51单片机从入门到精通：理论与实践指南入门篇（二）

续51单片机从入门到精通：理论与实践指南（一）https://blog.csdn.net/speaking_me/article/details/144067372

第一篇总体给大家在（全局）总体上讲解了一下51单片机，那么接下来几天结束详细讲解，从理论到实践。

那么开始我们的入门篇（二）吧

单片机的基本知识

1. 单片机的基本结构

1.1 中央处理器（CPU）

• 功能：执行指令，进行数据处理。
• 组成：运算器（ALU）、控制器、寄存器等。
• 特点：是单片机的核心部分，负责指令的执行和数据的运算。

1.2 存储器

• 内部RAM：
  • 容量：128字节。
  • 功能：存储数据变量。
  • 地址范围：00H-7FH。
• 外部RAM：
  • 扩展方式：通过P0和P2端口扩展。
  • 最大容量：64KB。
  • 地址范围：0000H-FFFFH。
• 程序存储器：
  • 类型：Flash存储器。
  • 容量：通常为4KB或8KB。
  • 功能：存储程序代码。
  • 地址范围：0000H-FFFFH。

1.3 输入/输出（I/O）端口

• 数量：4个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3）。
• 功能：与外部设备进行数据交换。
• 特点：每个端口都可以配置为输入或输出。
  • P0端口：8位双向I/O端口，也可作为地址/数据总线使用。
  • P1端口：8位双向I/O端口。
  • P2端口：8位双向I/O端口，也可作为地址总线的高8位使用。
  • P3端口：8位双向I/O端口，每个引脚都有第二功能（如串行通信、中断等）。

1.4 定时/计数器

• 数量：2个16位定时/计数器（Timer0和Timer1）。
• 功能：产生定时中断或计数外部脉冲。
• 模式：多种工作模式（模式0-3）。

1.5 中断系统

• 中断源：定时器溢出中断、外部中断、串行通信中断等。
• 优先级：高低优先级。
• 功能：处理外部事件，提高系统的实时性。

1.6 串行通信接口

• 类型：UART（通用异步收发传输器）。
• 功能：实现串行通信。
• 波特率：可配置，常见波特率为9600、115200等。

2. 单片机的封装案例

2.1 DIP（双列直插式封装）

• 特点：引脚从封装的两侧引出，垂直于PCB表面。
• 引脚数量：常见的有8、14、20、40等。
• 应用：适合手动焊接和实验板使用，常用于学习和开发初期。

2.2 SOP（小外形封装）

• 特点：引脚从封装两侧引出，呈L形。
• 引脚数量：常见的有8、14、20等。
• 应用：适合自动化生产和小型化设计。

2.3 QFP（四方扁平封装）

• 特点：引脚从封装的四个侧面引出，呈海鸥翼形。
• 引脚数量：常见的有32、44、64等。
• 应用：适用于大规模集成电路和高性能应用。

2.4 BGA（球栅阵列封装）

• 特点：引脚位于封装底部，呈球形。
• 引脚数量：常见的有64、100、200等。
• 应用：适用于高密度、高性能应用，如高性能处理器和高端单片机。

3. 单片机的应用场合

3.1 家电控制

• 应用：微波炉、洗衣机、空调等。
• 功能：控制设备的启停、定时及工作状态，提升家电的智能化程度。

3.2 工业自动化

• 应用：自动化生产线、机器人和仪器仪表。
• 功能：控制电机、传感器及其他设备，实现自动化控制和数据采集。

3.3 消费电子

• 应用：手机、平板电脑、智能手表等。
• 功能：负责用户界面的管理、数据处理及传感器接口。

3.4 嵌入式系统

• 应用：智能家居、车载系统、医疗设备等。
• 功能：提供智能控制及数据处理。

3.5 物联网（IoT）

• 应用：智能城市、智能农业等。
• 功能：通过网络连接实现远程监控和控制，推动智能城市发展。

3.6 教育与实验

• 应用：学校、实验室和个人项目。
• 功能：帮助学生和爱好者理解嵌入式系统和编程的基本概念。

4. 单片机控制系统的硬件搭建方法

4.1 单片机控制系统的基本结构

• 单片机：核心控制单元。
• 传感器：用于采集外部数据，如温度传感器、光敏传感器等。
• 执行器：用于执行控制动作，如电机、继电器等。
• 电源：为整个系统供电，通常为5V。
• 外围电路：如稳压电路、滤波电路等。
• 通信接口：如串口、SPI、I2C等，用于与其他设备通信。

