【STC51】51最小系统和驱动注意事项

0. 基础：STC89C52 的引脚简介

STC89C52共有40个引脚，被分为三种类型：

  • 电源引脚：VCC+GND
  • 普通I/O
  • 功能引脚

其中VCC和GND分别代表芯片的正负电源，普通I/O口可用于输入和输出，而功能引脚则具有特定的功能。

1. 普通I/O口

STC89C52共有32个普通I/O口，这些引脚的主要功能是用于数据输入和输出。需要注意的是，为了避免短路和损坏，需要注意不要同时将多个引脚设置为输出模式并输出高电平。

  1. P0口（8个引脚）：可作为输入或输出端口。
  2. P1口（8个引脚）：可作为输入或输出端口，并具有外部中断功能。
  3. P2口（8个引脚）：可作为输入或输出端口，并具有外部中断功能。
  4. P3口（8个引脚）：可作为输入或输出端口，也可以用作特殊功能端口。

2. 功能引脚

STC89C52的功能引脚包括Reset、XTAL1、XTAL2、EA、ALE、PSEN、RD、WR、T0、T1、INT0和INT1。这些引脚具有不同的功能，例如Reset引脚用于复位，XTAL1和XTAL2引脚用于外部晶振，T0和T1引脚用于定时器等等。需要注意的是，这些引脚的特定功能需要通过程序进行设置才能生效。

  1. （最小系统：时钟电路）XTAL1、XTAL2：晶振接口，接入外部晶振振荡器。
  2. （最小系统：复位电路）RST：复位引脚，当该引脚接收到低电平信号时，系统将重启。
  3. （最小系统：BOOT电路）EA：程序存储器（ROM）控制引脚。当EA连接VCC时，芯片从内部ROM启动；当EA连接地时，芯片从外部ROM启动。
  4. ALE：地址锁定使能引脚。
  5. PSEN：程序存储器读使能引脚。
  6. INT0、INT1：外部中断输入引脚。
  7. （最小系统：下载电路）TXD、RXD：串行口传输引脚。
  8. T0、T1：定时器/计数器输入引脚。
  9. AUXR、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7：特殊功能引脚，具体用途与芯片内部的其他电路有关。

其中，EA，ALE，PSEN与外部存储器有关：

  • EA(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端。
    ○ 当EA接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过OFFFH时，将自动转去执行片外ROM指令;
    ○ 当EA接低电平时，CPU只执行片外ROM指令。对于80C31，由于其无片内ROM，故其EA必须接低电平。

  • ALE(30脚)：地址锁存允许信号输出。
    ○ 当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号控制锁存PO口输出的低8位地址，从而实现PO口数据与低位地址的分时复用。
    ○ 当80C51上电正常工作后，自动在ALE端输出频率为fosc/6的脉冲序列(fosc代表振荡器的频率)。

  • PSEN(29脚)：片外ROM读选通信号端。

 

1. 51单片机为什么P0口要接上拉电阻？

简短不看版：因为P0口的GPIO在内部都是开漏输出的。

一、概述

51单片机（通常指AT89C51,AT89C52,STC89C51,STC89C52）P0口作为I/O口输出的时候时，输出低电平为0 输出高电平为高组态，所谓的高阻态就相当于浮空状态，不能真正的输出高电平。

P0端口8位中的一位结构图见下图：

由上图可见，P0端口由锁存器、输入缓冲器、切换开关、一个与非门、一个与门及场效应管驱动电路构成。再看图的右边，标号为P0.X引脚的图标，也就是说P0.X引脚可以是P0.0到P0.7的任何一位，即在P0口有8个与上图相同的电路组成半导体。

当作为输出给所接的负载提供电流时，必须接上拉电阻(一电阻连接到VCC)，由电源通过这个上拉电阻给负载提供电流。P0作输入时不需要上拉电阻，但要先置1。因为P0口作一般I/O口时上拉场效应管一直截止，所以如果不置1，下拉场效应管会导通，永远只能读到0。因此在输入前置1，使下拉场效应管截止，端口会处于高阻浮空状态，才可以正确读入数据。　

二、上拉情况分类

由于P0口内部没有上拉电阻，是开漏的，不管它的驱动能力多大，相当于它是没有电源的，需要外部的电路提供，绝大多数情况下P0口是必需加上拉电阻的。

1、一般51单片机的P0口在作为地址/数据复用时不接上拉电阻。

2、作为一般的I/O口时用时，由于内部没有上拉电阻，故要接上上拉电阻。

3、当p0口用来驱动PNP管子的时候，就不需要上拉电阻，因为此时的低电平有效;

