任務1 初識單片機和單片機最小系統

工作任務：

初識單片機和單片機最小系統，搭建單片機最小系統。

知識目標：

1.了解單片機定義及相關概念；了解微型計算機系統及其特點和應用領域。

2.了解典型單片機產品。

3.初識單片機和單片機最小系統。

4.初步熟悉單片機AT89S52芯片引腳功能。

5.了解復位電路的功能，掌握單片機的最小系統。

技能目標：

1.能夠按原理圖選出單片機最小系統所需元器件。

2.能夠按圖完成單片機芯片、晶振電路、復位電路、電源電路的焊接。

3.焊接兩組發光二極管電路。

4.能夠調試單片機最小系統，使其工作在正常狀態。

5.能夠調試復位電路，使其工作在正常狀態。

任務分析：

要了解什么是單片機？單片機用在什么地方？有什么特點？單片機有哪些種類？下面介紹有關這些知識。

1.1 單片機概述

1.1.1 什么是單片機

單片機是單片微型計算機的簡稱（Single Chip Microcomputer），又稱為微處理器。簡單地說，就是將一個計算機系統集成到一個芯片上，這一芯片就成了一臺簡單的計算機。

PC（Personal Computer）的主機，是由中央處理器（CPU）、內存、硬盤、主板、輸入/輸出接口（I/O接口）和系統總線（BUS）等組成的。單片機與計算機一樣包括CPU、程序存儲器、數據存儲器、輸入接口和輸出接口，但單片機把這些部分和定時器/計數器、中斷系統等集成在一塊半導體芯片上。

單片機將ALU（算術邏輯部件）、RAM（隨機存儲器）、Flash-ROM（閃存）、I/O接口（輸入/輸出接口）集成在同一硅片內，組成了一個單片微型計算機。ALU相當于CPU；RAM相當于內存；Flash-ROM相當于硬盤；I/O接口提供單片機與外部聯系的通道和手段。

1.1.2 單片機的特點及應用

1.單片機的特點

（1）單片機與一般計算機的區別之一是程序存儲器和數據存儲器是嚴格分工的。

（2）單片機能進行位控制，其指令系統是面向控制的。

（3）單片機的I/O引腳通常是多功能的。

（4）單片機具有體積小、功能強、可靠性好、價格便宜等特點。

（5）根據工控環境要求設計，且許多功能部件集成在芯片內部，其信號通道受外界影響小，故可靠性高，抗干擾性能優于采用一般的CPU。

2.單片機的應用

單片機在日常生活智能產品中的應用。生活中使用的微波爐、數字電視、DVD、智能冰箱、自動洗衣機、空調、上網用的Modem、解調電視節目的機頂盒里都有單片機。

學校、辦公室、實驗室的以太網的路由器和集線器、教學用的投影儀、數字示波器中也有單片機。

單片機在航空航天、工業控制、儀器儀表、機器人、汽車等領域，都得到廣泛應用。

1.1.3 單片機的分類

按指令系統分：單片機分CISC（復雜指令集）結構的單片機和RISC（精簡指令集）結構的單片機。常見的CISC結構的單片機有Intel的8051系列、Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、我國臺灣Winbond（華邦）W78系列、荷蘭Pilips的PCF80C51系列等；常見的RISC結構的單片機有Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AVR系列、韓國三星公司的KS57C系列4位單片機、我國臺灣義隆的EM-78系列等。一般來說，控制關系較簡單的小家電，可以采用RISC型單片機；控制關系較復雜的場合，如通信產品、工業控制系統應采用CISC單片機。

按程序存儲器的類型分：無片內ROM、掩模ROM、OTP（一次性可編程）ROM、紫外線可擦除EPROM、電擦除EEPROM、Flash ROM（一種可快速寫入的可擦除的電可擦寫型存儲器）單片機。

按應用范圍分：有通用型、專用型、控制型、家電型。

1.2 MCS-51單片機系列簡介

MCS-51系列單片機是指采用美國Intel公司生產的MCS-51指令系統的單片機的總稱。Intel公司將MCS-51的核心技術授權給了很多其他公司，所以有很多公司也做以8051為核心的單片機。下面簡單介紹一些主流產品。

1.2.1 Intel 公司MCS-51單片機

美國Intel公司的MCS-51單片機可分為兩個子系列和4種類型，其中51子系列是基本型，而52子系列屬于增強型。

1.2.2 Atmel公司的AT89系列單片機

Atmel公司的AT89系列單片機是近幾年在我國非常流行的單片機，美國Atmel公司是國際上著名的半導體公司，該公司的技術優勢在于Flash存儲器技術。Atmel公司以EEPROM技術和Intel公司的80C31單片機核心技術進行交換，從而取得了80C31核的使用權。Atmel公司把自身的先進Flash存儲器技術和80C31核相結合，推出了Flash AT89系列單片機。AT89系列單片機分為兩大類：一類是常規的，即AT89C系列，這類單片機要用并行方法編程，必須用編程器編程；另一類是AT89S系列單片機是在系統可編程（即芯片安裝到電路板上之后不用拿下來而直接在里面燒寫程序）ISP Flash，該系列芯片除可用并行方法編程外，還可用系統下載線進行編程。常見的AT89系列芯片型號如表1-1所示。