4.2 硬件搭建步骤

1. 选择单片机：如STC89C52或AT89S52。
2. 晶振电路：连接晶振和两个20pF的瓷片电容到XTAL1和XTAL2引脚。
3. 复位电路：连接一个10kΩ的上拉电阻和一个10μF的电容到RST引脚。
4. 电源电路：连接5V电源，通过7805稳压器提供稳定的5V电压。
5. LED指示灯：连接一个LED和一个限流电阻到P1.0引脚。
6. 编程接口：连接ISP编程接口，用于烧写程序。

5. 单片机控制系统的开发过程

5.1 开发流程

1. 明确任务

   • 分析需求：了解项目的总体要求，制定性能指标。
   • 考虑因素：使用环境、可靠性、可维护性、成本等。

2. 划分软硬件功能

   • 硬件功能：选择硬件实现的功能，如数据采集、控制输出等。
   • 软件功能：选择软件实现的功能，如数据处理、用户界面管理等。

3. 选择单片机及其他关键部件

   • 单片机：选择满足系统需求的单片机，如STC89C52。
   • 关键器件：选择A/D、D/A转换器、传感器、放大器等。

4. 硬件设计

   • 原理图设计：使用Protel等软件设计电路原理图。
   • PCB设计：根据原理图绘制PCB图，生成生产文件。

5. 软件设计

   • 程序结构：确定软件系统的程序结构，划分功能模块。
   • 模块设计：编写各模块的程序代码。
   • 编程语言：选择合适的编程语言，如C语言。

6. 仿真调试

   • 软件仿真：使用Keil C51和Proteus进行系统仿真，检查程序逻辑和硬件连接。
   • 硬件调试：制作PCB板，焊接元器件，进行硬件调试。

7. 系统调试

   • 联调：将软件和硬件结合，进行系统联调。
   • 问题排查：解决调试过程中发现的问题。

8. 测试修改

   • 功能测试：进行全面的功能测试，确保系统正常工作。
   • 性能测试：测试系统的性能指标，如响应时间、稳定性等。
   • 修改完善：根据测试结果进行修改和完善。

9. 用户试用

   • 用户反馈：将系统交付用户试用，收集用户反馈。
   • 最终修改：根据用户反馈进行最终修改，确保系统满足用户需求。

51单片机的引脚

51系列单片机是一种广泛使用的8位微控制器，其典型代表是AT89S51和AT89S52。51系列单片机通常采用40引脚的双列直插式封装（DIP），这些引脚根据功能可以分为电源引脚、复位引脚、时钟引脚、I/O引脚和控制引脚。

1. 基本工作条件引脚

• 电源引脚：

  • VCC (Pin40)：正电源端，通常接5.0V电压。
  • GND (Pin20)：接地端，通常接0V。

• 复位引脚：

  • RST/VPD (Pin9)：复位信号输入端。单片机内部CPU的复位信号输入端。在单片机的振荡器启动后，该引脚置两个机器周期以上高电平，便可以实现复位。此外，该引脚还具有掉电保持功能，可以在掉电时保持RAM中的数据不丢失。

• 时钟引脚：

  • XTAL1 (Pin19)：时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。
  • XTAL2 (Pin18)：时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。
  • 工作方式：单片机的时钟振荡器有两种工作方式。一种是片内时钟振荡方式，在18和19脚外接石英晶体和振荡电容，振荡电容的值一般取10～30pF。另一种是外部时钟方式，由外部直接提供时钟源。

2. 输入/输出（I/O）引脚

• P0端口 (Pin39~Pin32)：

  • 功能：8位准双向I/O口，也可用于8位并行I/O口或分时复用为地址和数据总线。
  • 特点：需外接上拉电阻，在程序中向该端口写入1后，成为高阻抗输入口。P0口作为输出口时，每个引脚可以负载8个TTL。

