任務1 單片機最小系統(tǒng)的組成

任務描述

☆要求在Proteus仿真軟件中建立一個設計文件，在文件中完成AT89S52單片機最小系統(tǒng)電路設計。

學習目標

了解AT89S52單片機結構，掌握AT89S52單片機的引腳功能，掌握AT89S52單片機最小系統(tǒng)電路設計，能在仿真軟件Proteus中建立相關文件并搭建單片機控制系統(tǒng)。

任務分析

任務要求掌握AT89S52單片機最小系統(tǒng)電路設計。所有單片機控制系統(tǒng)都由單片機最小系統(tǒng)和外圍電路組成，最小系統(tǒng)是組成單片機硬件系統(tǒng)的基礎。要使用Proteus仿真軟件設計單片機最小系統(tǒng)，必須了解單片機的結構與功能，熟悉Proteus電路設計的方法。

完成任務

基本概念

一、單片機

1.單片機

一臺能夠工作的計算機要有這樣幾個部分構成：中央處理單元CPU（進行運算、控制）、隨機存儲器RAM（數(shù)據(jù)存儲）、存儲器ROM（程序存儲）、輸入/輸出設備I/O（串行口、并行輸出口等）。在個人計算機（PC）上這些部分被分成若干塊芯片，安裝在一個被稱為主板的印制線路板上。而在單片機中，這些部分全部被做到一塊集成電路芯片中了，所以就稱為單片機，而且有一些單片機中除了上述部分外，還集成了其他部分如模擬量/數(shù)字量轉換（A/D）和數(shù)字量/模擬量轉換（D/A）等。

隨著單片機在技術上、體系結構上的不斷進步，使其控制功能不斷擴展，它的主要作用已不是計算，而是控制，國際上逐漸采用“MCU”，即“微控制器”作為單片機界公認的名詞。在國內因為單片機一詞已約定成俗，所以一直繼續(xù)沿用。

2.AT89S52單片機功能

AT89S52是一種低功耗、高性能8位CMOS微控制器，具有以下標準功能： 8KB的Flash存儲器，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時/計數(shù)器，一個6向量二級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。

3.AT89S52單片機引腳

AT89S52單片機引腳如圖1-1-1所示，實際有效的引腳為40個，為了盡可能減少引腳數(shù)，AT89S5l/S52單片機的不少引腳具有第二功能，也稱為復用功能。

（1）輸入/輸出引腳（P0、P1、P2和P3端口引腳）

P0～P3是AT89S52單片機與外界聯(lián)系的4個8位雙向并行I/O端口。

① P0.0～P0.7：P0口的8位I/O端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)，故這些I/O線有地址/數(shù)據(jù)總線之稱，簡寫AD0～AD7。在不作為總線時，也可作為普通I/O口使用。

對程序存儲器編程時，從P0輸入指令字節(jié)；在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)（驗證時需外接上拉電阻）。

② P1.0～P1.7：P1口的8位I/O端口。AT89S52單片機的P1口除了可以作為一般的I/O口外，其中5位還有第二功能，如表1-1-1所示。

③ P2.0～P2.7：P2口的8位準雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址即A8～A15。在不作為總線時，也可作為普通I/O口使用。

④ P3.0～P3.7：P3口的8位準雙向I/O端口。這8個引腳都具有專門的第二功能，如表1-1-2所示。

（2）控制引腳

① XTAL1和XTAL2：時鐘電路引腳XTAL1接外部晶體的一端，它是片內振蕩器反向放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，外部時鐘振蕩信號直接送入此引腳作為驅動端。XTAL2接外部晶體的另一端，它是片內振蕩器反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若采用外部時鐘電路時，此引腳懸空不用。

② RST：復位輸入端，在該腳輸入2個機器周期以上的高電平將使單片機復位。

③ ALE ALE/PROG：地址鎖存允許輸出/編程脈沖輸入端。這個引腳具有兩種功能。在訪問片外存儲器時，ALE作為鎖存擴展地址低位字節(jié)的輸出控制信號（稱允許鎖存地址），平時不訪問片外存儲器時，該端也以1/6 的時鐘振蕩頻率固定輸出正脈沖，供定時器或其他使用。對片內存儲器編程（固化）時，此引腳用于輸入編程脈沖，此時為低電平有效。