表1-1 常見的AT89系列芯片型號

表中WDT是Watchdog Timer的縮寫，即看門狗定時器，俗稱看門狗。由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，造成程序的跑飛，而陷入死循環，程序的正常運行被打斷，由單片機控制的系統無法繼續工作，看門狗的功能就是每當發生這些情況時，產生復位信號給單片機，使程序重新回到起點。避免整個系統陷入停滯狀態，發生不可預料的后果。

早期的單片機應用程序開發通常需要仿真機、編程器等配套工具，而AT89S系列的單片機支持ISP編程，只需運用ISP電纜就可以對單片機的Flash反復擦寫1000次以上，因此使用起來特別方便簡單，尤其適合初學者使用，所以本書采用AT89S52芯片。

1.3 初識單片機芯片

作為設備維修人員來說，從設備上看到印制板電路，首先要了解這塊板是做什么控制用的，可以通過對設備動作的觀察，找到答案。然后了解這些控制是用的什么CPU。CPU的種類和型號繁多，外形也各不相同，有長形、方形、圓形，先從網上了解單片機的型號，然后從板子上找到類似的型號芯片，再上網查出這塊芯片是哪個公司生產的，這塊CPU的性能特點，最后下載它的技術文件。下面來認識一下AT89S52芯片。

1.3.1 單片機外形認識

1.AT89S52芯片的封裝

AT89S52芯片的外形有三種封裝形式，PDIP封裝（直插式），有40個引腳；PLCC封裝（塑料有引線芯片載體），有44個引腳；TQFP封裝（塑料四邊引出扁平封裝），有44個引腳，如圖1-1所示。

2.AT89S52芯片的標志

芯片表面有Atmel公司的商標符號，圖標下方第一行是芯片型號，第二行和第三行是生產廠（流水線）的代號。字的顏色有的是白色，有的是黃色，白色字表示含鉛，黃色表示無鉛。

3.AT89系列單片機型號說明

AT89系列單片機型號由三個部分組成，它們分別是前綴、型號、后綴，其格式如下：

AT89C（LV、S）××××-××××

（1）前綴

型號由“89C××××”或“89LV××××”或“89S××××”等表示。

“9”表示芯片內部含Flash存儲器；

“C”表示是CMOS產品；

“LV”表示低電壓產品；

“S”表示含可下載的Flash存儲器；

“××××”為表示型號的數字，如51、52、2051、8252等。

（2）后綴

后綴由“××××”四個參數組成，與產品型號間用“-”號隔開。

后綴中第一個參數“×”表示速度；

后綴中第二個參數“×”表示封裝；

后綴中第三個參數“×”表示溫度范圍；

后綴中第四個參數“×” 說明產品的處理情況。

1.3.2 AT89S52芯片的內部特性

（1）兼容MCS-51單片機指令系統；

（2）8位CPU；

（3）內含8KB在線系統可編程Flash存儲器，擦寫次數1000次；

（4）內含256B的隨機存取數據存儲器；

（5）可尋址64KB的程序存儲器、64KB的外部數據存儲器；

（6）具有4個8位并行I/O口，共32根I/O線；

（7）具有1個全雙工的可編程串行通信接口；

（8）具有3個16位可編程定時/計數器；

（9）具有8個中斷源，6個中斷矢量，2級優先權的中斷結構；

（10）具有2個數據指針；

（11）低功耗的閑置和掉電模式；

（12）中斷可喚醒省電模式；

（13）全靜態工作，時鐘頻率0～33MHz；

（14）三級加密程序存儲器；

（15）AT89S52的工作電源電壓為（5±0.5）V，且典型值為5V；

（16）具有位處理器；

（17）具有看門狗（WDT）電路。

1.3.3 AT89S52芯片引腳功能

AT89S52芯片的引腳如圖1-2所示。

（1）電源引腳：單片機使用的是5V電源，其中正極接40引腳，負極（地）接20引腳。允許正常工作的電壓是+5V。

（2）振蕩電路引腳：19引腳為XTAL1，振蕩器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端。18腳為XTAL2，振蕩器反相放大器的輸出端。

