单片机最小系统的设计-点亮一个LED
　　&一、单片机最小系统框图设计
对51系列单片机来说，单片机要正常工作，必须具有五个基本电路，也称五个工作条件：1、电源电路，2、时钟电路，3、复位电路，4、程序存储器选择电路，5、外围电路。因此，单片机最小系统一般应该包括单片机、晶振电路、复位电路、外围电路等，如下面的框图所示：
　　　　　　　　　　　图 1
　　二、单片机最小系统原理图设计
　　&1、电源电路设计
单片机芯片的第40脚为正电源引脚VCC，一般外接+5V电压。第20脚为接地引脚GND，常见电源电路设计如下图2所示：
　　2、时钟电路设计
　　单片机是一种时序电路，必须要有时钟信号才能正常工作。单片机芯片的18脚（XTAL2）、19脚（XTAL1）分别为片内反向放大器的输出端和输入端，只要在18脚（XTAL2）和19脚（XTAL1）之间接上一个晶振，再加上2个30PF的瓷片电容即可构成单片机所需的时钟电路。常见的时钟电路如下：
　　注意，当采用外部时钟时，19脚（XTAL1）接地，18脚（XTAL2）接外部时钟信号，本文就不详细讨论了。
　　3、复位电路的设计
　　单片机芯片的第9脚RST（Reset）是复位信号输入端。单片机系统在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51系列单片机的复位靠外部电路实现，信号从RST引脚输入，高电平有效，只要保持RST引脚高电平2个机器周期，单片机就能正常复位。
常见的复位电路有上电复位电路和按键复位电路二种：
　　4、程序存储器选择电路
　　单片机芯片的第31脚（EA）为内部与外部程序存储器选择输入端。当EA引脚接高电平时，CPU先访问片内4KB的程序存储器，执行内部程序存储器中的指令，当程序计数器超过0FFFH时，将自动转向片外程序存储器，既是从1000H地址单元开始执行指令；当EA引脚接低电平时，不管片内是否有程序存储器，CPU只访问片外程序存储器。
　　AT89S51内部有4KB的程序存储器，所以根据该脚的引脚功能，只要将该脚接上高电平，才能先从片内程序存储器开始取指令。
　　常见的程序存储器选择电路就是将第31脚直接接到正电源上。
　　5、外围电路的设计
　　外围电路的设计主要依据项目要实现的功能，本项目要实现的功能是用单片机控制一个LED，先来分析下面的LED工作原理图：
　　如果用“1”表示高电平，“0”表示低电平。当开关K接上高电平，既是K=1时，LED1不亮；当开关K接上低电平，既是K=0时，LED1亮。LED1的亮与灭完全受开关K的控制。
　　如果把开关K换成单片机的第1个引脚，电路设计如下：
　　现在只需要通过指令SETB P1.0就可以控制单片机的第1个引脚输出高电平，进而控制LED的不亮。或通过指令CLR
P1.0控制单片机的第1个引脚输出低电平，进而控制LED的发光。从图6到图7实现了开关控制到软件控制LED的一种转变。
　　单片机的主要控制功能是通过单片机的I/O口按不同时序输出不同的高低电平控制外部的电路实现特定的功能。依据单片机的P0、P1、P2、P3口的功能特点和单片机最小系统要实现简单的点亮一个LED的功能，我们采用P1.0引脚作为控制一个LED的端口，依据单片机的引脚功能和单片机工作的条件，综合上面的设计电路，设计的AT89S51单片机最小应用系统如下图8所示，电路原理图设计如下：
　　　　　　　　　　　　图　8
　　三、单片机最小系统程序编写
　　当单片机最小应用系统的硬件电路设计完毕后，单片机最小应用系统的设计工作还没有完成，因为单片机产品需要硬件+软件共同支持才能正常工作，这里提到的软件主要是指用户编写的源程序。这也是区别于传统的电子产品的地方。
　　本系统要实现的主要功能是点亮一个LED，根据外围电路的设计，只需要通过指令控制单片机的第一个引脚输出低电平，就可以使第一个LED发光。
　　采用汇编语言编程序如下：
；起始伪指令ORG，指示随后的指令代码从0000H地址单元开始存放。
LJMP START ；跳转到标号START处去执行。
ORG 0030H ；起始伪指令ORG，指示随后的指令代码从0030H地址单元开始存放。
START：CLR P1.0；第一个引脚输出低电平，点亮LED。
END ；结束伪指令，说明程序到此结束。
　　采用C语言编程序如下：
#include//包含头文件
sbit led1=P1^0;//定义变量led1为P1.0，也就是单片机的第一个引脚。
void main()//主程序开始，C语言唯一的一个主程序。
　led1=0;//让单片机的第一个引脚输出低电平，点亮LED。
　　四、单片机最小系统所需的元件清单
　　要制作本单片机最小系统，需要购买下面的元件，清单如下：
五、单片机最小系统制作步骤