④ PSEN：片外程序存儲器選通控制信號端。在訪問片外程序存儲器時，此端輸出負脈沖作為程序存儲器讀選通信號。CPU在向片外程序存儲器取指令期間，PSEN信號在12個時鐘周期中兩次生效。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)。

⑤ EA/VPP：為內、外程序存儲器選擇/編程電源輸入端。這個引腳具有兩種功能。當端EA接高電平時，CPU從片內程序存儲器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當?shù)刂烦?KB時，將自動執(zhí)行片外程序存儲器的程序；當EA端接低電平時，CPU僅訪問片外程序存儲器，即CPU直接從片外程序存儲器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。在對閃存編程時，此引腳用于施加編程電壓VPP。

（3）電源引腳

① GND：接地。

② Vcc：電源輸入，接+5V電源。

4.單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對AT89S52單片機來說，最小系統(tǒng)如圖1-1-2所示，包括AT89S52單片機、振蕩電路及復位電路。

（1）振蕩電路

單片機是一個超大規(guī)模的同步時序邏輯電路器件，單片機運行程序時，必須有同步時鐘信號來協(xié)調各個部分的工作時序。圖1-1-2中接在18、19引腳之間的石英晶體與單片機內部的高增益反向放大器共同構成振蕩電路，振蕩頻率為11.0592MHz。圖中18、19引腳分別對地接了一個15pF的電容，目的是幫助振蕩電路起振，同時防止單片機自激。

（2）復位電路

單片機復位后，將內部的一些特殊功能寄存器設置成規(guī)定的狀態(tài)，并從起始地址0000H開始重新執(zhí)行程序。

圖1-1-2 中R1、C3、S1 組成的單片機外部復位電路有上電自動復位和按鍵手動復位兩種功能。上電復位是利用電容器充電來實現(xiàn)的，上電瞬間，R1、C3 電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST引腳端保持10ms以上高電平，就能使單片機有效地復位。正常運行時，AT89S52單片機的RST端應該輸入低電平。

單片機運行時，按下按鍵S1，電容C3放電，RST端出現(xiàn)高電平，促使單片機手動復位。

（3）電源及其他

要使單片機工作，還必須有工作電源與應用程序。AT89S52內部有8KB程序存儲單元，圖1-1-2中EA接高電平，使用片內的程序存儲器，單片機所需的+5V電源從VCC端和GND端接入。

二、Proteus仿真軟件

Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司出版的EDA工具軟件，可完成從原理圖布圖、PCB設計、代碼調試到單片機與外圍電路的協(xié)同仿真，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。Proteus軟件主要具有以下特點：

（1）具有強大的原理圖繪制功能。

（2）實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路的系統(tǒng)仿真、RS-232動態(tài)仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。

（3）支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。

（4）提供軟件調試功能。具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各變量以及寄存器等的當前狀態(tài)，并支持第三方編譯和調試環(huán)境，如wave6000、Keil等軟件。

完成任務

一、建立并保存設計文件

（1）新建設計文件

執(zhí)行“文件”→“新建設計”命令，在彈出的“新建設計”對話框中選擇“DEFAULT”模板后單擊“確定”按鈕。

（2）保存設計文件

執(zhí)行“文件”→“保存設計”命令，在彈出的“保存ISIS設計文件”對話框中指定文件夾、輸入文件名“單片機最小系統(tǒng)”并選擇保存類型為“設計文件（*.DSN）”后單擊“保存”按鈕。

二、設計電路原理圖

1.選取元器件

從Proteus元器件庫中選取元器件AT89C52（沒有AT89S52時可用AT89C52代替），點擊工具箱的元器件按鈕，使其選中，再單擊ISIS對象選擇器左邊中間的置P按鈕，在彈出的“Pick Devices”（選取元器件）對話框的“關鍵字”欄中輸入元器件名稱“AT89C52”，與關鍵字匹配的元器件顯示在元器件列表（結果）中。雙擊選中的元器件“AT89C52”，便將所選元器件“AT89C52”加入到對象選擇器窗口，單擊“確定”按鈕完成元器件選取。

用同樣方法選取其他元器件。從Proteus元器件庫中選取元器件CRYSTAL（晶振）、CAP（電容）、CAP-ELEC（電解電容）、RES（電阻）、BUTTON（按鈕）。

