项目二 搭建单片机最小系统（课件）-《单片机技术应用》同步教学（北理版）

项目二 搭建单片机最小系统 任务一 识别单片机的引脚 任务二 I/O 端口 任务三 单片机最小系统设计 任务四 单片机最小系统的制作 返回 1 任务一 识别单片机的引脚 学习单片机的时候，区分芯片的引脚序号是很重要的，这决定我们的电路设计，也决定了以后的焊接工作。那么，何为引脚？引脚就是单片机引线的末端的那一段，我们在单片机上焊接外围线路时，引脚就是单片机与外围线路的接口。 不同封装方式的单片机，引脚序号的区分方法也不一样。区分芯片引脚序号，有一种比较通用的方法，就是观察单片机的表面，都会找到一个标记，有时候会用圆点，有时候会用三角形等，我们从这个标记逆时针开始数，就是引脚的序号了。引脚的功能有很多，但是大致分为以下四类： 电源引脚，如 V CC 、GND。 时钟引脚，如 XTAL1、XTAL2。 下一页 返回 任务一 识别单片机的引脚 编程控制引脚，比如 RST、PSEN 等。 I/O 口引脚，如 P0、P1、P2 和 P3。 STC89C52RC 单片机共有 40 根引脚，那么，每一根引脚是如何定义的呢？ 一、STC89C52RC 单片机引脚图 PDIP 封装的 STC89C52RC 单片机，其引脚结构如图 2−2 所示。 二、引脚功能 对照图 2−2 的单片机引脚功能图，引脚的具体功能介绍如下。 单片机的 40 个引脚大致可分为四类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚。 上一页 下一页 返回 任务一 识别单片机的引脚 1. 电源 （1）V CC ：芯片电源，接+5 V； （2）GND：接地端； 2. 时钟 XTAL1、XTAL2 分别是晶体振荡电路反相输入端和输出端。 XTAL1：振荡器反相放大器输入端和内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器输出端。 上一页 下一页 返回 任务一 识别单片机的引脚 3. 控制线 控制线共有 4 根： （1）ALE/ PROG ：允许地址锁存 / 片内 EPROM 编程脉冲。 ① ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址。 ② PROG 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。 ALE/PROG ：当访问外部存储器时， ALE （允许地址锁存）是一个用于锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 Flash 编程期间，此引脚也用于输入编程脉冲（ PROG ）。在正常操作情况下， ALE以振荡器频率 1/6 的固定速率发出脉冲，它可用作对外输出的时钟。 上一页 下一页 返回 任务一 识别单片机的引脚 然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如果希望禁止 ALE 操作，可通过将特殊功能寄存器中位地址为 8EH 那位置“ 0 ”来实现。该位置“ 1 ”后， ALE 仅在 MOVX 或 MOVC 指令期间激活，否则 ALE 引脚将被略微拉高。若微控制器处于外部执行方式时， ALE 禁止位无效。 （ 2 ） PSEN ：外 ROM 读选通信号。 PSEN ：外部程序存储器选通信号。当 STC89C52RC 从外部程序存储器执行指令时，在每个机器周期 PSEN 被激活两次。每当访问外部数据存储器时，将跳过两个 PSEN 信号。 上一页 下一页 返回 任务一 识别单片机的引脚 （ 3 ） RST/VPD ：复位 / 备用电源。 ① RST （ Reset ）功能：复位信号输入端。 ② VPD 功能：在 V CC 掉电情况下，接备用电源。 当输入的信号连续 2 个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器 PC=0000H ，即复位后将从程序存储器的 0000H 单元读取第一条指令码。当振荡器工作时，在此引脚上出现两个周期的高电平将使系统复位。在看门狗定时器输出时，该引脚输出 96 个振荡周期的高电平。特殊功能寄存器 AUXR （地址为 8EH ）的DISRTO 位可用于取消该功能。 DISRTO 的默认状态是该复位引脚高电平输出有效。 上一页 下一页 返回 任务一 识别单片机的引脚 （ 4 ） EA /VPP ：内外 ROM 选择 / 片内 EPROM 编程电源。 EA /VPP ：访问外部程序存储器允许端。为了能够从外部程序存储器的 0000H 至 FFFFH 单元中取指令， EA 必须接地。然而要注意的是，若已对加密位 1 进行编程，则在复位时， EA 的状态在内部被锁存。执行内部程序时 EA 应接V CC 端。