任务1 初识单片机和单片机最小系统_单片机技术与设备检修技能-QQ阅读男生科幻网

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任务1 初识单片机和单片机最小系统

工作任务：

初识单片机和单片机最小系统，搭建单片机最小系统。

知识目标：

1.了解单片机定义及相关概念；了解微型计算机系统及其特点和应用领域。

2.了解典型单片机产品。

3.初识单片机和单片机最小系统。

4.初步熟悉单片机AT89S52芯片引脚功能。

5.了解复位电路的功能，掌握单片机的最小系统。

技能目标：

1.能够按原理图选出单片机最小系统所需元器件。

2.能够按图完成单片机芯片、晶振电路、复位电路、电源电路的焊接。

3.焊接两组发光二极管电路。

4.能够调试单片机最小系统，使其工作在正常状态。

5.能够调试复位电路，使其工作在正常状态。

任务分析：

要了解什么是单片机？单片机用在什么地方？有什么特点？单片机有哪些种类？下面介绍有关这些知识。

1.1 单片机概述

1.1.1 什么是单片机

单片机是单片微型计算机的简称（Single Chip Microcomputer），又称为微处理器。简单地说，就是将一个计算机系统集成到一个芯片上，这一芯片就成了一台简单的计算机。

PC（Personal Computer）的主机，是由中央处理器（CPU）、内存、硬盘、主板、输入/输出接口（I/O接口）和系统总线（BUS）等组成的。单片机与计算机一样包括CPU、程序存储器、数据存储器、输入接口和输出接口，但单片机把这些部分和定时器/计数器、中断系统等集成在一块半导体芯片上。

单片机将ALU（算术逻辑部件）、RAM（随机存储器）、Flash-ROM（闪存）、I/O接口（输入/输出接口）集成在同一硅片内，组成了一个单片微型计算机。ALU相当于CPU；RAM相当于内存；Flash-ROM相当于硬盘；I/O接口提供单片机与外部联系的通道和手段。

1.1.2 单片机的特点及应用

1.单片机的特点

（1）单片机与一般计算机的区别之一是程序存储器和数据存储器是严格分工的。

（2）单片机能进行位控制，其指令系统是面向控制的。

（3）单片机的I/O引脚通常是多功能的。

（4）单片机具有体积小、功能强、可靠性好、价格便宜等特点。

（5）根据工控环境要求设计，且许多功能部件集成在芯片内部，其信号通道受外界影响小，故可靠性高，抗干扰性能优于采用一般的CPU。

2.单片机的应用

单片机在日常生活智能产品中的应用。生活中使用的微波炉、数字电视、DVD、智能冰箱、自动洗衣机、空调、上网用的Modem、解调电视节目的机顶盒里都有单片机。

学校、办公室、实验室的以太网的路由器和集线器、教学用的投影仪、数字示波器中也有单片机。

单片机在航空航天、工业控制、仪器仪表、机器人、汽车等领域，都得到广泛应用。

1.1.3 单片机的分类

按指令系统分：单片机分CISC（复杂指令集）结构的单片机和RISC（精简指令集）结构的单片机。常见的CISC结构的单片机有Intel的8051系列、Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、我国台湾Winbond（华邦）W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列等；常见的RISC结构的单片机有Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AVR系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、我国台湾义隆的EM-78系列等。一般来说，控制关系较简单的小家电，可以采用RISC型单片机；控制关系较复杂的场合，如通信产品、工业控制系统应采用CISC单片机。

按程序存储器的类型分：无片内ROM、掩模ROM、OTP（一次性可编程）ROM、紫外线可擦除EPROM、电擦除EEPROM、Flash ROM（一种可快速写入的可擦除的电可擦写型存储器）单片机。

按应用范围分：有通用型、专用型、控制型、家电型。

1.2 MCS-51单片机系列简介

MCS-51系列单片机是指采用美国Intel公司生产的MCS-51指令系统的单片机的总称。Intel公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其他公司，所以有很多公司也做以8051为核心的单片机。下面简单介绍一些主流产品。

1.2.1 Intel 公司MCS-51单片机

美国Intel公司的MCS-51单片机可分为两个子系列和4种类型，其中51子系列是基本型，而52子系列属于增强型。

1.2.2 Atmel公司的AT89系列单片机

Atmel公司的AT89系列单片机是近几年在我国非常流行的单片机，美国Atmel公司是国际上著名的半导体公司，该公司的技术优势在于Flash存储器技术。Atmel公司以EEPROM技术和Intel公司的80C31单片机核心技术进行交换，从而取得了80C31核的使用权。Atmel公司把自身的先进Flash存储器技术和80C31核相结合，推出了Flash AT89系列单片机。AT89系列单片机分为两大类：一类是常规的，即AT89C系列，这类单片机要用并行方法编程，必须用编程器编程；另一类是AT89S系列单片机是在系统可编程（即芯片安装到电路板上之后不用拿下来而直接在里面烧写程序）ISP Flash，该系列芯片除可用并行方法编程外，还可用系统下载线进行编程。常见的AT89系列芯片型号如表1-1所示。