2.放置元器件

單擊對象選擇器窗口的元器件“AT89C52”，元器件名“AT89C52”變?yōu)樗{底白字，預覽窗口顯示“AT89C52”元器件；單擊方向工具欄按鈕可實現(xiàn)元器件的左旋、右旋、水平和垂直翻轉，以調整元器件的擺放方向；將鼠標指針移到編輯區(qū)某一位置，單擊一次就可放置元器件“AT89C52”。用同樣方法放置其他元器件。

3.編輯元器件

單擊模式選擇工具欄“編輯”按鈕，進入編輯狀態(tài)。右擊（或單擊）元器件，該元器件變?yōu)榧t色表明被選中，鼠標指針放到被選中的元器件上，按住鼠標左鍵拖動，將鼠標移到編輯區(qū)某一位置松開，即完成元器件的移動。鼠標指針放到被選中的元器件上右擊，單擊彈出的快捷菜單中的方向工具欄按鈕可實現(xiàn)元器件的旋轉和翻轉。右擊被選中的元器件，可刪除該元器件。被選中的元器件外單擊，可撤銷選中。

4.放置終端

單擊模式選擇工具欄“終端”按鈕，單擊對象選擇器窗口的電源終端“POWER”，該終端名背景變?yōu)樗{色，預覽窗口顯示該終端；單擊方向工具欄“左旋轉”按鈕，電源終端逆時針旋轉90°；將鼠標指針移到編輯區(qū)某一位置，單擊一次就可放置一個終端。用同樣方法放置接地終端“GROUND”。

5.連線

Proteus具有實時捕捉功能，即當鼠標指針指向引腳末端或者導線時，鼠標指針將會被捕捉到自動出現(xiàn)一個綠色筆，表示從此點可以單擊畫線。直接單擊兩個元器件的連接點，ISIS即可自動定出走線路徑并完成兩連接點的連線操作。

6.屬性設置

先右擊后單擊元器件電容C1，彈出的“編輯元件”對話框，將電容量改為15pF，單擊“確定”按鈕完成元器件電容C1屬性編輯。用同樣方法編輯其他元器件屬性。

7.電氣規(guī)則檢測

執(zhí)行“工具”→“電氣規(guī)則檢查”命令，彈出檢查結果窗口，完成電氣檢測。若檢測出錯，根據(jù)提示修改電路圖并保存，直至檢測成功。在Proteus中設計的單片機最小系統(tǒng)如圖1-1-3所示。

繪圖技巧

如圖1-1-2和圖1-1-3所示的是同一個單片機最小系統(tǒng)原理圖。在繪制一般的單片機原理圖時，可以將該電路原理沒有涉及的器件引腳不畫出，需要用到的器件引腳可以自行安排在器件周圍的合適位置，如圖1-1-2所示，電路圖比較簡潔。利用Proteus設計電路原理圖時，因為器件都要從元件庫中調出，通常器件的引腳都已經(jīng)畫出，位置也已經(jīng)固定，繪圖時，需要合理地安排各元器件的位置，使元器件之間的連線不致太亂。當電路比較復雜時，應該使用總線。

知識鏈接

一、單片機的應用與選型

1.單片機的應用領域

單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇。

（1）在智能儀器儀表上的應用

單片機廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。

（2）在工業(yè)控制中的應用

用單片機可以構成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如，工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構成二級控制系統(tǒng)等。

（3）在家用電器中的應用

現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、音響視頻器材，再到電子秤設備，五花八門，無所不在。

（4）在計算機網(wǎng)絡和通信領域中的應用

通信設備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機、電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信，到集群移動通信，無線電對講機等。

（5）單片機在醫(yī)用設備領域中的應用

單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等。

（6）在各種大型電器中的模塊化應用

某些專用單片機設計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構。如音樂集成單片機。在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。此外，單片機在工商、金融、科研、教育、國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。

2.單片機的選型

單片機的型號很多，選擇合適的單片機能使開發(fā)工作事半功倍，所以學習單片機首先要了解單片機的基本信息，例如，單片機種類，單片機的配置，可靠性和抗干擾能力，性價比等。通常選擇單片機至少應該關心以下幾個方面。

