单片机最小系统教学设计教案知识汇总

1、第1章单片机最小系统【本章内容简介】本章首先介绍有关单片机的基础知识、单片机的发展历史和发展趋势，以及单片机应用的主流机型；其次介绍AT89C51单片机的引脚功能、时钟电路与时序、复位电路，以及单片机最小系统的组成结构；最后以模拟开关灯为例讲述Proteus开发环境下单片机应用系统的设计开发过程，以使读者对单片机有初步的了解，并能够直观地认识单片机应用系统的开发过程。1.1单片机概述单片机自问世以来，已广泛应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各个方面。现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成单片机。例如，手机、电话、计算器、家用电器

2、、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机，汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作。单片机的数量远远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比人类的数量还要多。1.1.1单片机简介单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、多种I/O口、中断系统、定时器/计数器、系统时钟电路及系统总线等功能集成到一块硅片上，构成一个小而完善的微型计算机系统，是一种典型的嵌入式计算机系统。1单片机与嵌入式计算机系统电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是“供养”

3、在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机具有体积小、价格便宜、可靠性高等特点，微型计算机的出现使计算机进入现代计算机发展阶段。基于高速数值计算能力的微型计算机所表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，他们将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机称做嵌入式计算机系统。嵌入式计算机系统的诞生，标志着计

4、算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展的时代。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。为了满足广大对象系统的嵌入式应用要求，嵌入式计算机系统走上了一条与通用计算机系统完全不同的道路，即单芯片化道路，以一个芯片作为计算机载体，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。嵌入式系统以器件形态迅速进入传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化。它整合了原有的传统电子系统领

5、域的厂家与专业人士，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统。单片机是典型的、独立发展起来的嵌入式系统，由于单片机具有电子系统底层应用特点，所以单片机应用属于嵌入式系统的低端应用。2单片机的发展历史及趋势单片机诞生于20世纪70年代末，经历了单片微型计算机、微控制器、单片应用系统3大阶段。 （1）单片微型计算机（Single Chip Microcomputer，SCM），主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。单片机的发展历史中有过两种模式，即模式与创新模式。模式本质上是通用计算机直接芯片化的模式，它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算

6、机；创新模式则完全按嵌入式应用要求全新设计，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片微型计算机。其中MCS-51是在MCS-48基础上探索，发展成全面、完善的嵌入式系统。历史证明，创新模式是嵌入式系统独立发展的正确道路，MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。创新模式的成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展的道路上，Intel公司功不可没。 （2）微控制器（Micro Controller Unit，MCU），主要的技术发展方向是不断

7、扩展满足嵌入式应用时对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。在发展MCU方面，最著名的厂家当数PHILIPS公司。PHILIPS公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。（3）单片应用系统，即片上系统（System on Chip，SOC），单片机是嵌入式系统的独立发展之路，是寻求应用系统在芯片上的最大化解决，因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的

8、发展。当代单片机系统已经不只是在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。SOC技术使单片机应用系统实现了更高层次上的集成，使单片机应用技术从选择厂家提供的定制产品时代进入用户自行开发设计器件的时代。这标志着单片机应用的历史性变化，一个全新的单片机应用时代已经到来。3单片机的特点及应用领域单片机已经渗透到生活中的各个领域，几乎很难找到没有单片机踪迹的领域。单片机之所以应用如此广泛，主要因为单片机具有以下优点。（1）性价比高。目前国内市场上，有些单片机的芯片价格便宜

9、，在单片机基础上，加入外围元件，就能构成一台功能丰富的智能化控制装置。（2）集成度高，体积小，可靠性高，抗干扰能力强。单片机把各个功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少各个芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。同时，单片机采取电磁屏蔽或密封措施，适合于在恶劣环境下工作。（3）低功耗，低电压，便于生产便携式产品。（4）简单方便，易于普及。可根据需要，扩展并行或串行，构成各种不同应用规模的计算机控制系统。（5）指令丰富。单片机的指令丰富，能充分满足工业控制的各种要求。由于具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，单片机广泛应用于智能仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设