• P1端口 (Pin1~Pin8)：

  • 功能：8位准双向并行I/O口。
  • 特点：内部已经具有上拉电阻，为8位准双向I/O口，能负载4个TTL；在Flash编程和校验时，定义为低8位地址线。

• P2端口 (Pin21~Pin28)：

  • 功能：8位准双向并行I/O口。
  • 特点：内部已经具有上拉电阻，为8位准双向I/O口，能负载4个TTL；当访问外部存储器时，定义为高8位地址线。

• P3端口 (Pin10~Pin17)：

  • 功能：8位准双向并行I/O口。
  • 特点：内部已经具有上拉电阻，为8位准双向I/O口，能负载4个TTL。P3口每个引脚都具有第二功能：
    • P3.0 (RXD)：串行数据接收端。
    • P3.1 (TXD)：串行数据发送端。
    • P3.2 (INT0)：外部中断0请求信号输入端。
    • P3.3 (INT1)：外部中断1请求信号输入端。
    • P3.4 (T0)：定时器/计数器T0的外部计数输入端。
    • P3.5 (T1)：定时器/计数器T1的外部计数输入端。
    • P3.6 (WR)：外部数据写选通信号。
    • P3.7 (RD)：外部数据读选通信号。

3. 控制引脚

• ALE/ (Pin30)：

  • 功能：地址锁存使能端和编程脉冲输入端。
  • 特点：当访问外部程序存储器时，ALE引脚的负跳变将低8位地址打入锁存；而非访问内部程序存储器时，ALE引脚将有一个1/6振荡频率的正脉冲信号，该信号可以用于外部计数或时钟信号。当访问外部数据存储器（执行MOVX类指令）时，ALE引脚会跳过一个脉冲。对8EH单元的特殊功能寄存器的D0位置1，可禁止ALE输出，只有在执行MOVX或MOVC类指令时，ALE才被激活，仍输出锁存有效。在执行片外程序代码时，该设定禁止ALE位无效。

• ** (Pin29)**：

  • 功能：访问外部程序存储器的读选通信号。
  • 特点：当单片机访问外部程序存储器，读取指令码时，每个机器周期产生2次有效信号，即此脚输出2个负脉冲选通信号；在执行片内程序存储器以及读写外部数据时，不产生 脉冲信号。

• EA/VPP (Pin31)：

  • 功能：访问内部或外部程序存储器选择信号。
  • 特点：当8051 CPU访问外部程序存储器时，则 必须保持低电平；当 保持高电平时，则8051 CPU先从片内0000H单元开始，执行内部程序存储器程序；如果外部还有扩展程序存储器，则8051 CPU在执行完内部程序存储器程序后，自动转向执行外部程序存储器中的程序。

TTL电平和COMS电平的概念

1. TTL电平

TTL（Transistor-Transistor Logic）电平是一种数字逻辑电平标准，广泛应用于数字电子系统和通信领域。TTL电平的特点如下：

• 逻辑高电平：通常定义为2.4V至5V之间的电压范围，其中5V被认为是最常见的高电平表示。
• 逻辑低电平：通常定义为0V至0.8V之间的电压范围，其中0V被认为是最常见的低电平表示。
• 噪声容忍度：TTL电平对于噪声的容忍度较低，因此在使用时需要注意信号的稳定性和干扰抑制。
• 功耗：TTL电路的功耗相对较高，但具有较快的开关速度。
• 输入特性：TTL电路的输入端开路时，默认为高电平。

2. CMOS电平

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）电平是另一种常见的数字电路电平标准。CMOS电平的特点如下：

• 逻辑高电平：通常定义为电源电压VDD的0.9倍以上，接近电源电压。
• 逻辑低电平：通常定义为电源电压VSS的0.1倍以下，接近0V。
• 噪声容忍度：CMOS电平对噪声的容忍度较高，具有较宽的噪声容限。
• 功耗：CMOS电路的功耗相对较低，主要因为CMOS门电路中的晶体管只有在切换时才会消耗能量。
• 速度：CMOS电平的切换速度相对较慢，适用于低功耗、低速的数字电路。
• 供电电压：CMOS电路的供电电压范围较广，通常在+5V至+15V之间均能正常工作。

