单片机入门必读（2）

第六章：51单片机实验板原理与功能简介

     现在市面上单片机实验板种类繁多，有的非常简陋，有的相对高级，价格与外围器件扩展的程度正相关。我设计的这一款实验板个人认为不算简陋但也称不上高级，和网上的各种普及型实验板都差不多，市售价格在100元左右，非常适合初学者使用。能够把这款实验板的所有功能都开发出来的话，你的单片机开发水平就相当可以了。由于电路原理非常简单，电路原理图与PCB图我将免费公布，以利于广大初学者自制，需要者请联系向我索要。你也可以参考我板子的硬件结构，根据自己的要求自行设计。

     请参照你手里的51教材中列出的单片机管脚，我将详细说明本实验板的硬件结构。

1、P0口通过74LS244（单方向8位总线驱动器）驱动8位LED发光二极管。可以实现广告灯、跑马灯、交通灯等相关实验。

2、P0同时通过74LS244驱动4位LED数码管的段选，与8位LED切换通过一只开关完成。位选由P2口前4位通过4只NPN三极管驱动完成。可以实现时间显示、秒表与计数显示等与数码管有关的实验。

3、P1.5通过一只PNP三极管驱动一只自震荡的蜂鸣器。自震

荡的意思是加上一定直流电压，蜂鸣器即可发出一定频率的声音。如果想改变频率，可以使用PWM（脉宽调制，就是改变脉冲占空比）方式通过音频调制驱动。如果想实现音乐编程，更换为一般的蜂鸣器（就是音乐贺卡里的压电片）即可。可以完成与音乐发生有关的实验，也可作为报警信号输出。

4、P1.6与P1.7脚连接IIC器件，板载一只8脚DIP插座，可选AT24C02，它是一只256B的EEPROM（电可擦写存储器）。可以实现电子密码锁等需要保存数据的实验，通过实验也可以对IIC技术有个基本的了解与掌握。

5、P3.2——P3.5是51的4个中断的外部输入端，这四个管脚连接4只按键开关到地，按下按键将该管脚接地。选择P3工作于第一功能，则按键开关工作于查询方式。如果选择第二功能，就工作于中断方式。可以完成按键和中断的相关实验。此处解释一下查询与中断，如果你在睡午觉，为了防止迟到，你每隔5分钟就睁眼看一下闹钟（假设你能够准时醒来），这就是查询方式，使用闹钟叫你就是中断方式了。它们的区别很显然，选择查询方式CPU就不能干别的工作了（就像你无法连续的睡觉），选择中断的话CPU可以去做其他工作，直到中断来临，CPU再去做中断要求的工作。

6、P3.0与P3.1是单片机的串口接收与发送数据线，它们通过MAX232转换为RS-232（一种串口通讯协议）标准电平，以便与PC机的串口通讯。因为51单片机与PC机的串口电平标准不同，所以用MAX232进行一个电平转换工作，仅此而已，你不需要准确的知道RS-232的协议标准。这就如同英制与公制的转换，对于你来说1M的长度对一个英国人来说就是3.28英尺。这个串口可以实现单片机与PC或者其他具备RS-232接口的单片机的通讯实验，更为重要的是，ISP编程就是通过这个串口将程序从PC机下载到单片机的ROM里面的。对于具有ISP功能的单片机，必须有这个电平转换部分（最小系统组成部分之一），否则无法进行编程。

7、其他没有使用的管脚可以作为系统扩展使用。P0口外接上拉电阻。同时引出全部IO口线、ALE口线以及5V电源线和地线，便于扩展。晶振使用12M，选择12个时钟周期方式，机器周期为1US，选择6个时钟周期方式，机器周期为0.5US，这是飞利浦单片机的特殊功能。在ZLGISP软件编程时，点击设置，在6CLOCK前打勾即可选择6个时钟周期方式。这个方式比12个时钟周期方式速度提高不少，但是对于精确延时程序将有影响，而且大多51教材都是针对12个时钟周期所写，所以不推荐初学者使用。

