单片机的入门-51单片机

想学习单片机的同学可以关注、私信我或者在评论区回复我要入门。早期可能是绝大多数嵌入式工程师或者电子爱好者接触的第一款单片机——51单片机，不像现在很多学习单片机的朋友都跳过51单片机直接学起了STM32等比较高级一些的单片机。

51单片机指的是所有搭载可执行INTEL 8031指令系统的MCU的单片机。MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在， MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、已经停产的89C51等），各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。

有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。

基于51单片机的USB最小系统

其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而以。同样的一段代码，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89C51（已经停产）、 PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（华邦）等，我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取代了原来的ROM（一次性写入），AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。

51单片机的具有价格低廉、适合初学者学习的优点。缺点也很明显，运算速度慢，性能不够优秀等。这是由于51单片机设计时采用了集中指令（CISC）结构，而且为了抗干扰，设计者采用了12分频的方法。因为I/O接口采用了准双向口，所以I/O接口的驱动能力也不怎么强。早期的51单片机甚至还预留了红外线照射窗，通过红外线照射的方式复位。51芯片内部也没有集成振荡电路，只能通过外部电路加载晶体振荡器或者PLL电路实现时钟功能。这就造成了使用51单片机制作计时电路等对于时钟要求高的电路的不准确性。

虽然51单片机有的缺点有些多，但是是它带领我们走进电子世界，帮助我们了解电子设计这条道路上的领路人。就像在现代生活中到处都是汽车的身影，交通工具越来越便捷，而它还是那台老旧的自行车，在哪天我们提倡低碳环保或者想锻炼的时候，它又可以从新派上用场。

单片机实例分享，自定义提醒闹钟

图14.1 电子钟

想起那时刚学习单片机，仅仅会写几段汇编代码。后来的几个月，自己也学写了一个电子钟程序，不过做得非常简陋，也没使用什么时钟芯片，仅仅通过单片机的定时器来累计计时，功能上实现了时、分、秒的显示以及简单的闹钟功能。不过，我还真是怀念以前学习单片机的美好时光，也很高兴那时自己能专心学习单片机。后面我也做了一款像样的电子钟(见图14.1)，在下面的内容里，我会和大家分享制作它的过程。

零件清单

零件清单是制作这款电子钟的基本元件，还有一些边角料，不再列出。从零件列表(见表14.1)中大家可以看出，整体的成本不超过80元。不过，最近这段时期，AVR单片机涨价厉害，在网上也要18元左右才能买到。如果液晶屏在淘宝网上购买的话，建议以关键字ST7565搜索，这样才能搜索到ST7565控制器的128×64液晶屏。至于其他零件比较常用，一般电子市场都能购买得到。

图14.2 零件全家福

表14.1 材料表

电路原理

如图14.3所示，微控制器(MCU)我选择了AVR单片机的Atmega8，因为比较熟悉。它的程序存储器大小为8KB，数据RAM大小为1KB，工作电源电压范围为2.7~5.5V，最大工作温度为+85℃，最小工作温度为-40℃。时钟芯片选择DS1302，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V。采用三线接口与MCU进行同步通信。最后，通过使用SD卡的SPI模式和单片机的SPI接口连接，进行数据交换。SD卡相当于容量很大的SPI接口的FLASH，在制作过程中，也可以替换成大容量的FLASH芯片。128×64液晶仅仅需要4根线和单片机连接。由于使用的控制器是ST7565，它不带中文、英文字库，因此需要自己建立字库。但这种液晶屏价格便宜，外观也很小巧。我购买的这款液晶屏，背光是橘黄色的，到了晚上会发出迷人的光泽。

图14.3 电路原理图

工作原理

在制作之前，我先介绍一下它的工作原理。控制芯片使用的是AVR的atmega8单片机，简称M8。大家也可以使用熟悉的51单片机(程序可以到本书配套光盘中下载，大家根据需要自己修改或移植)。程序通过读取SD卡内的TXT文件，显示每天需要提醒的内容。因此，可以通过电脑，方便地修改提醒的内容，如节日、生日、纪念日等。不必再为了修改液晶屏上的提醒内容而特意修改程序代码，仅仅通过编辑TXT文件即可。SD卡是通过它的SPI接口和单片机进行数据交换。液晶屏使用的是串口128×64的黑白液晶屏，控制器是ST7565，它和单片机连接也仅仅需要4个I/O口。时钟芯片使用的是DS1302，大家对它应该不陌生吧。时钟芯片通过3个I/O口和单片机连接，电源使用USB接口的5V电源，经过1117-3.3电源稳压芯片转换成3.3V电压，供给单片机、液晶和SD卡使用，大家也可以使用3.3V的电源直接供电。这款电子钟通过两个按钮实现时间和闹钟的设置。当时钟正常运行时，第2个按钮可以单独开启闹钟或关闭闹钟。

