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摘要

随着科学事业的发展，电子产品的智能化，使得一部分人渴望知道期中的奥秘，51系列单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

单片机最小系统，无论对单片机初学人员还是开发人员都具有十分重要的意义。

单片机最小系统电路板在单片机开发市场和大学生电子设计方面十分流行。

本次课程以STC89C51为核心,设计单片机最小系统板。

系统板带有液晶显示器，配合按键提供友好的用户界面，操作简单，该系统板能长期、连续、可靠、稳定的工作；同时还具有体积小、功耗低等特点，便于携带，使用方便。

系统软件设计包括单片机编程。

单片机软件编程主要实现按键、液晶显示、时钟、LED流水灯等模块功能。

关键词单片机；LED显示；最小系统

ABSTRACT

Withthedevelopmentofscienceandthedevelopmentofintelligentproducts,makingsomepeopleeagertoknowtheperiodofthemysteriesofthe51seriesmicrocontrollerisamicrocontrollerintheintroductoryorthemostwidelyusedone.Thesmallestsingle-chipsystem,regardlessoftheSCMbeginnerordeveloperhasagreatsignificance.Thesmallestsingle-chipsystemboardisverypopularinmicrocontrollerdevelopmentmarketandtheUndergraduateElectronicDesign.ThecourseSTC89C51thecore,themaincharacterfiguresbasedonSTC89C51low-powerMCUclocksystem.SystemwithLCDdisplay,withkeystoprovideuser-friendlyinterface,simpleoperation,thedigitalclockcanbelong-term,continuous,reliable,stablejobs;alsohasasmallsize,lowpowerconsumption,easytocarry,easytouse.Systemsoftwaredesign,includingmicrocontrollerprogramming.SCMsoftwareprogrammingtoachievethemainbuttons,LCDclock,LEDwaterlights

andothermodules.

Keywordsmicrocontroller;LEDdisplay;minimumsystem

目录

摘要1

ABSTRACT2

引言4

第2章系统设计方案5

2.1设计目的5

2.2设计要求5

2.3设计思路6

第3章单片机概述6

3.1单片机的发展简史6

3.1.1单片机的简介6

3.1.2单片机的特点7

3.1.3单片机的应用领域8

3.2单片机的内部结构9

3.2.1单片机的引脚功能10

第4章系统的硬件设计11

4.1基本原理图11

4.2各部分模块12

第5章系统的调试19

5.1硬件系统的组装与调试19

5.2软件调试19

总结21

致谢22

参考文献23

附录124

附录236

引言

单片机是随着大规模集成电路出现及其发展，将计算机的CPU,RAM,ROM,定时/计数器和多种I/O接口集成在一个芯片上，形成了芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片机微型计算机（singlechipmicrocomputer）。

它拥有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗的显著优点。

主要应用与只能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面，并且取得了显著的成果。

单片机应用系统可以分为：

1.最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。

这种系统成本低廉,结构简单，常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等；片内有ROM/EPROM的单片机，最小系统即为配有晶振，复位电路，电源等，在我们这次所做的最小系统中，还添加了4个独立按键，8个LED灯，MAX232,DS1302等稍微有点复杂的器件。

若是片内无ROM/EPROM的单片机，其最小应用系统除了外部配置的晶振，复位电路，电源外，还应外接EPROM或EEPROM作为程序存储器用。

2.最小功耗应用系统是指为了保证正常运行，系统的功耗最小。

3.典型应用系统是指单片机要完成工业测控功能所必须的硬件结构系统。

本文通过采用用MCS-51系列单片机STC89C51作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。

由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。

整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改性。

MCS-51单片机特点如下：

（1）可靠性好：

单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般的CPU，程序指令和数据都可以烧写在ROM许多信号通道都在同一芯片，因此可靠性高。