8、单片机非常害怕电源极性颠倒，所以电源插口后边安装了一只全桥作为“防呆开关”（原理简单而巧妙，请自行研究），无论电源极性如何都可以直接输入，但是输入电压不得低于8.5V，也不可太高，否则稳压块LM7805功耗过大容易发热。可以使用市售收音机直流电源，推荐使用9V。至于复位开关，编程选择开关，电源稳压部分就不再赘述了。

     以上简介了实验板的硬件结构，实验请参见下文设计。

第七章：51单片机常见问题解答

     关于51单片机的硬件，你手里任何一本教材都写得很清楚，我没有必要重新COPY一份，但是我很少看到能够不费力气就看得懂的51教材。对于初学者来说，一堆术语加上一堆严密得让人头痛的逻辑推导不啻为一种灾难，有时候明明很简单的原理非要被描述得艰涩异常。科学的精神在于把复杂的东西表述得简单，但是我们很多教材编写者却反其道而行之，完全违背了真正的科学精神，实在是面目可憎，行而不远。这也是我花费时间撰写本教材的原因之一。下面就针对几个被教材解释得一塌糊涂的常见问题做一下通俗的解释。

1、处理能力的概念。51单片机属于8位机，8位是个什么意思呢？就是CPU处理的数据是8位的。位数的高低体现了CPU处理能力的强弱。4位的处理器已经基本淘汰了，8位的处理器占据了低端单片机的大部分市场，32位处理器是现在兴起的嵌入式系统的主流配置，我们常用的电脑大多都是32位，64位的处理器也有，但是市场份额比较少，价格也较高。所以我们学习的51单片机属于比较低级的单片机，会逐渐被新兴的嵌入式处理器所淘汰，但是51单片机成本低，学习资源最丰富，上手容易，对于初学者来说是很理想的用于学习的单片机。

2、存储器问题。51单片机有两类存储器，一类是程序存储器ROM，它断电以后数据不丢失，但是必须用编程器擦除和写入程序；另一类是数据存储器RAM，它断电以后数据会丢失，但是可以用程序改写内容。以AT89C51为例，因为它有16条地址线（P0和P2），所以它可以访问64K存储器空间（2的16次方是65535），它的ROM和RAM都是分内外的，外部存储器都需要扩展，扩展方法参见教材。但是ROM和RAM的内外执行方式不同，ROM的内外切换要用EA脚（31脚）的电平选择，而RAM的切换可以直接用不同指令MOV和MOVX分开同时访问。例如AT89C51有4K内部ROM，64K外部ROM，如果EA=1，则从内部ROM开始执行，当超出4K之后，跳转到片外4K以上的空间运行；如果EA=0，则完全在外部ROM中运行，内部ROM不再起作用。什么意思呢？就是要么运行内部4KROM要么运行外部4KROM，内外ROM的前4K不能同时运行，必须用EA切换。所以一般在没有外部ROM的情况下，EA必须接电源正极，否则程序不能运行。我曾经因为EA悬空造成程序无法运行，苦苦思索一周才找到原因，期间因为盲目测试导致3块AT89C51损坏，教训十分惨痛，望后来者吸取教训。RAM就不同了，AT89C51有128B内部RAM，可以扩展64K外部RAM，这两个部分的RAM可以同时被访问，注意选择不同指令即可，访问内部用MOV，访问外部用MOVX，外部RAM扩展方法参见教材。ROM的种类除了常见的PROM（可编程ROM），还有MASK   ROM、FLASH   ROM 和EEPROM等种类。MASK   ROM是掩模存储器，掩模的意思就是工厂把程序直接做在芯片上了，适于不需要反复修改的大批量产品生产，成本非常低，但是用户不能更改程序，8051里就是这种ROM。我最初接触单片机的时候，去电子市场买8051，结果商家真的卖给我了一块，回家一看，里面全都是程序，根本无法修改，现在回想起来，自己简直是个傻瓜，哪有买掩模ROM的单片机做学习和开发的？！商家也不告诉我已经烧好的程序可以干什么，害的我只能拿它当8031使了！这个教训真是好笑，希望大家一定要搞明白ROM的种类区分。PROM有OTP（一次性编程）和允许反复擦写（用紫外线照射擦除）两种，87C51系列就是OTP的ROM；就现在的形势看，ROM有普及FLASH之势，那些用紫外线擦除的垃圾看来是要被淘汰了。FLASH   ROM可以电擦写，但必须整块擦除，写入速度快，擦写次数在1000到10万次之间（视不同类型芯片而定），事实上89C51系列的ROM就是FLASH   ROM，U盘内的ROM也是，一种NAND FLASH现在广泛用于嵌入式系统中，它的存储容量大，成本低，可以实现固态硬盘的功能；EEPROM是电可擦写存储器，它是按位擦写的，可以擦写10万次以上，但擦写速度较FLASH ROM要慢，AT24C02就是EEPROM，我们用的很多智能IC卡也是。RAM的种类有静态SRAM，动态DRAM和SDRAM之分。SRAM只要写入一次，有电数据就可以保持，单片机里就是SRAM，但是它的缺点就是太贵，所以单片机里的RAM都很小。DRAM一次写入数据之后只能保持一瞬间，必须不断重写，叫做刷新，这个过程还需要相应的逻辑电路支持，很麻烦但是很便宜。SDRAM叫做具有静态特性的动态RAM，它把逻辑刷新电路和DRAM做到了一起，它的工作方式本质是动态的，但是从外部看相当于一个SRAM，这样就不但具有静态特性而且价格便宜，我们电脑里的内存条都是SDRAM。我自己的理解是这样的，就像爬山比赛，能力强的人呢，爬上去就不会滑下来。但是能力不行的人站不住，只好滑下来再爬上去，反复这样，频率高了给人的感觉就好像他在山上一样。呵呵，反正能力强的东西总是更贵一些的。

