单片机最小系统设计Word文件下载.docx

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自1975年美国德克萨斯仪器公司（TexasInstruments）第一块微型计算机芯片TMS-1000问世以来单片机技术已经发展成为计算机领域一个非常有前途的分支，他有自己的技术特征、规、发展道路和应用领域。

2.1单片机特点

单片机芯片作为控制系统的核心部件，除了要具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具备灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。

由于单片机面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰、甚至含有腐蚀性气体，在太空工作的单片机控制系统，还必须具备抗辐射能力，因而决定了单片机CPU与通用微机CPU具有不同特点：

（1）高集成度，体积小，高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。

芯片本身是按工业测控环境要求设计的，部布线很短，工作围广，其抗噪音性能优于一般通用的CPU。

（2）控制功能强

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:

分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。

（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。

（4）易扩展

片具有计算机正常运行所必需的部件。

芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

（5）优异的性能价格比

单片机的性能极高。

为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。

单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。

由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

2.2单片机的应用

（1）单片机在智能仪器仪表中的应用

单片机广泛应用于实验室、交通运输工具、计量等各种仪器仪表中，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，便于使用、维护和改进，提高其性能价格比。

（2）单片机在机电一体化中的应用

机电一体化是机械工业发展的方向。

机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。

单片机的出现促进了机电一体化的进程，单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。

（3）单片机在日常生活及家用电器领域的应用

自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、空调器、电子玩具、电饭煲、视听音响设备等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。

单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。

（4）在实时过程控制中的应用

单片机也可以广泛应用于各种实施控制系统，如对工业上各种炉火温度，酸碱性，化学成分的测量和控制，使系统保持最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品的质量。

（5）办公自动化设备

现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。

如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。

（6）商业营销设备

在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。

（7）在计算机网络和通信领域中的应用

现代的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，机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动，集群移动通信，无线电对讲机等。

（8）单片机在医用设备领域中的应用

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

（9）汽车电子产品

现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。

（10）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域

单片机作为最典型的嵌入式系统，他的成功应用推动了嵌入式系统的发展。

近年来，各种类型的工控机，各种以通用微处理器构成的计算机主板模块，以通用微处理器为核心，片扩展一些外围功能电路单元构成的嵌入式微处理器，甚至单片形态的PC等，都实现了嵌入式应用，成为嵌入式系统的庞大家族。

单片机是现代计算机、电子技术结合的新兴领域，无论是单片机本身还是单片机应用系统的设计方法，都会随时代不断发生变化。

2.3单片机的分类

（1）按用途分类

单片机按用途分类可分为两大类：

专用型单片机和通用性单片机。

专用型单片机用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，用户不能进行修改。

其特点是成本低，适合大批量生产。

通用性单片机的主要特点是容资源比较丰富，性能全面，而且通用性强，可覆盖多种应用要求。

（2）按位数分类

按单片机位数总线的位数，可将单片机分为4位、8位、16位、32位。

（3）按结构分类

迄今为止，世界上主要的芯片厂家投放市场的单片机产品达70多个系统，500多个品种。

这些产品按其结构划分，可大致分为以下两类：

1、CISC结构的单片机：

CISC的含义是复杂指令集计算机，CISC结构的单片机数据线和指令线分时使用，成为·

诺依曼结构。

2、RISC结构的单片机：

RISC的含义是精简指令集计算机，采用这种结构的单片机，其数据线和指令线分离，具有所谓的哈佛结构。

三．单片机的最小系统

单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：

单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等（见图1）。

图3单片机最小系统框图

3.1STC89C51单片机引脚功能

STC89C51单片机采用双列直插（DIP）封装，共40个引脚。

图3.1为引脚排列图。

其中的40个引脚大致可以分为4类：

电源、时钟、控制和I/O引脚。

图3.1STC89C51单片机引脚排列图

（1）电源

（1）VCC：

芯片电源端，一般为+5V；

（2）GND：

接地端。

（2）时钟

（1）XTAL1：

晶体振荡电路的反相输入端

（2）XTAL2：

晶体振荡电路的输出端。

（3）控制线

MCS-51单片机的控制线有4根，其中3根是复用线，具有两种功能。

（1）ALE/：

地址锁存允许/编程脉冲

（2）PSEN：

外部ROM读选通信号

（3）RST：

复位引脚

（4）/VPP：

外ROM选择/EPROM编程电源

（4）I/O引脚

MCS-51单片机共有4个8位并行I/O端口，共32个可编程I/O引脚。

3.2电源供电模块

对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。

图3.2为电源模块电路图，为整个系统提供稳定可靠的电压。

图3.2电源模块电路图

51单片机虽然使用时间最早、应用围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。

此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。

电源电路中接入了电源指示LED，图中R11为LED的限流电阻。

S1为电源开关。

3.3复位电路

　在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。

一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。

图3.3为复位电路图。

图4.1.2复位电路图

单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。

当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。

复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。

具体数值可以由RC电路计算出时间常数。

复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。

（1）上电复位：

STC89c51单片机为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。

（2）按键复位：

并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。

一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。

3.4时钟电路

图3.4时钟电路图

在设计时钟电路之前，让我们先了解下51单片机上的时钟管脚：

　　XTAL1（19脚）：

芯片部振荡电路输入端。

　　XTAL2（18脚）：

芯片部振荡电路输出端。

　　XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。

本次设计采用的是时钟模式，即采用利用芯片部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），部振荡器便能产生自激振荡。