（3）復位引腳（9引腳）：晶振工作時，RST引腳持續2個機器周期高電平將使單片機復位。看門狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態下，復位高電平有效。平時應當置為低電平，當要對CPU復位時，只要將此引腳升到高電平，并且保持兩個機器周期以上的時間，單片機將立刻進行系統重置各項動作，并且從0000H地址開始讀入程序碼。任何單片機在工作之前都要有復位的過程，復位是程序還沒有開始執行，是在做準備工作。一般在單片機的RST引腳上加上高電平，按下按鈕的時間不少于5ms。

（4）EA/Vpp引腳：EA字母上加一橫線表示低電平時動作。8031CPU無ROM，EA引腳必須接地，89S52有8KB Flash程序存儲器，在使用內部ROM時單片機EA引腳應接到正電源端，否則系統不穩定。第二功能Vpp是對內部EPROM編程時的電源輸入端。AT89S52的Vpp為5V或12V。

至此，一個單片機最小系統就接好，通上電，單片機就可以開始工作了。

（5）P0.0～P0.7：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用總線。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在Flash編程時，P0口也用來接收指令字節；在程序校驗時，輸出指令字節。程序校驗時，需要外部上拉電阻。

（6）P1.0～P1.7：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（TTL）。此外，P1.0和P1.1分別作定時/計數器2的外部計數輸入（P1.0/T2）和定時/計數器2的觸發輸入（P1.1/T2EX），具體如表1-2所示。在Flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節。

表1-2 引腳第二功能

（7）P2.0～P2.7：P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（TTL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存儲器時，P2口送出高8位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發送1。在使用8位地址訪問外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在Flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節和一些控制信號。

（8）P3.0～P3.7：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（TTL）。P3口也作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表1-3所示。在Flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。

表1-3 P3口各位的第二功能

（9）ALE/：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振1/6的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調，在每次訪問外部數據存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執行外部數據存儲器或外部程序存儲器指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執行模式下無效。

（10）：外部程序存儲器ROM的讀選通信號。當訪問外部ROM時，產生負脈沖作為外部ROM的選通信號。每個機器周期兩次有效。在訪問外部數據存儲器時，無效。可驅動8個TTL負載。

1.4 單片機最小系統電路

單片機最小系統電路由有單片機芯片、晶振電路、復位電路和簡單的輸出電路組成，如圖1-3所示。要使單片機最小系統正常工作，首先要了解單片機的供電電路、晶振電路、復位電路的組成及功能。

1.4.1 晶振電路

單片機最小系統要正常工作，首先供電電路要符合芯片供電要求，MCS-51單片機的供電電壓要求在+4.5～5.5V。單片機要正常工作還要有一定的規律，就像學校的鈴聲一樣，晶振電路是單片機的一種時序電路，必須提供脈沖信號才能正常工作，在單片機內部已集成了振蕩器，使用晶體振蕩器，接18、19引腳。只要買來晶振、電容，按圖1-3接上即可。微調電容可選擇20～40pF，但兩個電容容量應相同。焊接時石英振蕩晶體應盡量靠近XTAL1與XTAL2引腳。晶振是采用石英晶振的，可以是6MHz、11.0592MHz、12MHz的晶振。

1.4.2 復位電路

單片機在工作時發生問題需要從程序開頭開始時，需要有復位電路。MCS-51單片機高電平復位，低電平時正常工作。復位RST引腳持續兩個機器周期，高電平將使單片機復位。為了達到復位要求，可以用很多種方法，這里提供上電自動復位和手動開關復位兩種供參考，如圖1-4所示。圖1-4（b）上電自動復位電路的工作原理是：通電時，電容兩端相當于是短路，于是RST引腳上為高電平，然后電源通過10kΩ或1kΩ電阻對電容充電，RST端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，完成復位工作，上電4ms后開始執行程序。

圖1-4（a）手動開關復位電路中復位按鈕按下時，22μF電容經1kΩ電阻放電。復位按鈕RST按下期間，RST引腳獲得5V高電平電壓，松開按鈕后電源Vcc經1kΩ電阻給22μF電容充電，RST引腳逐漸變低，約3ms后又開始執行程序。

系統出現故障時，首先檢查有無電源電壓，其次檢查RST引腳電壓是否正常。51單片機正常工作時RST引腳電壓應為低電平。若查出RST引腳電壓為高電平，則應檢查外接復位電路。

單片機復位后的狀態如表1-4所示。至于內部的存儲器則不做任何設置，所以大部分的程序在起始后，就先進行數據清除，以免程序運行錯誤。

表1-4 MCS-51單片機復位后各內部寄存器的狀態

1.4.3 發光二極管輸出電路

發光二極管（簡稱LED）是一種能將電能轉換為光能的具有正負極性的半導體器件，是一種冷光源，作為工作狀態的指示。它具有省電節能、亮度高、壽命長等優點，現在建筑物上的大屏幕電視和廣告、公路道口的紅綠燈、汽車的尾燈都是用超亮的發光二極管制作的。

