浅谈单片机最小系统

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摘要：本文的目的是介绍单片机最小系统中应用到的芯片、外设及接口电路等。通过扩展单片机（8051）外设，包括单片机存储器、数模转换器、模数转换器、七段数码管显示模块和键盘输入模块，并将软件设计和外围芯片结合来实现最小系统的功能。结果表明，单片机可靠性高、便于扩展、控制功能强、低电压、低功耗、片内存储容量较小、集成度高。单片机将广泛应用于社会生活生产的各个角落。

关键词：单片机  数模转换器  模数转换器

Single Chip Microcomputer System

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Abstract: This article aims to show what had been used in the Single-chip Microcomputer System(8051), for example，the Single-chip, memory, timer counter, interrupt system, I / O interfaces. By attaching the software system and hardware, the system could realize its function. The outcome is that the Single-chip Microcomputer System is dependable, easy to expand, controllable, low voltage, high integrated. So, the single-chip microcomputer system will be used in many kinds of our daily lives.

Keywords: Single-chip Microcomputer; D/A converter; A/D converter

单片机因其可靠性高，便于扩展，控制功能强，低电压，低功耗，片内存储容量较小，集成度高，体积小，性价比高等优点广泛应用于社会生活生产各个角落。这里本文对单片机最小系统做一下简单介绍。

1.单片机主控模块

这里采用8051单片机为主控芯片。2-4Y译码器的输出端口作为片选输出端口。8051单片机的P2.5，P2.4连接2-4译码器的输入端A，B，其组合作为片选信号在2-4译码器输出端输出，作为对外扩展设备的片选信号。P2.7连接2-4译码器的片选端，是单片机片选择译码器的控制信号。程序存储器扩展时，除了要选择EPROM芯片外，还必须选择地址锁存器。这里选择带有三态缓冲输出的8D锁存器74LS373。74LS373用做地址锁存器时，应使三态门的使能信号端（低电平有效）为低电平，这时，当LE输出端为高电平时，锁存器处于透明状态，Q端等于D端；当LE端从高电平下降到低电平时(下降沿)，输出端D的数据锁存入锁存器中，在LE端为低电平时期间，不论输入端D如何变化，Q端保持原输出不变。其电路图如下(8051复位电路，晶振电路已画出)：

图 1  单片机主控模块

2.外扩程序存储器（EPROM 27）

程序存储器是用来存储程序代码，常数和表格的。单片机程序存储器一般采用半导体ROM构成。对于无ROM型单片机，或者当单片机内部程序存储器存储容量不够时，需要在外部扩展程序存储器。常用EPROM程序存储器有2716,2732,27,27128,27256,27512等。由于2716与2732为24引脚，且容量较小，性价比低；而27，27128，27256,27512为28脚，其引脚排列基本下下兼容，程序升级比较方便，使用较多。又由于价格差距不大，大容量的EPROM速度快，且扩展时，程序存储器应留有一定的空余空间，因此在这里外扩程序存储器采用EPROM27。8051单片机内含有4KB的程序存储器，当然外扩程序存储器必须选择地址存储器，在上面已经叙述过我们采用74LS373作为外扩程序存储器的地址锁存器，这里就不再赘述。

如图2所示。8051扩展8KB EPROM电路。由于单片机内部有4KB(地址为0000H—0FFFFH)的程序存储器，又使用片外8KB程序存储器扩展方法，所以CPU的接到Vcc。当PC值不大于0FFFH时，处理器访问片内程序存储器的程序，此时信号无效，单片机不会访问片外存储器；当PC值大于0FFFH时，处理器访问片外27程序存储器，27的地址范围为1000H—2FFFH。

图 2 8051外扩程序存储器

3.外扩数据存储器（SARM 62）

常用的静态存储器RAM芯片有6116,62,62128,62256,628128等。由于价格差距不大，而大容量的RAM速度快，且扩展数据存储应留有一定空余空间，在这里，我选择62（8K*8位）作为8051扩展的数据存储器。

数据存储器扩展电路与程序存储器扩展电路基本相同，所以地址总线，数据总线完全相同。与程序存储器扩展不同的是，数据存储器的读，写控制信号用，分别控制存储器芯片的和，而程序存储器的读选通信号有控制。两个存储器虽用同一个地址空间，但因控制信号不同，因此不会产生冲突。数据存储器扩展时还应注意，由于单片机系统采用统一编址方式，I/O扩展的地址空间与数据存储器扩展的空间是公用的，所以设计的问题远比程序存储器扩展得多。

扩展程序存储器时，系统一般只用一片程序存储器芯片，所以片选端可以直接接地。但是扩展数据存储器时，即使是扩展一片RAM芯片，其片选端能否直接接地，还需考虑应用系统中有无I/O及人口及外围设备扩展。若无I/O接口，可以接地；若有则要统一进行片选，片选方式与程序存储器片选方式类似，可根据扩展数据存储器容量，芯片数量及I/O口和外部设备的数量采用线选方式或地址译码方式。这里8051的扩展中，62的，端接8051的和。