10、备的智能化管理及过程控制等领域。例如，导弹的导航装置，计算机的网络通信与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，汽车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等。1.1.2常用单片机介绍20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，世界上一些著名厂商投放市场的产品就有数百个机型。由于应用中的单片机品种繁多，下面选择几种主流的单片机进行介绍。151单片机MCS-51系列单片机是Intel公司在MCS-48系列的基础上于20世纪80年代初发展起来的，是最早进入我国并在我国应用最为广泛的单片机机型之一，也是单片机应用的主流品种。其代表性产

11、品为8051，其他单片机都是在8051的基础上进行功能的增减。后来，Intel公司把精力集中在高档CPU芯片的研发上，逐渐淡出单片机芯片的开发和生产，随后将8051内核使用权以专利互换或出让等方式转给世界许多著名IC制造厂商，如PHILIPS、NEC、Atmel、AMD、Dallas、SIEMENS、Fujitsu、OKI、华邦、LG等。在保持与8051单片机兼容的基础上，这些公司融入了自身的优势，扩展了针对满足不同测控对象要求的外围电路，开发出上百种功能各异的新品种，人们习惯把这些具有8051内核、使用8051指令系统的单片机称为51单片机。在众多51单片机中，Atmel公司推出的AT89系

12、列单片机，尤其是该系列中的AT89C5x/ AT89S5x单片机在我国目前的8位单片机市场中占有较大的份额。AT89C51单片机把作为控制应用所必需的基本外围部件都集成在一个集成电路芯片上，其主要特点如下。（1）8位微处理器（CPU）。AT89C51中有1个8位的CPU，包括运算器和控制器两大部分，同时具有面向控制的位处理功能。（2）数据存储器（RAM）。AT89C51片内数据存储器为128B（增强型为256B），用于存放运算的中间结果、暂存数据和数据缓冲。片外最多还可扩展64KB数据存储器。（3）程序存储器（ROM）。AT89C51片内集成了4KB的Flash存储器（增强型为8KB），用来存

13、储程序。片外最多还可扩展64KB程序存储器。（4）中断系统。AT89C51具有5个中断源，2级中断优先权。（5）定时器/计数器。AT89C51片内有2个16位的定时器/计数器（增强型为3个），具有4种工作方式。（6）串行口。AT89C51有1个全双工的异步串行口，具有4种工作方式，可以进行串行通信，扩展并行I/O口，还可以与多个单片机相连构成多机串行通信系统。（7）4个8位并行I/O口。即P0P3口，它们均为双向口，既可作为输入，又可作为输出，每个口各有8条I/O线。（8）特殊功能寄存器（SFR）。AT89C51片内共有21个特殊功能寄存器（增强型为26个，增加的5个单元均与定时器/计数器2相

14、关），用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制和监视。特殊功能寄存器实际上是片内各个外围部件的控制寄存器和状态寄存器。AT89S51单片机完全兼容AT89C51单片机，使用AT89C51单片机的系统，在保留原来软硬件的条件下，完全可以用AT89S51直接代替。尽管AT89系列单片机有多种机型，但掌握好基本机型AT89C51单片机是十分重要的，因为它是具有8051内核的各种型号单片机的基础，最具典型性和代表性，同时也是各种增强型、扩展型等衍生品种的基础。2PIC系列单片机PIC系列单片机是美国MICROCHIP公司的产品，其CPU采用精简指令集（RISC），提高了指令执行效率；采用数据总线和指令

15、总线分离的哈佛（Harvard）双总线结构，其特点有：运行速度快、工作电压低、功耗低、输入/输出直接驱动能力较大、价格低、一次性编程、体积小。PIC单片机最大的特点不是单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性价比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求、适用于用量大、档次低、价格敏感的产品，在办公自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器仪表、汽车电子、金融电子、工业控制等不同领域都有广泛的应用。PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高，主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机。3AVR系列单片机AVR系列单片机是Atmel公司在20世纪90年代利用Flash新技术推