在 Flash 编程期间，这个引脚可接 12 V 编程电压。 4. I/O 端口 STC89C52RC 单片机共有四个 8 位并行 I/O 端口： P0 、 P1 、 P2 、 P3 口，共 32 个引脚。 上一页 下一页 返回 任务一 识别单片机的引脚 P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。 MCS − 51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照图 2 − 2 单片机引脚图： P0.0 ～ P0.7 ： P0 口 8 位双向口线（在引脚的 39 ～ 32 号端子）。 P1.0 ～ P1.7 ： P1 口 8 位双向口线（在引脚的 1 ～ 8 号端子）。 P2.0 ～ P2.7 ： P2 口 8 位双向口线（在引脚的 21 ～ 28 号端子）。 P3.0 ～ P3.7 ： P3 口 8 位双向口线（在引脚的 10 ～ 17 号端子）。 注意，这四个 I/O 口具有不完全相同的功能，具体的使用方法和区别详见下一节内容。 上一页 返回 任务二 I/O 端口 单片机 I/O 端口常见工作类型有：准双向口 / 弱上拉（标准 8051 输出模式）、仅为输入（高阻）或者开漏输出功能。 STC89C52RC 系列单片机的 P1 、 P2 、 P3 口上电复位后为准双向口 /弱上拉（传统 8051 的 I/O 口）模式， P0 口上电复位后是开漏输出。 P0 口作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加 4.7 ～ 10 kΩ 上拉电阻。 P0 口的灌电流最大为 12 mA ，其他 I/O 口的灌电流最大为 6 mA 。 一、P0 端口 P0 口可作通用 I/O 口使用，又可作地址 / 数据总线口；当 P0 口作为通用的 I/O 口使用时，是准双向口，必须外接上拉电阻。 下一页 返回 任务二 I/O 端口 当 P0 口作 I/O 输入时，必须先向电路中的锁存器写入“ 1 ”，使输出驱动电路的场效应管截止，以避免锁存器为“ 0 ”状态时对引脚读入的干扰。 作通用 I/O 口输出时是开漏输出，可驱动 8个 LSTTL 负载。当作为地址 / 数据线使用时， P0 是一真正双向口，分时复用为低 8位地址总线和数据总线。图 2 − 3 所示为 P0口结构。 1. P0 的特点 （ 1 ） P0 的 8 位皆为漏极开路输出（ Open Drain ， OD ），千万不要误解为图腾式输出，每个引脚可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。 （ 2 ） P0 内部无上拉电阻，执行输出功能时，外部必须接上拉电阻（ 10 kΩ 即可）。 上一页 下一页 返回 任务二 I/O 端口 （ 3 ）若要执行输入功能，必须先输出高电平（ 1 ）才能读取该口所连接的外部数据。 （ 4 ）若系统连接外部存储器，则 P0 可作为地址总线（ A0 ～ A7 ）及数据总线（ D0 ～ D7 ）的复用引脚，此时内部具有上拉电阻，不用外接。 2. P0 口的功能 （ 1 ）外部扩展存储器时，当作数据总线（如图 2 − 2 中的 D0 ～ D7 为数据总线接口）。 （ 2 ）外部扩展存储器时，当作地址总线（如图 2 − 2 中的 A0 ～ A7 为地址总线接口）。 上一页 下一页 返回 任务二 I/O 端口 （ 3 ）不扩展时，可作一般的 I/O 口使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 二、P1 端口 P1 口是一个具有内部上拉电路的 8 位双向 I/O 口。 P1 口的输出缓冲器能够输入 / 输出 4个 TTL 输入。其结构如图 2 − 4 所示。 当对 P1 口的引脚写“ 1 ”时，它被内部上拉电路拉高，并能作输入使用。作为输入时，由于内部上拉电路的作用，由外部拉低的 P1 口引脚将放出电流。此外， P1.0 、 P1.1 还可分别作为定时器 / 计数器2 的外部计数输入和触发输入， P1 口在 Flash 编程和校验时还用于接收低 8 位地址字节， P1 口引脚的替换功能见表 2 − 1 。 上一页 下一页 返回 任务二 I/O 端口 P1 的特点说明如下： （ 1 ） P1 内部具备约 10 kΩ 上拉电阻，执行输出功能时，无须连接外部上拉电阻。 （ 2 ） P1 的 8 位类似于开路输出（ OD ），但已内接上拉电阻，每个引脚可驱动 4 个 LS 型TTL 负载。 （ 3 ） 若要执行输入功能，必须先输出高电平（ 1 ）才能读取该口所连接的外部数据。 （ 4 ） 若是 8052/8032 ，则 P1.0 兼具 Timer2 的外部脉冲输入功能（即 T2 ）， P1.1 兼具 Timer2的捕捉 / 重载触发信号和方向控制（即 T2EX ）功能。 