单片机最小系统介绍-51STM32F103xx系列单片机介绍

发布时间：2017-11-30 所属栏目：51最小单片机系统文件

一 : 51STM32F103xx系列单片机介绍

STM32F103xx系列单片机介绍

STM32F103xx增强型系列由意法半导体集团设计，使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。

1、结构与功能

■内核：ARM32位的Cortex?-M3CPU

?72MHz，1.25DMips/MHz（Dhrystone2.1），0等待周期的存储器

?支持单周期乘法和硬件除法

■存储器

?从32K字节至512K字节的闪存程序存储器（STM32F103xx中的第二个x表示FLASH容量，其中：“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K）

?从6K字节至64K字节的SRAM

■时钟、复位和电源管理

?2.0至3.6伏供电和I/O管脚

?上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)

?内嵌4至16MHz高速晶体振荡器

?内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器

?内嵌40kHz的RC振荡器

?PLL供应CPU时钟

?带校准功能的32kHzRTC振荡器

■低功耗

?睡眠、停机和待机模式

?VBAT为RTC和后备寄存器供电

■2个12位模数转换器，1us转换时间(16通道)

?转换范围：0至3.6V

?双采样和保持功能

?温度传感器

■DMA

?7通道DMA控制器

?支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C和USART

■多达80个快速I/O口

?26/37/51/80个多功能双向5V兼容的I/O口

?所有I/O口可以映像到16个外部中断

■调试模式

?串行线调试(SWD)和JTAG接口

■多达7个定时器

?多达3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道

?16位6通道高级控制定时器

?多达6路PWM输出

?死区控制、边缘/中间对齐波形和紧急制动

?2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)

?系统时间定时器：24位自减型

■多达9个通信接口

?多达2个I2C接口(SMBus/PMBus)

?多达3个USART接口，支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制

?多达2个SPI同步串行接口(18兆位/秒)

?CAN接口(2.0B主动)

?USB2.0全速接口

■ECOPACK?封装（兼容RoHS）

2、特点概述

ARM?的Cortex?-M3核心

ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，通常在8和16位系统的存储空间上得以体现ARM核心的高性能。

STM32F103xx增强型系列拥有内置的ARM核心，因此它与所有的ARM工具和软件兼容。

嵌入式Flash存储器和RAM存储器

最新STM32F103xE型拥有高达512K字节的内置闪存存储器，用于存放程序和数据。多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写（不待等待状态）。

模拟/数字转换器（ADC）

STM32F103xx增强型产品内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC有多达16个外部通道，可以实现单次或扫描转换。在扫描模式下，转换在选定的一组模拟输入上自动进行。

ADC接口上额外的逻辑功能允许：

1、同时采样和保持；

2、交叉采样和保持；

3、单次采样。

模拟看门狗功能允许非常精准地监视一路、多路或所有选中的通道，当被监视的信号超出预置的阀值时，将产生中断。由标准定时器(TIMx)和高级控制定时器(TIM1)产生的事件，可以分别内部级联到ADC的开始触发、外部触发和DMA触发，以使应用程序能同步AD转换和时钟。可变静态存储器（FSMC）

FSMC嵌入在STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE中，带有4个片选，支持一下模式：Flash、RAM、PSRAM、NOR和NAND。3个FSMC中断线经过OR后连接到NVIC。没有读/写FIFO，除PCCARD之外，代码都是从外部存储器执行，不支持Boot，目标频率等于SYSCLK/2，所以当系统时钟是72MHz时，外部访问按照36MHz进行。

嵌套矢量中断控制器（NVIC）

可以处理43个可屏蔽中断通道（不包括Cortex-M3的16根中断线），提供16个中断优先级。紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的NVIC内核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。

外部中断/事件控制器（EXTI）

外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。每条线可以被单独配置用于选择触发事件（上升沿，下降沿，或者两者都可以），也可以被单独屏蔽。有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到。多达112个GPIO连接到16个外部中断线。

时钟和启动

在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟。可以选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且会被监视来判定是否成功。在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。同时，如果有需要（例如碰到一个间接使用的晶振失败），PLL时钟的中断管理完全可用。多个预比较器可以用于配置AHB频率，包括高速APB(PB2)和低速APB（APB1），高速APB最高的频率为72MHz，低速APB最高的频率为36MHz。

Boot模式

在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入。Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程。