4、当P0口用来驱动NPN管子的时候，就需要上拉电阻的，因为此时只有当P0为1时候，才能够使后级端导通。 简单一点说就是它要驱动LDE亮就必须要有电源驱动，否则亮不了，而恰好P0口没有电源，所以就要外接电源，接上电阻是起到限流的作用;如果接P1、P2、P3端口就不用外接电源和电阻了。

P0口是开漏的，不管它的驱动能力多大，相当于它是没有电源的，需要外部的电路提供，绝大多数情况下P0口是必需加上拉电阻的;

5、51单片机的P0口用作数据和地址总线时不必加上拉电阻。

有些IC的驱动能力并不强，如果P0口作为输入而加了不必要的上拉，有可能驱动IC无法将其拉回到低电平，从而使输入失败!

三、常用驱动实例

1、如果是驱动led，那么用1K左右的就行了。如果希望亮度大一些，电阻可减小，最小不要小于200欧姆，否则电流太大;如果希望亮度小一些，电阻可增大，增加到多少呢，主要看亮度情况，以亮度合适为准，一般来说超过3K以上时，亮度就很弱了，但是对于超高亮度的LED，有时候电阻为10K时觉得亮度还能够用。通常就用1k的。

2、对于驱动光耦合器，如果是高电位有效，即耦合器输入端接端口和地之间，那么和LED的情况是一样的;如果是低电位有效，即耦合器输入端接端口和VCC之间，那么除了要串接一个1~4.7k之间的电阻以外，同时上拉电阻的阻值就可以用的特别大，用100k~500K之间的都行，当然用10K的也可以，但是考虑到省电问题，没有必要用那么小的半导体。

3、对于驱动晶体管，又分为PNP和NPN管两种情况：对于NPN，毫无疑问NPN管是高电平有效的，因此上拉电阻的阻值用2K~20K之间的，具体的大小还要看晶体管的集电极接的是什么负载，对于LED类负载，由于发管电流很小，因此上拉电阻的阻值可以用20k的，但是对于管子的集电极为继电器负载时，由于集电极电流大，因此上拉电阻的阻值最好不要大于4.7K，有时候甚至用2K的。对于PNP管，毫无疑问PNP管是低电平有效的，因此上拉电阻的阻值用100K以上的就行了，且管子的基极必须串接一个1~10K的电阻，阻值的大小要看管子集电极的负载是什么，对于LED类负载，由于发光电流很小，因此基极串接的电阻的阻值可以用20k的，但是对于管子的集电极为继电器负载时，由于集电极电流大，因此基极电阻的阻值最好不要大于4.7K。

4、对于驱动TTL集成电路，上拉电阻的阻值要用1~10K之间的，有时候电阻太大的话是拉不起来的，因此用的阻值较小。但是对于CMOS集成电路，上拉电阻的阻值就可以用的很大，一般不小于20K，我通常用100K的，实际上对于CMOS电路，上拉电阻的阻值用1M的也是可以的，但是要注意上拉电阻的阻值太大的时候，容易产生干扰，尤其是线路板的IC线条很长的时候，这种干扰更严重，这种情况下上拉电阻不宜过大，一般要小于100K，有时候甚至小于10K。

根据以上分析，上拉电阻的阻值的选取是有很多讲究的，不能乱用。

 

 

2. 51单片机的时钟(外部晶振)必须是12M吗？

STC89C52RC是没有内部时钟的，因此必须在外部配置晶振电路才能启动使用。

从数据手册中可以看到，STC89C52RC是可以支持0-80Mhz的晶振使用，但我们在实际项目中，是不会用到那么大的晶振。

首先需要明确：51单片机不是一定要用12M的晶振，11.05925M也行，18M也行，即一般来说35M以内的无源晶振（两脚的）都可以的。为什么常见的51单片机要用12M的晶振，是因为我们常说的51单片机是12分频的，如果选用12M晶振，如果是单指令周期的语句，刚好是1us，其他语句好似1us的整数倍，这样计算指令时间很方便。对于利用51单片机进行串口通讯的，一般会选用11.0592M晶振，因为对于9600，4800的波特率，11.0592M晶振计算时正好可以得到整数。

