單片機(jī)最小系統(tǒng)組成電路及其作用

下面我們首先來簡單介紹下51單片機(jī)各個(gè)管腳的具體作用，然后再重點(diǎn)給大家介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)的概念、組成及其各部分電路原理圖的實(shí)際用途。

按照集成電路的管腳識(shí)別方法，缺口朝上，逆時(shí)針轉(zhuǎn)一圈，單片機(jī)的引腳編號(hào)從1到40，如圖所示。圖中同時(shí)給出了各個(gè)管腳的名稱。我們完全不需要刻意去記這些管腳順序和名稱，在需要的時(shí)候查一下就好了，如果用的比較多，后來自然就記住了。

按照圖中的大括號(hào)的提示，我們把P0.0~P0.7這樣八個(gè)管腳稱為一組IO口，叫做P0，同樣有P1、P2和P3。IO口(IO = Input / Output)，顧名思義，就是輸入輸出接口，它是單片機(jī)與外界進(jìn)行信息交流的途徑。之后我們主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，也是圍繞IO口進(jìn)行的。另外這32個(gè)IO口又有一些在括號(hào)中標(biāo)注的管腳名稱，叫做第二功能;第二功能在特定的情況下會(huì)被啟用，沒有啟用第二功能時(shí)，它們就只是起到IO口的作用。例如P3.0和 P3.1又叫做RXD和TXD，它們有串口的作用，可以用來給單片機(jī)下載程序，也可以用來和電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，即串口通信。除32個(gè)IO口外，還有八個(gè)管腳：其中29~31號(hào)腳一般用得不多，暫不做介紹;40腳VCC、20腳GND、9號(hào)腳RST以及18、19號(hào)腳XTAL1、XTAL2很快就會(huì)在下面的單片機(jī)最小系統(tǒng)中進(jìn)行詳細(xì)講解。

什么是單片機(jī)最小系統(tǒng)呢?最小系統(tǒng)，就是指單片機(jī)能正常工作最簡單的電路。對51單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般包括：電源、單片機(jī)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。其電路圖如下：

現(xiàn)在向大家介紹下這些電路的作用。

電源電路：作為電子器件，51單片機(jī)當(dāng)然少不了電源供電，它一般使用5V電源，我們可以從大家所熟悉的USB接口獲取5V電源。在圖中，每個(gè)VCC符號(hào)都是共同連接在5V電源正極的;而所有的GND符號(hào)連接在一起，共同接到電源負(fù)極。圖中之所以沒有把它們連接到一起，而是使用多個(gè)VCC和GND符號(hào)，是為了讓電路圖看起來更清晰簡潔(VCC = Volt Current Condenser，表示供電電壓;GND = Ground，接地的意思，可以簡單理解為連接到電源負(fù)極，并且我們以GND作為參考電壓，GND的電壓值始終為0V)。

特別注意，一定不要把單片機(jī)接到過高的電壓上，或者將電源正負(fù)極接反，很可能燒壞單片機(jī)，甚至發(fā)生爆炸。如果單片機(jī)是插在芯片插座上的，由于VCC和GND剛好在對稱的位置，插反了剛好會(huì)出現(xiàn)電源接反的情況，一定要注意避免。

這里補(bǔ)充一點(diǎn)，如果需要知道一種芯片使用的電源電壓，通?？梢圆楣俜浇o出的芯片手冊，后面會(huì)對芯片手冊進(jìn)行介紹。

時(shí)鐘電路：連接在引腳XTAL1、XTAL2和GND間的電路是時(shí)鐘電路(XTAL = External Crystal Oscillator，表示外接晶振)。前面的電源比較好理解，但是什么是時(shí)鐘電路呢?它有什么用處呢?時(shí)鐘電路就像是人的心臟一樣，每時(shí)每刻不斷跳動(dòng)著，對于單片機(jī)來說是至關(guān)重要的。如同心臟給我們的身體不斷運(yùn)輸血液和氧氣，讓身體各種器官正常工作，而時(shí)鐘電路則是單片機(jī)內(nèi)部各部分電路正常工作的驅(qū)動(dòng)力。