16、出的精简指令集的高速8位单片机。与PIC类似，使用哈佛双总线结构，是增强型RISC内载Flash的单片机。AVR单片机广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器、宇航设备等各个领域。4嵌入式微处理器嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，其特点是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然价格也相应较高。与通用计算机的CPU不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。嵌入式微处理器中

17、比较有代表性的产品为ARM系列，主要有5个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。1.2AT89C51单片机的引脚功能AT89C51单片机有3种封装形式：双列直插式封装（Dual in-line Package，DIP）、塑封方型扁平式封装（Plastic Quad Flat Package，PQFP）和塑封有引线芯片载体封装（Plastic Leaded Chip Carrier，PLCC），DIP封装与MCS-51系列单片机的引脚完全兼容，可互换使用。目前，AT89C51单片机大多采用40只引脚的双列直插式封装（DIP40）形式，这里仅介绍常用的总线型DI

18、P40封装。AT89C51单片机实物如图1.1（a）所示，引脚封装如图1.1（b）所示。（a）AT89C51实物图（b）AT89C51引脚封装图1.1AT89C51单片机实物图及引脚封装1.2.1电源及时钟引脚1主电源引脚电源引脚接入单片机的工作电源，主电源引脚为VCC和VSS。（1）VCC（40脚）：接+5V电源正端。（2）VSS（20脚）：接+5V电源地端。2时钟引脚AT89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。两时钟引脚XTAL1和XTAL2在两种电路下的作用分别如下。（1）XTAL1（19脚）：使用内部振荡方式时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容，是

19、片内振荡器反相放大器的输入端；使用外部振荡方式时，该引脚作为外部振荡信号的输入端。（2）XTAL2（18脚）：使用内部振荡方式时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容，是片内振荡器反相放大器的输出端；使用外部振荡方式时，该引脚悬空。1.2.2控制引脚控制引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。（1）RST（9脚）：RST即为RESET。该引脚为单片机的复位信号输入端，高电平有效。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。在单片机正常工作时，该引脚应为

20、小于等于0.5V的低电平。（2）/VPP（31脚）：为片外程序存储器选用端，低电平有效。当该引脚接低电平时，单片机只选用片外程序存储器，片内程序存储器不起作用；当该引脚接高电平时，单片机上电或复位后选用片内程序存储器，超出片内程序存储器范围时，将自动转向访问外部程序存储器。VPP为该引脚的第二功能，在对单片机片内程序存储器固化编程时提供输入电压。对于AT89C51单片机，编程电压为+5V或+12V。（3）（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，该信号每个机器周期两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。该引脚接外部程序存储器的输出允许端

21、（）。在访问片外数据存储器期间，信号无效。没有扩展外部存储器时悬空即可。（4）ALE/（30脚）：地址锁存有效信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此时不宜作为时钟输出，因此严格来说，ALE不宜作为精确的时钟源或定时信号。为该引脚的第二功能，在对单片机片内程序存储器固化编程时，该引脚作为编程脉冲输入端。综上所述，、ALE只有扩展外部存储器时才会用到，VPP、只在对单片机片内程序存储器固化编程时使

22、用。值得注意的是，单片机应用系统主要是面向控制，对于AT89C51单片机来讲，片内4KB Flash程序存储器往往可以满足程序需要，不需要扩展外部存储器。对于功能比较复杂的控制应用，可以考虑选择高端单片机或嵌入式处理器来实现。所以平常使用时只需将接高电平（不能悬空），、ALE悬空即可。1.2.3输入/输出引脚AT89C51单片机有4个8位并行I/O口：P0、P1、P2和P3。数据在每个I/O口可以以字节形式进行输入/输出，各条I/O线也可以单独用作输入/输出线。4个I/O口有双向和准双向之分。双向I/O口也称双向三态I/O口，可以形成高电平、低电平和高阻浮动三态输出，输入前，端口线处于高阻状态