3. TTL电平和CMOS电平的比较

• 电流控制 vs 电压控制：

  • TTL电路：是电流控制器件，输入端需要一定的电流才能正确识别电平。
  • CMOS电路：是电压控制器件，输入端几乎不需要电流。

• 功耗：

  • TTL电路：功耗较大，因为其内部的晶体管在导通时会有较大的电流。
  • CMOS电路：功耗较小，因为其内部的晶体管只有在切换时才会消耗能量。

• 噪声容忍度：

  • TTL电路：噪声容忍度较低，容易受到噪声干扰。
  • CMOS电路：噪声容忍度较高，具有较宽的噪声容限。

• 速度：

  • TTL电路：开关速度较快，适用于高速应用。
  • CMOS电路：开关速度较慢，适用于低速应用。

• 兼容性：

  • TTL电路：输出电平可以驱动CMOS电路，但CMOS电路的输出电平可能无法直接驱动TTL电路，需要进行电平转换。
  • CMOS电路：具有较宽的工作电压范围，适用于多种应用场景。

 理解STC89C52(AT89S52）单片机的最小系统

1 最小系统组件

1 单片机

• 型号：STC89C52或AT89S52。
• 功能：核心控制单元。

2 晶振电路

• 元件：11.0592MHz或12MHz的晶振，两个20pF的瓷片电容。
• 连接：晶振连接到XTAL1和XTAL2引脚，电容连接到XTAL1和XTAL2引脚到地。
• 功能：提供稳定的时钟信号。

3 复位电路

• 元件：10kΩ的上拉电阻，10μF的电容。
• 连接：上拉电阻连接到RST引脚和VCC，电容连接到RST引脚和地。
• 功能：用于复位单片机。

4 电源电路

• 元件：5V电源，7805稳压器。
• 连接：5V电源通过7805稳压器提供稳定的5V电压。
• 功能：为整个系统供电。

5 LED指示灯

• 元件：LED，限流电阻。
• 连接：LED的阳极通过限流电阻连接到P1.0引脚，阴极接地。
• 功能：指示系统工作状态。

6 编程接口

• 元件：ISP编程接口。
• 连接：连接到单片机的编程引脚（如P3.0-P3.3）。
• 功能：用于烧写程序。

2 最小系统电路图

+5V -----> VCC|R1 (10kΩ)|RST|C1 (10μF)|GNDXTAL1 -----> X1 (11.0592MHz)|C2 (20pF)|GNDXTAL2 -----> X2 (11.0592MHz)|C3 (20pF)|GNDP1.0 -----> R2 (330Ω)|LED|GND

掌握二进制、十六进制、十进制数之间的转换方法

1 二进制（Binary）

• 基数：2
• 位数：0或1
• 示例：1010（二进制）

2 十六进制（Hexadecimal）

• 基数：16
• 位数：0-9或A-F
• 示例：0xA（十六进制）

3 十进制（Decimal）

• 基数：10
• 位数：0-9
• 示例：10（十进制）

4 转换方法

1 二进制转十进制

• 方法：按位权展开法。
• 示例：1010（二进制）= 1*2^3 + 0*2^2 + 1*2^1 + 0*2^0 = 8 + 0 + 2 + 0 = 10（十进制）

2 十六进制转十进制

• 方法：按位权展开法。
• 示例：0xA（十六进制）= 10*16^0 = 10（十进制）

3 二进制转十六进制

• 方法：每4位一组转换。
• 示例：1010（二进制）= 0xA（十六进制）

4 十六进制转二进制

• 方法：每一位转换为4位二进制。
• 示例：0xA（十六进制）= 1010（二进制）

了解单片机控制系统的硬件搭建方法

1 硬件搭建步骤

1 选择单片机

• 型号：STC89C52或AT89S52。
• 功能：核心控制单元。

2 晶振电路

• 元件：11.0592MHz或12MHz的晶振，两个20pF的瓷片电容。
• 连接：晶振连接到XTAL1和XTAL2引脚，电容连接到XTAL1和XTAL2引脚到地。
• 功能：提供稳定的时钟信号。

