51单片机实验01：点亮第一个LED

一、实验目标

设计51单片机最小系统电路，使用AT89C52单片机控制发光二极管的点亮。为此我们需要使用proteus完成晶振电路、复位电路以及发光二极管控制电路在内的电路设计，然后加载使用Keil编写的控制二极管点亮的嵌入程序，以验证程序的运行结果。

晶振电路是单片机运行的基础，它提供了单片机工作所需的时钟信号。复位电路则负责在必要时重置单片机的状态，确保其从已知的初始状态开始运行。发光二极管控制电路则是我们实现单片机功能的具体体现，通过控制单片机的I/O口来点亮或熄灭发光二极管。

完成电路设计后，将使用Proteus软件进行电路仿真。在仿真环境中，我们将加载用Keil编写的嵌入式程序，并观察发光二极管的亮灭情况，以验证程序的运行结果是否符合预期。

通过这一实验，我们不仅能够加深对51单片机最小系统电路的理解，还能够提升我们在嵌入式系统开发方面的实践能力。

二、电路设计

1.晶振电路

晶振电路构成时钟脉冲振荡电路，为单片机提供时钟脉冲，下图为AT89C52单片机的外部晶振电路。

上图是应用proteus设计的晶振电路，该电路由单片机AT89C52（U1）、晶振（X1）、电容器件构成。

晶振电路的电容称为匹配电容或负载电容，它们并联到晶振两端，为晶体振荡提供电流回路，若没有这两个电容，晶振的振荡会因为没有电流回路而停振，这两个电容的容量都很小，选择几十皮法即，两个电容的另一端都需要接地。

AT89C52单片机的XTAL1和XTAL2是外接时钟引脚，XTAL1为片内振荡电路的输入端，XTAL2为片内振荡电路的输出端，这两个引脚外接晶振和电容，晶振一般取值为12MHZ，电容一般取值为10P~30P。

晶振为单片机提供稳定的时钟脉冲，确保单片机内部的所有操作都在精确的时序控制下有条不紊地执行。无论是数据处理、指令执行还是I/O操作，都离不开晶振提供的时钟信号的驱动。

上图为晶振提供的时钟脉冲时序图，它有8个时序脉冲，开始是低电平，过一段时间后出现一个上升沿，并跃变到高电平，高电平持续一段时间后，出现下降沿，并跃变到低电平。

时钟周期是晶振工作频率的倒数，这一关系反映了晶振频率与单片机操作速度之间的直接联系。例如，使用12M的晶振意味着其时钟周期为1/12μs，而1MHZ的时钟频率对应着1μs的时钟周期；若频率提升至4MHZ，则时钟周期缩短至250ns。这些数值直接影响了单片机的运行速度和处理能力。

2.复位电路

51单片机的复位电路是为了让单片机在特定的情况下回到初始状态。就好像你玩游戏时，有时候游戏会卡顿或者出错，这时候你可能就需要重新开始游戏，回到游戏的起始点，重新开始。51单片机的复位电路就是这个作用。

复位电路通常包含一个电容和一个电阻，它们一起工作来产生一个电压脉冲。当单片机需要复位时，这个电压脉冲会被送到单片机的复位引脚，告诉单片机：“嘿，你需要回到初始状态，重新开始！”

什么情况下需要复位呢？比如单片机刚上电时，或者程序运行出错时，都可能需要用到复位电路。复位电路确保单片机在这些关键时刻能够重新开始，从而避免了一些可能出现的问题。

AT89C52单片机的RST引脚为复位引脚，该引脚连续输入两个机器周期以上高电平时有效，机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间，一个机器周期大约为12个时钟周期。下图为AT89C52的复位电路。

复位电路由一个极性电容和一个电阻串联构成，电容的正极接5V电源，负极接1K的电阻，电阻的一端接地，RST引脚接电容的负极。该电路为上电复位，当单片机在通电瞬间，确保复位端为高电位并持续大约2个机器周期。当单片机加电时，复位电路通过电容给RST端加一个高电平，此高电平信号随着对电容的充电而逐渐降低，因此要保持电容充电时间足够长来完成复位操作。

3.发光二极管控制电路

发光二极管控制电路用于控制二极管的发光状态，下图为发光二级管控制电路。

电路图的D1为发光二极管，一端接单片机P1第0位，一端接200欧姆的电阻，电阻的一端接5V电源，该电阻对电路进行限流，因为发光二级管允许流过的电流较小，所以需要串联一个几百欧姆的电阻。

在当前电路下，单片机加电后，发光二级管并不会点亮，因为单片机I/O口（包括P1口）所有位引脚都输出高电平，该电路无电流流通。前面我们使用keil编写了一个嵌入程序，该嵌入程序将P1口第0位改变为低电平，在这种情况下，该电路将有电流通过，发光二级管被点亮。

三、应用proteus绘制电路模型

应用proteus仿真软件绘制电路模型。

四、编写51单片机程序

启动keil开发工具，展开“Project”菜单，选择“New µVision Project ……”命令，在弹出的“Create New Project”对话框内，选择项目保存位置，输入项目名称。

在项目内创建一个main.c文件，代码如下：

#include<reg51.h>
sbit led1 = P1^0;
void main()
{
	led1=0;
}

reg51.h是通用80C51和80C31单片机的头文件。头文件有两个keil定义的关键字sbit和sfr，sbit用来定义位变量，sfr用来定义地址变量。

sbit的用法：

sbit  X = A^n

其中X是位变量，A是一个可进行位寻址的变量，n表示变量A的第n位，注意这里的^不是C语言的异或操作符，是keil定义的一个特殊符号，用于确定可进行位寻址变量的第几位。例如代码：

sbit led1 = P1^0;

sbit定义了led1变量，该变量指向P1口的第0位，若执行语句led1=0; 则P1口的第0位被置为低电平。

sfr的用法：

sfr  X = 0x80

其中X是地址变量，0x80是一个地址。例如代码：

sfr P0   = 0x80;

sfr定义了P0变量，该变量指向0x80地址，该地址为单片机P0口的地址。

51单片机只能运行HEX或BIN文件，HEX是十六进制文件，英文全称为“hexadecimal”，BIN文件是二进制文件，英文全称为binary，这两种文件可以通过软件相互转换。若需要Keil编译后输出HEX文件，需要对Keil输出选项进行配置。在Keil工作窗口，展开【Project】菜单，选择“Options for Targets”命令，在弹出的对话框中，选择“Output”标签页，确定“Create Hex File”被选中。

重新编译C源代码，在项目的输出目录可以看到扩展名为“hex”的HEX文件。

五、装载和运行Keil编写的嵌入式程序

实际上51单片机要正常工作，还需要在Vcc引脚接入电源，在Vss引脚或GND引脚接公共接地端。proteus默认单片机已经接电源和接地，无需再进行导线连接。

C程序编译完成后，回到proteus工作窗口，在电路模型窗口使用鼠标双击单片机，或选中单片机后单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Edit Properties”命令，proteus弹出Edit Component对话框（见下图），选择使用keil编译的HEX文件，单击【OK】按钮即可装载C程序到单片机。