电源供电方案

VDD，电压范围为2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚提供，用于I/O和内部调压器。VSSA和VDDA，电压范围为2.0-3.6V，外部模拟电压输入，用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内（ADC被限制在2.4V），VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD。VBAT，

电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，外部32KHz晶振和备份寄存器供电（通过电源切换实现）。

电源管理

设备有一个完整的上电复位（POR）和掉电复位（PDR）电路。这条电路一直有效，用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作。当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时，不需要外部复位电路，设备也可以保持在复位模式。设备特有一个嵌入的可编程电压探测器（PVD），PVD用于检测VDD，并且和VPVD限值比较，当VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD时会产生一个中断。中断服务程序可以产生一个警告信息或者将MCU置为一个安全状态。PVD由软件使能。

电压调节

调压器有3种运行模式：主（MR），低功耗（LPR）和掉电。MR用在传统意义上的调节模式（运行模式），LPR用在停止模式，掉电用在待机模式：调压器输出为高阻，核心电路掉电，包括零消耗（寄存器和SRAM的内容不会丢失）。

低功耗模式

STM32F103xx支持3种低功耗模式，从而在低功耗，短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。休眠模式：只有CPU停止工作，所有外设继续运行，在中断/事件发生时唤醒CPU；停止模式：允许以最小的功耗来保持SRAM和寄存器的内容。1.8V区域的时钟都停止，PLL，HSI和HSERC振荡器被禁能，调压器也被置为正常或者低功耗模式。设备可以通过外部中断线从停止模式唤醒。外部中断源可以使16个外部中断线之一，PVD输出或者TRC警告。待机模式：追求最少的功耗，内部调压器被关闭，这样1.8V区域断电。PLL,HSI和HSERC振荡器也被关闭。在进入待机模式之后，除了备份寄存器和待机电路，SRAM和寄存器的内容也会丢失。当外部复位（NRST引脚），IWDG复位，WKUP引脚出现上升沿或者TRC警告发生时，设备退出待机模式。进入停止模式或者待机模式时，TRC,IWDG和相关的时钟源不会停止。

3.详细介绍一款实际工作中智能仪表（要求原理30%、功能20%和应用10%）。

单相费控智能电能表介绍

1、单相费控智能电能表的总体结构

在对智能电能表硬件系统进行设计时，按照各自不同的功能，我们可以将其划分为若干模块，因此在系统硬件设计时，采用模块化的设计方案。按照各部分实现的不同功能，系统硬件部分整体结构包括以下几部分：信号采样部分、电能计量部分、MCU部分、液晶显示部分、时钟部分、存储部分、电源部分、485通信部分、红外通信部分、ESAM安全块、继电器控制以及脉冲信号输出等几部分组成。系统硬件整体结构框图如下：

图1 系统硬件整体结构框图

单相费控智能电能表的基本原理是：被测交流电压和交流电流经过高精度采样后送到专用电能计量芯片（即图中ATT7053A）经过一系列数字处理，转换成与有功功率成正比的脉冲信号，并进行脉冲输出，微处理器（78K0527A）将脉冲信号依据所属时段进行分时累计，得到总电量和各时段电量，并将结果保存到E2PROM中。同时完成相关数据的显示以及与远程上位机的通讯。

⑴在整个系统中，微控制器（即MCU）部分是系统控制核心，通过SPI和I2C总线方式与外部相关模块进行通信，控制着其外围各模块的运行状态。

⑵计量模块采用高精度的电能专用计量芯片，完成对采样电压和电流信号进行相关运算和处理，实现功率测量并进行脉冲信号输出等。计量芯片是整个电能计量的核心部分。

⑶时钟模块部分能为电表提供精确的计时，微控制器通过I2C

方式每间隔一定时间读取

二 : 单片机最小系统简介

单片机最小系统
单片计算机概述
所谓单片计算机就是将电子计算机的基本环节如中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器和一些输入/输出接口电路、总线等都集成在一块芯片上的微型计算机，简称单片机（SingleChip Microcomputer，简称SCM）。