3 复位电路

• 元件：10kΩ的上拉电阻，10μF的电容。
• 连接：上拉电阻连接到RST引脚和VCC，电容连接到RST引脚和地。
• 功能：用于复位单片机。

4 电源电路

• 元件：5V电源，7805稳压器。
• 连接：5V电源通过7805稳压器提供稳定的5V电压。
• 功能：为整个系统供电。

5 LED指示灯

• 元件：LED，限流电阻。
• 连接：LED的阳极通过限流电阻连接到P1.0引脚，阴极接地。
• 功能：指示系统工作状态。

6 编程接口

• 元件：ISP编程接口。
• 连接：连接到单片机的编程引脚（如P3.0-P3.3）。
• 功能：用于烧写程序。

掌握Keil uVision软件的安装方法

1 安装步骤

1 下载Keil uVision

• 网站：访问Keil官网（https://www.keil.com/）。
• 下载：点击“Download”按钮，选择适合操作系统的版本进行下载。

2 运行安装程序

• 双击安装包：下载完成后，双击安装包启动安装程序。
• 阅读许可协议：阅读并接受许可协议。
• 选择安装路径：选择安装路径，默认路径通常为C:\Keil_v5。
• 选择组件：选择需要安装的组件，如µVision IDE、ARM Compiler等。
• 开始安装：点击“Next”按钮开始安装。

3 注册和激活

• 序列号：安装完成后，需要输入有效的序列号进行注册。
• 激活码：输入激活码完成激活。
• 注册方法：在Keil uVision中选择“Help” -> “Register” -> “Enter License Key”，输入序列号和激活码。

4 配置环境

• 启动Keil uVision：安装完成后，启动Keil uVision。
• 配置工作环境：选择“Project” -> “New µVision Project”，创建新的工程。

掌握单片机编程环境的建立方法

1 建立编程环境步骤

1 新建工程

• 启动Keil uVision：打开Keil uVision软件。
• 新建工程：选择“Project” -> “New µVision Project”。
• 选择保存路径：选择保存工程的目录，输入工程名称。
• 选择目标芯片：在弹出的对话框中选择目标芯片，如STC89C52或AT89S52。

2 添加源文件

• 右键点击“Source Group 1”：在工程管理器中右键点击“Source Group 1”。
• 选择“Add New Item to Group”：选择“Add New Item to Group”。
• 选择文件类型：选择文件类型，如C文件，输入文件名。
• 保存文件：点击“Save”按钮保存文件。

3 配置工程

• 选择“Project” -> “Options for Target ‘Target 1’”：在菜单栏中选择“Project” -> “Options for Target ‘Target 1’”。
• 配置输出：在“Output”选项卡中，选择生成的文件类型，如HEX文件。
• 配置编译器：在“C/C++”选项卡中，配置编译器选项，如优化级别、预处理器宏等。
• 配置目标：在“Target”选项卡中，配置目标芯片的参数，如晶振频率。

 掌握单片机程序代码的编译、下载（烧写方法）

1 编译工程

1 编译步骤

• 选择“Project” -> “Rebuild All Target Files”：在菜单栏中选择“Project” -> “Rebuild All Target Files”。
• 查看编译结果：编译完成后，查看编译结果窗口，确保没有错误。

2 下载程序

1 连接ISP编程器

• 连接编程器：将ISP编程器连接到单片机的编程接口。
• 连接电脑：将ISP编程器的USB接口连接到电脑。

2 打开ISP编程软件

• 选择软件：使用STC-ISP或其他编程软件。
• 选择COM口：在软件中选择正确的COM口。
• 选择芯片型号：选择目标芯片型号，如STC89C52。

3 打开HEX文件

• 点击“打开HEX文件”：在编程软件中点击“打开HEX文件”，选择编译生成的HEX文件。

4 烧写程序

• 点击“烧写”按钮：点击“烧写”按钮，将程序烧写到单片机中。
• 检查烧写结果：烧写完成后，检查烧写结果窗口，确保程序成功写入。