23、，无需先写入1后再作读操作。准双向I/O口没有高阻的浮动状态，在引脚执行读入操作之前，必须先对该端口写入1。在2.5节对AT89C51原理及编程进行详细介绍，此处只做简要说明。（1）P0口（3932脚）：P0.0P0.7统称为P0口，为8位双向三态I/O口。当AT89C51单片机没有扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P0口可作为准双向通用I/O口使用，此时需加上拉电阻，P0口可以驱动8个LS型TTL负载。在扩展外部存储器或扩展I/O接口芯片时，P0口作为地址总线（低8位）和双向数据总线的分时复用端口。P0口是AT89C51单片机使用最广泛的I/O口。（2）P1口（18脚）：P1.0P1.7统称

24、为P1口，为8位准双向静态I/O口，是通用I/O口，内部具有上拉电阻。P1口可以驱动4个LS型TTL负载。P1口是AT89C51单片机中唯一的单功能I/O口，没有特定的专用功能，输出信号锁存在引脚上，所以P1口又称为通用静态口。（3）P2口（2128脚）：P2.0P2.7统称为P2口，为8位准双向动态I/O口，内部具有上拉电阻。P2口可以驱动4个LS型TTL负载。P2口一般可作为准双向I/O口使用，但是不能输出静态数据。当AT89C51单片机扩展外部存储器及I/O接口芯片，且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线，所以P2口也称为动态地址端口。（4）P3口（1017脚）：P3.0P

25、3.7统称为P3口。为8位准双向静态I/O口，是双功能I/O口，内部具有上拉电阻。P1口可以驱动4个LS型TTL负载。P3口可作为通用准双向静态I/O口使用，应用中，如不设定P3口各位的第二功能，则P3口自动处于第一功能状态，功能与P1口功能相同，也是静态准双向I/O口。除作为准双向I/O口使用外，还可以将P3口的每一位用于第二功能，P3口的第二功能表如表1.1所示。对于P3口的第二功能的应用在本书后续章节还要详细讲解，在这里只做简要说明。P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能，在很多时候可以根据应用的需要，把几条端口线设置为第二功能，而另外几条端口线处于第一功能运行状

26、态，此时不宜对P3口进行字节操作，需采用位操作的形式。由于输出信号锁存在引脚上并且有双重功能，P3口也称为静态双功能口。表1.1P3口第二功能表引脚第 二 功 能P3.0RXD串行口输入口P3.1TXD串行口输出口P3.2外部中断0请求输入口，低电平有效P3.3外部中断1请求输入口，低电平有效P3.4T0定时器/计数器0计数脉冲输入口P3.5T1定时器/计数器1计数脉冲输入口P3.6外部数据存储器写选通信号输出口，低电平有效P3.7外部数据存储器读选通信号输出口，低电平有效综上所述，AT89C51单片机功能多、引脚数少，因而许多引脚都具有第二功能，所以在学习过程中可以先掌握各个引脚的基本功能，

27、再结合本书后续相应章节内容进一步理解和掌握第二功能。1.3单片机最小系统单片机最小系统，或者称为单片机最小应用系统，是指在尽可能少的外部电路的条件下，形成一个可以独立工作的单片机系统。对于51系列单片机来说，最小系统一般包括主控芯片（单片机）、时钟电路、复位电路、按键输入、输出显示等。单片机最小系统结构框图如图1.2所示。图1.2单片机最小系统结构框图1.3.1时钟电路与时序时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号。单片机的时钟控制信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，在时钟信号的控制下，单片机严格按一定的节拍进行工作（按一定的时序执行指令）。1时钟电路时钟频率直接影响单片机的速度

28、，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。AT89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部时钟方式和外部时钟方式。（1）内部时钟方式。AT89S51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其频率范围为1.212MHz，XTAL1和XTAL2分别为放大器的输入端和输出端，这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。内部时钟方式的外部电路如图1.3所示。其中，电容C1、C2起稳定振荡频率、快速起振和微调的作用，电容值一般在530pF，振荡器的振荡频率主要取决于晶振，晶振频率的典型值为12MHz，采用6MH

