51单片机基础-最小系统设计

第二十九章 51单片机最小系统

1. 导入

"最小系统"指能让 MCU 稳定上电、复位、跑程序、与外界基本交互（LED、串口）的最小硬件集合。本章给出典型 8051 内核（AT89S52/AT89C52/STC89C52 等）的最小系统电路、BOM、布局要点与上电自检固件，帮助你快速从原理图到点灯、串口"Hello"。

推荐器件：

初学者优先 STC89C52RC（自带串口 ISP，下载最方便）或 AT89S52（SPI ISP）。
若用老款 AT89C52（并口编程），下载器较难获得，建议避免。

2. 核心引脚与原理

电源：VCC(40)，GND(20)
时钟：XTAL1(19)，XTAL2(18)（外接晶振或部分 STC 支持内部振荡）
复位：RST(9)（高有效，上电需产生一定宽度高脉冲）
串口：P3.0/RXD(10)，P3.1/TXD(11)（下载/调试最常用）
I/O：P0/P1/P2/P3 共 32 根（P0 口为漏极开路，直连外设需上拉）

推荐系统时钟：11.0592MHz（适配标准波特率），或 12/22.1184MHz。

3. 典型最小系统电路

供电模块
- 5V 方案：USB 5V 或 AMS1117-5.0/7805 稳压；靠近 MCU 放 0.1µF 去耦（VCC-GND 每个电源脚各一枚）+ 10µF 钽/电解做缓冲。
- 3.3V 方案（少见于经典 8051）：请确认芯片是否支持 3.3V。
- TVS/反接保护（可选）：电源入口串肖特基或加 TVS 抑制浪涌。
时钟电路（外部晶振）
- 晶振：11.0592MHz（推荐）接 XTAL1/XTAL2
- 负载电容：各 22pF~33pF 到 GND（常用 30pF）
- 走线要短、对称，靠近芯片；参考地良好
复位电路（上电自动复位 + 手动按钮）
- RST 高有效，上电需>2个机器周期的高脉冲
- 典型RC：RST --- 电阻(10kΩ) → GND；RST --- 电容(10µF) → VCC
- 手动复位：RST --- 轻触按键 → VCC
- 快速放电二极管（可选，提高复位可靠性）：在 R（10k）两端并联 1N4148，方向为 RST→|---|<---GND（使 RST 由高回落时快速放电）
下载/串口接口
- TXD(P3.1) → USB-TTL 模块 RXD
- RXD(P3.0) ← USB-TTL 模块 TXD
- 共地；默认 5V TTL 电平
- STC 系列下载：上电/复位时自动进入 ISP
基本 I/O
- LED：P1.0 → 限流电阻(330~1k) → LED → VCC（低电平点亮，或按需反向）
- 按键（可选）：键一端接 P3.2/INT0，另一端接 GND，P3 口内部上拉；若接 P1 需外部上拉 10k
P0 口上拉（如需用 P0 接外设）
- P0.x → 上拉 10k 到 VCC，或经 74HC/HCT 系列/集成上拉阵列
BOM（核心）
- MCU：STC89C52RC 或 AT89S52/AT89C52（DIP40）
- 晶振 11.0592MHz ×1；30pF 电容 ×2
- 10kΩ ×2（RST 下拉、按键上拉/可选）
- 10µF 电解 ×1（RST RC）；0.1µF 去耦 ×若干
- 1N4148 ×1（RST 快放/可选）
- 轻触按键 ×1（复位）
- LED ×1 + 330~1kΩ ×1
- USB-TTL 模块（CH340/CP2102）×1

4. PCB 布局要点

晶振与负载电容紧贴 XTAL1/2，等长短线，远离高噪声导线（SCK、LED 大电流等）
VCC 每个侧边靠近引脚布 0.1µF 去耦；电源入口并 10µF
RST RC 靠近 RST 引脚；复位按钮回路短且远离噪声
串口与下载口引出 4 针：VCC/GND/TXD/RXD；标注清晰避免接反
走线优先 GND 完整参考面；避免长回路

5. 上电自检固件（点灯 + 串口 Hello + 1ms 系统节拍）

默认外部晶振 11.0592MHz。若你使用 12MHz，仅需调整定时器/波特率装载值。

c 复制代码

#include <reg52.h>

/* 硬件映射 */
sbit LED = P1^0;        // 低电平点亮（按接法决定）
/* 串口：P3.1 TXD, P3.0 RXD */

/* 简易延时（粗略） */
void delay_ms(unsigned int ms){
    unsigned int i,j;
    for(i=0;i<ms;i++) for(j=0;j<125;j++);
}

