单片机 基础

1. 单片机基础

2. 项目一 单片机技术及应用 • 1.1 单片机的产生与发展 • 电子计算机的产生至今已经有50多年的历史，随着这项技术的不断发展，其类型、品种在不断增多，功能在不断增强，性能在不断提高。但无论是哪种类型的电子计算机都是由运算器、存储器、控制器、输入部件和输出部件这五大部分组成的，其组成结构如图所示。 任务一 单片机基础

4. 早期的电子计算机是用电子管电路实现的，后来随着电子技术的不断发展，逐步由晶体管、集成电路所取代，特别是1967年大规模集成电路(LSI)的出现，更进一步推动了电子计算机的发展。早期的电子计算机是用电子管电路实现的，后来随着电子技术的不断发展，逐步由晶体管、集成电路所取代，特别是1967年大规模集成电路(LSI)的出现，更进一步推动了电子计算机的发展。

5. 1970年人们将运算器和控制器这两部分电路集成在一块芯片上形成了中央处理单元CPU(Central Processing Unit)，以这种CPU为核心，配上存储器、输入输出接口等外围电路，从而形成了电子计算机的一个新的分支——微型计算机(Micro Computer)，而CCPU是微型计算机的处理核心，因此也被称之为微处理器MPU(Micro Processing Unit)。

6. 为了进一步缩小电子计算机的体积，1971年采用大规模集成电路(VLSI)技术将运算器、存储器、控制器和输入/输出接口等电路全部集成在一块芯片上，这样所形成的微型计算机叫单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)，简称单片机。

7. 由于单片机是集成在一块芯片上的计算机，具有体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强等特点，因此更适合应用于恶劣环境和工业控制领域，在其后来的发展过程中着重扩展了各种控制功能，如位寻址、A/D、WDT等，从而使单片机与一般的微机之间形成了较大的区别，具有较强的控制功能和系统扩展功能，所以也有人将单片机称之为微控制器．MCU(Micro Controller Unit)。

8. 自1971年．Intel公司研制出第一块单片机以来，其发展十分迅速，归纳起来，大致分为以下几个阶段。自1971年．Intel公司研制出第一块单片机以来，其发展十分迅速，归纳起来，大致分为以下几个阶段。 (1)试验阶段：1971年11月，Intel公司设计出了4位微处理器产品Intel 4004，所不同的是在芯片内配有RAM、ROM和移位寄存器，其功能虽不太完善，但结构简单，价格便宜，具有明显的竞争优势，由此吸引了众多的公司竞相研制，分别开发出50多个系列300多个品种的单片机产品。

9. (2)实用阶段：以Intel公司1976年推出的MCS-48系列单片机为代表，其特点是总线宽度为8位，无串行I/O口，片内ROM(2KB)和RAM(128B)容量较小，寻址范围不大于4KB，定时/计数器为8位，指令功能和中断处理功能都较简单，广泛应用于微机键盘中。

10. (3)完善阶段：以Intel公司1978年推出的MCS-51系列单片机为代表，虽然其总线宽度仍为8位，但增加了串行I/O口，其片内ROM(8KB)和RAM(256B)容量增大，寻址空间可达64KB，具有多个16位的定时，计数器，指令功能及中断处理功能有所增强，增加了位处理功能，更适合用做逻辑控制。由于该系列单片机功能比较完善，结构简单，性能价格比较高，因此得到了广泛的应用。类似产品有Motorola公司的M680l，6802，6803，Zilog公司的Z-8系列，华邦的W78C5l系列，ATMEL的89C51系列等。

11. (4)增强阶段：以Intel公司1982年推出的MCS-96系列为代表，除采用16位总线外，还增加了多路A/D转换、PWM脉宽调制输出、监视定时器WDT(看门狗WATCH DOG TIMER)、高速I/O等功能，各项性能指标均有较大的提高，在高档智能化仪表、彩色复印机、录像机等领域得到了较好的应用。但是，由于其结构相对复杂，所以在简单系统中应用较少。

