一、内容概要
本讲主要介绍51系列单片机最小系统的实现，通过编写程序实现单片机IO口的输出控制。 以点亮外部连接的LED（发光二极管）为例，简要介绍单片机的原理和最小系统的组成。 通过简单的C51编程，描述了编译软件Keil的使用以及下载Hex文件对单片机进行编程。
2. 原理介绍
在了解原理之前，我们先思考一个问题，什么是单片机，单片机有什么用？ 这是一个有趣的问题，因为没有人能够给出一个大家都认可的概念，那么微控制器到底是什么？ 一般来说，单片机又称单片机，集成了CPU（中央处理单元）、RAM（数据存储器）、ROM（程序存储器）、定时器/计数器和多功能I/O等。一颗芯片。 O（输入/输出）接口和计算机所需的其他基本功能部件，使其能够完成复杂的运算、逻辑控制、通信等功能。 在这里，我们不需要找到一个明确的概念来分析什么是微控制器。 尤其是用C语言编写程序时，我们不需要了解太多单片机的内部结构和工作原理。 从应用的角度来说，从简单的程序开始，慢慢熟悉，然后逐渐熟练掌握单片机。
简单了解了什么是单片机之后，我们接下来搭建单片机的最小系统。 单片机最小系统是单片机正常工作、发挥其功能所必需的组成部分。 也可以理解为由最少的组件组成。 微控制器可以工作的系统。 对于51系列单片机来说，最小系统一般应包括：单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出器件等（见图1）。
图1 单片机最小系统框图
3.电路详解
根据以上内容，为51系列单片机设计的最小系统如图2所示。
图2 51系列单片机最小系统
下面对图2所示的微控制器最小系统各部分电路进行详细说明。
1.时钟电路
在设计时钟电路之前，我们先了解一下51单片机上的时钟引脚：
XTAL1（第19脚）：芯片内部振荡电路输入端。
XTAL2（引脚18）：芯片内部振荡电路的输出端。
XTAL1 和 XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器，可以使用石英晶体将其配置为片上振荡器，也可以直接从外部时钟驱动该器件。 图2采用内部时钟模式，利用芯片内部的振荡电路，将外部定时元件（一个石英晶体和两个电容）连接到XTAL1和XTAL2引脚，内部振荡器即可产生自振荡。 一般来说，晶振可以在1.2~12MHz之间选择，甚至可以达到24MHz或更高，但频率越高，功耗越大。 本实验套件使用11.0592M石英晶体振荡器。 与晶振并联的两个电容的大小对振荡频率影响很小，可以起到频率微调的作用。 使用石英晶振时，电容可以在20~40pF之间选择（本实验套件使用30pF）； 使用陶瓷谐振器件时，电容应适当增大，在30～50pF之间。 通常 33pF 陶瓷电容器就足够了。
另外值得一提的是，如果读者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靠近单片机芯片，以减少引线的寄生电容，保证可靠工作。振荡器的。 检测晶振是否振荡，可以用示波器观察XTAL2输出的非常漂亮的正弦波，也可以用万用表测量（将档位转到DC，测得的值就是此时的有效值） ）XTAL2与地之间电压较高时，可以看到2V左右的电压。
2. 复位电路
在单片机系统中，复位电路非常关键。 当程序跑飞（运行异常）或崩溃（停止运行）时，需要重置。
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（引脚9）出现高电平超过2个机器周期时，单片机将执行复位操作。 如果 RST 保持高电平，则微控制器处于循环复位状态。
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2所示的复位电路包括这两种复位方法。 通电瞬间，电容器两端电压不能突然变化。 此时电容负极接RESET，电压全部加到电阻上。 RESET输入为高电平，芯片复位。 然后+5V电源对电容充电，电阻上的电压逐渐下降，最后接近0，芯片正常工作。 电容器两端并联有复位按钮。 当复位按钮未被按下时，电路实现上电复位。 芯片正常工作后，按下按钮使RST引脚出现高电平，达到手动复位的效果。 一般来说，只要RST引脚保持高电平10ms以上，单片机就可以有效复位。 图中所示的复位电阻和电容均为经典值。 实际生产中可以用同数量级的电阻和电容来代替。 读者也可以自行计算RC充电时间或在工作环境中实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。
3. EA/VPP（引脚31）的功能及连接方法
51 单片机的 EA/VPP（引脚 31）是内部和外部程序存储器的选择引脚。 当EA保持高电平时，微控制器访问内部程序存储器； 当EA保持低电平时，无论是否有内部程序存储器，都只访问外部存储器。
对于当今的大多数微控制器来说，其内部程序存储器（通常是闪存）容量很大，因此基本上不需要外部程序存储器，而是直接使用内部存储器。
在此实验套件中，EA 引脚连接至 VCC，仅使用内部程序存储器。 必须注意这一点，因为很多初学者经常将EA引脚悬空，导致程序执行异常。
4、P0口外接上拉电阻
51 单片机的P0口为开漏输出，内部无上拉电阻（见图3）。 因此，当用作普通I/O输出数据时，由于V2截止，输出级为开漏电路。 要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。
图3 P0口1位结构