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? 中央处理器包括运算器、控制器和寄存器，是单片机的核心。 ? 存储器是用来存放数据和程序的，在单片机芯片中包含两类存储器：随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM可以被CPU随机读写，但单片机断电后，所保存的信息就会消失，一般用来存放临时数据；ROM中的信息只能被CPU读取，CPU不能对它进行写操作，通常用于存放系统程序和固定的表格数据。ROM 中的内容只能通过专用的编程器事先对它写入。 ? 输入/输出接口是单片机与外部设备连接的桥梁，单片机和外部设备（如键盘、显示器等）之间信息的传送全部都通过输入/输出（I/O）接口来实现。 ? 总线就是连接各部件信号线的总称，主要是用来传送数据、 Single-Chip microcomputer 地址和控制信息。

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8051系列单片机是在Intel公司于上世纪80年代推出的MCS-51 系列单片机基础上发展的高性能8位单片机，它在一个芯片内集成了RAM、ROM、16位定时器/ 计数器、并行I/O口、异步串行口以及其它一些功能部件。

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8051单片机的基本结构如图1-3所示，一个单片机芯片内包括： ·中央处理器CPU； ·内部数据存储器RAM； ·内部程序存储器ROM（有的型号没有）； ·4个8位并行I/O接口（P0、P1、P2、P3）； ·2~3个可编程定时器/计数器； ·一个可编程串行接口； ·内部中断具有5个中断源，2个优先级的嵌套中断结构，可实现二级中断嵌套； ·一个片内振荡器及时钟电路，振荡时钟频率可以高达 40MHz。
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图1-3

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MCS-51单片机的引脚定义及功能：电源
VCC（引脚号40）：芯片电源，接+5V。 VSS（引脚号20）：接地端。

时钟
XTAL1（引脚号19）：内部震荡电路反相放大器的输入端，是外接晶振的一个输入引脚。 XTAL2（引脚号18）：内部震荡电路反相放大器的输出端，是外接晶振的另一个输入引脚。

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控制总线
ALE/PROG（引脚号30）：地址锁存允许，主要功能是提供一个定时的时钟。 EA/VPP（引脚号31）：访问外部存储器控制信号。如果使用内部ROM 作为程序存储器，此引脚需接高电平（VCC）；如果使用外部ROM作为程序存储器，则要将此引脚接

地。 RST/VPD（引脚号9）：复位信号输入端。当系统主电源发生故障，降低到规定的电压以下时，可以通过VPD端为单片机提供备用电源，以保证存储在单片机中的RAM中的信息不会丢失。 PSEN(引脚号29)：外部程序存储器ROM读选通信号。当单片机需要从外部ROM读取指令或数据时，此引脚输出低电平信号。

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输入/输出
P0.0~P0.7（引脚号32~39）：双向输入/输出端口。 P1.0~P1.7（引脚号1~8）：双向输入/输出端口。 P2.0~P2.7（引脚号21~28）：双向输入/输出端口。 P3.0~P3.7（引脚号10~17）：双向输入/输出端口，当该端口不作为输入/输出端口使用时，每一个引脚也可以有第二功能，如： P3.0/RXD：串行输入口； P3.1/TXD：串行输出口； P3.2/INT0：外部中断0输入口； P3.3/INT1：外部中断1输入口； P3.4/T0：定时器/计数器0外部事件脉冲输入口； P3.5/T1：定时器/计数器1外部事件脉冲输入口； P3.6/WR：写信号； P3.7/RD：读信号；

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特别提醒：
当选用片内ROM作为程序存储器时，一定要将EA接高电平（+5V）。对于无片内ROM需要使用片外程序存储器的单片机，EA必须接地

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单片机最小系统的构建
单片机的最小系统是指单片机能正常工作所必须的基本电路，主要由单片机、复位电路、晶振电路构成，如果采用的是不带内部ROM的单片机，还需要有外部ROM扩展电路。

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? 单片机的选择由于单片机的种类很多，在选择单片机时要根据实际设计和单片机的价格来选择合适的单片机。 ? 晶振电路的设计

在设计单片机系统电路时，晶振电路是不可缺少的。在计算机系统中，所有的工作都是在一个节拍（时钟）下同步工作，这样才不会出现冲突。时钟的快慢决定了系统的工作效率，我们通常所说的计算机的主频就是指系统时钟的频率。而在计算机系统中，系统时钟是由晶振电路来提供的，可以说晶振电路是计算机系统的心脏。
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晶振一般分为晶体振荡器和晶体谐振器两种