29、z的情况也比较多。设计电路板时，晶振、电容应尽可能地靠近单片机，以减少分布电容的影响，从而保证振荡器稳定、可靠地工作。内部时钟方式所得到的时钟信号比较稳定，实际应用中使用较多。（2）外部时钟方式。外部时钟方式是把外部时钟源产生的时钟信号引入单片机内部，将其信号接单片机XTAL1脚，XTAL2脚悬空，使单片机的时钟和外部信号保持同步，常用于多片AT89C51单片机同时工作。外部时钟方式的外部电路如图1.4所示。为了提高输入电路的驱动能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相器后接入XTAL1脚。图1.3内部时钟方式的外部电路图1.4外部时钟方式的外部电路2时序单片机的工作过程是：取一条

30、指令、译码、进行微操作，再取一条指令、译码、进行微操作，这样自动地、一步一步地由微操作依序完成相应指令规定的功能。各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序称做时序。时序是用定时单位来说明的。AT89C51单片机的时序定时单位共有4个，从小到大依次是节拍、状态、机器周期和指令周期，如图1.5所示，下面分别加以说明。（1）节拍与状态。单片机以晶体振荡器的振荡周期（或外部引入的时钟周期）为最小的时序单位，定义为节拍（用P表示）。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号的周期，定义为状态（用S表示），也称为时钟周期。这样，一个状态就包含两个节拍，且前半周期对应的节拍称为节拍1（P1）

31、，后半周期对应的节拍称为节拍2（P2）。若单片机的外接晶振频率为12MHz，则：时钟电路产生的振荡脉冲经过分频器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。要特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误。图1.5AT89C51单片机的时钟信号（2）机器周期。AT89C51单片机采用定时控制方式，因此有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2S6P2。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此振荡脉冲十二分频后形成机器周期。若单片机的外接晶振频率为12

32、MHz，则机器周期为：（3）指令周期。指令周期是最大的时序定时单位，是指执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。不同的指令所需要的机器周期数也不相同。AT89C51单片机的指令按执行时间可以分为3类：单周期指令、双周期指令和四周期指令，四周期指令只有乘法和除法指令，其余均为单周期和双周期指令。若单片机的外接晶振频率为12MHz时机器周期为，则指令周期为14个机器周期，即为。1.3.2复位电路单片机复位是使单片机和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的工作就是从复位开始的，例如复位后PC=0000H，单片机从程序存储器的第一个单元取指令。除单片机

33、的正常初始化外，当程序出错（如程序“跑飞”）或操作错误使系统处于“死锁”状态时，也需要复位，使单片机摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动程序。1复位的条件利用外部硬件电路在单片机的复位引脚（RST，9脚）加上一个持续两个机器周期（即24个振荡周期）以上的高电平，单片机即进入复位工作方式。例如，若时钟频率为12MHz，每机器周期为1s，则只需2s以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。需要注意的是，在单片机刚开始接上电源（上电）时，考虑到振荡器有一定的起振时间，RST引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。2复位电路实际应用中，复位操作有两种基本形式：一种是

34、上电复位，另一种是按键与上电均有效的复位，如图1.6所示。（a）上电复位电路（b）按键与上电复位电路图1.6单片机复位电路（1）上电复位：要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。常见的上电复位电路如图1.6（a）所示，该电路是利用电容充电来实现的。在上电瞬间，RST引脚的电位与VCC相同，随着电容C的充电，充电电流的减少，RST引脚的电位逐渐下降。只要保证RST引脚为高电平的时间大于两个机器周期，单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为12MHz时，C为，R为；晶振为6MHz时，C为，R为。对于CMOS型单片机，由于在RST引脚内部有一个下拉电阻，可将电阻R去掉，而将电容

