第3章 单片机系统登场 51单片机教学课件

杨欣 Yang X张延强 Zhang Y编著莱 诺克斯 Nokes L王玉凤 Wang Y刘湘黔 Liu X主审电子工业出版社 2011.21 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X第第 3章章 单片机系统登场单片机系统登场2典型的单片机系统3洗衣机是一个非常典型的单片机系统，外设如按钮、状态指示灯、电机等都在它的统一 “领导 ”下发挥各自的功能并协同工作。当用户通过 “程序 ”按钮选择了标准的洗涤程序，单片机获知后点亮标准程序对应的状态指示灯，并在洗涤时间显示器上显示所需洗涤时间。接着，用户按下 “启动（暂停） ”按钮，单片机通过重量传感器知道洗衣机中有多少衣物，从而估计控制注水阀打开的时间以注入适当的水量。当注水完成后单片机控制电机启动，电机带动波轮开始洗涤。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.1.1 单片机本身4内部结构：在塑料基底的中央有一个微型的芯片，还有连接芯片和单片机管脚的细导线。单片机起主要作用的是芯片部分，细导线只是起到了在芯片和管脚之间传递信号的作用。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.1.2 系统的构成5 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.2.1 AT89S51单片机的 “外衣 ”6AT89S51单片机作为 51系列单片机一个代表，被广泛应用在控制领域中。AT89S51是单片机的一个型号，这个型号下有 DIP、PLCC、 TQFP等封装 。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.2.1 AT89S51单片机的 “外衣 ”7 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.2.2 AT89S51单片机的管脚8注意 ，有些 电路符号中的管脚不是排从小到大的顺序排列的，而是把相近功能的管脚放到了一起。而旁边实际的 AT89S51单片机器件的管脚则是按逆时针顺序排列的。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.3.1 变压器基础知识9把 220V AC转换成低压直流电压的第一步是降压，常使用的元器件是电源变压器（ transformer），它专门用于变换交流信号的电压。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.3.2 电源变压器10选购变压器时需要知道初级线圈和次级线圈的电压。一般初级线圈为 220V AC，次级则需要根据实际需要来确定。比如单片机系统常常用 5V DC供电，所以变压器可以选择次级线圈相等或略高的，比如 6V AC等。还有一个参数在选购变压器时非常重要 变压器功率。如果某电路的工作电压为 5V、工作电流为 200mA，则电路的消耗功率 P=VI=5V200mA=1W，于是选择一个次级 5V、额定功率 1W以上的电源变压器就可以了。类似的，为电路设计电源时，可以大致估计一下电路的最大工作电流，用它乘以工作电压就可得到电路的消耗功率。电源的功率，或者说变压器的功率应该比这个功率大，否则电路有可能无法正常工作。变压器在使用前一定要注意区分好初级和次级管脚（见图 3-6），一旦反接，轻则烧断电源保险，重则会使变压器线圈烧毁而彻底损坏。一般电源变压器在初级上都会标注有 “220V”字样，如果没有标注可以按照下面的方法进行分辨：用万用表的电感器测量档，分别测量变压器的初级、次级线圈。电感大的为初级，应当接入 220V。电感小的为次级，是输出端（相对降压变压器而言）。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.4.1 二极管基础知识基础知识11二极管（ diode），只允许电流单向流过它。二极管有两个管脚，这两个管脚分成正极和负极，电流只能从正极流向负极。电路符号中倒三角一端为正极，短横线一端为负极。实际器件中，二极管圆柱形外壳一端一般都有一个色环（银色、黑色、白色等），作为二极管负极的标记，与这个标记同侧的管脚为负极，另一侧的管脚则为正极。有些二极管在圆柱形外壳上还印刷有器件的型号。注意，二极管的正极、负极在电路中是不能接反的，否则二极管发挥不了单向导电的作用，有时还会烧毁二极管。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.4.1 二极管基础知识基础知识12当电流从二极管正极流向负极时称为正向偏置（forward bias），正向偏置一般在正极电压高于负极时产生。