图 3 8051外扩数据存储器

4.外扩DAC0832（单缓冲方式）

单片机系统的控制输出，一部分（与开关量有关）经开关量输出通道，作用于执行机构；另一部分（与模拟量有关）则经模拟量输通道，通过隔离，D/A（数模转换器）转换，驱动，作用于执行机构。模拟量输通道中主要涉及D/A转换器。          

D/A转换器是将数字量转换成模拟量的器件，通常用DAC表示，他将数字量转换与之成正比的电量，广泛应用于过程控制中。

这里我们使用NS公司生产的DAC0832进行8051外部扩展。并且D/A转换器工作在单缓冲方式。单缓冲方式是指DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个工作在直通方式，另一个工作在手单片机控制的方式。在应用系统中，如果只有一路D/A转换，或者有多路D/A转换，但不要求同步输出时，可以采用单缓冲方式接口。具体电路如图4。

图 4 8051外扩DAC0832（工作在单缓冲方式下）

5.外扩ADC0809（逐次逼近式）

A/D转换器（模数转换器）是一种将模拟量转换为与之成比例的数字量的器件，通常用ADC表示。随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器新的设计思想和制造技术从出不穷，为满足各种不同的检测及控制任务的需要，各种类型的A/D转换器芯片页应运而生。这里，我们以NS公司生产的逐次逼近式模数转换器ADC0809作为8051的外扩A/D转换器。由于0809输出含三态锁存，因此，其数据输出可以直接连接8051的数据总线P0口。可通过外部中断或查询方式读取A/D转换结果。其具体电路图如下：

图 5 8051外扩ADC0809

6.RS-232C总线接口扩展（MAX232）

总线种类繁多，可分为局部总线，系统总线和通信总线。通信总线是系统之间或CPU与外设之间进行通信的一组信号线。通信总线接口按电器标准及协议来分，包括RS-232，RS-422，RS-485，Modem，USB，IEEE1394，Internet网路芯片等，它们在不同的领域得到了广泛应用。

数字信号的传输随着距离的增加和信号传输速率的提高，其传输线上的反射，串扰，衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而了通信距离。普通的TTL电路，由于驱动能力差，输入电阻小，灵敏度不高，以及抗干扰能力差，因而信号传输的距离短。借助通信接口电路，可以进行较长距离的数据传输。

这里我们介绍一下8051与RS-232C异步串行通信总线的接口扩展。RS-232C采用不平衡传输方式，是为点对点通信设计，采取负逻辑，其驱动负载为（2—3）千欧。但是他的共模抑制能力差，再加上双绞线分布电容，因此RS-232C适用于通信距离不大于15m，速度不高于20kbps的本地设备之间的场合。RS-232C与单片机系统接口电路如下：

图 6 RS-232C与单片机系统接口

7.8051外扩键盘及其接口电路

键盘接口用于实现单片机应用系统中的数据和控制命令输入，常用的键盘设备包括BCD拨码盘，式键盘，矩阵式键盘等。根据输入信息的特点，不同键盘，其应用场合也不同。作为单片机应用系统中使用最广泛的一种输入方式。键盘输入的主要对象是各种按键或开关。这些按键或开关可以使用，也可以组合成键阵使用。在单片机应用系统中，使用较多的按键或开关有带自锁和非自锁的，常开的和常闭的，可以微动开关，DIP开关，薄膜开关等。这里我们采用式键盘。这是一种最简单的键盘方式，每个键的接入一根数据输入线。当没有按键按下，所有额数据输入线都为高电平；当有按键按下，与之相连的数据线将变为低电平；通过相应的指令，可以判断是否有按键按下。这种键盘软硬件都很简单，使用方便，缺点是随着键盘个数的增加，被占用的I/O接线口也将增加，所以这种键盘只适合案件要求不多的场合。

当然，在键盘的使用时，要注意防串键，去抖动，按键识别等。这里简述一下去抖动问题。键盘按键去抖动可以采用硬件和软件两种方法。硬件方法就是在按键输入通道上添加去抖电路，从根本上避免电压抖动的产生。软件去抖动方法就是延时10-20ms的时间，待电压稳定后，再进行状态输入。由于人的按键速度与单片机的运行速度相比要慢得多，所以，软件延时的方法在技术上完全可行，而且经济实惠。在外扩建盘接口使用的是74LS1。74LS1是八位并出串行移位寄存器.功能是将数据串行移入,并行输出。其电路图如图7示。

图 7 8051外扩式键盘

8.结论

作为单片机最小系统，这里的扩展只是最简单的一种。作为一种参考模型，其具有典型的教学示范作用。这里我们通过8051单片机最小系统，可以进一步加深扩展、学习。其中，8051单片机作为单片机中的典型具有很强的代表作用。

参考文献

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