51单片机基础01 单片机最小系统

目录

一、什么是51单片机

二、51单片机的引脚介绍

1、VCC GND

2、XTAL1 2

3、RST

4、EA

5、PSEN

6、ALE

7、RXD、TXD

8、INT0、INT1

9、T0、T1

10、MOSI、MISO、SCK

11、WR、RD

12、通用IO P0

13、通用IO P1

14、通用IO P2

三、51单片机的最小系统

1、供电与功能选择

2、复位

3、时钟-11.0592MHz与12MHz

（1）12MHz晶振频率

（2）11.0592MHz晶振频率

4、P0口

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一、什么是51单片机

        51单片机（如8051）是非常经典的一款微控制器，它的最小系统是指将8051微控制器核心部分与必要的外围硬件连接起来，形成一个能正常工作的最简单系统。最小系统通常包括以下几个重要的引脚和电路元件，每个引脚都有其特定的作用。

二、51单片机的引脚介绍

        51单片机（如8051）是非常经典的一款微控制器，它的最小系统是指将8051微控制器核心部分与必要的外围硬件连接起来，形成一个能正常工作的最简单系统。最小系统通常包括以下几个重要的引脚和电路元件，每个引脚都有其特定的作用。下面是各个引脚和信号的详细阐述：

1、VCC GND

        VCC：电源正极，提供单片机所需的电压，通常为5V。

        GND：电源负极，也就是地，供电系统的参考点。

这些引脚是单片机正常工作所必须的，VCC为单片机提供电力，GND提供回路的接地。

2、XTAL1 2

        XTAL1和 XTAL2是单片机的外部晶振引脚。

        用于连接外部的晶体振荡器或外部时钟源。8051单片机内部的时钟源通常由这两个引脚与一个晶体振荡器共同组成。

        XTAL1为输入端，连接外部晶体的一个端口，XTAL2为输出端，连接外部晶体的另一个端口。

该振荡器用来为单片机提供时钟信号，通常为12MHz，影响CPU的时钟频率。

3、RST

        RST：复位引脚，用于将单片机初始化。通过外部电路，给该引脚提供一个高电平脉冲，能够使51单片机重新启动，恢复到初始状态。

通常在启动时，或者系统异常时，进行复位操作，以确保单片机从已知状态开始工作。

4、EA

        EA（External Access）：外部存储器访问控制引脚。通常连接到高电平，表示程序存储器（如ROM）来自内部存储器。

5、PSEN

        PSEN：程序存储器使能引脚。用于控制外部存储器的读取。

        当PSEN为低/高电平时，8051单片机会从外部程序存储器（如EPROM或Flash）读取程序代码，一般悬置空。

6、ALE

        ALE（地址锁存使能）：地址锁存使能引脚。用来提供地址锁存信号，当8051需要访问外部数据存储器或程序存储器时，ALE信号会产生一个脉冲来锁存地址。一般悬空。

7、RXD、TXD

        RXD（接收数据引脚）：串行口的接收端，通常与外部设备的发送端连接。用于接收来自外部设备的串行数据。

        TXD（发送数据引脚）：串行口的发送端，通常与外部设备的接收端连接。用于向外部设备发送串行数据。

51单片机下载程序也需要通过这两个IO，所以一般需要进行排针引出。

8、INT0、INT1

        INT0 和 INT1：外部中断引脚。用于响应外部事件触发中断信号（例如按键输入或外部传感器信号）。通过这两个引脚，8051可以处理外部中断，使系统能够响应外部环境变化。一般悬空。

9、T0、T1

        T0 和 T1：定时器/计数器引脚。用于连接定时器和外部事件源，提供精确的时间间隔控制。可以用来实现定时操作、计数外部信号等功能。一般悬空。

10、MOSI、MISO、SCK

        MOSI（主输出从输入）：用于SPI通信协议中，主设备通过该引脚向从设备发送数据。

        MISO（主输入从输出）：用于SPI通信协议中，主设备通过该引脚接收从设备发送的数据。

        SCK（时钟）：用于SPI协议中，提供时钟信号，同步数据传输的速率。

11、WR、RD

        WR（写使能）：用于控制外部存储器的写操作。当WR信号为低电平时，表示数据将被写入外部存储器。

        RD（读使能）：用于控制外部存储器的读操作。当RD信号为低电平时，表示数据将从外部存储器读取。

12、通用IO P0

        P0：8051单片机的第一个I/O口，通常由8个引脚组成，提供双向数据传输。该端口通常用于与外部设备的数据交换，可以作为输入或者输出。一般需要通过电阻上拉到VCC上提供驱动能力。

