51單片機(jī)（一）：單片機(jī)最小系統(tǒng)組成與I/O輸出控制

單片機(jī)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)，很多初學(xué)者在學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)開發(fā)的時(shí)候往往一頭霧水，不知何從下手。為此，筆者結(jié)合自己使用單片機(jī)多年的經(jīng)驗(yàn)，特意設(shè)計(jì)了單片機(jī)開發(fā)所需的Study-c 整機(jī)和硬件套件，并結(jié)合套件精心編寫了單片機(jī)從入門到精通系列教程。通過講述單片機(jī)原理、電路設(shè)計(jì)、應(yīng)用開發(fā)軟件工具、編寫實(shí)驗(yàn)實(shí)例讓讀者全面接觸單片機(jī)技術(shù)。教程編排上由淺入深，循序漸進(jìn)，內(nèi)容力求完整、實(shí)用、趣味并存，使讀者在輕松愉快的學(xué)習(xí)過程中逐步提高單片機(jī)軟硬件綜合設(shè)計(jì)水平。

一、內(nèi)容提要

本講主要向大家介紹51 系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)并通過編寫程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)IO 口的輸出控制。以點(diǎn)亮外部連接的LED（發(fā)光二極管）為例，簡要的介紹單片機(jī)的原理、最小系統(tǒng)的組成，并通過簡單的C51 程序設(shè)計(jì)來講述編譯軟件Keil的使用并下載Hex 文件燒寫單片機(jī)。

二、原理簡介

在了解原理之前， 首先讓我們思考一個(gè)問題，什么是單片機(jī)， 單片機(jī)有什么用？ 這是一個(gè)有意思的問題，因?yàn)槿魏稳硕疾荒芙o出一個(gè)被大家都認(rèn)可的概念，那到底什么是單片機(jī)呢？ 普遍來說， 單片機(jī)又稱單片微控制器， 是在一塊芯片中集成了CPU（ 中央處理器）、RAM（ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）、ROM（ 程序存儲(chǔ)器）、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器和多種功能的I/O（ 輸入/ 輸出） 接口等一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件，從而可以完成復(fù)雜的運(yùn)算、邏輯控制、通信等功能。在這里，我們沒必要去找到明確的概念來解析什么是單片機(jī)，特別在使用C 語言編寫程序的時(shí)，不用太多的去了解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理等。從應(yīng)用的角度來說，通過從簡單的程序入手，慢慢的熟悉然后逐步深入精通單片機(jī)。

在簡單了解了什么是單片機(jī)之后，然后我們來構(gòu)建單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是讓單片機(jī)能正常工作并發(fā)揮其功能時(shí)所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)51 系列單片機(jī)來說， 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括： 單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入/ 輸出設(shè)備等（見圖1）。

圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖

三、電路詳解

依據(jù)上文的內(nèi)容，設(shè)計(jì)51 系列單片機(jī)最小系統(tǒng)見圖2。

圖2 51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)

下面就圖2 所示的單片機(jī)最小系統(tǒng)各部分電路進(jìn)行詳細(xì)說明。

1. 時(shí)鐘電路

在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路之前，讓我們先了解下51 單片機(jī)上的時(shí)鐘管腳：

XTAL1（19 腳） ：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端。

XTAL2（18 腳） ：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端。

XTAL1 和XTAL2 是獨(dú)立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。圖2 中采用的是內(nèi)時(shí)鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時(shí)元件（一個(gè)石英晶體和兩個(gè)電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2 ～ 12MHz 之間任選，甚至可以達(dá)到24MHz 或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實(shí)驗(yàn)套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個(gè)電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當(dāng)采用石英晶振時(shí)，電容可以在20 ～ 40pF 之間選擇（本實(shí)驗(yàn)套件使用30pF）；當(dāng)采用陶瓷諧振器件時(shí)，電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?，?0 ～ 50pF 之間。通常選取33pF 的陶瓷電容就可以了。

另外值得一提的是如果讀者自己在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的印刷電路板（PCB） 時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機(jī)芯片靠近，以減少引線的寄生電容，保證振蕩器可靠工作。檢測晶振是否起振的方法可以用示波器可以觀察到XTAL2 輸出的十分漂亮的正弦波，也可以使用萬用表測量（ 把擋位打到直流擋，這個(gè)時(shí)候測得的是有效值）XTAL2 和地之間的電壓時(shí)，可以看到2V 左右一點(diǎn)的電壓。

2. 復(fù)位電路

在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛（運(yùn)行不正常）或死機(jī)（停止運(yùn)行）時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)位。

MCS-5l 系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（ 第9 管腳） 出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST 持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。