3、IO口问题。P0口是集电极开路，所以我的实验板上给它加了上拉电阻。上拉电阻的作用就是在基本没有电流输出的情况下将管脚电位拉到5V，这样对于外部来说是逻辑1，如果没有这个电阻，管脚电位就是0。为什么？假如三极管关闭的情况下C-E间电阻为100M，如果上拉电阻为10K，则分压的结果是几乎接近5V，这就是上拉的原理。IO口的驱动能力有限，AT89C51也就不到20MA（8051连这些都没有），可以直接驱动LED（电流流入方式），但是驱动别的大电流外部设备必须加驱动电路，否则会烧毁IO口，务必注意。迄今为止，我一共烧毁了7块AT89C51，损失了一把银子之后我终于找到了原因：一个是电源问题，电源电压超过5V或者极性颠倒都会导致芯片烧毁；另一个问题就是我在单片机供电的情况下测量P0.0脚（39脚）电位时表笔不小心连通了电源正极（40脚），而此时刚好P0.0内部MOS管开通（也就是输出0），结果直接烧毁了输出MOS管。因为P0口是数据线，结果导致编程时数据无法写入。这个教训最惨痛了，务必牢记。单片机的一种绝对保密技术就是利用了这种方法，编程之后烧毁一只闲置的数据或地址管脚的输出管，造成数据无法读出，达到绝对保密的目的。还有一点需要注意，如果要读入管脚的状态，必须先向该管脚写1，然后再读该管脚方能得到正确输入。使用P3的第二功能之前，也要先向P3口写1，目的都是让IO口输出管关闭。IO口详细构造请阅读51教材相关部分。

4、有关寻址方式。相关教材中的寻址部分纯粹是找别扭，我都可以用51开发产品了，可是我现在重读这部分教材依然一头雾水，无法理解。不理解很好，说明你大脑正常，不用去管教材所说的寻址方式到底是什么意思，你学会如何使用就行了。其实就是对数字操作（所谓立即寻址）、对寄存器操作（所谓寄存器寻址）、对地址操作（所谓直接寻址）、对指针操作（有专用指针也有寄存器作为指针）和对位操作5种情况。寻址方式就是告诉你一个操作什么东西的问题，没有什么高深的。如果还是不明白就不要看这部分内容了，直接学习指令进行编程，当你编程很熟练之后，你会发现，其实它那些怪里怪气的寻址方式命名是很可笑的。