13、通用IO P1

        P1：8051单片机的第二个I/O口，类似于P0，提供双向数据传输，通常用来与外部设备进行通信。P1口通常也连接到外部设备，比如LED显示、按钮等。不需要通过电阻上拉到VCC上提供驱动能力。

14、通用IO P2

P2：8051单片机的第三个I/O口，和P0、P1类似，用于数据传输。P2口通常用于连接外部的设备、传感器、开关等。

三、51单片机的最小系统

1、供电与功能选择

        如图所示为51单片机的最小系统，其中EA、VCC需要连接到VCC供电，GND需要连接GND供电。

2、复位

        可以看到按下按键之前NRST处于GND，按下按键后NRST就被接到VCC，从而实现手动复位，而C3用于实现削弱按键的抖动。

3、时钟-11.0592MHz与12MHz

        一般电容选择20-40pf区间，晶振则选择11.0592MHz或12MHz。

（1）12MHz晶振频率

主要原因：

        系统时钟的标准化：12MHz 是8051单片机时钟频率的常见标准之一，因为许多8051系列单片机（以及其他类似的8位单片机）都默认使用12MHz频率，这使得该频率成为业界的标准。

        性能需求：12MHz的频率能提供适当的处理速度，既满足了基本控制需求，又不会导致功耗过高。

优点：

        较高的计算速度：12MHz频率下，8051单片机的机器周期为1微秒（12 MHz / 12 = 1 微秒）。较高的频率使得单片机在进行运算、控制和数据处理时能够更快响应更高的时钟频率，提供了相对较高的处理能力，适合一些需要较快响应的应用场景。

缺点：

        较高功耗：较高的频率意味着功耗更大，尤其是在高负载条件下。这对于低功耗应用不是最佳选择。

        定时器精度：12 MHz的时钟频率和标准的通信协议（如串口通信的波特率）之间有一定的差异，可能导致需要进行额外的计算或调整，才能确保定时精度。

（2）11.0592MHz晶振频率

主要原因：

        精确的波特率生成：11.0592 MHz 的晶振频率是为了提供一个精确的串口波特率，特别是在标准的串行通信中（例如RS-232、UART等）。

        波特率生成：使用11.0592 MHz时，8051单片机的时钟频率能够与标准的波特率（如9600、19200等）实现较好的匹配，因为8051单片机内部的时钟频率与波特率生成器之间有直接的关系。

计算方法：

对于11.0592MHz，执行单周期指令时间为1/11.0592MHz，而机器周期在此基础上*12

对于12MHz，执行单周期指令时间为1/12MHz，而机器周期在此基础上*12

对于9600波特率，要求速度为1/9600

        分别对应的分频系数为：1/9600 / (1/11059200*12)=96

        分别对应的分频系数为：1/9600 / (1/12*12)=104.1666

        可以看到对于11.0592MHz，其分频系数为整数倍，从而可以实现精确的波特率。同理可计算115200波特率等。

优点：

        精确的串口波特率：11.0592 MHz 是为了与常见的串行通信标准波特率精确匹配（例如9600、19200等），这对于通信应用至关重要。以11.0592 MHz频率为基准，能确保波特率的计算更加精确，减少误差。

        兼容性强：大多数使用11.0592 MHz频率的8051单片机能够与外部设备、通信协议等更好兼容，尤其是在需要高精度串口通信的场合。

缺点：

        性能较低：与12 MHz相比，11.0592 MHz频率的时钟周期略长，这意味着它的处理速度稍微慢一些，可能会影响一些对处理速度要求较高的应用。

        功耗略高：虽然频率略低，但相比于更低频率的晶振，11.0592 MHz仍然可能产生较高的功耗。

4、P0口

        由于内部没有上拉电阻，如果直接输出高电平，则由内部寄存器提供直接输出，这个电流是极其微弱的，其无法正常输出到5V，通常为4.0V左右的高阻态，不易被外部电路识别。

        一般根据所需电流，常用阻值为4.7KΩ、5.1KΩ、10KΩ。上拉电阻还可以提供稳定的输出端电位，不会出现高阻态的情况；同时解决了CMOS不能悬空引脚的问题，并提供驱动电流的功能。