相反地，如果二极管负极电压高于正极，则处于反向偏置（ reverse bias）状态下，二极管不导通。正向偏置时，二极管正、负极之间会产生一个压降（电压下降）。这个压降也称为正向电压（ VF，forward voltage），它的大小与二极管的种类有关。如果是硅半导体材料制成的二极管，正向电压VF=0.7V；如果是锗半导体材料制成则正向电压VF=0.15V。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.4.2整流13变压器帮我们变换了交流电压，不过从变压器次级输出的仍然是交流信号，这个交流信号的频率与市电相同，都是50Hz， 其波形是正弦波。通常会用整流电路把交流信号变成单向脉动电压。常用的整流电路是一种称为桥式全波整流的电路结构 ： 4支型号相同的二极管D1D4按图示的方法连接在一起从而实现全波整流。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.4.2整流14 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.4.3整流全桥15因为桥式全波整流实在应用得太多了，许多厂家干脆把 4个同一型号的二极管集成在一起，制成整流全桥器件供电路设计时选用。 整流全桥有 3种等效的电路符号，每种电路符号的 4个管脚分别为： 2个 AC管脚接交流输入信号（接变压器的输出），由于交流信号没有正负之分，所以这 2个 AC管脚可以混用。另外， “ ”管脚为整流全桥的正极输出， “ ”管脚为负极输出，这两个是整流全桥的输出。由于经过整流信号已经具有直流信号的特征，所以 “ ”和 “ ”管脚不能混用，否则将烧毁负载。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.5.1 电容基础知识16电容器（ capacitor）是一种储能器件，它不允许直流通过，但能让交流通过。电容容量的大小用法拉（farads，简写 F）来描述，这也是电容容量的单位。由于 F（法）是一个非常大的单位，通常还有 mF（毫法）、 F（微法）、 nF（纳法）、 pF（皮法）等，它们之间的换算关系为：1F=103mF=106F=109nF=1012pF 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.5.1 电容基础知识17电容采取直观的数字标记法来指明容量 ， 方法 为 ：1. 电容表面印刷有容量的数值和单位，如 1000F等 。另外，耐压值 也常印在表面 。2. 单位缩写的方法来标记，如 3n3代表 3.3nF， 33n代表 33nF、 4p7代表 4.7pF等。3. 纯数字的方法来标记，如 103，其中 “10”代表容量的前两位数，最后一位 “3”代表倍数（ 0的个数），单位一律是 pF。所以 103代表 10 000pF，即 10nF = 0.01F。类似的 222代表 2200pF、 474代表 470000pF，即 470nF等。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.5.1 电容基础知识18电容工作在电路中，需要考虑其耐压值的问题。如果在其两端的电压超过了这个值电容肯定是要烧毁的。如果电压超过得很夸张，那电容还会发生爆炸，殃及其他元器件。电容的耐压值一般都会标记在其外壳上，在容量参数旁边往往都能找到其耐压值 。 如3n3的电容，其耐压值为 2000V，说明施加在该电容两端的电压不能超过2000V。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.5.2 电容的种类19电容分为涤纶电容、云母电容、瓷介电容、电解电容、可变电容等几种。其中涤纶、云母、瓷介电容为无极性电容 ， 它们有图所示相同的电路符号 和外观 。无极性电容的两个管脚没有极性之分，可以调换使用。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.5.2 电容的种类20电解电容是一种极性电容 ， 其电路符号 和外观 如图所示，它在无极性电容电路符号的基础上多出了一个 “+”号。标有 “ ”号的一端为正极，另一端为负极。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.5.2 电容的种类21注意，无论是铝电解电容还是钽电解电容都是有极性的电容，两个管脚有正、负极之分，在使用时切不可接反，否则很容易烧毁器件。此外，电解电容在选用时还需要注意其额定电压，在器件两端施加的电压值如果超过了额定电压，器件就会发热甚至爆炸。