時(shí)鐘電路由晶振和電容器組成。晶振是一種由石英制造的電子元件，在通電時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生特定頻率的振蕩，最后通過電路可以輸出一個(gè)頻率很穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作。我們?nèi)说男呐K每分鐘跳動(dòng)幾十到上百次，而對于單片機(jī)來說，這實(shí)在太慢了。圖中的晶振頻率是 12MHz(1MHz=1,000,000Hz)，正常工作起來，每秒鐘振蕩12,000,000次!實(shí)際上，時(shí)鐘電路的晶振并非必須是12M，也可以是其他的，但是要注意STC89C51這款單片機(jī)最高工作頻率不能超過80M(這個(gè)同樣可以通過芯片手冊查找)。實(shí)際上我們使用更多的是11.0592M的晶振，為什么是這樣奇怪的頻率呢?后面講到串口的時(shí)候相信讀者就能明白了。

時(shí)鐘電路還用到C2和C3兩個(gè)電容，如果不了解電容，可以找找常用電子元器件介紹的相關(guān)資料，這里不做介紹。這兩個(gè)電容通常用瓷片電容，容量一般取30pF即可。

順便說一下，如果自己設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，晶振和單片機(jī)之間的連線不要過長，這樣可能會(huì)導(dǎo)致電路不能正常工作(不能起振)。

時(shí)鐘每產(chǎn)生一次振蕩的時(shí)間，叫做一個(gè)時(shí)鐘周期;對于我們用的這款51單片機(jī)，每12個(gè)時(shí)鐘周期，單片機(jī)執(zhí)行一步操作，稱為一個(gè)機(jī)器周期(STC也推出了 1T單片機(jī)，每1個(gè)時(shí)鐘周期就執(zhí)行一步操作)。如果是12M晶振，時(shí)鐘周期就是1/12 us，機(jī)器周期剛好是1 us。

大家應(yīng)該還記得前面說的上世紀(jì)古老龐大的計(jì)算機(jī)埃尼阿克吧，埃尼阿克一秒鐘能進(jìn)行5000次加法運(yùn)算，那在當(dāng)時(shí)已經(jīng)是相當(dāng)高的水平了。但是和我們的 51 單片機(jī)比起來，實(shí)在是小巫見大巫。51單片機(jī)可以在一個(gè)機(jī)器周期里進(jìn)行一次加法運(yùn)算(即匯編指令A(yù)DD)，用12M晶振，1秒鐘最多可以進(jìn)行一百萬次加法運(yùn)算，是埃尼阿克的200倍(不考慮數(shù)據(jù)在寄存器和內(nèi)存之間的移動(dòng))?？吹竭@里，大家是不是在為自己能用上這么高科技的東西而竊喜呢?^_^

復(fù)位電路：圖中連接到RST引腳的那部分電路就是復(fù)位電路，由電阻和電容組成。復(fù)位電路的作用，就是在剛通電的時(shí)候給單片機(jī)發(fā)出一個(gè)信號(hào)(對于51單片機(jī)，是連續(xù)至少兩個(gè)機(jī)器周期的高電平)，告訴單片機(jī)現(xiàn)在可以開始工作了。于是單片機(jī)就從初始狀態(tài)開始，不厭其煩的執(zhí)行特定的程序，直到斷電，或者出現(xiàn)特殊情況導(dǎo)致程序終止。一般情況下，單片機(jī)正常工作時(shí)是不應(yīng)該出現(xiàn)程序執(zhí)行終止的情況的，有關(guān)這個(gè)問題，后文講單片機(jī)程序特點(diǎn)時(shí)會(huì)說明。

復(fù)位電路的原理，是上電時(shí)通過電阻給電容充電，讓電容連接到RST管腳的電壓，從5V變?yōu)?V，也就是高電平變?yōu)榈碗娖?。電阻和電容的取值，按照圖中給出的參考值即可，如果對模擬電路有了解，也可以自行計(jì)算確定其取值。

另外，圖中的EA/VPP管腳，是訪問內(nèi)部或外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)和提供編程電壓的，一般用的不多。直接連接VCC就可以了。