河大版信息技术六年级下册单片机最小系统.docx

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河大版信息技术六年级下册单片机最小系统

单片机最小系统

1．绪论

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。

目前，可用于MCS-51系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。

单片机最小系统是在以MCS-51单片机为基础上扩展，使其能更方便地运用于测试系统中，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测试的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。

本课题设计主要在MCS-51单片机上扩展I/O口，扩展定时器定时范围，扩展键盘显示接口。

适合于我们学生用于单片机的学习掌握和一些各种科研立项等的需求。

因此，研究单片机最小系统有很大的实用意义。

2．单片机概述

2.1什么是单片机

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。

2.2单片机的发展简史

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。

②CPU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。

2.3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。

2.4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。

2.5主流单片机简介

（1）8051单片机

最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。

由于Intel公司在嵌入式应用应用方面将重点放在286、386、奔腾等与PC类的高档芯片的开发上，8051单片机主要由Philips、Dallas、Siemens、Atmel、华邦、LG等公司接手生产。

这些公司都以MCS—51中的基础结构8051为基核推出了许多各具特色、具有优异性能的单片机。

这样，把这些厂家以8051为基核推出的各种型号的兼容型单片机统称为51系列单片机。

Intel公司MCS—51系列单片机中的8051是其中最基础的单片机型号。

（2）ATMEL单片机

ATMEL公司的90系列单片机是增强型RISC内载Flash的单片机，通常为AVR单片机。

AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。

它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。

AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。

而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。

（3）Microship单片机

PIC单片机系列是美国微芯公司（Microship）的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。

CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令（视单片机的级别而定），属精简指令集。

而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，都比前者复杂。

采用Harvard双总线结构，运行速度快（指令周期约160～200ns），它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期（个别除外），这也是高效率运行的原因之一。

此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。

（4）Motorola单片机

Motorola是世界上最大的单片机厂商。

从M6800开始，开发了广泛的品种，4位、8位、16位和32位的单片机都能生产，Motorola单片机的特点之一是在同样单片机种类的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。

（5）Micon单片机

工业级OTP单片机，Micon公司生产，与PIC单片机管脚完全一致，海尔集团的电冰箱控制器，TCL通信产品，长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机。

（6）Scenix单片机

Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel的PentiumII等一起被评选为1998年世界十大处理器。

在技术上有其独到之处：

SX系列双时钟设置，指令运行速度可达50/75/100MIPS（每秒执行百万条指令，XXXMInstructionPerSecond）；具有虚拟外设功能，柔性化I/O端口，所有的I/O端口都可单独编程设定，公司提供各种I/O的库函数，用于实现各种I/O模块的功能，如多路UART、多路A/D、PWM、SPI、DTMF、FS、LCD驱动等等。

采用EEPROM/Flash程序存储器，可以实现在线系统编程。

通过计算机RS232C接口，采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。

（7）华邦单片机

华邦公司的W77、W78系列8位单片机的脚位和指令集与8051兼容，但每个指令周期只需要4个时钟周期，速度提高了三倍，工作频率最高可达40MHz。

同时增加了WatchDogTimer、6组外部中断源、2组UART、2组Datapointer以及Waitstatecontrolpin。

W741系列的4位单片机带液晶驱动、在线烧录、保密性高、低操作电压（1.2V~1.8V）。

3．单片机系统的结构

3.1单片机的内部结构

图3.1MS51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）————EA/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。

4．单片机最小系统

4.1单片机最小系统介绍

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。

图4.1最小系统电路图

4.1.1电源供电模块

图4.1.1电源模块电路图

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。

51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，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。

4.1.2复位电路

图4.1.2复位电路图

单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，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，而在单片机内部，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。

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：

STC89系列单片及为高电平复位，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：

按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。

4.1.3振荡电路

图4.1.3振荡电路图

单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

　　在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

高级的精度更高。

有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

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。

STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。

5．USB转TTL电路

5.1USB转TTL电路介绍

图5.1.1USB转TTL电路图

图5.1.1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。

在没有串口的情况下，可以使用图5.1.1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5.1.2为PL2303的引脚分布图。

图5.1.2PL2303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：

电源地；

RESET：

系统复位；

VDD：

电源正端；

GND：

电源地；

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。

6．工具软件介绍

6.1KeilC51软件介绍

MCS-51单片机的开发除了需要硬件的支持以外，同样离不开软件。

CPU真正可以执行的是机器码，用汇编语言或C语言等高级语言编写的源程序必须转换为机器代码才能运行，转换的方法有手工汇编和机器汇编两种，前者目前已经极少使用。

机器汇编是指通过汇编软件将源程序变为机器码的编译方法。

这种汇编软件称为编译器。

6.1.1KeilC51概述

用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。

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生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

6.1.2KeilµVision2集成开发环境介绍

KeilµVision2是一个集成开发环境（IntergratedDevelopmentEnvironment，IDE），它包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部份组合在一起。

它可以用于编写、调试和软件仿真所有的51内核控制器，也可以和IDE连接进行芯片的在线调试。

使用KeilµVision2开发工具开发项目时，项目的开发流程：

（1）建立一个工程项目，选择芯片，确定选项；

（2）建立汇编源文件或C源文件；

（3）用项目管理器生成各种应用文件；

（4）检查并修改源文件中的错误；

（5）编译连接通过后进行软件模拟仿真或硬件在线仿真；

（6）编程操作；

（7）应用。

6.2STC-ISP软件介绍

在KeilC51中做完一个完整的工程后，还需要在KeilC51中进行进一步操作才能将已经编译好的程序下载到STC单片机中供其运行，应为编写程序只是纯软件的开发过程。

STC-ISP软件就是这一过程中的桥接部分，它是将KeilC51生成后缀名为.HEX的文件写入STC单片机的下载软件。