35、C选为。（2）按键与上电复位：除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。常见的按键与上电复位电路如图1.6（b）所示，该电路除具有上电复位功能外，在单片机运行期间，若要复位，只需按下按键S，此时+5V电源经电阻Rs、Rk分压，在RST引脚产生一个复位高电平，从而使单片机完成复位操作，其中Rs典型值为。单片机复位期间不产生ALE和信号，即ALE=1，=1。这表明单片机复位期间不会有任何取指令操作。3单片机复位后的状态单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。初始化后，内部各专用寄存器的状态如表1.2所示。（1）复位后，程序计数器PC值为0000H，表明复位后程序从0000H地址单元开始执行。（2）单

36、片机启动后，片内RAM为随机值，运行中复位操作不修改片内RAM的内容。（3）P0P3口值为FFH。P0P3口用作输入口时，必须先写入1。单片机在复位后，已使P0P3口每一端线为1，此时不但可用于输出，也可以用于输入。表内其他特殊功能寄存器会在后续章节逐步进行讲解。表1.2单片机的复位状态寄存器状态寄存器状态PC0000HTMOD00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HIP0 0000BSBUF未定IE00 0000BSCON00HP0P3FFHPCON(HMOS)0BTCON00HPCON(CHMOS)00000B1.3.3单片

37、机最小系统的组成结构使用AT89C51单片机设计一个单片机最小系统，一般需要满足如下基本要求。（1）电源电路：一般采用7805三端稳压集成电路，为单片机提供+5V的稳压电源。（2）时钟电路：一般采用内部时钟方式。（3）复位电路：具有上电复位和手动复位功能，一般采用按键与上电复位电路。（4）使用单片机片内程序存储器，/VPP（31脚）接高电平：对于AT89C51单片机来讲，片内4KB Flash程序存储器往往可以满足程序需要，不需要扩展外部存储器，所以只需将接高电平（不能悬空）。（5）具有基本的人机交互接口：按键输入、LED显示功能等。（6）具有一定的可扩展性，单片机I/O口可方便地与其他电路板

38、连接。如图1.7所示的电路就是一个典型的单片机最小系统，包括主控芯片（AT89C51单片机）、7805稳压电源电路、采用内部时钟方式的外接晶振电路、按键与上电复位电路、使用片内程序存储器（/VPP（31脚）接高电平）和LED显示电路。图1.7典型的单片机最小系统电路1.4让单片机动起来模拟开关灯通过前面内容的学习，我们对单片机有了初步的认识，下面设计一个简单的单片机应用系统模拟开关灯。通过该实例，可从宏观上更直观地认识单片机应用系统。1.4.1模拟开关灯设计要求利用AT89C51单片机、1个开关和1个发光二极管，构成一个开关灯系统。在单片机P1.0口接一个发光二极管（低电平有效），在P3.0口

39、接一个单刀开关（低电平有效）。要求实现开关闭合时，发光二极管亮，开关断开时，发光二极管灭。开关与发光二极管没有任何电气上的联系。为了缩短开发周期，降低开发成本，这里采用Proteus仿真软件进行虚拟仿真。在Proteus ISIS开发环境下，单片机系统的设计与仿真一般分为3个步骤。（1）Proteus ISIS平台下的电路设计。在Proteus ISIS平台下进行单片机系统电路原理图的设计，主要包括选择元器件、连接插件、连接电路和检查电气属性等。（2）Keil Vision软件平台下的源程序设计和生成目标代码文件。在Keil Vision软件平台上进行源程序的输入、编译与调试，并生成目标代码文

40、件（*.hex文件）。（3）调试与仿真。在Proteus ISIS平台下将目标代码文件（*.hex文件）加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真。也可使用Proteus ISIS与Keil Vision软件的联合仿真调试。它在相当程度上反映了实际中单片机系统的运行情况。Proteus ISIS平台和Keil Vision软件平台的使用详见附录A和附录B。1.4.2模拟开关灯电路设计1电路原理图根据设计要求，模拟开关灯电路原理图如图1.8所示。图中时钟电路采用内部时钟方式，晶振频率选取12MHz，微调电容C1、C2为30pF。复位电路采用按键与上电复位电路，电容C3为22F电解电