　　（一）硬件电路的焊接步骤
　　第一步：到电子市场上购买元件清单上列出的材料，正常的价格在20元以内。
　　第二步：对所有元件进行检测，确保每个元件的质量。
　　第三步：在万能板上依据单片机最小应用系统原理图设计PCB电路图。进行规划振荡电路、复位电路、电源电路、外围电路、单片机芯片的布局时要疏密合理。
　　第四步：依据PCB电路图，先焊接振荡电路，再焊接外围电路，复位电路，电源电路。焊接的时候要注意晶振电路应尽量靠近单片机芯片，性能会更稳定。
（二）把用户编写的程序写入单片机芯片中。
　　第一步：打开KEIL
C51软件，建立工程文件和程序文件并做好相应的设置，把上面的八路流水灯源程序输入电脑并保存好。
　　第二步：用KEIL C51调试、编译程序，并生成目标文件*.HEX。
　　第三步：接好编程器，打开DownloadMcu软件，把目标文件写入单片机芯片中。
　　第四步：取下芯片，装在单片机最小系统上，接上电源，调试程序。
　　&六、单片机最小系统的调试技巧
正常情况下，接上电源后都可以正常观测到结八路流水灯的效果，如果没有效果，那我们应该从下面几个步骤来检测：
　　第一步：用万用表检测电源是否接通，主要是看看40脚和20脚之间是否有5V电压。
　　第二步：检测第31引脚，是否有5V电源，目的是确保使用了片内存储器。
　　第三步：检测P3口或P2口的空闲电压是否有5V电压，如果没有，说明单片机系统没有工作。
　　第四步：用万用表检测复位电路，通过复位按键，检测第9脚的电压是否会变化。如果按键没有按下，电压为0V，按键按下后，电压立刻变为5V，之后很快的降为0V，则表示复位电路正常。
　　第五步：用示波器检测振荡电路，主要是检测第18、19脚。检测是否有振荡波产生。如果有，表示振荡电路正常。
　　最后，检测每条PCB板上的焊接走线是否有短路、断路、虚焊等焊接故障，一定要确保焊接走线正常导电，初学者是最容易犯这个错误的。
单片机最小系统经过我们一段时间的设计、焊接、编程、调试后，达到了预定的点亮一个LED的功能，虽然只是简单的焊接和调试，但从中我们也接触了不少的关于单片机的知识。此次设计让笔者对单片机有了初步的认识，从而能够了解单片机工作的模式和具体过程，明白了怎样利用单片机来设计满足自己设定功能的作品，以及利用单片机来控制系统等。掌握了这些就可以利用单片机最小系统来拓展功能，制作自己想做的东西，对科研立项等活动有很大的帮助作用。
　　本节课我们做一个单片机小制作，这里面涉及到很的实践方面的知识，比如编辑软件的使用，单片机实验板的使用等知识，下节课我们将陆续给大家讲清楚这些关键操作。
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单片机最小系统
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AT89C51最小系统原理电路图
单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说，单片机+晶振电路+复位电路，便组成了一个最小系统。但是一般我们在设计中总是喜欢把按键输入、显示输出等加到上述电路中，成为小系统。
单片机主要擅长系统控制，而不适合做复杂的数据处理，在设计单片机最小系统时通常选用AT89C5l、AT89C52、AT89S51、AT89S52（S系列芯片支持ISP功能）等型号的8位DIP-40封装的单片机作为MCU，一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路、复位电路、键盘电路、显示电路等部分组成，有时也外扩有片外RAM和ROM以及外部扩展接口等电路。图1为单片机最小系统结构框图。
1、系统时钟电路
单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，系统时钟电路结构如图2所示，可以根据情况选择6MHz、8MHz或12MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择20-30pF左右的瓷片电容。
2、复位电路
单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。复位电路结构如图3所示。上电自动复位通过电容C3充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻R2与VCC接通来实现。
3、键盘电路
系统利用P1口的P1.0-P1.3设置了4个独立按键S2～S5，如图4所示，当键按下时，P1口相应的引脚置为低电平，且与此键相连的发光二极管点亮。此外，通过8279键盘显示控制芯片还可以扩展编码键盘和显示，图5为利用8279扩展的一个2&8=16键编码键盘及 8个LED的电路。