5、对中断概念的理解。我最开始看了一个使用中断的程序之后，想了好几个晚上也没有理解什么叫中断。这个程序的注释竟然说中断服务程序是这个程序的核心部分，我当时就茫然了——那主函数是什么？垃圾吗？在我的认识里，主函数才应该是一个程序的核心。忘了过了多少日子，我终于明白了中断的含义。假如你设置一只闹钟6点叫你，如果你6点准时爬起来看闹钟是不是叫你的话，那就不叫闹钟了，你成了闹钟的闹钟了。初学者很容易不明白为什么主函数里并没有跳转到中断服务函数的指令，怎么中断服务程序就自己自动执行了呢？没错，中断不需要什么指令来启动，它会自己启动，就像定时炸弹到点就会自动爆炸一样。什么时候启动由定时器、计数器或者外部中断决定，这是一个前台运行过程（谁表演谁就是前台嘛），你在后台看不到，后台是个设置中断的过程，决定什么情况下中断会叫你。比如你在车站等你女朋友，你无法准确知道她什么时候来，所以后台函数是个循环——你来回踱步，焦急的等待。当你女朋友出现的时候，她要求你停止踱步，和她去商店买衣服——这是中断服务函数。如果你女朋友还没来，你就自己跑到商店里了，那就不叫中断了。如果她来了你还在踱步——很不幸，系统不是跑飞就是崩溃了，呵呵。有关中断的具体操作与设置方法，请仔细阅读51教材相关部分。中断是单片机一个的难点，也是一个有特色之处，没有中断的话单片机就失去了全部的灵活性与实时性，变成一块用于顺序控制的数字电路了。

6、编程语言问题。你可以用汇编编程，也可以用C51语言编程。它们各有各的强项和弱点，选择哪种语言要根据你的基础和具体任务确定。有个老兄这样说：汇编挺好啊，不过你用着用着就想用C51了；C51嘛，也挺好啊，不过你用着用着就想用汇编了。呵呵，真的是这样。我个人的理解是：汇编好写不好看，C语言好看不好写。去看别人一段没有注释的汇编语言是一件很困难的事情，看不懂并不说明你编程水平差。这种情况下先不要看别人的例程，根据你自己的思路编写即可，到了关键部分或是遇到障碍再看看例程，效果很好。别人写的C语言比较好理解，因为C语言本质上就是各种各样的函数调来调去的过程，看懂了函数，程序基本就明白了。下面说说汇编和C各自的特点：汇编是个事必躬亲的战术语言，要干什么就直接干什么，什么事情都要直接操作硬件，所以累啊——系统倒不累，你累啊，呵呵，累死你换来的好处就是代码比较小，而且工作准确，操作决不会马马虎虎。C语言就不同了，是个战略语言，只抓大局，一堆基层工作全给INCLUDE了，够狠，要干什么不好好干，非要拐弯抹角——比如重新运行不让用跳转（封杀GOTO语句），非要设计一个巧妙的循环，汇编就没这么不老实。这次你不累了，但是如果智商不够就惨了，一句都写不下去，不像汇编——就算我笨，能编多少时多少，编一点是一点。当甩手掌柜自然不错，但是缺点也很明显：一来代码要大不少，系统资源一下就被搞紧张了；二来涉及到对硬件的具体操作就它就没招了，还得求人家汇编，呵呵。所以汇编和C你都要掌握，大局由C定，几处需要准确处理硬件的工作交给汇编，属于瞎子背瘸子的组合，呵呵。两手抓，两手都要硬，互相渗透，结合使用，这就是学习单片机语言的基本原则。说了一顿，和具体编程一点关系都没有，但是原则你要把握。汇编语言我就不说了，教材都会详细说明指令的意义和使用方法，下面我说一下C51。C语言的具体结构和编写方法你明白了吗？没明白赶紧看书。C51与通用C语言的区别我理解主要有两点：一是中断函数的声明与使用，二是如何在单片机里进行位操作，我的理解就这一点点，当然这与我水平比较菜有很大关系。那么C语言如何能够认识那些单片机的寄存器呢？难道每写一个程序都先要铺天盖地的定义一番？！这个我们不怕也不用管，KEIL里有自带的包含文件来解决这个问题。你在KEIL里写C51程序的话，上来先写一个#INCLUDE<AT89C51.H>，这一堆问题就解决了，下面你可以直接写P0=0X00，或者SCON=0X00之类，反正C语言可以认识，还能正确编译，怎么样？战略语言确实不得了，脏活全让<AT89C51.H>这个文件做了。当然想舒服就得付出资源的代价，C代码肯定比汇编大，不信你编写一个同样的汇编程序试试看。想学习C51的话，可以找一本教材，但是如果你基本明白C了，买教材就有点浪费了，因为大多数C51教材都花上很大篇幅讲C的规则，什么数据类型，什么控制语句，简直是浪费白纸，所以你借一本教材看看C51和通用C不同的地方就可以了，买一本实在不值得。借不到也可以到网络上搜索一下，有更通俗的教材，这里推荐明浩写的那个基于KEIL软件的C51教材，虽然只有几课内容，很简单，但是非常容易理解，也很实用，同时还说明了KEIL的使用方法。