12. (5)普及阶段：自1990年以来，单片机被广泛应用于各个领域，随着其应用的不断普及，刺激了更多的半导体公司参与这项竞争。除Intel公司之外，Philips，Siemens，Atmel，Dallas．Microchip等公司也都先后推出了具有高速度、低功耗、大容量、小体积、功能全、价格低等特色的单片机产品。特别是Atmel公司推出的89C51系列单片机，内含4KB～20KB的闪速存储器(Hash ROM即电可擦除只读存储器E2PROM)，并具有三级程序存储器保密机制，给我们使用和编程带来了极大的方便。

13. 目前，单片机一方面朝着高性能、网络化、在线编程的通用型方向发展，另一方面朝着针对性强、简单易用、价格低廉的专用型方向发展。可以预见，随着新的单片机品种的不断出现，其应用范围将更加广泛。目前，单片机一方面朝着高性能、网络化、在线编程的通用型方向发展，另一方面朝着针对性强、简单易用、价格低廉的专用型方向发展。可以预见，随着新的单片机品种的不断出现，其应用范围将更加广泛。

14. 1.2 MCS-51系列单片机产品简介 • 尽管目前单片机品种很多，但是最具有代表性而且应用最为广泛的当属MCS-51系列单片机。因此，本书以MCS-5l系列单片机为研究对象，介绍单片机的硬件结构、工作原理及应用系统的设计。

15. MCS是Microcomputer System的英文缩写，MCS-51是Intel公司生产的单片机的一个系列名称，而目前所说的MCS-51系列单片机，既包括Intel公司生产的8031，8051，8751等产品，也包括Philips、Siemens、Dallas、Winbond(华邦)，Atmel等公司推出的以80C51为核心的并与MCS-51兼容的单片机，其主要性能指标如表所示。

18. 其中，80xx，87xx是HMOS工艺，功耗大，目前已基本淘汰；80Cxx，87Cxx是CHMOS工艺的低功耗产品，目前有一定用量；89Cxx是以Atmel公司为主推出的低功耗、内含Flash ROM的产品，是目前市场的主流。89Sxx是低功耗、内含Flash ROM、具有ISP(In System Programmable)功能的产品，将成为单片机发展的主要方向。

19. 根据片内ROM可以将单片机产品分为：无ROM，ROM，EPROM，E2PROM四个类型。无ROM型的单片机必须外扩程序存储器；ROM型单片机只能进行一次性编程，适用于批量应用；EPROM型为紫外线擦除，可多次编程；E2PROM (即Flash ROM)型为电可擦除，多次编程，使用起来最为方便。

20. 1.3单片机的应用领域 单片机的应用，主要是基于它的控制功能。由于单片机具有体积小、重量轻、耗电省、可靠性高、价格低等特点，所以特别适合应用于测量和控制领域，归纳起来可分为以下几个方面。

21. 1．智能化仪器、仪表领域 目前各种变送器、电气测量仪表等普遍采用单片机系统替代传统的测量系统，使仪器仪表结构简化、稳定性提高，而且具有智能化和网络化的优点，如智能化温度巡检仪、智能化导航钻头、智能化电能表、智能化示波器等。

22. 2．工业控制领域 在工业过程监测、过程控制、逻辑顺序控制、机电一体化等方面，单片机有着广阔的用武之地，如窑炉温度控制、液位控制、机床数控、机器人等。此外，可编程控制器PLC的控制核心一般也都是单片机。

23. 3．汽车电子及航空、航天领域 由单片机构成集中显示系统、动力监控系统、自动驾驶系统及运行监视器(黑匣子)等。

24. 4．办公自动化领域 在许多办公自动化产品中都使用了单片机，如复印机、传真机、考勤机、电话机以及微型计算机的键盘、硬盘驱动器、打印机等。

25. 5．商业营销领域 在商业营销领域广泛使用的电子秤、收款机、条形码阅读器、仓库安全监测系统、保安报警系统、空调系统等都有单片机的用武之地。

26. 6．家用电器领域 目前像空调、洗衣机、电冰箱、微波炉、电视机、录像机、VCD、音响等家用电器已经普遍采用单片机控制取代了传统的控制电路，从而极大程度地提高了家用电器的宜人性。

27. 总之，单片机的应用范围是非常广泛的，它使我们的日常生活变得丰富多彩，同时也极大地推动着各行各业的发展。我们学习这门课，主要是以MCS-5l系列单片机为典型，掌握其硬件结构和软件知识，然后类推其他，触类旁通，为今后开发、应用和维修单片机产品打下基础。