41、容，电阻R1为。（31脚）接高电平，使用内部程序存储器。单片机P1.0口接一个发光二极管的负极，为了避免将发光二极管烧掉，所以串联限流电阻R2，阻值为。单片机P3.0口接一个单刀开关，为了确保P3.0口能够检测到正确的输入电平，设计电路时添加上拉电阻R3，阻值为。22F图1.8模拟开关灯电路原理图2Proteus电路设计Proteus ISIS平台下进行单片机系统电路原理图的设计步骤如下。（1）进入Proteus ISIS工作界面。双击桌面上的ISIS 7 Professional图标或者执行“开始”“程序” Proteus 7 Professional ISIS 7 Professional

42、命令，出现如图1.9所示的启动界面，表明进入Proteus ISIS集成环境。图1.9Proteus ISIS的启动界面Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，包括标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口和图形编辑窗口，如图1.10所示。图1.10Proteus ISIS工作界面（2）将所需元器件添加到对象选择器窗口。单击“对象选择”按钮，弹出如图1.11所示的选取元器件对话框。在其左上角“关键字”文本框中输入元器件名称，如AT89C51，则在元件列表中自动搜索与关键字匹配的元器件。

43、在元件列表中双击AT89C51所在行，或单击选中AT89C51所在行，再单击“确定”按钮，即可将AT89C51添加至对象选择器窗口。本设计中使用的各元器件的关键字分别为AT89C51、CRYSTAL（晶振）、CAP（瓷片电容）、CAP-ELEC（电解电容）、LED（发光二极管）、RES（电阻）和SWITCH（单刀开关）。图1.11选取元器件对话框（3）放置元器件至图形编辑窗口。单击绘图工具栏中的“元器件模式”按钮，显示出区域中的元器件，单击对象选择窗口中的元器件名称，选中该元器件，将鼠标指针移动至图形编辑窗口中该对象的放置位置并单击，即可完成该对象的放置。若需要移动对象，将鼠标指针移到该对象上

44、，单击选中对象，按下鼠标左键，将对象拖动至新位置后释放鼠标，即可完成移动操作。（4）放置电源、接地。单击绘图工具栏中的“终端模式”按钮，如图1.12所示，在对象选择窗口中选择POWER选项以选中电源，将鼠标指针移动至图形编辑窗口电源的放置位置并单击，即可放置电源。放置接地GROUND的操作类似。（5）元器件之间的连线。Proteus具有线路自动路径功能，系统默认自动布线有效，可通过使用标准工具栏中的命令按钮来关闭或打开。依次单击元器件引脚间、线间等要连线处，会自动生成连线。（6）设置、修改元器件的属性。Proteus库中的元器件都有相应的属性，要设置、修改元器件的属性，可以在图形编辑窗口双击该

45、元器件，则弹出“编辑元件属性”对话框，可在其中进行设置、修改。如图1.13所示为AT89C51的编辑元件属性对话框。图1.12添加信号终端图图1.13AT89C51的编辑元件属性对话框（7）电气检查。电路设计完成后，单击“电气检查”按钮，会出现电气检查报告。电气检查也可以通过执行“工具”“电气规则检查”命令完成。通过以上各个步骤的操作后，即可完成电路原理图的设计。1.4.3模拟开关灯程序设计1程序流程图模拟开关灯程序流程图如图1.14所示。图1.14模拟开关灯程序流程图2源程序设计通过Keil Vision软件建立工程，然后再建立源程序文件“模拟开关灯.c”，具体操作详见附录B。参考源程序如下：/*/#include /AT89C51的头文件void main(void) /主函数 while(1) If(P3_0=0) P1_0=0; /开关闭合，灯亮 else P1_