51單片機（一）：單片機最小系統(tǒng)組成與I/O輸出控制

下面就圖2 所示的單片機最小系統(tǒng)各部分電路進行詳細說明。

1. 時鐘電路

在設(shè)計時鐘電路之前，讓我們先了解下51 單片機上的時鐘管腳：

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鐘驅(qū)動。圖2 中采用的是內(nèi)時鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2 ～ 12MHz 之間任選，甚至可以達到24MHz 或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實驗套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當采用石英晶振時，電容可以在20 ～ 40pF 之間選擇（本實驗套件使用30pF）；當采用陶瓷諧振器件時，電容要適當?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)計單片機系統(tǒng)的印刷電路板（PCB） 時，晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機芯片靠近，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，也可以使用萬用表測量（ 把擋位打到直流擋，這個時候測得的是有效值）XTAL2 和地之間的電壓時，可以看到2V 左右一點的電壓。

2. 復位電路

在單片機系統(tǒng)中，復位電路是非常關(guān)鍵的，當程序跑飛（運行不正常）或死機（停止運行）時，就需要進行復位。

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

復位操作通常有兩種基本形式：上電自動復位和開關(guān)復位。圖2 中所示的復位電路就包括了這兩種復位方式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時電容的負極和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)在電容的兩端為復位按鍵，當復位按鍵沒有被按下的時候電路實現(xiàn)上電復位，在芯片正常工作后，通過按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達到手動復位的效果。一般來說，只要RST 管腳上保持10ms 以上的高電平，就能使單片機有效的復位。圖中所示的復位電阻和電容為經(jīng)典值，實際制作是可以用同一數(shù)量級的電阻和電容代替，讀者也可自行計算RC 充電時間或在工作環(huán)境實際測量，以確保單片機的復位電路可靠。

3. EA/VPP（31 腳） 的功能和接法

51 單片機的EA/VPP（31 腳） 是內(nèi)部和外部程序存儲器的選擇管腳。當EA 保持高電平時，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器；當EA 保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存儲器，只訪問外部存儲器。

對于現(xiàn)今的絕大部分單片機來說，其內(nèi)部的程序存儲器（一般為flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器，而是直接使用內(nèi)部的存儲器。

在本實驗套件中，EA 管腳接到了VCC 上，只使用內(nèi)部的程序存儲器。這一點一定要注意，很多初學者常常將EA 管腳懸空，從而導致程序執(zhí)行不正常。

4. P0 口外接上拉電阻

51 單片機的P0 端口為開漏輸出，內(nèi)部無上拉電阻（見圖3）。所以在當做普通I/O 輸出數(shù)據(jù)時，由于V2 截止，輸出級是漏極開路電路，要使“1”信號（即高電平）正常輸出，必須外接上拉電阻。

圖3 P0端口的1位結(jié)構(gòu)

另外，避免輸入時讀取數(shù)據(jù)出錯，也需外接上拉電阻。在這里簡要的說下其原因：在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來的信號一般是一致的，但也有例外。例如，當從內(nèi)部總線輸出低電平后，鎖存器Q ＝ 0， Q ＝ 1，場效應(yīng)管V1 開通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時無論端口線上外接的信號是低電平還是高電平，從引腳讀入單片機的信號都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號。又如，當從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器Q ＝ 1, Q ＝ 0,場效應(yīng)管V1 截止。如外接引腳信號為低電平， 從引腳上讀入的信號就與從鎖存器讀入的信號不同。所以當P0 口作為通用I/O 接口輸入使用時，在輸入數(shù)據(jù)前，應(yīng)先向P0 口寫“1”，此時鎖存器的Q 端為“0”，使輸出級的兩個場效應(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)來說：為了能使P0 口在輸出時能驅(qū)動NMOS 電路和避免輸入時讀取數(shù)據(jù)出錯，需外接上拉電阻。在本實驗套件中采用的是外加一個10K 排阻。此外，51 單片機在對端口P0—P3 的輸入操作上，為避免讀錯，應(yīng)先向電路中的鎖存器寫入“1”，使場效應(yīng)管截止，以避免鎖存器為“0”狀態(tài)時對引腳讀入的干擾。