復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電自動(dòng)復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。圖2 中所示的復(fù)位電路就包括了這兩種復(fù)位方式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時(shí)電容的負(fù)極和RESET 相連，電壓全部加在了電阻上，RESET 的輸入為高，芯片被復(fù)位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒有被按下的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后，通過按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達(dá)到手動(dòng)復(fù)位的效果。一般來說，只要RST 管腳上保持10ms 以上的高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。圖中所示的復(fù)位電阻和電容為經(jīng)典值，實(shí)際制作是可以用同一數(shù)量級(jí)的電阻和電容代替，讀者也可自行計(jì)算RC 充電時(shí)間或在工作環(huán)境實(shí)際測量，以確保單片機(jī)的復(fù)位電路可靠。

3. EA/VPP（31 腳） 的功能和接法

51 單片機(jī)的EA/VPP（31 腳） 是內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器的選擇管腳。當(dāng)EA 保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)EA 保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，只訪問外部存儲(chǔ)器。

對(duì)于現(xiàn)今的絕大部分單片機(jī)來說，其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器（一般為flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲(chǔ)器，而是直接使用內(nèi)部的存儲(chǔ)器。

在本實(shí)驗(yàn)套件中，EA 管腳接到了VCC 上，只使用內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器。這一點(diǎn)一定要注意，很多初學(xué)者常常將EA 管腳懸空，從而導(dǎo)致程序執(zhí)行不正常。

4. P0 口外接上拉電阻

51 單片機(jī)的P0 端口為開漏輸出，內(nèi)部無上拉電阻（見圖3）。所以在當(dāng)做普通I/O 輸出數(shù)據(jù)時(shí)，由于V2 截止，輸出級(jí)是漏極開路電路，要使“1”信號(hào)（即高電平）正常輸出，必須外接上拉電阻。

圖3 P0端口的1位結(jié)構(gòu)

另外，避免輸入時(shí)讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)，也需外接上拉電阻。在這里簡要的說下其原因：在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來的信號(hào)一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出低電平后，鎖存器Q ＝ 0， Q ＝ 1，場效應(yīng)管V1 開通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無論端口線上外接的信號(hào)是低電平還是高電平，從引腳讀入單片機(jī)的信號(hào)都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號(hào)。又如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器Q ＝ 1, Q ＝ 0,場效應(yīng)管V1 截止。如外接引腳信號(hào)為低電平， 從引腳上讀入的信號(hào)就與從鎖存器讀入的信號(hào)不同。所以當(dāng)P0 口作為通用I/O 接口輸入使用時(shí)，在輸入數(shù)據(jù)前，應(yīng)先向P0 口寫“1”，此時(shí)鎖存器的Q 端為“0”，使輸出級(jí)的兩個(gè)場效應(yīng)管V1、V2 均截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，才可作高阻輸入。

總結(jié)來說：為了能使P0 口在輸出時(shí)能驅(qū)動(dòng)NMOS 電路和避免輸入時(shí)讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)，需外接上拉電阻。在本實(shí)驗(yàn)套件中采用的是外加一個(gè)10K 排阻。此外，51 單片機(jī)在對(duì)端口P0—P3 的輸入操作上，為避免讀錯(cuò)，應(yīng)先向電路中的鎖存器寫入“1”，使場效應(yīng)管截止，以避免鎖存器為“0”狀態(tài)時(shí)對(duì)引腳讀入的干擾。

5. LED 驅(qū)動(dòng)電路

細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在最小系統(tǒng)中，發(fā)光二極管（LED）的接法是采取了電源接到二極管正極再經(jīng)過1K 電阻接到單片機(jī)I/O 口上的（見圖4 中的接法1）。為什么這么接呢？首先我們要知道LED 的發(fā)光工作條件，不同的LED 其額定電壓和額定電流不同，一般而言，紅或綠顏色的LED 的工作電壓為1.7V~2.4V，藍(lán)或白顏色的LED 工作電壓為2.7~4.2V， 直徑為3mm LED 的工作電流2mA~10mA。在這里采用紅色的3mm 的LED。其次，51 單片機(jī)（如本實(shí)驗(yàn)板中所使用的STC89C52單片機(jī)）的I/O 口作為輸出口時(shí)，拉電流（向外輸出電流）的能力是μA 級(jí)別，是不足以點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光二極管的。而灌電流（往內(nèi)輸入電流）的方式可高達(dá)20mA，故采用灌電流的方式驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。當(dāng)然，現(xiàn)今的一些增強(qiáng)型單片機(jī)，是采用拉電流輸出（接法2）的，只要單片機(jī)的輸出電流能力足夠強(qiáng)即可。另外，圖4 中的電阻為1K 阻值，是為了限制電流，讓發(fā)光二極管的工作電流限定在2mA~10mA。

圖4 LED的接法

四、程序設(shè)計(jì)