上一页 下一页 返回 任务二 I/O 端口 （ 5 ） 若是 89S51/89S52 ，进行在线刻录（ ISP ，在系统编程）时，其中的 P1.5 作为 MOSI之用， P1.6 作为 MISO 之用， P1.7 作为 SCK 之用。 三、P2 端口 P2 口是一个具有内部上拉电路的 8 位双向 I/O 口， P2 口的输出缓冲器能够输入 /输出 4 个 TTL 输入。其结构如图 2 − 5 所示。 当对 P2 口的引脚写“ 1 ”时，它们被内部上拉电路拉高，并能作为输入使用。作为输入时，由于内部上拉电路的作用，由外部拉低的 P2 口引脚将放出电流。当访问外部程序存储器及使用 16 位地址的数据存储器（ MOVX @DPTR ）时， P2 口输出高 8 位地址。 上一页 下一页 返回 任务二 I/O 端口 在这种情况下，当置“ 1 ”时， P2 口使用强大的内部上拉电路。当访问使用 8位地址的外部数据存储器（ MOVX @Ri ）时， P2 口输出 P2 口锁存器的内容。在 Flash 编程及程序校验期间， P2 口也接收 8 位地址及一些控制信号。 四、P3 端口 P3 口是一个具有内部上拉电路的 8 位双向 I/O 口， P3 口的输出缓冲器能够输入 / 输出 4个 TTL 输入。 当对 P3 口的引脚写“ 1 ”时，它们被内部上拉电路拉高，并能作为输入使用。 上一页 下一页 返回 任务二 I/O 端口 作为输入时，由于内部上拉电路的作用，由外部拉低的 P3 口引脚将放出电流。 P3 口也提供 AT89S51 各种专用功能，见表 2 − 2 。 当 P3 口作为通用 I/O 接口时，第二功能输出线为高电平，使与非门 3 的输出取决于 P3 口锁存器的状态。在这种情况下， P3 口仍是 1 个准双向口，它的工作方式、负载能力均与 P1 、P2 口相同。 上一页 返回 任务三 单片机最小系统设计 单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，是单片机可以正常工作的最简单电路。 AT89S52 单片机的最小系统通常包括电源电路、时钟电路、复位电路和程序存储器选择电路。 一、电源电路 引脚 V CC （引脚 40 ）接 +5 V 电源，引脚 GND （引脚 20 ）接地线。为提高电路的抗干扰能力，可选择一个 0.1 μ F （器件标注为 104 ）的瓷片电容器和一个 10 μ F 的电解电容器跨接在引脚 V CC 和接电线之间。 下一页 返回 任务三 单片机最小系统设计 二、时钟电路 系统时钟是一切微处理器内部电路工作的基础， AT89S52 单片机的时钟频率范围为 0 ～33 MHz 。单片机内部有一个可以构成振荡器的放大电路。在这个放大电路的对外引脚 XTAL2（引脚 18 ）和 XTAL1 （引脚 19 ）接上晶振和电容器就可以构成单片机的时钟电路。常用的时钟电路有内部振荡方式和外部振荡方式，电路如图 2 − 7 所示。 图 2 − 7 （ a ）所示的时钟电路由晶振 CYS 和电容 C 1 、C 2 组成。单片机的时钟频率取决于晶振 CYS 的频率。电容器 C 1 与 C 2 的取值范围为 30 ～ 50 pF 。时钟电路采用晶振的目的是提高时钟频率的稳定性。 上一页 下一页 返回 任务三 单片机最小系统设计 51 单片机最小系统晶振 CYS 可以采用 12 MHz 、 11.059 2 MHz 、 6 MHz等，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振， 51 单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大，处理速度越快。图 2 − 8 所示为振荡电路晶振和电容图样。 三、复位电路 如果 51 单片机的引脚 RST （引脚 9 ）保持 24 个时钟周期的高电平，单片机就可以完成复位。通常为了保证系统可靠复位，复位电路应使引脚 RST 保持 10 ms 以上的高电平。只要引脚 RST 保持高电平，单片机就可以循环复位。 上一页 下一页 返回 任务三 单片机最小系统设计 在单片机复位电路图中，电容的大小是 10 μ F ，电阻的大小是 10 kΩ 。根据公式可以算出电容充电到电源电压的 0.7 倍（单片机的电源是 5 V ，所以充电到 0.7 倍即为 3.5 V ），需要的时间是 10 kΩ×10 μ F=0.1 s 。也就是说在单片机启动的 0.1 s 内，电容两端的电压从0 V 增加到 3.5 V 。这个时候 10 kΩ 电阻两端的电压为从 5 V 减少到 1.5 V （串联电路各处电压之和为总电压）。所以在 0.1 s 内， RST 引脚所接收到的电压为 5 ～ 1.5 V 。在 5 V 正常工作的 51 单片机中小于 1.5 V 的电压信号为低电平信号，而大于 1.5 V 的电压信号为高电平信号。