单片机最小系统的设计与实现

电子产品设计制作

与故障诊断

学习情境3：单片机最小系统的设计与实现

《电子产品设计制作与故障诊断》课程建设组

2010年2月

第一版

学习情境3：单片机最小系统的设计与实现

3.1学习目标：

通过本次学习情境要求学会：

(1)掌握51单片机最小系统电路的设计和制作；

(2)熟悉Keil uVision2软件的使用，掌握51单片机c语言程序的编写和调试。

(3)熟悉Proteus软件的使用。

3.2任务分析

任务名称：在独立电路板上设计制作单片机最小系统，满足：

(1)在万用板上制作单片机最小系统，使该系统具有看门狗电路、I/O口扩展电

路、总线扩展电路、程序下载接口、工作指示灯；

(2)编写基本控制程序，下载调试，使该系统能够正常工作，并且容易更改该系

统的控制程序。

任务背景：单片机最小系统是各种智能电子设备的控制中枢，稳定的最小系统是电子设备长期稳定运行的基础。本次工作任务是为一小型温度测控系统设计制作单片机控制电路板。

任务要求：

(1)合理选择单片机、晶振、看门狗、电阻、电容等芯片和原件；

(2)完成全电路理论设计、计算机辅助分析与仿真、绘制电路图，自制电路板、焊

接调试；

(3)撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。

工作任务所需要的设备、工具和材料：具有232串行口的计算机、双踪示波器、5V直流电源、万用表（模拟或数字）、电烙铁、导线，自制电路板的各种工具一套及元器件若干。

3.3任务知识点

3.3.1单片机最小系统的组成

单片机最小系统的方框图

*电源、复位电路和晶振电路是单片机工作起来必须的条件。

*下载程序电路是用计算机将单片机程序固化到单片机程序存储器的电路。

*LED指示灯电路是用来做固化程序的控制对象，验证程序是否正确运行的标志。 *I/O口电路和总线驱动电路是用来扩展单片机的控制对象的接口电路。

3.3.2单片机的引脚

单片机作为一个微型计算机系统，内部是一个集接收信号、信号处理、发送信号、定时及计数等多种功能于一体的超大规模集成电路。下图所示为51系列单片机中有双列直插40脚封装的STC89C52单片机。

89C52单片机引脚示意图

3.3.3如何让单片机工作起来

下图所示为单片机控制一只LED灯的电路接线图，下面介绍让单片机工作起来所必需的电路。

单片机控制LED接线图

(1)电源：单片机的第40脚接电源的正极， 20脚接电源的地线。电源电压为+5V，

正负偏差不能超过百分之五。

(2)振荡电路：单片机内部由大量的时序电路构成，没有时钟脉冲单片机的各个部

分就无法工作。所以在单片机的内部集成有振荡电路，外部只需要按照上面的电路图将晶振和电容接到单片机的18（XTAL2）、19(XTAL1)引脚，就构成了一个完整的振荡器。接通电源，这个振荡器就会产生固定频率脉冲，使单片机内部的时序逻辑电路开始工作。晶振的频率决定了单片机工作的快慢。

(3)复位电路：用于将单片机内部各电路的状态，恢复到初始值。按照上面的接线

图将电阻和电容接到单片机的第9（RST）引脚，在通电的瞬间使9脚获得一段时间的高电平，单片机内部的电路就自动复位了。

(4)EA引脚：用户编写的应用程序都存储在单片机内部的程序存储器中，若编写的

程序较长，内部程序存储器容量不够用时，就要考虑在单片机芯片的外部另外增加程序存储器芯片。那么单片机中的控制器是如何知道程序是被存在什么地方呢？它是通过31（EA）脚上的电平状态进行判断的，若EA接电源正端，就表示程序已被存入单片机内部存储器，反之是存在单片机外部存储器。在本例中，所选单片机内部的程序存储容量已经够用，所以只需按照接线图将EA引脚接到+5V即可。

(5)输入输出引脚：单片机引脚中凡用P，后面跟数字标注的引脚均为输入输出引

脚。8个引脚为一个“口”，上图中P1.0脚为P1口的第0号引脚。输入输出引脚状态受程序控制，可以将单片机内部的信号送出来（输出），也可以将与引脚相连的外部信号送到单片机内部去（输入）。上图中P1.0脚与LED负极相连，LED正极通过限流电阻R1接电源正极，当单片机的P1.0脚为高电平时，LED 熄灭；当P1.0脚为低电平时，LED点亮。可见，只要控制P1.0脚电平的高低，就能控制LED的亮灭。

(6)MAX202电路：单片机工作的硬件条件具备以后，需要将程序固化到程序存储器

中，可以采用烧录器的方法固化。本例中，采用STC89C52单片机的ISP固化程序的方法，即单片机的TXD、RXD两个引脚通过MAX202的电平变换和计算机的串口连接，将下载的程序固化到单片机的程序存储器中。

(7)看门狗电路：看门狗又叫 watchdog timer（WDT）,是一个定时器电路, 一般

有一个输入,叫喂狗,一个输出到MCU的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端给 WDT 清零,如果超过规定的时间不喂狗(一般在程序跑飞时),WDT 定时超过,就会给出一个复位信号到MCU,使MCU复位，防止MCU死机。看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。本例中采用的STC89C52单片机内部已经集成了看门狗定时器，不用外接看门狗电路。

问题与思考：

(1)在51单片机系统中什么是晶振周期、状态周期、机器周期、指令周期，它们之

间是什么关系？

(2)单片机复位引脚需要什么样的电平？如果通过阻容电路实现？电路中的电阻电

容值是如何确定的？如果增加手动复位应该如何连线？

(3)51单片机中P0口结构和其它I/O口比较有什么不同？在使用中要注意什么？

3.3.451单片机并行总线的扩展

(1)并行总线的工作原理

MCS-51单片机具有极强的功能，在智能仪表，小型测控系统及其他简单应用系统中可直接使用单片机片内所具有的硬件资源而不必在外围扩展其他芯片和应用电路。但对于比较复杂的应用系统，单片机内部的资源已经不能满足系统的需要，这时就必需对单片机进行系统扩展。

单片机的系统扩展是通过单片机外总线进行的。系统外总线包括地址总线，数据总线和控制总线。下图为单片机系统外总线结构图。