单片机最小系统(详解)设计报告

摘要

近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

本次课程设计包括STC89C51单片机最小系统（包括复位和时钟电路）还有蜂鸣器电路、LED电路和RS232串口电路以及用于扩展功能的四排与I/O端口相连的插孔。利用Protel电路设计软件进行原理图设计，PCB布线，借此巩固单片机应用、模拟电路、数字电路课程及学会工程软件protel的使用。

关键词：最小系统，I/O端口，STC89C51, PCB

Abstract

Recent years, with the penetration of computers in the social sphere, SCM applications are constantly deepening, while driving traditional control detects the rapidly growing updated. In the real-time detection and automatic control of microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core component, only the microcontroller knowledge is not enough, should be based on the specific hardware architecture, as well as application-specific software features object combine to make perfect .

The curriculum includes the SCM STC89C51 minimum system (including reset and clock circuit) and the buzzer circuit, eight digital tube display circuit, RS232 serial port circuitry, and used to extend the functionality of the four rows with the I / O ports are connected jack. Protel circuit design software for the use of schematic design, PCB layout, thereby consolidating microcontroller applications, analog circuits, digital circuits courses and learn to use engineering software Protel.

Keyword：minimum system,I/O Port, STC89C51, PCB

1．单片机系统的结构

1.1 单片机的内部结构

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1.1所示。

图1.1 MS51单片机结构图

2 单片机的引脚功能

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。

STC89C51

图2.1 STC89C51引脚排列图

2.1. 时钟电路

在设计时钟电路之前，让我们先了解下51 单片机上的时钟管脚：

XTAL1 和XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图2.1 中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2 ～12MHz 之间任选，甚至可以达到24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20 ～40pF 之间选择（本实验套件使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30 ～50pF 之间。通常选取33pF 的陶瓷电容就可以了。

另外值得一提的是如果读者自己在设计单片机系统的印刷电路板（PCB）时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少引线的寄生电容，保证振荡

器可靠工作。检测晶振是否起振的方法可以用示波器可以观察到XTAL2 输出的十分漂亮的正弦波，也可以使用万用表测量（把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2 和地之间的电压时，可以看到2V 左右一点的电压。

2.2. 复位电路

在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。

MCS-5l 系列单片机的复位引脚RST（第9 管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。图中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST 管脚上保持10ms 以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC 充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。

2.3. EA/VPP（31 脚）的功能和接法

51 单片机的EA/VPP（31 脚）是内部和外部程序存储器的选择管脚。当EA 保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；当EA 保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器，只访问外部存储器。

对于现今的绝大部分单片机来说，其内部的程序存储器（一般为flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存储器，而是直接使用内部的存储器。

在本实验套件中，EA 管脚接到了VCC 上，只使用内部的程序存储器。这一点一定要注意，很多初学者常常将EA 管脚悬空，从而导致程序执行不正常。

2.4. P0 口外接上拉电阻

51 单片机的P0 端口为开漏输出，内部无上拉电阻（见图3）。所以在当做

普通I/O 输出数据时，由于V2 截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。

另外，避免输入时读取数据出错，也需外接上拉电阻。在这里简要的说下其原因：在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q ＝0，Q ＝1，场效应管V1 开通，端口线呈低电平状态。此时无论端口线上外接的信号是低电平还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。又如，当从内部总线输出高电平后，锁存器Q ＝1, Q ＝0,场效应管V1 截止。如外接引脚信号为低电平，从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。所以当P0 口作为通用I/O 接口输入使用时，在输入数据前，应先向P0 口写“1”，此时锁存器的Q 端为“0”，使输出级的两个场效应管V1、V2 均截止，引脚处于悬浮状态，才可作高阻输入。

总结来说：为了能使P0 口在输出时能驱动NMOS 电路和避免输入时读取数据出错，需外接上拉电阻。在本实验套件中采用的是外加一个10K 排阻。此外，51 单片机在对端口P0—P3 的输入操作上，为避免读错，应先向电路中的锁存器写入“1”，使场效应管截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。