另外，为了避免输入时读取数据出错，还需要外接上拉电阻。 这里简单解释一下原因：在输入状态下，从锁存器和引脚读取的信号一般是一致的，但也有例外。 例如，当内部总线输出低电平时，锁存器Q=0，Q=1，场效应晶体管V1导通，端口线处于低电平状态。 此时，无论端口线上的外部信号是低电平还是高电平，从该引脚读入单片机的信号始终为低电平，因此无法正确读取该端口引脚上的信号。 又例如，当内部总线输出高电平时，锁存器Q=1，Q=0，场效应管V1截止。 如果外部引脚信号为低电平，则从该引脚读取的信号与从锁存器读取的信号不同。 因此，当P0口作为通用I/O接口输入时，在输入数据之前，应先向P0口写入“1”。 此时锁存器的Q端为“0”，使得输出级的两个场效应管V1、V2截止，引脚处于浮空状态，才能作为高电平使用。 – 阻抗输入。
总结一下：为了使P0口输出时能够驱动NMOS电路，避免输入时读取数据出错，需要外接上拉电阻。 在这个实验套件中，使用了一个额外的 10K 电阻。 另外，为了避免误读51单片机对P0-P3端口的输入操作，应先向电路中的锁存器写入“1”，关闭场效应管，避免锁存器为“0”的干扰状态期间的引脚读数。
5. LED驱动电路
细心的读者可能已经发现，在最小的系统中，发光二极管（LED）的连接方法是将电源连接到二极管的阳极，然后通过一个连接器连接到单片机的I/O端口。 1K电阻（见图4连接方法1）。 为什么你会这样接受呢？ 首先我们要了解LED的照明工作条件。 不同的LED有不同的额定电压和额定电流。 一般来说，红色或绿色LED的工作电压为1.7V~2.4V，蓝色或白色LED的工作电压为2.7~4.2V，直径为3mm的LED的工作电流为2mA~10mA。 这里使用红色 3mm LED。 其次，当51单片机（如本实验板使用的STC89C52单片机）的I/O口作为输出口时，汲取电流（输出电流）的能力在μA级别，这是不够的点亮发光二极管。 灌电流方式（向内电流输入）可高达20mA，因此采用灌电流方式来驱动发光二极管。 当然，现在的一些增强型单片机采用了拉电流输出（连接方法2），只要单片机的输出电流能力足够强即可。 另外，图4中的电阻阻值为1K，是为了限制电流，使发光二极管的工作电流限制在2mA~10mA。
图4 LED连接方法
4. 编程
在单片机编程语言方面，有两种选择：C语言和汇编语言。 本系列教程使用C语言编写程序。 这里简单对比一下开发单片机时C语言和汇编语言。 汇编语言是面向硬件的，需要熟悉寄存器等硬件特性。 它的执行效率较高，但可读性和可移植性较差，不同单片机之间的程序不能通用。 例如，我学会了51单片机的汇编指令，但无法在AVR单片机上使用。 C语言是面向过程的，具有良好的可读性和可移植性，但效率不如汇编。 对于刚接触单片机的人来说，学习这两种语言是一样的，但是从以后的开发效率来看，C语言的优势就会体现出来。 几乎不需要任何改动就可以移植，大大提高了开发效率。 速度。
控制发光二极管D1闪烁的C语言源程序：
1. 流程详细说明
(1) 头文件包含。 程序接下来调用的P0_0是头文件中定义的寄存器地址。 在操作单片机内部的寄存器之前，应该先说明其来源。 有兴趣的读者可以看一下AT89X52.h文件的内容。
(2)宏定义LED，方便直观理解和程序修改。 将P0_0端口命名为led，这样程序中就可以用LED代替P0_0端口进行操作。
(3) 延迟函数声明。 该函数必须在调用之前声明。 由于函数定义放在主函数之后，因此延迟函数声明在主函数之前。
(4)主功能入口。 main函数不传递参数，也不返回值。
(5)无限循环。
(6)输出高电平，LED不亮。
(7) 延迟一段时间，使人眼能够直观地看到。
(8) 输出低电平，LED 亮。
（九）延误一段时间的。
(10)延时函数定义。
(11)For语句循环延迟。
2. 程序流程图及实验现象
程序流程如图5所示，用编译软件（keil）编译后，生成单片机编程文件，然后可以下载到单片机运行。 硬件电路板如图6所示。本实验板采用STC89C52RC，可以通过板载USB转换为串口。 烧录程序。 因此，将 USB 电缆（包含在本实验套件中）连接到计算机和实验板。 电源可以从USB 或外部电源获取。 冷启动，即先点击下载，再开机。 将程序下载到单片机并运行后，可以看到实验板上P0_0口连接的外部LED灯（D1）闪烁。
图5 程序流程图
图6 硬件电路板图
5. 总结
本讲主要介绍51单片机最小系统的设计以及第一个简单程序的编写。 通过本次实验，您可以掌握单片机的开发流程并快速上手。 本次讲座需要注意的几个问题：
1、本讲使用C语言来编写程序，因为C语言具有很强的可读性和可移植性。 如果读者没有学过C语言，则应该了解并掌握相应的C语言知识。 C语言简单易学，使用起来简单，相信你很快就会熟练掌握它。
2、程序编译软件采用Keil。 由于篇幅限制，这里我就不描述了。 如果读者对此有任何疑问，可以到本杂志论坛的微控制器部分。 作者制作了详细的Keil入门教程。 我们通过Keil编译程序，最终生成用于对单片机进行编程的Hex代码文件。
Keil软件界面如图7所示，中间的空白区域是代码区域，左侧是工程列表，底部是消息窗口。
图7 Keil软件开发界面
3、本实验板使用的STC单片机通过串口下载程序。 上位机软件界面如图8所示（建议使用V3.1版本，最新版本可以从STC主页下载：）。 编程操作非常简单。 单击“打开文件”按钮浏览并找到生成的要编程的十六进制。 文件完成后，将单片机断电，点击“下载”按钮，给单片机上电，即可将程序下载到单片机中。
图8 STC编程软件界面
4. 产品组成
如果读者按照本讲内容进行理解和练习，可以说单片机才刚刚入门。 下一讲将进一步介绍单片机的内部定时器和中断系统，敬请期待。