LED由砷化鎵（GaAs）等半導體材料制作，紅、綠色LED正向管壓降為1.6～2V，白光及藍色LED為2.8～3.2V，反向耐壓60V左右。單片機系統工作電源通常為5V，所以一般要串聯一個限流電阻。已知電源電壓Ucc，LED工作電流I，可取5～15mA。正向壓降ULED估算限流電阻為：

發光二極管的正極到負極有合適的電流流過就會發光，如圖1-5所示。

圖1-5（a）為插式發光二極管，圖1-5（b）為貼片發光二極管，仔細觀察，如圖1-5（c）所示的綠色為負極。所以，要點亮發光二極管就要使合適的電流流過它的正負極。該電流可以選擇適當的限流電阻獲得。圖1-6為單個發光二極管的驅動電路。當電流從+5V通過限流電阻R1流入發光二極管正極，并從負極流到電源地，發光二極管的正負極間有了電流，發光二極管就會被點亮發光，如圖1-6（a）所示。如果如圖1-6（b）所示，兩邊都是+5V，則發光二極管就熄滅。也就是說發光二極管的負極電壓為低電平時，發光二極管就亮；高電平時就滅。直接去控制電壓的變化來實現燈亮和滅很麻煩，用單片機去控制它就方便多了。

在實驗板上的發光二極管組中采用470Ω的電阻。為了簡化電路，把8個發光二極管組成一組，8個電阻不用單個的電阻而用排阻來控制電流，實物如圖1-7所示，內部原理如圖1-8所示，虛線部分為排阻原理圖，實物排阻一邊的白色原點表示公共端。

1.4.4 電源電路

單片機最小系統的供電電源電路如圖1-9所示。其中D7起反向保護作用，C10、C11起濾波作用，R20與D2起電源指示作用。

決策

單片機最小系統制作決策

因本系統是教學所用，學生制作，所以力求簡單、易操作、易維修，并力求與地區技術接軌，所以芯片采用雙列直插式，電阻和晶振電路電容采用貼片式。復位電路采用帶手動復位，以便學生了解復位電路的功能。

工作任務實施

技能訓練1-1

單片機最小系統硬件制作

一、工作任務

1.認識單片機和單片機最小系統；

2.學會按單片機最小系統原理圖焊接電路板。

二、元器件、工具、儀器和設備

1.元器件清單如表1-5所示。

表1-5 單片機最小系統元器件清單

2.電工工具包一個（含焊接工具、萬用表）。（以下每個任務需要，以后不再重復）

3.電源轉換器（5V、±12V、+24V）一個。（以下每個任務需要，以后不再重復）

4.示波器一臺。（以下每個任務需要，以后不再重復）

5.計算機一臺，Keil μVision3軟件和Proteus軟件。（以下每個任務需要，以后不再重復）

6.導線若干。（以下每個任務需要，以后不再重復）

7.編程器一個。

三、訓練實施過程

硬件制作：單片機最小系統電路制作

1.按單片機最小系統原理圖選出單片機最小系統所需元器件，單片機最小系統原理圖如圖1-12所示。

2.焊接發光二極管電路、電源電路、單片機插座。

3.按單片機最小系統原理圖焊接，焊接圖如圖1-10所示。在單片機芯片40引腳上接的0.1μF電容，是起抗電源干擾之用。

4.焊接晶振電路：晶振采用11.0592MHz。晶振的兩腳長短一樣，插入時無正負之分。

5.焊接電容器：在電子電路中電容器的種類很多，常用的電容器有瓷介質電容器、聚酯薄膜介質電容器、滌綸電容器、鋁電解電容器、云母電容器等。其外形標志及符號如表1-6所示。實驗板上有瓷介質電容器、鋁電解電容器和鉭電容器。晶振電路使用的是30pF的貼片電容器，貼片電容器外表無標記，所以焊接時，拿到就焊。

表1-6 電容的外形標志與符號

6.焊接復位電路

（1）復位電路，如圖1-11（a）所示，其電容采用22μF/25V的電解電容，電解電容有正負之分，長腳為正，短腳為負。

（2）電阻是充放電之用。現在常見的是貼片電阻，如圖1-11（b）所示。

（3）按鈕：實驗中使用的是不帶自鎖的小按鈕開關，按尺寸，電子電路或微型計算機所使用的小按鈕開關可分為8mm、10mm、12mm等。雖然不帶自鎖的小按鈕有4個引腳，4引腳呈長方形排列，長的一邊如圖1-11（c）所示，1-2、3-4內部是導通的，當按下按鈕時，1-3、2-4是導通的。

焊接后的印制板如圖1-12所示。

任務評價

實驗報告要求

1.畫出最小系統原理圖。

2.你在焊接單片機最小系統過程中遇到什么困難？你是怎么解決的？