单片机最小系统组成与I/O输出控制

单片机是一门实践性较强的技术，很多初学者在学习单片机技术开发的时候往往一头雾水，不知何从下手。为此，笔者结合自己使用单片机多年的经验，特意设计了单片机开发所需的Study-c 整机和硬件套件，并结合套件精心编写了单片机从入门到精通系列教程。通过讲述单片机原理、电路设计、应用开发软件工具、编写实验实例让读者全面接触单片机技术。教程编排上由浅入深，循序渐进，内容力求完整、实用、趣味并存，使读者在轻松愉快的学习过程中逐步提高单片机软硬件综合设计水平。

一、内容提要

本讲主要向大家介绍51 系列单片机的最小系统的实现并通过编写程序来实现对单片机IO 口的输出控制。以点亮外部连接的LED（发光二极管）为例，简要的介绍单片机的原理、最小系统的组成，并通过简单的C51 程序设计来讲述编译软件Keil的使用并下载Hex 文件烧写单片机。

二、原理简介

在了解原理之前， 首先让我们思考一个问题，什么是单片机， 单片机有什么用？ 这是一个有意思的问题，因为任何人都不能给出一个被大家都认可的概念，那到底什么是单片机呢？ 普遍来说， 单片机又称单片微控制器， 是在一块芯片中集成了CPU（ 中央处理器）、RAM（ 数据存储器）、ROM（ 程序存储器）、定时器/ 计数器和多种功能的I/O（ 输入/ 输出） 接口等一台计算机所需要的基本功能部件，从而可以完成复杂的运算、逻辑控制、通信等功能。在这里，我们没必要去找到明确的概念来解析什么是单片机，特别在使用C 语言编写程序的时，不用太多的去了解单片机的内部结构以及运行原理等。从应用的角度来说，通过从简单的程序入手，慢慢的熟悉然后逐步深入精通单片机。

在简单了解了什么是单片机之后，然后我们来构建单片机的最小系统，单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51 系列单片机来说， 最小系统一般应该包括： 单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等（见图1）。

图1 单片机最小系统框图

三、电路详解

依据上文的内容，设计51 系列单片机最小系统见图2。

图2 51系列单片机最小系统

下面就图2 所示的单片机最小系统各部分电路进行详细说明。

1. 时钟电路

在设计时钟电路之前，让我们先了解下51 单片机上的时钟管脚：

XTAL1（19 脚） ：芯片内部振荡电路输入端。

XTAL2（18 脚） ：芯片内部振荡电路输出端。

XTAL1 和XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图2 中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2 ～ 12MHz 之间任选，甚至可以达到24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20 ～ 40pF 之间选择（本实验套件使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30 ～ 50pF 之间。通常选取33pF 的陶瓷电容就可以了。

另外值得一提的是如果读者自己在设计单片机系统的印刷电路板（PCB） 时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少引线的寄生电容，保证振荡器可靠工作。检测晶振是否起振的方法可以用示波器可以观察到XTAL2 输出的十分漂亮的正弦波，也可以使用万用表测量（ 把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2 和地之间的电压时，可以看到2V 左右一点的电压。

2. 复位电路

在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。

MCS-5l 系列单片机的复位引脚RST（ 第9 管脚） 出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。图2 中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST 管脚