（2）易扩充：

单片机有一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统

（3）控制功能强：

单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还有更丰富的条件分支跳跃指令。

用这个做最小系统可以更加简单的对整个最小系统的控制。

第2章系统设计方案

2.1设计目的

本次设计制作的是一个最小系统板，基本要求就是要小巧、轻便，所以要将单片机的系统板简化设计。

通过本次设计，巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。

过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。

2.2设计要求

设计一个带有按键，通信和时钟功能的最小系统，通过单片机编程来控制最小系统板从而对其控制。

2.3设计思路

设计一个最小系统板，先通过protel画出电路原理图，主要由复位电路，晶振电路，按键，LED等各个模块，连接至单片机。

第3章单片机概述

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

用专业语言讲，单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器及各种输入/输出接口的芯片。

3.1单片机的发展简史

3.1.1单片机的简介

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。

随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。

从8位单片机来看，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段:

1.第一阶段（1976-1978）：

单片机的控索阶段。

以Intel公司的MCS–48为代表。

MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。

这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。

2.第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。

Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。

它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

（1）完善的外部总线。

MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。

（2）CPU外围功能单元的集中管理模式。

（3）体现工控特性的位地址空间及位操作方式。

（4）指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

3.第三阶段（1982-1990）：

8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。

Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。

4.第四阶段（1990至今）：

微控制器的全面发展阶段。

随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

3.1.2单片机的特点

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，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。

单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

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，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。

4.易扩展

片内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，片内的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。

3.1.3单片机的应用领域

1.单片机在智能仪器仪表中的应用

在各类仪器仪表中引入单片机，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，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

用单片机实时进行数据处理和控制，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、电话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，电话机、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电话，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。

3.2单片机的内部结构

图3-1MCS51单片机结构图

一个基本的MCS-51单片机通常包括：

中央处理器、ROM、RAM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，各个功能由内部的总线连接起来，从而实现数据通信。

其内部框图如图3-1所示。

3.2.1单片机的引脚功能

图3.2引脚排列图

常见的51单片机中一般采用双列直插（DIP）封装，共40个引脚。

图3-2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3-2STC89C51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/PROG：

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：

内外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。

第4章系统的硬件设计

4.1基本原理图

单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。

最小系统原理图如图4-1所示。

如图4-1所示

图4-1系统原理图

4.2各部分模块

4.2.1动复位电路

手动复位方式又分为按键电平复位方式和按键脉冲复位方式，如图5-2所示，按键电平复位是当按下复位开关’s’是，单片机的rest端通过电阻R1与VCC电源接通实现，我们的设计方案就采取这种方式。

图4-2动复位电路

4.2.2晶振电路

单片机外围时钟电路

图4-3单片机外围时钟电路

图4-3的电路主要用来给单片机提供标准工作时钟。

这里我们采用的是12MHz晶振，也就时说单片机的时钟周期为1/12µS，指令周期为1µS。

4.2.3MAX232模块

1.MAX232简介

在进行数据传输时如果是近距离的可以使用标准的TTL或CMOS，如果进行远距离的它们的驱动能力不足，通信质量就很差。

RS232是一种长距离传输的通信方式，这就要求必须突破驱动能力不足的限制，于是相关的驱动IC应运而生，MAX232就是这类IC。

MAX232主要特点如下:

（1）在传送方面，内部将电源提升为+10V及-10V，然后接收TTL\CMOS的+5V电平，并转换成+10V的信号，再送到线路上。

（2）在接收方面，从线路上接收+10V的信号，经内部寄存器转换成TTL\CMOS的+5V电平。

说穿了，MAX232只不过是一个电平转换设备而已，只要+5V电源与4~5个10pF的小电容即可，就能同时提供双向电平调整。

2.通信原理图

单片机的串口通过MAX232将TTL电平转换成EAI适合的电平，实现了单片机和PC机之间的通信。

在本实验当中该部分电路由芯片MAX232组成。

其电路原理图如图4-4所示：

图4-4通信原理图

4.2.4单片机STC89C51模块

STC89C52单片机是MSC-51®系列产品的升级版，有世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51®设计结构后，利用自身优势技术——（掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。