/* UART 9600bps @11.0592MHz */
void uart_init(void){
    TMOD |= 0x20;           // T1方式2自动重装
    TH1 = 0xFD; TL1 = 0xFD; // 9600
    TR1 = 1;
    SCON = 0x50;            // 8N1，可收
    ES = 0; EA = 1;
}
void uart_putc(char c){ SBUF = c; while(!TI); TI = 0; }
void uart_puts(const char* s){ while(*s) uart_putc(*s++); }

/* T0 1ms 节拍（方式1 16位）@11.0592MHz：重装 FC66 */
volatile unsigned long sys_ms = 0;

void t0_init_1ms(void){
    TMOD = (TMOD & 0xF0) | 0x01;   // T0 方式1
    TH0 = 0xFC; TL0 = 0x66;        // 1ms
    ET0 = 1; EA = 1; TR0 = 1;
}
void t0_isr(void) interrupt 1{
    TH0 = 0xFC; TL0 = 0x66;
    sys_ms++;
}

/* 串口接收回显（可选中断方式；此处简单轮询演示） */
bit uart_read_char_nonblk(char* ch){
    if(RI){ RI = 0; *ch = SBUF; return 1; }
    return 0;
}

int main(void){
    char ch;
    LED = 1;               // 默认灭（按接法调整）
    uart_init();
    t0_init_1ms();

    uart_puts("Hello, 51 Minimal System!\r\n");

    while(1){
        // 每500ms 翻转LED，且打印计数
        static unsigned long t_prev = 0, cnt = 0;
        if(sys_ms - t_prev >= 500){
            t_prev += 500;
            LED = !LED;
            uart_puts("Tick ");
            uart_putc('0' + (cnt%10));
            uart_puts("\r\n");
            cnt++;
        }

        // 串口回显（键盘输入→回显）
        if(uart_read_char_nonblk(&ch)){
            uart_putc(ch);
        }
    }
    // return 0;
}

11.0592MHz 下，T0 1ms 装载为 TH0/TL0=0xFC66。若为 12MHz，则改为 0xFC18。
串口 9600bps 下，TH1=TL1=0xFD（模式2）。12MHz 时 TH1≈0xFD 亦可，误差略有不同。

6. 串口波特率与定时器速算

标准 8051 机器周期 Tmc = 12 / Fosc
T0 1ms 重装值（方式1）：Reload = 65536 - 1ms/Tmc
- Fosc=11.0592MHz → Tmc≈1.085µs → 1ms≈922 → 65536-922=64614≈0xFC66
串口 9600（T1 方式2自动重装）：TH1 = 256 - (Fosc / (12*32*9600))
- 11.0592MHz → TH1=0xFD

7. 下载与上电验证

STC 系列（UART ISP）
- 连接 VCC/GND/TXD/RXD（注意 TXD↔RXD 交叉）
- 打开 STC-ISP 工具，选择串口与波特率，载入 Hex
- 断电→点"下载"→上电或按复位，观察进度条完成
AT89S52（SPI ISP）
- 使用 USBasp/AVRISP 等工具与 SCK/MOSI/MISO/RESET 接口，配套 Hex 下载
AT89C52（并口编程）
- 需并口高压编程器，不推荐入门使用

验证步骤：

上电/复位，LED 每 500ms 闪烁
串口助手 9600-8N1，看到"Hello, 51 Minimal System!"与"Tick x"输出；输入字符可回显

8. 常见问题与排查

无法运行（LED 不闪、串口无输出）
- 晶振未起振：焊接、负载电容太大/太小、走线过长
- 复位波形不对：RC 数值不当、RST 有毛刺；加 1N4148 快速放电
- 供电不稳/无去耦：VCC 波动、地回路噪声
- 源程序频率配置与硬件不一致（11.0592 vs 12MHz）
串口乱码/无回显
- 波特率不一致；TXD/RXD 接反；GND 未共地
- 5V TTL 与 3.3V 模块电平不匹配
下载失败
- STC：需"先点下载后上电/复位"进入 ISP；串口占用冲突
- AT89S52：ISP 线序错误或时钟频率不匹配；检查编程器驱动

9. 扩展与建议

电源完善：加 USB 口/保险丝/ESD/TVS；LDO 换低噪声型号
调试接口：引出 RST/TXD/RXD/VCC/GND 2.54mm 排针；标注丝印
资源扩展：I²C（EEPROM、RTC、OLED）、SPI（Flash、TFT、触摸）、外部中断（按键）
固件结构：保留 1ms SysTick、串口日志、模块化外设驱动，便于后续章节无缝集成