表1-1 常见的AT89系列芯片型号

表中WDT是Watchdog Timer的缩写，即看门狗定时器，俗称看门狗。由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，看门狗的功能就是每当发生这些情况时，产生复位信号给单片机，使程序重新回到起点。避免整个系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果。

早期的单片机应用程序开发通常需要仿真机、编程器等配套工具，而AT89S系列的单片机支持ISP编程，只需运用ISP电缆就可以对单片机的Flash反复擦写1000次以上，因此使用起来特别方便简单，尤其适合初学者使用，所以本书采用AT89S52芯片。

1.3 初识单片机芯片

作为设备维修人员来说，从设备上看到印制板电路，首先要了解这块板是做什么控制用的，可以通过对设备动作的观察，找到答案。然后了解这些控制是用的什么CPU。CPU的种类和型号繁多，外形也各不相同，有长形、方形、圆形，先从网上了解单片机的型号，然后从板子上找到类似的型号芯片，再上网查出这块芯片是哪个公司生产的，这块CPU的性能特点，最后下载它的技术文件。下面来认识一下AT89S52芯片。

1.3.1 单片机外形认识

1.AT89S52芯片的封装

AT89S52芯片的外形有三种封装形式，PDIP封装（直插式），有40个引脚；PLCC封装（塑料有引线芯片载体），有44个引脚；TQFP封装（塑料四边引出扁平封装），有44个引脚，如图1-1所示。

图1-1 单片机AT89S52封装图

2.AT89S52芯片的标志

芯片表面有Atmel公司的商标符号，图标下方第一行是芯片型号，第二行和第三行是生产厂（流水线）的代号。字的颜色有的是白色，有的是黄色，白色字表示含铅，黄色表示无铅。

3.AT89系列单片机型号说明

AT89系列单片机型号由三个部分组成，它们分别是前缀、型号、后缀，其格式如下：

AT89C（LV、S）××××-××××

（1）前缀

型号由“89C××××”或“89LV××××”或“89S××××”等表示。

“9”表示芯片内部含Flash存储器；

“C”表示是CMOS产品；

“LV”表示低电压产品；

“S”表示含可下载的Flash存储器；

“××××”为表示型号的数字，如51、52、2051、8252等。

（2）后缀

后缀由“××××”四个参数组成，与产品型号间用“-”号隔开。

后缀中第一个参数“×”表示速度；

后缀中第二个参数“×”表示封装；

后缀中第三个参数“×”表示温度范围；

后缀中第四个参数“×” 说明产品的处理情况。

1.3.2 AT89S52芯片的内部特性

（1）兼容MCS-51单片机指令系统；

（2）8位CPU；

（3）内含8KB在线系统可编程Flash存储器，擦写次数1000次；

（4）内含256B的随机存取数据存储器；

（5）可寻址64KB的程序存储器、64KB的外部数据存储器；

（6）具有4个8位并行I/O口，共32根I/O线；

（7）具有1个全双工的可编程串行通信接口；

（8）具有3个16位可编程定时/计数器；

（9）具有8个中断源，6个中断矢量，2级优先权的中断结构；

（10）具有2个数据指针；

（11）低功耗的闲置和掉电模式；

（12）中断可唤醒省电模式；

（13）全静态工作，时钟频率0～33MHz；

（14）三级加密程序存储器；

（15）AT89S52的工作电源电压为（5±0.5）V，且典型值为5V；

（16）具有位处理器；

（17）具有看门狗（WDT）电路。

1.3.3 AT89S52芯片引脚功能

AT89S52芯片的引脚如图1-2所示。

图1-2 AT89S52单片机芯片引脚图

（1）电源引脚：单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。允许正常工作的电压是+5V。

（2）振荡电路引脚：19引脚为XTAL1，振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。18脚为XTAL2，振荡器反相放大器的输出端。

（3）复位引脚（9引脚）：晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。平时应当置为低电平，当要对CPU复位时，只要将此引脚升到高电平，并且保持两个机器周期以上的时间，单片机将立刻进行系统重置各项动作，并且从0000H地址开始读入程序码。任何单片机在工作之前都要有复位的过程，复位是程序还没有开始执行，是在做准备工作。一般在单片机的RST引脚上加上高电平，按下按钮的时间不少于5ms。