所以在开机 0.1 s 内，单片机系统自动复位（ RST 引脚接收到的高电平信号时间为 0.1 s 左右）。 上一页 下一页 返回 任务三 单片机最小系统设计 在单片机启动 0.1 s 后，电容 C 两端的电压持续充电为 5 V ，这时 10 kΩ 电阻两端的电压接近 0 V ， RST 处于低电平，所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在 0.1 s 内，从 5 V 释放到了 1.5 V ，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这时 10 kΩ 电阻两端的电压为 3.5 V ，甚至更大，所以 RST 引脚又接收到高电平，单片机系统自动复位。 上一页 下一页 返回 任务三 单片机最小系统设计 四、程序存储器选择电路 51 单片机兼容芯片具有多种容量的内部程序存储器的型号，因此在使用中通常不需要再扩展外部程序存储器，这样在单片机应用电路中引脚 EA （引脚 31 ）可以总是接高电平，单片机在复位后从内部 ROM 的 0000H 开始执行。 五、最小系统电路 单片机最小系统电路如图 2 − 10 所示。 根据电路原理图焊接后的最小系统实物图如图 2 − 11 所示。 上一页 返回 任务四 单片机最小系统的制作 单片机是一门实践性非常强的学科，如果仅仅是理论学习和纸上谈兵而不经过任何实践，是不会取得良好学习效果的。要想学好单片机，最简单的方法就是动手实践！上一节我们学习了单片机最小系统，最小系统就是能使单片机工作的最少的器件构成的系统，是大多数单片机控制系统中不可缺少的关键部分。本节的任务就是动手制作单片机最小系统。 一、准备工作 所需元器件： STC89C52 单片机、 1 kΩ 电阻、 10 kΩ 电阻（ 2 只）、 10 μ F 电解电容、 30 pF电容（ 2 只）、 12 MHz 晶振、按键开关、万用板、排针（思考排针有什么用处？）。 所需工具：电烙铁、万用表。 下一页 返回 任务四 单片机最小系统的制作 注意事项： （ 1 ） 单片机缺口标记的左上方为 1 号引脚，逆时针排列为1 ～ 40 引脚。 （ 2 ） 电阻的大小按照色环标记区分（色环电阻识别方法可参考 http://baike.baidu.com/view/2821107.htm#1 网址）。 （ 3 ） 电解电容要注意正负极不要反接。 （ 4 ） 对于所有器件要看清位置再焊接。 （ 5 ） 注意按键开关的引脚，四个引脚之间的开闭关系参见图 2 − 12 （可利用万用表短路测量挡位）。 上一页 下一页 返回 任务四 单片机最小系统的制作 二、开始制作 （ 1 ）准备好万用板和 IC 插座—— 40P 。万用板和 40P 的 IC 插座如图 2 − 13 所示。 （ 2 ）开始焊接，注意焊点焊锡不要太多，参见图 2 − 14 。 （ 3 ） 注意单个焊点焊接时间不要过长， 2 ～ 4 s 为宜。焊接完成后，焊好的 IC 插座如图 2 − 15所示。 （ 4 ） 将晶振放置于 IC 插座内，并与 16 、 18 号脚平齐，离板面 1 ～ 2 mm ，如图 2 − 16 所示。 （ 5 ） 将瓷片电容放至板上，与晶振两脚平齐，注意靠晶振的一面不要和晶振外壳接触。焊接好的瓷片电容，将瓷片电容的另外两脚相连，连接至 IC 插座的 40 管脚，如图 2 − 17 所示。 上一页 下一页 返回 任务四 单片机最小系统的制作 （ 6 ） 将复位电路里的电阻和电解电容放置于 IC 插座内，注意电解电容的极性，负极和插座的 9 脚平齐。焊接好的复位电路，将电解电容的负极与 9 脚及电阻相连，电阻的另一脚和地线相连（即 20 脚），如图 2 − 18 所示。 （ 7 ） 使用片内存储器，将单片机的 EA 脚接 V CC 脚，即 31 脚和 40 脚相连。在单片机两边放置好单排插针，方便扩展，如图 2 − 19 所示。 （ 8 ） 焊接好单排插针。在单片机的 P1.0 口，接上电阻和发光二极管，注意 LED 的阴极连单片机的管脚，如图 2 − 20 所示。 （ 9 ） 放置好复位按键并焊接，如图 2 − 21 所示。 （ 10 ）插上单片机的最小系统实物，如图 2 − 22 所示。 至此单片机最小系统已制作完成。 上一页 返回 图 2 - 2 返回 图 2 - 3 返回 图 2 - 4 返回 表 2 - 1 返回 图 2 - 5 返回 表 2 - 2 返回 图 2 - 7 返回 图 2 - 8 返回 图 2 - 9 返回 图 2 - 10 返回 图 2 - 11 返回 图 2 - 12 返回 图 2 - 13 返回 图 2 - 14 返回 图 2 - 15 返回 图 2 - 16 返回 图 2 - 17 返回 图 2 - 18 返回 图 2 - 19 返回 图 2 - 20 返回 图 2 - 21 返回 图 2 - 22 返回 $$