MCS-51單片機(jī)概述

MCS-51單片機(jī)是一種集成的電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

51系列單片機(jī)的特點(diǎn)

-8位cpu

-片內(nèi)帶振蕩器，頻率范圍為1.2MHz~12MHz

-片內(nèi)帶128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

-片內(nèi)帶4KB的程序存儲(chǔ)器

-程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64KB

-片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間為64KB

-128個(gè)用戶位尋址空間

-21個(gè)字節(jié)特殊功能寄存器

-4個(gè)8位的I/O并行接口：P0、P1、P2、P3

-兩個(gè)16位定時(shí)、計(jì)數(shù)器

-兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別的五個(gè)中斷源

-一個(gè)全雙工的串行I/O接口，可多機(jī)通信

-111條指令，包含乘法指令和除法指令

-片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)

-有較強(qiáng)的位處理能力

-采用單一+5V電源

單片機(jī)的應(yīng)用分類(lèi)

通用型

這是按單片機(jī)(Microcontrollers)適用范圍來(lái)區(qū)分的。例如，80C51式通用型單片機(jī)，它不是為某種專(zhuān)門(mén)用途設(shè)計(jì)的;專(zhuān)用型單片機(jī)是針對(duì)一類(lèi)產(chǎn)品甚至某一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計(jì)的要求，在片內(nèi)集成ADC接口等功能的溫度測(cè)量控制電路。

總線型

這是按單片機(jī)(Microcontrollers)是否提供并行總線來(lái)區(qū)分的?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以擴(kuò)展并行外圍器件都可通過(guò)串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類(lèi)單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。

控制型

這是按照單片機(jī)(Microcontrollers)大致應(yīng)用的領(lǐng)域進(jìn)行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng);用于家電的單片機(jī)多為專(zhuān)用型，通常是小封裝、低價(jià)格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。 顯然，上述分類(lèi)并不是惟一的和嚴(yán)格的。例如，80C51類(lèi)單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成部分及電路圖

圖2 51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)見(jiàn)

下面就圖2所示的單片機(jī)最小系統(tǒng)各部分電路進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1、時(shí)鐘電路

在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路之前，讓我們先了解下51單片機(jī)上的時(shí)鐘管腳：

XTAL1(19腳)：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端。

XTAL2(18腳)：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端。

XTAL1和XTAL2是獨(dú)立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。圖2中采用的是內(nèi)時(shí)鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2的引腳上外接定時(shí)元件(一個(gè)石英晶體和兩個(gè)電容)，內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來(lái)說(shuō)晶振可以在1.2～12MHz之間任選，甚至可以達(dá)到24MHz或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實(shí)驗(yàn)套件中采用的11.0592M的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個(gè)電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當(dāng)采用石英晶振時(shí)，電容可以在20～40pF之間選擇(本實(shí)驗(yàn)套件使用30pF);當(dāng)采用陶瓷諧振器件時(shí)，電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?0～50pF之間。通常選取33pF的陶瓷電容就可以了。

另外值得一提的是如果讀者自己在設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的印刷電路板(PCB)時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機(jī)芯片靠近，以減少引線的寄生電容，保證振蕩器可靠工作。檢測(cè)晶振是否起振的方法可以用示波器可以觀察到XTAL2輸出的十分漂亮的正弦波，也可以使用萬(wàn)用表測(cè)量(把擋位打到直流擋，這個(gè)時(shí)候測(cè)得的是有效值)XTAL2和地之間的電壓時(shí)，可以看到2V左右一點(diǎn)的電壓。

2、復(fù)位電路

在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛(運(yùn)行不正常)或死機(jī)(停止運(yùn)行)時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)位。

MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(第9管腳)出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。

復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電自動(dòng)復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位。圖2中所示的復(fù)位電路就包括了這兩種復(fù)位方式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時(shí)電容的負(fù)極和RESET相連，電壓全部加在了電阻上，RESET的輸入為高，芯片被復(fù)位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒(méi)有被按下的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后，通過(guò)按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達(dá)到手動(dòng)復(fù)位的效果。一般來(lái)說(shuō)，只要RST管腳上保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。圖中所示的復(fù)位電阻和電容為經(jīng)典值，實(shí)際制作是可以用同一數(shù)量級(jí)的電阻和電容代替，讀者也可自行計(jì)算RC充電時(shí)間或在工作環(huán)境實(shí)際測(cè)量，以確保單片機(jī)的復(fù)位電路可靠。

