第2章 点亮你的LED 2.1 2.2 2.3

本章的标题是点亮LED虽然任务很简单但是需要了解的单片机基础知识却很多特别是对于初学者刚开始要在头脑中建立一个单片机的概念然后通过点亮一个LED小灯来增加初学者对单片机的兴趣和自信。2.1单片机的内部资源在这里所讲到的单片机内部资源和传统单片机书籍中讲单片机内部结构不同这里讲到的内部资源是指作为单片机用户单片机提供给用户可使用的东西。总结起来主要是三大资源1Flash——程序存储空间早期单片机是OTPROM。2RAM——数据存储空间。3SFR——特殊功能寄存器。早期的单片机中主要是用OTPROMOne Time Programmable Read-Only Memory即一次可编程只读存储器来存储单片机的程序程序只能写入一次如果发现错了没办法只能换一片重新写入。随着技术的发展Flash以其可重复擦写且容量大、成本低的优点成为现在绝大多数单片机的程序存储器。对于单片机来说Flash最大的意义是断电后数据不丢失这个概念类似于计算机的硬盘保存了电影、文档、音乐等文件把电源关掉后下次重新开计算机所有的文件都还照样存在。RAM是单片机的数据存储空间用来存储程序运行过程中产生的和需要的数据跟计算机的内存是相似的概念其实最典型的比喻是计算器。用计算器计算加减法一些中间的数据都会保存在RAM里边断电后数据丢失所以每次打开计算器都是从归零开始计算。但是它的优点是读写速度非常快理论上是可无限次写入的即寿命无限不管程序怎么运行怎么读写它都不会坏。第三个资源是SFR特殊功能寄存器。这个概念可能刚开始理解不了但需要记住。单片机有很多很多特殊功能每个功能都会对应一个或多个SFR用户就是通过对SFR的读写来实现单片机的多种多样的功能的。讲到这里首先来了解一下51单片机。通常一说到51单片机指的都是兼容Intel MCS-51体系架构的一系列单片机而51是它的一个通俗的简称。全球有众多的半导体厂商推出了无数款这一系列的单片机比如Atmel的AT89C52NXP(Philips)的P89V51宏晶科技的STC89C52……具体型号千差万别但它们的基本原理和操作都是一样的程序开发环境也是一样的。这里要分清楚51这个统称和具体的单片机型号之间的关系。单片机内部资源的三个主要部分清楚了那么就选择STC89C52RC这款单片机来进行学习。STC89C52RC是宏晶科技出品的一款51内核的单片机具有标准的51体系结构全部的51标准功能程序下载方式简单方便学习。它的资源情况Flash程序空间是8K字节(1K10241字节 8位)RAM数据空间是512字节SFR后边会逐一提到并且应用。2.2单片机最小系统什么是单片机最小系统呢单片机最小系统是指用最少的原件组成单片机可以工作的系统。单片机最小系统的三要素就是电源、晶振、复位电路如图2-1所示。图2-1 单片机最小系统电路这张最小系统的电路图节选自Kingst51开发板原理图下面就照这张电路图来具体分析最小系统的三要素。2.2.1电源这个很好理解电子设备都需要供电。目前主流单片机的电源分为5V和3.3V这两个标准当然现在还有对电压要求更低的单片机系统一般多用在一些特定场合在学习中不做过多的关注。STC89C52需要5V的供电系统Kingst51开发板是使用USB口输出的5V直流电直接供电的。从图2-1可以看到供电电路在38脚和16脚的位置上38脚接的是5V通常也称为VCC或VDD代表的是电源正极16脚接的是GND也可称为VSS代表的是电源的负极。5V和GND之间还有个电容作用下节课介绍。此处普及一个看电路原理图的知识。电路原理图是为了表达这个电路的工作原理而存在的很多器件在绘制的时候更多考虑的是方便原理分析而不是表达各个器件实际位置。比如原理图中的单片机引脚图引脚的位置是可以随意放的但是每个引脚上有一个数字标号这个数字标号代表的才是单片机真正的引脚位置。单片机通常有不同的封装形式所谓的不同封装可以理解为同样是加了水的面但是捏成不同的形状的馒头只是表现形式不同实现的功能完全一致。在2014年《手把手教你学51单片机--C语言版》第1版时所设计的Kingst51开发板采用了DIP40封装是一种双列直插式的封装形式。目前编写第3版的时候决定采用QFP-44的封装形式是一种方形扁平式如图2-2所示。除部分单片机开发板还采用DIP40封装外当前现实中的产品几乎见不到这种封装的身影了。一方面QFP封装体积更小密度更高集成度更高占据空间更少另外一方面产品设计要考虑成本QFP封装采用SMT表面贴技术焊接而DIP封装采用波峰焊或者手工焊接后者单个引脚的焊接费用接近前者的10倍。这样一片DIP40封装的单片机的焊接费可能都会超过一片单片机的价格因此在实际产品开发当中除特殊需求外比如散热性能考虑很少采用DIP封装形式的芯片了。无限接近实际项目从单片机封装选择开始。图2-2可以看出DIP封装的1脚在其最左上角逆时针旋转引脚号依次增加一直到右上角是最大引脚号40脚。