28. 1.4 MCS-51系列单片机外形引脚及功能 常用的MCS-5l系列单片机芯片采用双列直插(DIP)封装，805l，80C51，89C51等有40个引脚，而AT89C1051，AT89C2051，AT89C4051有20个引脚，其外形和引脚排列如图1.2所示。采用CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用方形封装的，有44个引脚，其中4个引脚是不用的。

30. 各引脚功能如下： Vcc—电源正极。标准电源电压5V，AT89C2051等低电压芯片电源电压2.7V～6V，但工作于低电压时频率受一定限制。 GND—电源负极。 XTAL1—外接晶体振荡器输入端。当使用外部时钟时，XTAL1用于接外部时钟脉冲信号。 XTAL2—外接晶体振荡器输出端。当使用芯片内部时钟时，此XTAL1，XTAL2用于外接石英晶体和微调电容；

31. RST/VPD—复位输入端/备用电源。当该引脚上出现两个机器周期以上的高电平时即可完成复位操作。当Vcc 电源掉电时，此引脚可作为后备电源输入端。 ALE/PROG—地址锁存，编程脉冲。CPU访问外部存储器，ALE输出脉冲(频率=fosc/6)，用来锁存P0口输出的低8位地址。在对内部ROM编程时，此引脚作为编程脉冲输入端。

32. PSEN—外部程序存储器读选通输出。在读外部ROM时，PSEN有效，实现对外部程序代码读操作。PSEN—外部程序存储器读选通输出。在读外部ROM时，PSEN有效，实现对外部程序代码读操作。 EA/Vcc—外部程序存储器使能/编程电源。接低电平时，选择外部ROM；接高电平时，选择内部ROM。在对内部ROM编程时，此引脚作为编程电源输入端。

33. P0口—P0.0～P0.7为P0口8根漏极开路的输入/输出(I，O)端。在访问外部存储器时。P0口用作地址(低8位)和数据总线。P0口—P0.0～P0.7为P0口8根漏极开路的输入/输出(I，O)端。在访问外部存储器时。P0口用作地址(低8位)和数据总线。 P1口—P1.0～P1.7为Pl口8根内部带上拉电阻的I/O端。 P2口—P2.0～P2.7为P2口8根内部带上拉电阻的I/O端。在访问外部存储器时，P2口用做地址(高8位)总线。 P3口—P3.0～P3.7为P3口8根内部带上拉电阻的I/O端。除了做并行I/O线外，还具有其他功能即第二功能，如表所示。

35. MCS-5l系列单片机产品分为商业用、工业用、汽车用、军用四个等级，使用温度范围分别为0℃～70℃、-40℃～85℃、-40℃～125℃和-55℃～125℃。

36. 1.5 单片机应用与开发 以单片机为核心，配以外围电路和软件，实现某种功能的实用系统叫单片机应用系统。图1．3所示就是单片机的一个简单应用电路。

37. 使用内部RAM 复位电路 输入信号 输出信号 晶振电路

38. 该电路用一片AT89C51型单片机，图中未用的引脚没有画出，电容C1和电阻R1构成复位电路，6MHz石英晶体和电容C2，C3构成外接时钟电路；S1为输入控制开关，输出为红、绿、蓝三个发光二极管，这样就构成了一个彩灯控制器的硬件电路。该电路用一片AT89C51型单片机，图中未用的引脚没有画出，电容C1和电阻R1构成复位电路，6MHz石英晶体和电容C2，C3构成外接时钟电路；S1为输入控制开关，输出为红、绿、蓝三个发光二极管，这样就构成了一个彩灯控制器的硬件电路。

39. 但是，仅有硬件电路是不够的，还必须有相应的软件(一些程序)来赋予它具有什么样的具体功能。如果给AT89C5l的内部程序存储器写入如下程序，则此电路可以实现由开关S1控制三个发光管亮灭的功能。

40. ORG 0000H ；程序起始地址 LOOP: MOV C,P1.3 ；S1的状态送到C MOV P1.0,C ；C的状态送到VD1 MOV P1.1,C ；C的状态送到VD2 MOV P1.2,C ；C的状态送到VD3 AJMP LOOP ；循环执行 END