基于STC芯片的单片机最小系统设计

摘要：
单片机是以一个大规模集成电路为主组成的微型计算机，在一个芯片内含有计算机的基本功能部件：中央处理器CPU、存贮器和I/O接口，CPU通过内部的总线和存贮器、I/O接口相连。

典型的单片机内部结构如下图：
1 单片机介绍
单片机也被称为微控器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。

随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端[1]的型号也只有10美元。

当代单片机系统已经不再只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。

而在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。

2 单片机历史
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

起初模型
1.SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单
片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，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道路上，Intel公司功不可没。

2.MCU 即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断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。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

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。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

嵌入式系统
单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就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发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

3 89C52芯片介绍
89C52引脚：
VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，
被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口
管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2
口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位
地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”
后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，
管脚备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
RST：复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出
正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE 的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作
用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序
存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

STC89C52芯片共40引脚:
1~8脚: 通用I/O接口p1.0~p1.7
9脚: rst复位键
10 .11脚:RXD串口输入 TXD串口输出
12~19:I/O p3接口 (12,13脚 INT0中断0 INT1中断1
14,15 : 计数脉冲T0 T1 16,17: WR写控制 RD读控制输出端)
18,19: 晶振谐振器 20 地线
21~28 p2 接口高8位地址总线
29: psen 片外rom选通端单片机对片外rom操作时 29脚(psen)输出低电平
30:ALE/PROG 地址锁存器
31:EA rom取指令控制器高电平片内取低电平片外取
32~39:p0.7~p0.0(注意此接口的顺序与其他I/O接口不同与引脚号的排列顺序相反)
40:电源+5V
4系统设计流程图
5．1 键盘控制流水灯原理图
流水灯硬件原理图
从原理图中可以看出，如果要让接在P2.0口的LED1亮起来，那么只要把P2.0口的电平变为低电平就可以了;相反，如果要接在P2.0口的LED1熄灭，就要把P2.0口的电平变为高电平;同理，接在P2.1～P2.7口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。

因此，要实现流水灯功能，我们只要将发光二极管LED1～LED8依次点亮、熄灭，8只LED 灯便会一亮一暗的做流水灯了。

在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到“流水”效果了。

5. 2流水灯程序
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
void delay(unsigned int time) {
while(time--);
}
void main()
{if(P1==0xfe){
while(1){
unsigned char i;
unsigned char j;
i=0;
j=0;
P2=0xfe;
for(i=0;i<8;i++)
{
P2=_crol_(P2,1);
delay(50000);
}
for(j=0;j<8;j++)
{
P2=_cror_(P2,1);
delay(50000);
}
}
}
}
单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能看到流水灯循环点亮的现象，我们还需要告诉单片机怎么来进行工作，即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化，来实现发光二极管的一亮一灭。

软件编程是单片机应用系统中的一个重要的组成部分，是单片机学习的重点和难点。

下面我们以最简单的流水灯控制功能即实现8个LED灯的循环点亮，来介绍实现流水灯控制的几种软件编程方法。

6．0电子琴设计原理图
6．1系统工作原理
本系统扫描键盘矩阵、显示按键、扬声器发出对应音符。

4X4行列式键盘识别及显示原理如下：
组成键盘的按键有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式多种，但不管什么形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。