单片机系统中晶振的使用有两种方式，内部时钟方式和外部时钟方式。
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特别提醒在单片机中，晶振电路的设计一定要和单片机靠近，路线尽量短。晶振电路的地一定要和同一时钟的芯片的地共地。在晶振频率的选择上，在满足系统需要的前提下尽可能地选用低频率的晶振，这样可以降低系统功耗，不是选用的频率越高越好。

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单片

机最小系统
单片机以晶振的振荡周期为最小的时序单位，单片机内部的所有操作都以此周期为时序基准。单片机指令的基本执行时间为一个机器周期，一个机器周期由6个状态周期组成，每个状态周期又分成2个振荡周期。

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? 复位及复位电路的设计
在单片机系统中，复位电路是不可缺少的。单片机在正常工作（即执行指令）前，必须要进行复位操作，这样做的目的是将CPU以及系统中其它部件都处于一个明确的初始状态，便于系统启动。要实现复位操作，必须使单片机RESET管脚至少保持2个机器周期以上的高电平即可。在实际系统中，考虑到系统电源电压的上升时间和晶体振荡器的起振时间，为了保证系统能可靠复位，复位信号应该至少维持20ms以上高电平。
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单片机的复位电路有很多种，主要分为上电复位和外部复位两种

上电复位电路
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外部复位电路
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1.3 基于最小系统的功能测试
? 一个简单的发光二极管控制电路的设计

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? 测试程序的编写
# include <reg51.h> sbit P0_0 = 0x80; void Delay(int Time_ms); // 延时子程序 void main(void) { P0 = 0； // P0端口输出低电平 while(1) { P0_0 = 0 ; // LED灯灭2秒钟 Delay (2000); P0_0 = 1; // LED灯亮2秒钟 Delay (2000); } return; }

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/******************* 延时程序，输入的参数为毫秒数 **********************/ void Delay(int Time_ms) { int i; unsigned char j; for(i=0;i<Time_ms;i++) { for(j=0;j<150;j++) { } } }

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? 设计仿真与分析
需要准备两个单片机系统设计常用的软件，一个是单片机软件开发工具 Keil μ Vision 2，另一个是单片机仿真软件Proteus。

? 应用程序的录入、编译和调试
打开Keil μ Vision2。在工程项目的选项中，选择‘New Project’

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在出现的器件选择对话框,中选择Atmel公司的AT89C51。

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在开发软件界面左侧的目标管理窗口中，移动鼠标在Source Group处点击右键，点击Add Files to Group，如下图所示。在随后的对话框中，将输入的程序文件添加到项目组中。

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在Project选项中，点击Option for Target ‘Target 1’。便会出现如下图所示的对话框。

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在Project菜单中，点击Built Target 或按下F1，开始编译，最后生成和一个C文件名相同的一个.HEX文件。这样程序设计部分就完成了

Sin

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? 系统仿真打开Proteus，在设计工作界面上，鼠标点击右键，会出现一个对话框，在Place>Component>From Libraries 选项中，根据电路设计分别调出单片机AT89C51、晶振、电阻、电容和发光二极管LED等，并按照所设计的电路图将这些元件连接起来。

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双击单片机，则会出现一个元件编辑对话框

在Program File框中添加在Keil μ Vision2中编译好的.HEX程序。接着就可以用鼠标点击设计工作界面左下角的仿真运行按钮这时就可以看见设计工作界面中的LED灯开始按照程序设计的要求闪烁起来

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? 系统电源设计 1.单一的+5V电源

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2.±5V电源

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三 : 51单片机最小系统介绍

单片机最小系统介绍 51单片机最小系统介绍

说明

复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C 取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.至于如何具体定量计算,可以参考电路分析相关书籍.

晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)

单片机:一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机

特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.这一点是初学者容易忽略的.

复位电路：

一、复位电路的用途

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。(www.61k.com］单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

单片机复位电路如下图：

二、复位电路的工作原理

在书本上有介绍，51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现，那这个过程是如何实现的呢？

在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。开机的时候为什么为复位

在电路图中，电容的的大小是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（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。

也就是说在电脑启动的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）。

按键按下的时候为什么会复位

在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根

单片机最小系统介绍 51单片机最小系统介绍

据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。（www.61k.com）单片机系统自动复位。

总结：

1、复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2US，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。

2、按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的。

51单片机最小系统电路介绍

1.51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

2.51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

3.51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好4.P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。

设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2 ms。

四 : 单片机最小系统简介

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