常用的额定电压有 10V、 16V、 25V、 35V、 50V、 75V、 100V、 125V、 300V等，如图所示的铝电解是一个容量为 1000F、额定电压 10V的器件。在已知电路工作电压 VCC的情况下，要选择额定电压高于 VCC的电解电容器件。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.5.3 电源滤波22利用电容对电源进行滤波是一种最简单的方法。在整流全桥之后加上了一个滤波电容 C1，这样一来，从整流全桥输出的单向脉动电压信号在上升段给电容 C1充电，而在下降段电容 C1向负载 R1放电而使电压不会马上掉下来，相当于滤波之后输出了一个直流电压信号。滤波电容 C1根据负载电流大小和滤波需要一般选择容量范围为100F10000F，耐压值应该高于变压器的输出电压。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.6.1 三端稳压基础知识23稳压，也就要在负载等条件改变时尽量稳定、稳住电源的输出电压，使电路中的用电器不受影响。许多电子电路中都使用集成电路稳压器（ IC regulator）对电源进行稳压。集成电路稳压器按管脚的多少可分为三端固定式、三端可调式、多端可调式等。其中以三端式集成电路稳压器（简称三端稳压）最为常用。图示为 78系列三端稳压的外观及管脚排布，该系列三端稳压可提供最大 1A的电流，在大电流流过时发热量较大，所以在使用时通常都在器件背面安装散热器。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.6.1 三端稳压基础知识2478系列三端稳压共有 10个型号的器件（其管脚排布相同）： 7805、 7806、 7808、 7809、 7810、 7812、 7815、 7818、 7820、 7824。每个型号后两位数字表示器件的稳压值 。 三端稳压基本应用电路 ： 在 220V AC经过变压器降压、整流全桥整流、电容滤波之后，输入到 7805的 IN端，从其 OUT端输出的信号就形成稳定的 5 V 直流电压（ 5V DC）。即便输入电压（市电）或负载电流在一定范围内变化，三端稳压总能将输出电压维持在 5V DC。电容 C1、 C3起到储能、滤波的作用，电容 C2、 C4容量较小，可对高频噪音进行滤波。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.7.1 晶振基础知识25晶振（ crystal，全称为 “石英晶体振荡器 ”）是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。每一个晶振都有自己惟一且稳定的固有振荡频率，这个频率会印在晶振器件的外壳上。由于石英晶体的固有振荡频率不会随温度变化而改变，因此，晶振的振荡频率非常稳定，并且利用晶振设计的振荡器电路广泛应用于计算机、家电等各类电子系统中。图示为一种金属外壳封装的无源晶振外观，其两个管脚对应着电路符号中两端的引脚，没有极性之分。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.8.1 单片机最简系统26最简系统， 是 使用最少的外围元器件让单片机能够工作 的电路 。 AT89S51单片机的最简系统如图所示，首先，单片机的 VCC、 GND接 +5V以获得工作电源。此外，还多出了两个部分（阴影框），一个是复位电路，另一个是振荡器。最后还有一个细节，就是单片机的 （ 31管脚）也接到了 +5V上。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.8.2 电源端（ VCC、 GND）27AT89S51的 VCC（ 40管脚）和 GND（ 20管脚）分别为电源端和接地端，AT89S51的供电电压范围为直流 +4.0 +5.5V。 电路中 所有具有同名的电源标号或网络标号之间是连通的，只是为了电路图的美观，没有把这些连通的节点全部连接起来。 欢迎访问 “电路飞翔网 ”获取更多信息 实例解读 8051单片机完全学习与应用 All you need to know about the 8051 microcontroller编著：杨欣 Yang X 张延强 Zhang Y 主审：莱 诺克斯 Nokes L 王玉凤 Wang Y 刘湘黔 Liu X3.8.3 时钟信号端（ XTAL1、 XTAL2）28AT89S51单片机的 XTAL1端（19管脚）、 XTAL2（ 18管脚）内部有一个片内振荡器结构，但仍然需要在 XTAL1和 XTAL2之间连接一个晶振 Y1，并加上两个容量介于 2040pF的电容C1、 C2组成时钟电路，如图所示。单片机上电后，用示波器可在 XTAL1管脚