因此，在使用51单片机时，我们会一般选择这两种晶振：11.0592MHz和12M 。

  • 使用12Mhz晶振时，刚好是一个机器周期，也就是1US。在设计程序时，比较好计算。
  • 使用11.0592MHz时，串口通信波特率等运算中能够得到一个整数，计算的结构更加的精确和方便。

一个照顾时间，一个照顾波特率。具体情况看项目选择或个人需要选择。

相关扩展：51单片机时钟电路原理图

STC89C52单片机的内部有一个高增益反相振荡器，其输入端引脚为19引脚XTAL1，其输出端引脚为18引脚XTAL2，只要在这两个引脚之间跨接一颗无源晶振，再外加两个起振电容（一般可取15~33PF左右，该值主要取决于晶振负载CL），就可以构成一个稳定的自激振荡器。

 

 

3. 复位电路的接线

单片机复位通常可分为以下三种：

  • 上电复位
  • 手动复位（人为按下复位按键）、
  • 程序自动复位（如看门狗复位）

51单片机复位电路的工作原理

在时钟振荡器稳定工作的情况下，该引脚若由低电平上升到高电平并且持续2个机器周期（若晶振频率为12MHz，则两个机器周期为2us）,则系统将实现一次复位操作。

现在咱们在说复位电路时，先默认为是在时钟振荡器稳定工作的前提下，要将RST引脚由低电平值为高电平然后高电平持续2us以上。单片机在RST高电平有效的第二个机器周期开始执行内部复位操作，并在RST变为低电平前的每个机器周期重复执行内部复位操作。直到RST变为稳定的低电平，程序便从0000H地址开始运行。

总之，复位电路要想正常工作，需要先满足以下条件：

■CPU正常工作
为什么CPU需要正常工作？因为复位操作需要设计PC寄存器， 这涉及到软件层面， 故所以需要CPU能正常功能才能进行复位

■晶振正常工作
为什么晶振需要正常工作？由3.2可知CPU需要正常功能， 那么CPU是靠什么正常工作的呢？显而易见CPU是靠晶振提供时钟频率的，所以晶振需要正常工作

■电源正常工作
试想一下，如果电源不稳定，电压波动范围很大， 是不是会影响CPU的运行？的确是这样子的，电源一定要稳定。

■复位电路并不是仅仅2个机器周期就一定能正常工作！！！

如果此时是有复位信号了， 但是电源还没到VCC，晶振还没起振？

这一定存在的，因为上电时，Vcc 的上升时间约为 10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为 10MHz，起振时间为 1ms；晶振频率为 1MHz，起振时间则为 10ms。

因此，复位电路的设计时间一定要比设计手册上面的要长。

怎么设计复位电路？

目前市面上的复位电路大部分采用RC复位，这种方式成本低廉，稳定性好，被用于大部分的设计中。

 

RC电路如上所式，公式（充电）和图（包括充电和放电）如下所示：

式中：

  • vc用小写斜体来表示，因为它是随时间变化的，不是常数；
  • 指数写为时间(t)除以常数涛，涛称作时间常数，定义为：
    涛=RC (S)
  • t=0S 时， vc=0；
  • t=涛S 时， vc=0.632E；
  • t=2涛S 时， vc=0.865E；
  • t=3涛S 时， vc=0.993E；

原理图设计

按照我们上面说的理论，其实有两种方式，如下图所示，那么哪种才是我们想要的呢？下图两者的区别在于电容的电阻的位置不同， 由于电容两端的电压不能突变，当刚上电时，A电路为低电平，此时单片机复位，直到保持到1个时间常数后，NRST为高电平，而B电路，一上电为高电平，1个时间常数后NRST管脚为低电平， 并且一直保持低电平。

51单片机高电平复位，正常工作时RST引脚为低电平，因此为B图所示。

STM32单片机低电平复位，正常工作时RST引脚为高电平，因此为A图所示。

开机的时候为什么会复位？

在电路图中电容的大小是10uF电阻的大小是10k。所以根据公式可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（5V*0.7=3.5V）需要的时间是T=RC=10K*10UF=0.1S。

也就是说在单片机启动的0.1S内电容两端的电压时在0~3.5V增加。这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少串联电路各处电压之和为总电压。所以在0.1S内RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号而大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.1S内单片机系统自动复位RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右。

 

上图为上电自动复位电路， 如果需要加手动复位的话也和简单，只需要在AB电路的电容两端并联一个按键，当按键按下时，A图中的NRST为低电平，MCU复位，B电路为高电平。