QFP封装中有一个小圆圈的位置为1脚逆时针旋转引脚号依次增加一直旋转一圈到最大引脚号44脚。图2-2的封装图就是单片机实际引脚的位置。图2-2 单片机封装图2.2.2晶振晶振又叫晶体振荡器从这个名字就可以看出来它注定一生都要不停振荡的。它起到的作用是为单片机系统提供基准时钟信号类似于部队训练时喊口令的人单片机内部所有的工作都是以这个时钟信号为步调基准来进行工作的。STC89C52RC单片机的14脚和15脚是晶振引脚接了一个11.0592M的晶振它每秒钟振荡11059200次外加两个20pF的电容电容的作用是帮助晶振起振并维持振荡信号的稳定。2.2.3复位电路在图2-1左侧是一个复位电路接到了单片机的4脚RST(Reset)复位引脚上这个复位电路如何起作用后边再讲现在着重讲一下复位对单片机的作用。单片机复位一般分为三种情况上电复位、手动复位、程序自动复位。假如单片机程序有100行当某一次运行到第50行的时候突然停电了这个时候单片机内部有的区域数据会丢失有的区域数据可能还没丢失。那么下次打开设备的时候用户希望单片机能正常运行所以上电后单片机要进行一个内部的初始化过程这个过程就可以理解为上电复位上电复位保证单片机每次都从一个固定的相同的状态开始工作。这个过程跟打开计算机电源开机的过程是一致的。当单片机的程序运行时如果遭受到意外干扰而导致程序死机或者程序跑飞的时候就可以按下一个复位按键让程序重新初始化重新运行这个过程就叫做手动复位最典型的就是计算机的重启按钮目前大多数电脑都没有重启按钮了而是通过长按开机键关闭电源的方式。当程序死机或者跑飞的时候单片机往往有一套自动复位机制比如看门狗具体应用以后再了解。在这种情况下如果程序长时间失去响应单片机看门狗模块会自动复位重启单片机。还有一些情况是程序故意重启复位单片机。电源、晶振、复位构成了单片机最小系统的三要素也就是说一个单片机具备了这三个条件就可以运行下载的程序了其他的比如LED小灯、数码管、蜂鸣器等设备都是属于单片机的外部设备即外设。最终完成用户想要的功能就是通过对单片机编程来控制各种各样的外设实现的。2.3LED小灯LED(light-emitting diode)即发光二极管俗称LED小灯它的种类很多参数也不尽相同Kingst51开发板上用的是普通的贴片发光二极管。这种二极管通常的正向导通电压是1.8V到2.2V之间工作电流一般在1mA20mA之间。其中当电流在1mA5mA之间变化时随着通过LED的电流越来越大肉眼会明显感觉到这个小灯越来越亮而当电流从5mA20mA之间变化时看到的发光二极管的亮度变化就不太明显了。当电流超过20mA时LED就会有烧坏的危险了电流越大烧坏的速度也就越快。所以在使用过程中应该特别注意它在电流参数上的设计要求。下面来看一下发光二极管在Kingst51开发板上的设计应用。USB供电接口图以及电源开关图如图2-3所示。图2-3 USB接口电路和电源开关电路图2-3是Kingst51开发板上的USB接口电路。通过USB线电脑给开发板供电和下载程序以及实现电脑和开发板之间的通信。这是一个标准16引脚的type-C的USB接口从图上可以看出其中A6脚和A7脚是数据通信引脚5IN为USB电源正极GND为电源负极。将电源开关左边的LED部分的电路单独摘出来分析如图2-4所示。图2-4 LED小灯电路一发光二极管是二极管中的一种因此和普通二极管一样这个二极管也有阴极和阳极习惯上也称之为负极和正极方向必须接对了才会有电流通过让LED小灯发光。刚才提到接入的VCC电压是5V发光二极管自身压降大概是2V那么在右边R34这个电阻上承受的电压就是3V。现在要求电流范围是1~20mA的话就可以根据欧姆定律RU/I把这个电阻的上限和下限值求出来。U3V当电流是1mA的时候电阻值是3K当电流是20mA的时候电阻值是150欧也就是R34的取值范围是150~3K欧姆。这个电阻值大小的变化直接可以限制整条通路的电流的大小因此这个电阻通常称之为“限流电阻”。在图2-3中用的电阻是1K这条支路电流的大小可以计算出来了而这个发光二极管在这里的作用是作为电源指示灯的使用USB线将开发板和电脑连起来这个灯就会亮了。同理在电源开关后级控制的位置又添加了一个LED10发光二极管当打开开关时这个二极管才会亮起如图2-5所示。图2-5 电源开关电路把图2-4进行一下变化把右侧的GND去掉改成一个单片机的I/O口如图2-6所示。图2-6 LED小灯电路二图2-4由于电源从正极到负极有电压差并且电路是导通的所以就会有电流通过LED小灯因为有了电流通过就会发光。把右侧的原GND处接到单片机P0.0引脚上那么如果单片机输出一个低电平也就是跟GND一样的0V电压就可以让LED小灯和图2-4一样发光了。因为单片机是可以编程控制的可以让P0.0这个引脚输出一个高电平就是跟VCC一样的5V电压那么这个时候左侧VCC电压和右侧的P0.0的电压是一致的那就没有电压差没有电压差就不会产生电流没有电流LED小灯就不会亮也就是会处于熄灭状态。下面就用编程软件来实现控制小灯的亮和灭。