3．单片机最小系统

3.1.1 电源供电模块

图3.1.1 电源USB供电模块电路图

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R3为LED的限流电阻。K2 为电源开关。

3.1.2 复位电路

图3.1.2 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。

3.1.3 振荡电路

图3.1.3 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。

3.1.4 系统串行通信电路

图3.1.4 串行通信电路图

RS232串口电路使用MAX232作为电平转换芯片，可以通过串口电缆连接到计算机背后的COM口，用于单片机与上位机通信以及和其他串口设备的数据交互。

MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的芯片，它的内部有一个电源电压变换器，可以把输入+5V的电压变换成RS-232输出电平所需的+10V电压。

MAX232芯片引脚结构如图3.1.5所示。

图3.1.5 MAX232芯片引脚结构图

数据传输过程：MAX232的11脚T1IN接单片机的TXD端P3.1，TTLdiaper 从单片机的TXD端发出，经过MAX232转换为RS232电平后从MAX232 的14脚T1OUT发出，再经过交叉串口线连接到计算机RXD端，计算机手段数据。PC机发送数据时从PC机串口的TXD端发出数据，再逆向流向单片机的RXD 端P3.0接收数据。

3.1.6 串口接口DB9的引脚图

图3.1.6 串口接口DB9的引脚图

4 USB转TTL电路

4.1 USB转TTL电路介绍

图4.1.1 USB转TTL电路图

图4.1.1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4.1.1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4.1.2为PL2303的引脚分布图。

图4.1.2 PL2303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：USB DPLUS 信号；

DM：USB DMINUS 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。

5 单片机最小系统扩展部分

5.1.1 LED电路

图5.1.1 LED电路图

图5.1.1中主要元件有470的排阻、LED、。470的排阻为每个LED的限流电阻。此最小系统提供了8个独立LED，由P0口控制，采用共阳级接法所以只有当P0口输出低电平时LED才会点亮。

时间间隔为1000ms的循环左移流水灯参考程序。

#include

#include

unsigned char a,b,k,j,x;

void delayms(uint x)

{

for(a=x;a>0;a--)

for(b=110;b>0;b--);

}

void main()

{

k=0xfe;

while(1)

{

P0=k;

delayms(1000);

j=_crol_(k,1);

k=j;

P0=j;

}

}

5.1.2 蜂鸣器电路

图51.2 蜂鸣器电路图

图5.1.2中蜂鸣器使用的是PNP三极管进行驱动控制的，此蜂鸣器为电磁式有源蜂鸣器。三极管的集电极通过蜂鸣器接5V电源，基极是控制端，发射极接地，当单片机的P3.7输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器发声。蜂鸣器为感性原件，也可以在两端并接一个二极管来起到泄放作用。

控制蜂鸣器发出滴滴声的参考程序。

#include

unsigned char a,b;

sbit beep=P3^7;

void delayms(uint x)

{

for(a=x;a>0;a--)

for(b=110;b>0;b--);

}

void main()

{

while(1)

{

delayms(100);

beep=0;

delayms(100);

beep=1;

}

}

5.1.3 系统的键盘电路

图5.1.3 独立键盘电路图

图5.1.3中S2-S3为4个独立按键，与单片机的P2.4-P2.7分别相连。

独立键盘与单片机相连时，每个按键都需要单片机的一个I/O口，若按键较多时，占用的I/O口资源就会过多。

四位独立按键参考程序：

#include

void delay(unsigned int);

sbit key1=P2^4;

sbit key2=P2^5;

sbit key3=P2^6;

sbit key4=P2^7;

unsigned int i,j;

main()

{

bit flag;

while(!flag)//执行一次就停止了先检测到的相应复位后有效

{

if(!key1) {P0=0x7f;delay(50);flag=1;}

else if(!key2){P0=0xbf;delay(50);flag=1;}

else if(!key3){P0=0xdf;delay(50);flag=1;}

else if(!key4){P0=0xef;delay(50);flag=1;}

}

while(1);

}

void delay(unsigned int sm)

{

for(i=sm;i>0;i--)

for(j=70;j>0;j--);

}

附件：

最小系统原理图：