扩展：STM32的RST的硬件复位条件

硬件复位，由STM32的数据手册可知，复位管脚低电平电压需要小于0.8V，输入脉冲时间为100ns。所以只需要在NRST管脚给小于0.8V的电压，持续时间为100ns就可以实现复位了。

在实际测试中，10K+0.1uF 电容，能维持0.8V以下的时间为275μs。满足要求。

 

 

4. 51单片机的BOOT电路

前面提到——EA引脚是程序存储器（ROM）控制引脚。

  • 当EA连接VCC时，芯片从内部ROM启动；
  • 当EA连接地时，芯片从外部ROM启动。

因此让EA上拉就行：

 

扩展：对比STM32的BOOT电路

STM32三种启动模式对应的存储介质均是芯片内置的，它们是：

1）主FLASH(Main Flash memory） = 芯片内置的FLASH

一般我们使用JTAG或者SWD模式下载程序时，就是下载到这个里面。

2）SRAM（Embedded SRAM ） = 芯片内置的RAM区，就是内存啦。

既然是SRAM，自然也就没有程序存储的能力了，SRAM模式一般用于程序调试。

假如我只修改了代码中一个小小的地方，然后就需要重新擦除整个Flash，比较的费时，可以考虑从这个模式启动代码（也就是STM32的内存中），用于快速的程序调试，等程序调试完成后，在将程序下载到SRAM中。

3）系统存储器（System memory） = 从系统存储器启动，

这种模式启动的程序功能是由厂家设置的。系统存储器是芯片内部一块特定的区域，STM32在出厂时，由ST在这个区域内部预置了一段BootLoader，也就是我们常说的ISP程序，这是一块ROM，出厂后无法修改。

一般来说，我们选用系统存储器启动模式时，是为了从串口下载程序，因为在厂家提供的BootLoader中，提供了串口下载程序的固件，可以通过这个BootLoader将程序下载到系统的Flash中。但是这个下载方式需要以下步骤：

  • Step1:将BOOT0设置为1，BOOT1设置为0，然后按下复位键，这样才能从系统存储器启动BootLoader
  • Step2:最后在BootLoader的帮助下，通过串口下载程序到Flash中
  • Step3:程序下载完成后，又有需要将BOOT0设置为GND，手动复位，这样，STM32才可以从Flash中启动

可以看到，利用串口下载程序还是比较的麻烦，需要跳帽跳来跳去的，非常的不注重用户体验。

 

 

STM32的BOOT电路原理图

一般BOOT0和BOOT1跳线都跳到0(地)，只是在ISP下载的情况下，BOOT0=1，BOOT1=0，下载完成后，把BOOT0的跳线接回0，也就是BOOT0 = 0，BOOT1 = 0；

问题：STM32F103配置BOOT0和BOOT1直接接地还是经过电阻接地？

STM32的硬件设计指导也是建议BOOT0、1接电阻再接地的。防止流入或者流出ICpin脚的电流不至于很大烧坏器件，而且可以起到抗干扰的作用，以下这个链接是某位博主由于BOOT没有接电阻造成的干扰影响STM32 BOOT0连接不当造成死机：

STM32的三种启动方式依靠BOOT0和BOOT1两个引脚的电平来决定，ST官方推荐的是串联10k电阻然后在接高电平或接地。
理论上这两个引脚只是在启动的时候用来选择启动方式，启动结束后对程序运行没有影响。
在一个项目中采用了STM32和GSM通信模块，调试中发现STM32工作及不稳定，非常容易受到GSM的射频干扰死机。几经周折终于找到问题的原因，PCB上STM32的BOOT0引脚是
直接接地的，没有串联10k电阻，造成STM32的死机。

 

转载自：

1. P0上拉电阻部分：文章来源：单片机仿真  原文： 一般的51单片机P0口为什么要加上拉电阻？

2. 时钟部分：https://zhuanlan.zhihu.com/p/616014638?utm_id=0

3. 百度知道

4. https://www.iotword.com/9731.html

5. 引脚相关：https://www.cnblogs.com/feng9exe/p/17613717.html

6. 复位电路：https://blog.csdn.net/FourLeafCloverLLLS/article/details/124437453

7. STM32的BOOT电路:https://blog.csdn.net/weixin_46061266/article/details/125459499

posted @ 2024-01-07 21:19  FBshark  阅读(211)  评论(0)  编辑  收藏  举报