使用方法

(1)在计算机的WinXP系统下把SD卡格式化成FAT文件系统。

(2)先复制字体到SD卡内，这样才能在液晶上显示中文。

(3)在根目录下新建“提醒.txt”文本文件。

(4)在文件内写入一行内容，如下：****-02-13"明天是情人节"，这样每年的2月13号，电子钟就会提醒你明天是情人节了。

大家会发现，这款电子钟没有农历的显示，如果要显示农历怎么办呢?如果朋友的生日是按农历来算的怎么办呢?其实也挺简单的，通过在文件中写入公历和农历的对应时间关系即可。如：2010-02-13"农历2009-12-30"。注意：*号是通配符，表示任意的意思。例如：2010-**-**"虎年"，表示2010年的任意日期，都会显示虎年。

字库的制作及使用

这是本次制作的知识要点之一。GB2312是中国国家标准简体中文字符集，全称《信息交换用汉字编码字符集·基本集》，又称GB0，由中国国家标准总局发布，1981年5月1日实施。GB2312编码通行于中国大陆，新加坡等也采用此编码。中国大陆绝大多数中文系统和国际化的软件都支持GB2312。

GB2312标准共收录6763个汉字，其中一级汉字3755个，二级汉字3008个;同时收录了包括拉丁字母、希腊字母、日文平假名及片假名字母、俄语西里尔字母在内的682个字符。GB2312的出现，基本满足了汉字的计算机处理需要。GB2312中对所收汉字进行了“分区”处理，每区含有94个汉字/符号。这种表示方式也称为区位码。

01~09区为特殊符号。

16~55区为一级汉字，按拼音排序。

56~87区为二级汉字，按部首/笔画排序。

10~15区及88-94区则未有编码。

举例来说，“啊”字是GB2312之中的第一个汉字，它的区位码就是1601。

在电脑上的TXT文本文件中，每个汉字及符号以两个字节来表示。第一个字节称为“高位字节”，第二个字节称为“低位字节”。为了和原有的ASCII码兼容，“高位字节”使用了0xA1～0xF7(把01~87区的区号加上0xA0)，“低位字节”使用了0xA1~0xFE(把01-94加上0xA0)。由于一级汉字从16区起始，汉字区的“高位字节”的范围是0xB0~0xF7，“低位字节”的范围是0xA1~0xFE，占用的码位是72×94=6768。其中，有5个空位是D7FA~D7FE。例如，“啊”字在文件中会以两个字节“0xB0(第一个字节)0xA1(第二个字节)”储存。

制作步骤

1 按图在洞洞板上安插好各个元件，并插上已经烧录好程序的芯片。

2 根据电路原理图，依次连接导线

3 将各个组件准备好了后，就可以组装起来。

4 最后插上USB电源，就可正常工作了。

DIY的过程不仅仅是制作过程，还是一个让作品更美好的过程，为此，我又开始了这个自定义提醒闹钟的美化过程。

将钢丝弯曲成如图的形状，在钢丝上拧上螺丝，在万用板上也拧上螺丝。

用内六角扳手、普通扳手拧紧螺丝。

那么如何定位字库中的点阵数据呢?文件编码的区码范围是从0xA1(十六进制)开始，对应区位码中区码的第一区，第二个字节为汉字的位码，范围也是从0xA1(十六进制)开始，对应某区中的第一个位码。就是说，将汉字编码减去0xA0A0就得到该汉字的区位码。例如，汉字“啊”的机内码是十六进制的“0xB0A1”，其中前两位“0xB0”表示编码的区码，后两位“0xA1”表示编码的位码。所以“啊”的区位码为0xB0A1-0xA0A0=0x1001，将区码和位码分别转换为十进制16和01，得到汉字“啊”位于第16区的第1个字的位置，那么点阵数据在文件中的位置为第“32×[(16-1)×94+(1-1)]=45120”以后的32个字节。这就是“啊”的显示点阵需要的字节数据了。其中，32为16×16点阵的取模字节数，表示32字节大小。单片机通过取这连续的32个字节，送到LCD的相应位置，就能正确显示汉字、图形符号了。