（1）存儲器空間

主要是程序存儲器大小和數(shù)據(jù)存儲器大小，通常單片機的數(shù)據(jù)存儲器最小128B，最大是1KB，程序存儲器1KB到64KB不等。我們根據(jù)每個存儲器的大小選擇相應單片機。

（2）單片機的運行速度

不同型號的單片機運行速度不同，單片機AT89S52用的晶振最高33MHz，STC89C52單片機晶振可以達到80MHz。頻率越高運行速度也越快，但這時就要考慮單片機高頻時系統(tǒng)的穩(wěn)定性因素了。

（3）是否擴展一些功能

串行口的數(shù)量，是否帶有A/D及D/A轉換器等，要根據(jù)系統(tǒng)需要選擇，否則選用外圍器件比單片機組合的成本要高得多，而且要額外占用單片機的資源，如三總線被占用等。

（4）成本和質量

同樣功能的單片機不同廠家質量不同，價格不同，即使功能差不多價格相差也很大。同一型號的單片機又分商業(yè)級別、工業(yè)級別及軍用級別，它們的質量不同，價格相差甚遠，要根據(jù)實際設計要求選型。

二、Proteus電路設計

1.新建設計文件

運行ISIS，它會自動打開一個空白文件，或者選擇工具欄中的新建文件按鈕，也可以執(zhí)行File→New Design菜單命令，單擊OK按鈕，創(chuàng)建一個空白文件。不管哪種方式新建的設計文件，其默認文件名都是UNTITLED.DSN，其圖紙樣式都是基于系統(tǒng)的默認設置，如果圖紙樣式有特殊要求，用戶可以從System菜單進行相應的設置。單擊“保存”按鈕，彈出“Save ISIS Design File”對話框，選擇好設計文件的保存地址后，在文件名框中輸入設計文件名，再單擊“保存”按鈕，則完成新建設計文件操作，其擴展名自動為.DSN。

2.選取元器件并添加到對象選擇器中

選擇主模式工具欄中的按鈕，并選擇對象選擇器中的P按鈕，或者直接單擊編輯工具欄中的按鈕，也可以使用快捷鍵P（ISIS系統(tǒng)默認的快捷鍵，表示Pick），會出現(xiàn)如圖1-1-4所示的選擇元器件對話框。

以選擇AT89C52為例，在選擇元器件對話框左上“關鍵字”（Keywords）一欄中輸入元器件名稱“AT89C52”，則會出現(xiàn)與關鍵字匹配的元器件列表，選中并雙擊AT89C52所在行或單擊AT89C52所在行后，再單擊OK按鈕，便將器件AT89C52加入到ISIS對象選擇器中。按此操作方法可以完成其他元器件的選取，將設計中所用的元器件都加入到ISIS對象選擇器中，如圖1-1-5所示。

3.圖紙柵格設置

在ISIS編輯區(qū)內有點狀的柵格，可以通過View菜單的Grid命令在打開和關閉間切換。點與點之間的間距由當前的捕捉設置決定，捕捉的尺度也是移動元器件的步長單位，可根據(jù)需要改變這一單位。單擊View菜單后，在其下拉菜單中單擊所需要的捕捉柵格單位即可。

4.元器件放置與布局

單擊ISIS對象選擇器中的元器件名，藍色條出現(xiàn)在該元器件名上。把鼠標移動到編輯區(qū)某位置后，單擊就可放置元器件于該位置，每單擊一次，就放置一個元器件。在ISIS中，鼠標操作與傳統(tǒng)的發(fā)生不同，右鍵選取、左鍵編輯或移動：

（1）右鍵單擊——選中對象，此時對象呈紅色；再次右擊已選中的對象，即可刪除對象。

（2）右鍵拖曵——框選一個塊的對象。

（3）左鍵單擊——放置對象或對選中的對象編輯屬性。

（4）左鍵拖曵——移動對象。

（5）按住鼠標中心鍵滾動——以鼠標停留點為中心，縮放電路。

5.放置電源和地

單擊模式選擇工具欄中的連接端子按鈕，在ISIS對象選擇器中單擊POWER（電源），在編輯區(qū)要放置電源的位置單擊即可，放置GROUND（地）的操作類似。

6.設置、修改元器件屬性

Proteus庫中的元器件都有相應的屬性，可右擊放置在ISIS編輯區(qū)中的元器件（顯示高亮度）后，在彈出的對話框中選擇“Edit Properties”，打開“編輯元器件屬性”窗口。或直接左鍵雙擊目標元器件，打開“編輯元器件屬性”窗口。在屬性窗口中設置、修改其屬性，包括名稱、參數(shù)值等。