     常见问题就谈这么多，都是一些概括性的介绍，具体问题你要自己去解决。

 
    第八章：实验设计

     你一定很着急知道学习多长时间才具有开发产品的能力，这个过程很快，一般连续学习半年以上（注意不是三天打鱼两天晒网）即可开发简单的产品。你必须严格进行一系列实验，通过实现单片机的所有功能达到提高开发能力的目的。下面列出我自己认为需要完成的实验的名称以及实验项目的说明。

实验1：跑马灯左右循环移动的应用

实验项目：

1、学习IO口的控制技巧，掌握各种数制的转换方法。

2、第一次用取机器周期倍数的延时方法实现移动速度的设定。

3、第二次使用定时器中断的方法实现移动速度的设定。

4、第三次使用DPTR取表的方式实现移动顺序的设定。

实验2：中断的应用

实验项目：

1、第一次用多种模式实现两个定时器中断的功能，可以用LED闪烁显示，也可以让蜂鸣器发声。

2、第二次设定四个中断同时存在，两个外部中断，两个计数器中断，由四个按键作为外部输入。四个按键设定两个优先级，完成五种任务（包括后台的任务和四个中断服务程序的任务）。

实验3：布尔代数（一位机）应用

实验项目：

     类似可编程逻辑控制器的使用，选择多个复杂的逻辑关系，使用指令中的逻辑语句完成相关的逻辑功能，使单片机成为一块可以完成复杂逻辑的数字电路。这个实验主要用于工业配线以及顺序生产过程。