一般来说晶振可以在1.2～12MHz之间任选，但是频率越高功耗也就越大。

在本实验套件中采用的12MHz的石英晶振。

和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。

如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

3.5LED驱动电路

在最小系统中，发光二极管（LED）的接法是采取了电源接到二极管正极再经过1K电阻接到单片机I/O口上的（见图3.5中的接法1）。

图3.5LED驱动电路

采用这种连接方法，首先是因为我们知道LED的发光工作条件不痛，不同的LED其额定电压和额定电流不同，一般而言，红或绿颜色的LED的工作电压为1.7V~2.4V，蓝或白颜色的LED工作电压为2.7~4.2V，直径为3mmLED的工作电流2mA~10mA。

在这里采用红色的3mm的LED。

其次，51单片机的I/O口作为输出口时，拉电流（向外输出电流）的能力是μA级别，是不足以点亮一个发光二极管的。

而灌电流（往输入电流）的方式可高达20mA，故采用灌电流的方式驱动发光二极管。

3.6USB下载器的电路

图3.6为USB下载器的电路图，它能直接将程序代码转换成单片机所需的TTL电平，并通过单片机的RXD和TXD对单片机进行通信、下载程序等。

图3.6USB转TTL电路图

在没有串口的情况下，可以使用图3.6中所示的USB转TTL电路对单片机进行程序下载，如图所示，此电路的转换芯片使用的是PL2303的芯片，只要在计算机中安装好对应的驱动程序，就可以直接通过USB接口进行下载。

图3.7为PL2303的引脚分布图。

图3.7PL2303的引脚分布图

引脚名称及作用：

TXD：

数据输出到串口；

DTR_N：

数据终端准备好，低电平有效；

RST_N：

输出发送请求，低电平有效；

VDD_232：

电源RS-232供电电源，RS-232输出信号（PIN1~PIN3）为5V电平，可以在3V和3.3V电源下操作，VDD_232必须与RS-232接口使用同一电源（RS-232输入电平应在3~5之间）；

RXD：

串口数据输入；

RI_N：

振铃指示，低电平有效；

GND：

电源地；

VDD：

电源正端；

DSR_N：

数据设备准备好，低电平有效；

DCD_N：

数据传送检测，低电平有效；

CTS_N：

清除发送，低电平有效；

SHTD_N：

关闭RS-232收发器；

EE_CLK：

在复位期间这个引脚用于仿真，在正常操作期间，这个脚是串行ROM的时钟；

EE_DATA：

串行ROM数据信号；

DP：

USBDPLUS信号；

DM：

USBDMINUS信号；

VDD_3V3：

USB收发器3.3V电源；

GND_3V3：

RESET：

系统复位；

TRI_STATE：

端口状态，此引脚在复位后被采样，当为高电平时，RS-232输出在休眠期间停止工作，当为低电平时，RS-232输出tri-state在休眠期间；

LD_MD/SHTD：

负载设置/掉电指示.此引脚在复位期间为输入采样，用220K上拉电阻用于指示重型USB设备（500mA），220K电阻接地指示轻型负载，复位后，此引脚变成输出，输出负的SHTD_N信号；

VDD_PLL：

PLL电源供应5V；

GND_PLL：

PLL电源地；

PLL_TEST：

PLL测试模式设置；

OSC1：

震荡器输入；

OSC2：

震荡器输出。

3.7STC单片机通过串口下载

本实验板上所用的STC单片机通过串口下载程序。

其上位机软件界面如图3.8所示（推荐使用V3.1版本，最新版本可以到STC主页上下载：

.mcu-memory./），烧写操作很简单，点击“OpenFile”按钮浏览找到所生成要烧写的Hex文件后，单片机断电，点击“下载”按钮，单片机上电，程序就可下载到单片机中了。

图3.8STC烧写软件界面

四．结论

本讲主要介绍了51单片机的特点，应用，分类，以及51单片机最小系统的设计。

单片机最小系统主要由电源、复位电路、时钟电路以及扩展部分等部分组成。

本次设计主要是在51单片机上扩展I/O口，扩展定时器定时围，扩展键盘显示接口并写好底层程序。

通过各个单元电路的协调配合，从而完美实现其功能。

五．参考文献

1．辉平,周国雄单片机原理与应用设计航空航天大学

2．志海，连鑫单片微型计算机原理和应用电子工业

3楼然苗 

光飞单片机课程设计指导 

航空航天大学

4新民王燕芳微型计算机控制技术 

电子工业.

5徐爱钧《智能化测量控制仪表原理与设计》（第二版）航空航天大学

6吴金戌，庆阳，郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学

7高峰《单片微型计算机与接口技术》科学