7.電路圖連線

ISIS編輯環(huán)境，沒有提供專門的連線工具，省去了用戶選擇連線模式的麻煩。Proteus具有實時捕捉功能，即當鼠標指針指向引腳末端或者導線時，鼠標指針將會被捕捉到自動出現(xiàn)一個綠色筆，表示從此點可以單擊畫線。該功能可以方便實現(xiàn)導線和引腳的連接。

（1）自動連線：直接單擊兩個元器件的連接點，ISIS即可自動定出走線路徑并完成兩連接點的連線操作。

（2）手工調整線形：如果想自己決定走線路徑，只需單擊第一個元器件的連接點，然后在希望放置拐點的地方單擊，最后單擊另一個元器件的連接點即可，放置拐點的地方會呈“×”樣式。

（3）移動連線：左鍵單擊選中連線，鼠標指針變?yōu)殡p箭頭，表示可沿垂直于該線的方向移動，此時拖動鼠標，選中的畫線會跟隨移動。

（4）改變連線形狀：只要按住拐點或斜線上任意一點，鼠標指針變?yōu)樗南蚣^，表示可以任意角度拖動連線。

（5）取消畫線：在畫線的過程中，若要取消畫線，直接右鍵單擊或按鍵盤上的【Esc】鍵。

（6）刪除連線：若要刪除某段連線，可以右鍵單擊選中該連線，在彈出的菜單中選擇“Delete Wire”或者直接右鍵雙擊。

8.總線應用

為了簡化電路原理圖，我們可以用一條導線代表數(shù)條并行的導線，這就是所謂的總線。當電路中多根數(shù)據(jù)線、地址線、控制線并行時，使用總線較為方便。

（1）畫總線：單擊左邊主模式工具欄中的總線按鈕，即可在Proteus ISIS編輯窗口中畫總線。初次使用者，會感覺在編輯窗口中畫不上，記住一定要先在要畫線的地方單擊一下，然后總線便隨著鼠標的移動開始畫出，需要拐彎時，在拐角處單擊一下，想要結束畫總線時要先單擊一下表示總線結束點，然后再單擊即可畫完總線。

（2）總線標注：當總線畫完后，要給總線標注，總線的標注名可以與單片機的總線名相同，也可不同。總線標注時可以單擊左邊主模式工具欄中的總線放置標號按鈕，鼠標移動到所畫的總線上變成“×”形狀后單擊，或右鍵單擊總線，在彈出的對話框中選擇“Place Wire Lable”即可進行標注。

（3）畫總線分支線：總線分支線是用來連接總線和元器件引腳的，與畫一般的導線方法相同。畫總線分支線的簡便方法是采用Proteus提供的重復布線（Wire Repeat）技術。假設要把單片機的P2口和總線相連，先畫P2.0口與總線相連的分支線，再畫P2口的其他分支線時，只需在引腳處雙擊，此時重復布線功能被激活，自動在引腳和總線之間完成連線。重復布線完全復制了上一根線的路徑，如果上一根線已經(jīng)是自動重復布線將仍舊自動復制該路徑。如果上一根線是手工布線，那么將精確復制新的線。

（4）分支線標注：右鍵單擊分支線選中它，在彈出的對話框中選擇“Place Wire Lable”即可進行標注。

9.連接端子應用

在電路設計時，有時需要從某一端口接多條連線，直接連線會顯得很亂，這時可以采用添加連接端子的方式。

添加連接端子的操作是：單擊左側小型配件按鈕中的連接端子按鈕，在選擇元器件對話框出現(xiàn)不同端子可供選擇。單擊需要的連接端子，在對象預覽器中會有連接端子的預覽，在Proteus ISIS編輯窗口中單擊即可放置連接端子，選中放置的連接端子單擊后，彈出編輯連接端子標號“Edit Terminal Label”對話框，輸入相應的標號即可。

思考與練習

設計一個AT89C2051單片機最小系統(tǒng)。