（4）EA/Vpp引脚：EA字母上加一横线表示低电平时动作。8031CPU无ROM，EA引脚必须接地，89S52有8KB Flash程序存储器，在使用内部ROM时单片机EA引脚应接到正电源端，否则系统不稳定。第二功能Vpp是对内部EPROM编程时的电源输入端。AT89S52的Vpp为5V或12V。

至此，一个单片机最小系统就接好，通上电，单片机就可以开始工作了。

（5）P0.0～P0.7：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用总线。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。

（6）P1.0～P1.7：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（TTL）。此外，P1.0和P1.1分别作定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表1-2所示。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表1-2 引脚第二功能

（7）P2.0～P2.7：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（TTL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

（8）P3.0～P3.7：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（TTL）。P3口也作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表1-3所示。在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

表1-3 P3口各位的第二功能

（9）ALE/：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振1/6的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行外部数据存储器或外部程序存储器指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

（10）：外部程序存储器ROM的读选通信号。当访问外部ROM时，产生负脉冲作为外部ROM的选通信号。每个机器周期两次有效。在访问外部数据存储器时，无效。可驱动8个TTL负载。

1.4 单片机最小系统电路

单片机最小系统电路由有单片机芯片、晶振电路、复位电路和简单的输出电路组成，如图1-3所示。要使单片机最小系统正常工作，首先要了解单片机的供电电路、晶振电路、复位电路的组成及功能。

1.4.1 晶振电路

单片机最小系统要正常工作，首先供电电路要符合芯片供电要求，MCS-51单片机的供电电压要求在+4.5～5.5V。单片机要正常工作还要有一定的规律，就像学校的铃声一样，晶振电路是单片机的一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19引脚。只要买来晶振、电容，按图1-3接上即可。微调电容可选择20～40pF，但两个电容容量应相同。焊接时石英振荡晶体应尽量靠近XTAL1与XTAL2引脚。晶振是采用石英晶振的，可以是6MHz、11.0592MHz、12MHz的晶振。

图1-3 单片机最小系统电路图

1.4.2 复位电路

单片机在工作时发生问题需要从程序开头开始时，需要有复位电路。MCS-51单片机高电平复位，低电平时正常工作。复位RST引脚持续两个机器周期，高电平将使单片机复位。为了达到复位要求，可以用很多种方法，这里提供上电自动复位和手动开关复位两种供参考，如图1-4所示。图1-4（b）上电自动复位电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过10kΩ或1kΩ电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程度，即为低电平，完成复位工作，上电4ms后开始执行程序。

图1-4（a）手动开关复位电路中复位按钮按下时，22μF电容经1kΩ电阻放电。复位按钮RST按下期间，RST引脚获得5V高电平电压，松开按钮后电源Vcc经1kΩ电阻给22μF电容充电，RST引脚逐渐变低，约3ms后又开始执行程序。

系统出现故障时，首先检查有无电源电压，其次检查RST引脚电压是否正常。51单片机正常工作时RST引脚电压应为低电平。若查出RST引脚电压为高电平，则应检查外接复位电路。

图1-4 复位电路

单片机复位后的状态如表1-4所示。至于内部的存储器则不做任何设置，所以大部分的程序在起始后，就先进行数据清除，以免程序运行错误。

表1-4 MCS-51单片机复位后各内部寄存器的状态

1.4.3 发光二极管输出电路

发光二极管（简称LED）是一种能将电能转换为光能的具有正负极性的半导体器件，是一种冷光源，作为工作状态的指示。它具有省电节能、亮度高、寿命长等优点，现在建筑物上的大屏幕电视和广告、公路道口的红绿灯、汽车的尾灯都是用超亮的发光二极管制作的。

LED由砷化镓（GaAs）等半导体材料制作，红、绿色LED正向管压降为1.6～2V，白光及蓝色LED为2.8～3.2V，反向耐压60V左右。单片机系统工作电源通常为5V，所以一般要串联一个限流电阻。已知电源电压Ucc，LED工作电流I，可取5～15mA。正向压降ULED估算限流电阻为：

发光二极管的正极到负极有合适的电流流过就会发光，如图1-5所示。

图1-5（a）为插式发光二极管，图1-5（b）为贴片发光二极管，仔细观察，如图1-5（c）所示的绿色为负极。所以，要点亮发光二极管就要使合适的电流流过它的正负极。该电流可以选择适当的限流电阻获得。图1-6为单个发光二极管的驱动电路。当电流从+5V通过限流电阻R1流入发光二极管正极，并从负极流到电源地，发光二极管的正负极间有了电流，发光二极管就会被点亮发光，如图1-6（a）所示。如果如图1-6（b）所示，两边都是+5V，则发光二极管就熄灭。也就是说发光二极管的负极电压为低电平时，发光二极管就亮；高电平时就灭。直接去控制电压的变化来实现灯亮和灭很麻烦，用单片机去控制它就方便多了。