最后，使用字库生成工具，就能生成自己需要的字库了。这样的工具软件在网上有许多，请自行选择。我使用未注册的“汉字取模字库生成”小工具，使用次数有一定的限制，但偶尔用于生成字库还是够用的。由于这款液晶显示数据是1列(8个点)为一个地址单位的，而不是1行(8个点)或点地址为单位。因此，取模时需使用纵向(列)取模方式取模，这样方便后期程序的编写。当然也可以直接选择“@宋体”这类字体。通过工具预览后，你会发现，这种字体旋转了90°。点击生成字库，在弹出的菜单中输入的路径和文件名。按“确认”后就会生成需要的字库了，注意后缀名为.dot。程序读取经过旋转后的32字节字体数据，即点阵列数据，就能显示一个汉字了。

存储整个字库数据是个难点，GB2312汉字库有200多字节的大小，单片机的FLASH可是没有足够的空间用来保存它。那么怎么办呢?其实，方法也挺多的。有一种实用、简单、方便的方法就是外接FLASH存储芯片。如SST25VF020、AT45DB161等，它们都是串行接口，可以节省许多I/O，读取速度也够快，但增加了制作成本。还有一种方法，可以直接放在SD卡内，但程序会复杂很多。同时，显示字体的速度也没外接FLASH快。不过最后我还是选择了第2种方法，以后的小制作中再试试第1种方法。

为了让电脑和单片机互相交换数据容易些，需要把SD卡格式化成FAT文件系统，然后单片机解读SD卡格式化后FAT文件系统，在此基础上再读取txt文件，最后调用相应的字库数据在液晶屏上显示。具体如何实现，请读者朋友自行分析源代码。源代码可到本书配套光盘上下载。

编程说明

当我烧录完程序后，迫不及待地要运行这个电路了。把电子钟插上电源后，程序会先初始化硬件(液晶、SD卡和时钟芯片)。之后会读取单片机EEPROM里的闹钟信息，没有的话会新建初始化内容，并写入EEPROM。最后，液晶就会分4行显示时间、日期、星期和闹钟。当有提醒信息时，闹钟时间和提醒的内容会交替闪烁。在程序的循环体内，程序会定时读取SD卡内的TXT文件，如果TXT文件内定义的日期和时钟芯片的日期一致，那么单片机会读取文本文件内对应的显示内容，并在液晶的第4行显示。如果没有相等的日期，单片机会显示默认的字符串“MADEBYZBJ”，大家可以改成自己定义的字符串。

电子钟的右侧有4个按钮，但是本次制作只使用了上面2个按钮，另外2个按钮功能未用。这4个按钮的一端都连到了单片机的中断引脚，并把这个中断引脚设置为上拉，在程序中等待下降沿中断。按钮的另一端和单片机的4个普通I/O连接，这4个I/O设置为低电平。当按钮按下时，就会引发下降沿中断，此时程序修改中断，引为低电平，并把4个普通I/O口上拉，再分别读取4个引脚的电平状态。如果，某个引脚读到低电平，就可以判断对应的这个按钮按下了。最后，等待按钮的释放，不断循环此过程。

当时钟在运行状态时，按第1个按钮，将会进入时钟设置状态，再次按下第1个按钮，就会进入下一个设置选项，以此类推，直到退出最后一个选项(注意闹钟关闭状态，不会进入闹钟设置选项)，这样电子钟就会退出设置状态，再次进入运行状态了。电子钟在设置状态下，设置的项目会反显，可以通过按第2个按钮，改变设置的数值。

当时钟在运行状态时，按下第2个按钮，闹钟将会开启或关闭，这取决于原来的状态。在液晶屏上会显示相应的闹钟状态信息。闹钟数据虽然保存在M8单片机的EEPROM中，但不会直接使用。当单片机上电运行时，会自动载入RAM中使用，这样是为了延长EEPROM的使用寿命。但当RAM中的闹钟数据改变时，修改的数据才会同步更新，写入EEPROM。程序会比较RAM中的闹钟时间和时钟芯片的时钟是否一致，当两者一致时，闹钟就会“嘀嘀”地叫了。至于鸣叫多久，大家可以根据自己的需要修改程序中的设置。

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