实验4：串口应用

实验项目：

1、UART通过74LS164和74LS166实现串行扩展IO口输入输出功能。

2、两个单片机做全双工通讯实验。

3、单片机与PC机之间进行全双工通讯实验。

4、一个单片机与两个以上单片机做全双工主机从机通讯实验。

实验5：单片机音乐编程应用

实验项目：

1、该实验可以用延时的方法也可以用定时器中断的方法实现，主要学习了如何通过对频率和节拍编码表的读取进行音乐编程。

2、在此基础上，可以学习如何使用单片机产生双音频拨号音，完成单片机自动拨号实验。

实验6：直流电机与步进电机控制应用

实验项目：

1、了解直流电机驱动部分硬件原理。掌握单片机控制直流电机正反转的方法，能够使用PWM（脉宽调制）方式改变直流电机转速。

2、了解步进电机驱动部分硬件原理。掌握用脉冲分配的方法驱动步进电机正反转，并且可以通过改变脉冲分配频率来改变步进电机转速。

实验7：键盘与显示器应用

实验项目：

1、独立按键识别操作方法，BCD码转盘的使用方法。

2、扫描式按键操作方法（结合中断操作）。

3、串口扩展IO口的键盘操作方法。

4、静态LED显示操作方法。

5、动态扫描LED显示操作方法。

6、结合时钟芯片（需要扩展），设计一个电子表。

7、结合4*4键盘，设计一个计算器。

8、结合EEPROM，设计一个防掉电电子密码锁。

9、结合步进电机，设计一个可设定和显示速度的步进电机控制板。

实验8：其他显示器件应用

实验项目：

1、点矩阵LED显示器应用。使用4块8*8矩阵LED作为大屏幕，滚动显示中文字幕。

2、使用LCD显示字符与图形，掌握LCD驱动方法。

实验9：AD/DA转换应用

实验项目：

1、使用ADC0809和一种温度探头，结合LED显示制作一只数字温度计。如果温度探头成本过高，可以制作一只数字电压表。

2、使用双积分型A/D转换电路ICL7135制作数字电压表。

3、使用DAC0832制作一个多种波形的数控信号发生器。

4、使用ADC0809和DAC0832，外扩RAM（可使用32K的62256）制作简易数字录音机（录音时间为数秒钟）。

实验10：外部传感器输入与数据采集应用

实验项目：

1、利用光敏三极管采集光电信号。

2、利用红外线对管构成主动式红外线光电信号采集。

3、利用热释电红外线传感器，结合驱动电路，构成被动式红外线光电信号采集。

4、利用驻极体话筒或压电陶瓷片，结合音频锁相环技术（LM567），制作超声波距离探测器，使用LED显示距离。

5、利用霍尔元件，制作伺服电机转速控制器，由键盘设定转速，LED显示。

6、利用压力传感器制作电子秤，键盘输入，LED显示。

实验11：单片机外围扩展IC应用

实验项目：

1、8155原理与应用。

2、8255原理与应用。

3、8279原理与应用。

4、利用时钟芯片DS12887制作智能电子表。

5、利用ISD1420或者APR9600制作公共汽车报站器、汉语报时钟或会说话的万用表。

实验12：IIC技术应用

实验项目：

1、电可擦写存储器AT24C02读写实验。

2、PCF8583驱动实验，可制作电子表。

3、8位并行输入输出芯片PCF8574实验。

4、数模转换芯片PCF8591实验。

     IIC技术可以节省单片机端口，有利于设计小型化和制作低成本化，但是实时性有所下降。以前的实验均可由相关IIC器件完成。

实验13：操作系统UCOS_II在单片机上的移植

实验项目：

     要求单片机ROM最少要8K，一般要14K以上，外部扩展RAM最少要4K。完成在单片机上运行多个任务的操作系统的移植

     如果你已经成功做完以上所列的所有实验，不要谦虚了，请删除本教材，并收下我这个徒弟，可以说在51单片机开发方面你已经走在我们这些菜鸟前面了。对于初学者，当然不必因此而泄气，能够在每个方面都实现一个基本实验就相当不错了，就算自己无法编出程序，把网上编好的程序拿来跑一跑也很不错，起码说明我们具有“移植”的能力，呵呵。别小看这个能力，复杂产品的开发基本都是这样，试问谁能为了一个产品自己开发操作系统？要是能编出来还卖产品干吗？直接卖操作系统就发财了，呵呵！所以初学者要量力而行，上述所列只不过给大家指出个学习方向，基本就这么多了，从简单的开始，一步一步做下去。当然还有一些比较高难的，比如单片机上网，单片机控制蓝牙模块、GSM模块、GPRS模块乃至GPS全球定位系统模块等等，这些暂时不是我们的学习内容，等你成为高手以后再研究吧。

后记

     单片机的入门教材暂且写到这里，如果以后有新的体会再继续补充。每一个初学硬件技术的人都要明白，世界上的器件是无穷无尽的，有数以万计的技术可能你还没来得及接触就被淘汰掉了，所以不要揪住一堆知识不放，或者幻想掌握所有器件的使用方法。培养一种思维方式是最重要的——有方法没有知识随时可以学，有知识没方法的话，知识最终也会被忘掉。我们现在学习51，如果我们在学习过程中培养出了解决方法的思维方式，一旦客观需要我们使用AVR，很短的时间我们就可以搞定，哪怕我们对AVR一无所知。