在單片機(jī)編程語言上，有C 語言和匯編兩種選擇。本系列教程采用C 語言編寫程序，在此對(duì)Ｃ語言和匯編語言在進(jìn)行單片機(jī)開發(fā)時(shí)進(jìn)行下簡單比較，匯編語言面向硬件，要求對(duì)硬件的特性如寄存器之類的比較熟悉，執(zhí)行效率高，但可讀性和移植性差，不同的單片機(jī)之間的程序不能通用，例如學(xué)會(huì)了51 單片機(jī)的匯編指令，卻沒法用到AVR 單片機(jī)上。Ｃ語言面向過程，可讀性和移植性很好，效率要比匯編低一些。對(duì)于剛接觸單片機(jī)的人來說，學(xué)習(xí)這兩種語言是一樣的，但在以后的開發(fā)效率上，C 語言的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，其可以幾乎完全不改動(dòng)的情況下移植，大大提高了開發(fā)速度。

控制發(fā)光二極管D1 閃爍的C 語言源程序：

1. 程序詳細(xì)說明

（1）頭文件包含。程序接下來調(diào)用的P0_0 就是該頭文件中定義好的一個(gè)寄存器地址。在對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的寄存器操作之前，應(yīng)申明其來處，有興趣的讀者可以看看AT89X52.h 文件中的內(nèi)容。

（2）宏定義led, 便于直觀理解也便于程序修改，將P0_0 口命名為led, 這樣在程序中就可以用led代替P0_0 口進(jìn)行操作。

（3）延時(shí)函數(shù)聲明。函數(shù)在調(diào)用之前必須進(jìn)行聲明，由于函數(shù)定義放在主函數(shù)之后，所以在主函數(shù)之前對(duì)延時(shí)函數(shù)進(jìn)行了聲明。

（4）主函數(shù)入口。主函數(shù)不傳遞參數(shù)也不返回值。

（5）死循環(huán)。

（6）輸出高電平，led 不亮。

（7）延時(shí)一段時(shí)間，以便人眼能夠直觀看到。

（8）輸出低電平，led 點(diǎn)亮。

（9）延時(shí)一段時(shí)間。

（10）延時(shí)函數(shù)定義。

（11）for 語句循環(huán)延時(shí)。

2. 程序流程圖與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

程序流程如圖5 所示。經(jīng)編譯軟件（keil）編譯，生成單片機(jī)燒寫文件，然后就可下載到單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行了，硬件電路板如圖6 所示，本實(shí)驗(yàn)板上用的是STC89C52RC，可以用通過板載USB 轉(zhuǎn)串口燒寫程序。故將USB 線（本實(shí)驗(yàn)套件中有）連接電腦和實(shí)驗(yàn)板。供電電源可以從USB 取，也可以從外部電源取電。冷啟動(dòng)，即先點(diǎn)擊下載，然后再上電。下載程序到單片機(jī)內(nèi)運(yùn)行后，可以看到實(shí)驗(yàn)板上P0_0 口外接的LED 燈（D1） 一亮一滅的閃爍。

圖5 程序流程圖

圖6 硬件電路板圖

五、總結(jié)

本講主要介紹了51 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及編寫第一個(gè)簡單的程序。從過該實(shí)驗(yàn)，可以掌握單片機(jī)的開發(fā)流程，從而快速入門。在該講中應(yīng)該注意幾個(gè)問題：

1. 本講座中采用C 語言編寫程序，因?yàn)镃 語言的可讀性和可移植性強(qiáng)。若讀者沒有學(xué)過C 語言，則應(yīng)去了解和掌握相應(yīng)的C 語言知識(shí)。C 語言易學(xué)易用，相信很快就能熟練。

2. 程序編譯軟件采用的是Keil。限于篇幅的原因，在這里就不對(duì)其進(jìn)行講述，如果讀者有對(duì)其不明白的地方，可以到本刊論壇的單片機(jī)版面，作者制作了一個(gè)詳細(xì)的Keil 入門教程。我們通過Keil編譯程序，最終生成燒寫單片機(jī)的Hex 代碼文件。

Keil 軟件界面如圖7 所示， 中間空白區(qū)域?yàn)榇a區(qū)，左側(cè)為項(xiàng)目列表，最下面為消息窗口。

圖7 Keil軟件開發(fā)界面

3. 本實(shí)驗(yàn)板上所用的STC 單片機(jī)通過串口下載程序。其上位機(jī)軟件界面如圖8 所示（推薦使用V3.1 版本，最新版本可以到STC 主頁上下載：http://www.mcu-memory.com/）， 燒寫操作很簡單，點(diǎn)擊“Open File”按鈕瀏覽找到所生成要燒寫的Hex 文件后，單片機(jī)斷電，點(diǎn)擊“下載”按鈕，單片機(jī)上電，程序就可下載到單片機(jī)中了。

圖8 STC燒寫軟件界面

4. 產(chǎn)品組件

讀者如果按照該講內(nèi)容進(jìn)行理解并實(shí)踐的話，可以說單片機(jī)就算入門了。下一講將進(jìn)一步深入，將要介紹單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器和中斷系統(tǒng)，敬請(qǐng)期待。