目前微机系统中使用的键盘按其功能不同，通常可分为编码键盘和非编码键盘两种基本类型。

编码键盘：键盘本身带有实现接口主要功能所需的硬件电路。

不仅能自动检测被按下的键，并完成去抖动、防串键等功能，而且能提供与被按键功能对应的键码（如ASCII码）送往CPU。

所以，编码键盘接口简单、使用方便。

但由于硬件电路较复杂，因而价格较贵。

非编码键盘：键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。

有关按键的识别、键
码的确定与输入、去抖动等功能均由软件完成。

目前微机系统中，一般为了降低成本大多数采用非编码键盘。

键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。

（1）去抖动:每个按键在按下或松开时，都会产生短时间的抖动。

抖动的持续时间与键的质量相关，一般为5—20mm。

所谓抖动是指在识别被按键是必须避开抖动状态，只有处在稳定接通或稳定断开状态才能保证识别正确无误。

去抖问题可通过软件延时或硬件电路解决。

（2）防串键：防串键是为了解决多个键同时按下或者前一按键没有释放又有新的按键按下时产生的问题。

常用的方法有双键锁定和N键轮回两种方法。

双键锁定，是当有两个或两个以上的按键按下时，只把最后释放的键当作有效键并产生相应的键码。

N键轮回，是当检测到有多个键被按下时，能根据发现它们的顺序依次产生相应键的键码。

（3）被按键识别：如何识别被按键是接口解决的主要问题，一般可通过软硬结合的方法完成。

常用的方法有行扫描法和线反转法两种。

行扫描法的基本思想是，由程序对键盘逐行扫描，通过检测到的列输出状态来确定闭合键，为此，需要设置入口、输出口一个，该方法在微机系统中被广泛使用。

线反转法的基本思想是通过行列颠倒两次扫描来识别闭合键，为此需要提供两个可编程的双向输入/输出端口。

（4）键码产生：为了从键的行列坐标编码得到反映键功能的键码，一般在内存区中建立一个键盘编码表，通过查表获得被按键的键码。

用AT89S52的并行口P1接4×4矩阵键盘，以P1.0－P1.3作输入线，以P1.4－P1.7作输出线；在数码管上显示每个按键的“0－F”序号。

总体电路具体原理如下：
6．2系统硬件总体设计
本系统由键盘矩阵、LED显示管、扬声器这几个部分组成，LED显示管显示当前按键，扬声器发出对应音符。

硬件总体设计图如下：
6．3子系统（模块）一
LED显示模块如图2-2所示，利用AT89S51单片机的P0端口的P0.0－P0.7连接到一个七段数码管的a－h的笔段上，数码管的公共端接电源。

矩阵扫描显示当前按键模块如下：
6．4子系统（模块）二
矩阵扫描扬声器发出对应音符模块如下：
6．5子系统（模块）三
矩阵键盘模块图如下：
6．6系统软件总体设计
本系统的软件流程图如下：
6．7子系统一
七段LED显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的极管的接线形式，可分成共阴极型和共阳极型。

LED数码管的g~a 七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不以发亮，不同亮暗的组合就能形成不同的字形，这种组合称之为字形码。

本系统按键显示模块软件流程图如下：
6．8子系统二
一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便，我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系正确即可。

利用AT89C51的内部定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶，例如，频率为523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令计数器计时956μs/1μs＝956，每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。

计数脉冲值与频率的关系式(如式2-1所示)是：
N＝fi÷2÷fr 2-1
式中，N是计数值；fi是机器频率（晶体振荡器为12MHz时，其频率为1MHz）；fr是想要产生的频率。

其计数初值T的求法如下：
T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr
例如：设K＝65536，fi＝1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。

T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr
低音DO的T＝65536－500000/262＝63627
中音DO的T＝65536－500000/523＝64580
高音DO的T＝65536－500000/1046＝65059
本系统按键发出对应音符模块软件流程图如下：
6．9系统安装及配置说明
系统运行环境
WINDOWS XP PROTEUS 7.1 SP2 Keil uv3 2.12
系统安装及配置
安装Protues 和keil uVsision3。

7．0总结：
首先在这里感谢彭昕芸和陈锦儒老师，通过这次课程设计，我学到了不少课本上没有的知识，也锻炼了自己的动手能力，将以前学过的零散的知识串到一起。

通过课堂的学习，我较好的掌握了流水灯的运行原理，并自己动手做了一个流水灯模块，能很好的工作，通过在网上的学习和参考，我也自己用仿真软件做一个电子琴模块，电子琴模块基本能实现按下键盘矩阵中的按键会使数码管显示当前按键，扬声器播放对应的音符。

但由于仿真系统原因，本设计音频效果不是很好。

不足之处有：1.可弹奏的音符数较少，只能在一定范围内满足用户需要。

可通过改进键盘识别模块和发生模块来增加其复杂度2.音量不可调。

我的综合设计主要涉及硬件和软件两方面的内容，通过这些我的硬件和软件开发能力都获得了提高。

首先硬件方面，基本了解了电子产品的开发流程和所要做的工作。

基本掌握了Protel99SE原理图的方法，并设计了一个单片机最小系统。

通过开发板的设计和硬件搭建的过程，使我对51系单片机的接口有了更深层次的理解，熟悉了一些单片机常用的外围电路引脚和连接方法，如LED数码管，键盘等。

并且我学会了分析问题解决问题的能力，加深了对所学理论知识的理解和运用。

我的动手能力得到了很大的提高，创新意识得到了锻炼。

参考文献
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