3、EA/VPP(31腳)的功能和接法

51單片機(jī)的EA/VPP(31腳)是內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器的選擇管腳。當(dāng)EA保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器;當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，只訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。

對(duì)于現(xiàn)今的絕大部分單片機(jī)來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器(一般為flash)容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲(chǔ)器，而是直接使用內(nèi)部的存儲(chǔ)器。

在本實(shí)驗(yàn)套件中，EA管腳接到了VCC上，只使用內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器。這一點(diǎn)一定要注意，很多初學(xué)者常常將EA管腳懸空，從而導(dǎo)致程序執(zhí)行不正常。

4、P0口外接上拉電阻

51單片機(jī)的P0端口為開(kāi)漏輸出，內(nèi)部無(wú)上拉電阻(見(jiàn)圖3)。所以在當(dāng)做普通I/O輸出數(shù)據(jù)時(shí)，由于V2截止，輸出級(jí)是漏極開(kāi)路電路，要使“1”信號(hào)(即高電平)正常輸出，必須外接上拉電阻。

圖3P0端口的1位結(jié)構(gòu)

另外，避免輸入時(shí)讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)，也需外接上拉電阻。在這里簡(jiǎn)要的說(shuō)下其原因：在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來(lái)的信號(hào)一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出低電平后，鎖存器Q=0，Q=1，場(chǎng)效應(yīng)管V1開(kāi)通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時(shí)無(wú)論端口線上外接的信號(hào)是低電平還是高電平，從引腳讀入單片機(jī)的信號(hào)都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號(hào)。又如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器Q=1，Q=0，場(chǎng)效應(yīng)管V1截止。如外接引腳信號(hào)為低電平，從引腳上讀入的信號(hào)就與從鎖存器讀入的信號(hào)不同。所以當(dāng)P0口作為通用I/O接口輸入使用時(shí)，在輸入數(shù)據(jù)前，應(yīng)先向P0口寫(xiě)“1”，此時(shí)鎖存器的Q端為“0”，使輸出級(jí)的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管V1、V2均截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，才可作高阻輸入。

總結(jié)來(lái)說(shuō)：為了能使P0口在輸出時(shí)能驅(qū)動(dòng)NMOS電路和避免輸入時(shí)讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)，需外接上拉電阻。在本實(shí)驗(yàn)套件中采用的是外加一個(gè)10K排阻。此外，51單片機(jī)在對(duì)端口P0—P3的輸入操作上，為避免讀錯(cuò)，應(yīng)先向電路中的鎖存器寫(xiě)入“1”，使場(chǎng)效應(yīng)管截止，以避免鎖存器為“0”狀態(tài)時(shí)對(duì)引腳讀入的干擾。

5、LED 驅(qū)動(dòng)電路

細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在最小系統(tǒng)中，發(fā)光二極管(LED)的接法是采取了電源接到二極管正極再經(jīng)過(guò)1K 電阻接到單片機(jī)I/O 口上的(見(jiàn)圖4中的接法1)。為什么這么接呢?首先我們要知道LED 的發(fā)光工作條件，不同的LED 其額定電壓和額定電流不同，一般而言，紅或綠顏色的LED 的工作電壓為1.7V~2.4V，藍(lán)或白顏色的LED 工作電壓為2.7~4.2V， 直徑為3mm LED 的工作電流2mA~10mA。在這里采用紅色的3mm 的LED。其次，51 單片機(jī)(如本實(shí)驗(yàn)板中所使用的STC89C52單片機(jī))的I/O 口作為輸出口時(shí)，拉電流(向外輸出電流)的能力是μA 級(jí)別，是不足以點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光二極管的。而灌電流(往內(nèi)輸入電流)的方式可高達(dá)20mA，故采用灌電流的方式驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。當(dāng)然，現(xiàn)今的一些增強(qiáng)型單片機(jī)，是采用拉電流輸出(接法2)的，只要單片機(jī)的輸出電流能力足夠強(qiáng)即可。另外，圖4 中的電阻為1K 阻值，是為了限制電流，讓發(fā)光二極管的工作電流限定在2mA~10mA。