4、显示电路
系统设置了8个共阳极LED数码管LED1-LED2，单片机P0口提供段码信号，低电平有效，P0口输出端通过限流电阻R00～R07与数码管的段码数据线相连，用来送出LED数码管的段码数据信号。单片机P2口提供位选信号，当P2口某位输出低电平时，与此相连的开关三极管导通，对应的数码管点亮，使用三极管用来增强信号的驱动能力，如图6。
此外，为了扩展LCD显示，系统设置了两个LCD 接口，如图7，一个用于40点矩阵LCD显示，一个用于128&64点阵式LCD 显示。
系统还扩展了一片2K位串行CMOS E2PROM24C02，P3.3和P3.4分别作为24C02 串行数据传输的时钟和数据线，由于只有一个24C02，其三个地址输入脚A0 、A1 、A2接地，如图8。
此外，系统还设置了一个蜂鸣器电路，如图9 ，通过P3.7输出音频信号，可使蜂鸣器发声。由于，本最小系统没有外扩其他存储器和I/O，因此，没有用到地址译码和锁存。
AT89C51最小系统原理电路图
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51单片机最小系统原理图
51单片机最小系统原理图的功能详解单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。单片机最小系统下面着重介绍时钟电路和复位电路。1）时钟电路单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式的原理电路如图所示。在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振的取值范围一般为0~24MHz，常用的晶振频率有6MHz、12 MHz、11.0592 MHz、24 MHz等。一些新型的单片机还可以选择更高的频率。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用20~30pF的瓷片电容。外部时钟方式则是在单片机XTAL1引脚上外接一个稳定的时钟信号源，它一般适用于多片单片机同时工作的情况，使用同一时钟信号可以保证单片机的工作同步。时序是单片机在执行指令时CPU发出的控制信号在时间上的先后顺序。AT89C51单片机的时序概念有4个，可用定时单位来说明，包括振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期。振荡周期：是片内振荡电路或片外为单片机提供的脉冲信号的周期。时序中1个振荡周期定义为1个节拍，用P表示。时钟周期：振荡脉冲送入内部时钟电路，由时钟电路对其二分频后输出的时钟脉冲周期称为时钟周期。时钟周期为振荡周期的2倍。时序中1个时钟周期定义为1个状态，用S表示。每个状态包括2个节拍，用P1、P2表示。机器周期：机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间。一条指令的执行需要一个或几个机器周期。一个机器周期固定的由6个状态S1~S6组成。指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。一般用指令执行所需机器周期数表示。AT89C51单片机多数指令的执行需要1个或2个机器周期，只有乘除两条指令的执行需要4个机器周期。了解了以上几个时序的概念后，我们就可以很快的计算出执行一条指令所需要的时间。例如：若单片机使用12MHz的晶振频率，则振荡周期=1/（12MHz）=1/12us，时钟周期=1/6us，机器周期=1us，执行一条单周期指令只需要1us，执行一条双周期指令则需要2us。2）复位电路无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。单片机的复位条件：必须使其RST引脚上持续出现两个（或以上）机器周期的高电平。单片机的复位形式：上电复位、按键复位。上电复位和按键复位电路如下。上电复位电路中，利用电容充电来实现复位。在电源接通瞬间，RST引脚上的电位是高电平（Vcc），电源接通后对电容进行快速充电，随着充电的进行，RST引脚上的电位也会逐渐下降为低电平。只要保证RST引脚上高电平出现的时间大于两个机器周期，便可以实现正常复位。按键复位电路中，当按键没有按下时，电路同上电复位电路。如在单片机运行过程中，按下RESET键，已经充好电的电容会快速通过200Ω电阻的回路放电，从而使得RST引脚上的电位快速变为高电平，此高电平会维持到按键释放，从而满足单片机复位的条件实现按键复位。
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