与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的51内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如51F020等高性能单片机。

STC89C52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。

根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。

片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。

可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。

不断发展的半导体

图4-5DIP-40封装89S52引脚图

工艺也让该单片机的功耗不断降低。

同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。

根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装，如图4-5所示。

4.2.5DS1302模块

DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。

在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。

当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。

当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。

X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：

首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。

当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。

如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。

只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。

I/O为串行数据输入输出端（双向），后面有详细说明。

SCLK为时钟输入端。

下图5-6为DS1302的引脚功能图：

图4-6DS1302封装图

4.2.6LCD1602显示屏模块

各个引脚功能如图4-7所示。

图4-7LCD1602各引脚功能

1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

DS1302与LCD1602之间的程序详细见附录1。

4.2.7流水灯模块

流水灯由8个LED连接至单片机的P1口，通过控制P1口来控制LED灯从而表现出不同的样式。

我们这次所要显示的是8位LED灯循环左移，程序在附录2。

原理图如图4-8所示。

图4-8LED引脚连接图

第5章系统的调试

系统组装与调试分为硬件的组装调试和软件的调试，硬件的组装与调试侧重于原理设计的正确性验证和印刷电路板的工艺性错误的检测；软件的调试则侧重于子模块的功能验证和模块与模块的接口配合。

5.1硬件系统的组装与调试

硬件组装前首先要仔细核对硬件系统设计原理的正确性，包括参数选用的正确性和原理的正确性，对没有把握的电路可以通过在通用实验板上直接焊接实际电路来进行实物调试和验证，调试分为断电调试和通电调试。

1.断电调试

为了安全起见，首先必须进行断电调试，断电调试的内容至少包含短路检测和原理正确性确认；系统电路焊接完成后，首先对实物进行原理正确性的确认，其次必须进行短路检测，选用合适的万用表欧姆档，用红表笔接到电路板的+5V电源的+、—极，如果存在充放电现象，最后电阻稳定在一个合适的位置，则基本上可排除系统短路现象。

2.通电调试

（1）系统时钟是否起

凡是微处理器系统，正常运行的必要条件是系统时钟稳定正常，在实际工作中，因为各种原因导致系统时钟不正常而出现系统无法正常运行的情况也时有出现，因此系统时钟是否起震应是通电检查的首要一环，检查方法包括逻辑笔发、数字万用表法、示波器法，在这里采用数字万用表法，测试晶振两端引脚电压为2.5V左右。

（2）复位是否正常及关键点电压参数是否正常

复位不正常也会导致系统不工作，这里的重点是检查相关电路是否正常，同时检查相应电路的关键电压参数是否正常，进行一一排查。

5.2软件调试

单片机的程序设计调试分为两种，一种是使用软件模拟调试，即用开发单片机程序的计算机去模拟单片机的指令执行，并虚拟单片机片内资源，从而实现调试的目的，但是软件调试存在一些问题，如计算机本身是多任务系统，划分执行时间片序，也就是说，不可能像真正的单片机运行环境那样执行的指令在同样一个时间能完成（往往比单片机慢）。

为了解决软件调试问题，第二种方法是硬件调试，硬件调试其实也需要计算机软件的配合。

软件调试与所选用的软件结构有关,如果采用模块程序设计技术,则逐个模块调好后再进行系统程序总调，如果采用实时多任务操作系统,一般是逐个任务进行调试，对于模块结构程序。

一个个子程序分别调试，调试时,一定要符合入口条件和出口条件,调试可用单步运行和断点运行方式,通过检查用者系统的CPU现场情况、RAM的内容和I／O口的状态,检测程序执行结果是否符合设计要求,有无循环错误、有无机器码错误以及转移地址的错误,同时,还可以发现用者系统中存在的硬件设计错误和软件算法错误，各程序模块通过后,则可以把相关功能块连在一起进行总调。

本设计采用Keil软件对源程序进行编译和调试,KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻,KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目