放在片内或片外，亦可片内片外同时设置。由于PC程序计数器为16位，使得程序存储器可用16位二进制地址，因此，内外存储器的地址最大可从0000H～FFFFH。如AT89S51内部有4KB的ROM，就占用了由0000H～FFFFH的最低4KB，这时片外扩充的程序存储器地址编号应由1000H开始。
4．数据存储器（RAM）
单片机的数据存储器由随机读/写存储器RAM组成，用于存储实时数，可分为片内RAM和片外RAM。片内有256个字节单元的数据存储器，其字节地址为：00H～7FH。外部RAM最大容量可扩展至64KB。
5．定时器/计数器
AT89S51内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，命名为T0和T1。它们有定时和计数两种工作模式，可实现定时或计数所产生的中断，并用于控制程序转向。
6．并行I/O接口电路
AT89S51内部有4个并行I/O接口：P0、P1、P2、P3，都有双向I/O功能。这4个接口的具体功能见任务二单片机的外部引脚及功能中的介绍，此处不再赘述。
7．串行接口电路
AT89S51内部有一个全双工的可编程串行I/O口，它利用P3.1作为串行数据的发送端TXD，P3.0作为串行数据的接收端RXD。能用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当作同步移位器使用。
8．中断控制
AT89S51内部共有5个中断源，他可以接收外部中断申请、定时器/计数器申请和串行口申请，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

1．什么叫单片机最小系统
所谓单片机最小系统，是由单片机作为系统的核心，其内部包含了一定数量的程序存储器和数据存储器，在外部增加复位电路和时钟电路即可构成单片机最小系统。单片机最小系统虽然不能单独完成任何功能，但它是单片机系统中保证单片机能够正常工作的最基本、必不可少的一部分，各种不同功能的单片机系统都是在最小系统基础上设计的。
2．单片机最小系统的制作
(１)　单片机最小系统各部分电路原理图及实物图
对于MCS-51系列单片机（以AT89S51为例）来说，单片机如要正常工作，需要具有４个基本电路：电源电路、时钟电路、复位电路、程序存储器选择电路。
电源电路：单片机芯片的第40脚为正电源引脚VCC，一般外接+5V电压；第20脚为接地引脚VSS。
时钟电路：也称为振荡电路，它是让单片机活起来的“心脏”。没有振荡电路就不能保证单片机的正常工作。

图1-4-1(a) 时钟电路原理图

图1-4-1(b) 时钟电路实物图面（左）、背面（右）
复位电路：单片机芯片的第9脚（RST）是复位信号输入端，所谓复位就是使单片机内部各电路恢复到初始值。在单片机开机或工作中因干扰而使程序失控、运行中的程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。AT89S51单片机的复位靠外部电路实现，一般可分为上电复位和按键复位两种类型。原理如下图所示：

图1-4-2(a) 上电复位 图1-4-2(b) 按键复位
实物如下图：
GND
+Vcc
+Vcc
GND

图1-4-2(c) 按键复位正面实物 图1-4-2(d) 按键复位背面实物
复位条件：使第9脚（RST）保持两个机器周期以上的高电平。
程序存储器选择电路设置：单片机芯片的第31脚（）为内部与外部程序存储器选择输入端。当引脚接高电平时，CPU先访问片内4KB的程序存储器，执行内部程序存储器中的指令，当程序计数器超4KB时，将自动转向片外程序存储器，即是从1000H地址单元开始执行指令；当引脚接低电平时，不管片内是否有程序存储器，CPU只访问片外程序存储器。
AT89S51内部有4KB的程序存储器，所以根据该脚的引脚功能，只有将该脚接上高电平，才能先从片内程序存储器开始读取指令。常见的程序存储器选择电路就是将第31脚接+5V电压，如图1-1-12所示。

图1-4-3 引脚设置
3、单片机最小系统元器件的选择
单片机最小系统的电路除了万能板之外，元器件清单如表1.2所示。
表1－4 单片机最小系统元件清单

序号
数量
元件名称
元件实物图
元件规格
1
1
电阻器R1

2K普通电阻
2
2
电容器C1、C2

30pF，瓷片电容
3
1
电容器C3

22uF电解电容
4
1
晶振

12MHz
5
1
复位开关S1

不带自锁按键
6
1
芯片插座

40脚双列直插
芯片插座
7
1
单片机

AT89S51
8
1
万能板

9×15

单片机最小系统实物如图所示：
GND
+Vcc
+Vcc
GND

图1-4-4(a) 按键复位正面实物 图1-4-4(b) 按键复位背面实物

4、电路的焊接与简单测试
根据电路原理图，先检测元器件的质量，再将元器件合理的在电路板上布局安装，然后进行正确、可靠的焊接。注意DIP40集成电路的插座上有一个缺口，缺口左侧为最低脚号第1脚，右侧为最高脚号40脚，如图1.14所示，装配和焊接时注意不要反向插接。最后完成的电路板要做到元器件面布局合理、美观，焊接面的焊点要稳固、干净，同时布线要尽量做到科学、整齐。
缺口

图1-4-5 DIP40集成电路插座

确认所有电子元器件焊接无误后，使用万用表检测硬件电路是否正常。先将指针万用表拨至R×100挡，将黑表笔接在电路板的正极点，红表笔接在电路板的负极点，所测的电阻值应为无穷大，两表笔对调后也是一样，说明电路板没有短路现象，可以插上AT89S51单片机的芯片进行相关的调试：
a、VCC和VPP的5V电源测试
接通5V电源之后，应立即测量AT89S51芯片的电源端电压值是否正确（40脚或31脚接正极，20脚接负极）。测量时，将指针万用表置于直流电压挡，黑表笔接触20脚，红表笔接触40脚或31脚，测量值应与供电电源电压一致，如发现偏离较多，应立即中断供电。
b、振荡电路测试
单片机的18脚和19脚与外接的两个电容器和晶振组成了振荡电路，可以通过检测18脚、19脚是否有振荡波形来判断该电路是否具备“生命”特征，为了尽量减小检测对电路的影响，应将示波器的探头衰减拨至R×10挡。
5、知识应用扩展
在实际的单片机设计应用，本实例中的单片机最小系统一般不会单独在设计中使用，而是经常在其基础上增设一些外围电路来实现、演示某些具体的功能。如图1.15所示的一块已安装好的实验电路板，实验板上除了安装有AT89S51单片机的最小系统，还安装了LED显示电路、七段数码动态显示电路、矩阵键盘输入电路、外部中断控制电路、串口中断（与计算机通信）电路，DAC（数模转换）电路、电源电路等。用这块实验电路板，能完成AT89S51单片机的各种基本实验和设计。

图1-4-6 AT89S51单片机实验板

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