單片機原理及應用

第一章單片機概述

單片機自20世紀70年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關注，應用很廣，發展很快。單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，環境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發也較為容易。由于具有上述優點，在我國，單片機已廣泛地應用在工業自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機電一體化設備等各個方面。1.0單片機的由來

單片微型計算機的誕生是計算機發展史上一個新的里程碑。單片機的出現將計算機系統一分為二，形成了嵌入式計算機系統和通用計算機系統兩大分支。單片機作為微型機的一個主要分支，在結構上的最大特點就是把CPU、存儲器、定時器和多種輸入輸出接口電路集成在一塊超大規模集成電路芯片上。就其組成和規模而言，一塊單片機就是一臺計算機。嵌入式計算機系統

（嵌入式系統）技術要求：對象的智能化控制能力。技術發展方向：與對象系統密切相關的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。嵌入式計算機系統則走上了一條完全不同的道路，這條獨立發展的道路就是單芯片化道路。它使得傳統電子系統領域的廠家與專業人士，接過起源于計算機領域的嵌入式系統，承擔起發展與嵌入式系統的歷史任務，迅速地將傳統的電子系統發展到智能化的現代電子系統時代。

由于嵌入式系統與通用計算機系統的技術要求與技術發展方向完全不同，它們的分道揚鑣也就無法避免。同時也正是因為計算機系統發展有了專業化的分工，從而也形成了20世紀末，計算機高速發展的局面。1.1什么是單片機

一臺能夠工作的計算機要有這樣幾個部分：CPU：進行運算、控制RAM：數據存儲ROM：程序存儲輸入/輸出設備：如串行口、并行輸出口等。

在個人計算機上這些部分被分成若干塊芯片，安裝在一個稱之為主板的印刷線路板上。而在單片機中，這些部分全部被做到一塊集成電路芯片中了，所以就稱為單片（單芯片）機。單片機的定義：

在一塊硅片上集成了中央處理器（CPU），存儲器（RAM,ROM,EPROM）和各種輸入、輸出接口（定時器，計數器，并行I/O口，串行口，A/D轉換器以及脈沖調制器PWM等），這樣一塊芯片具有一臺計算機的屬性，因而被稱為單片微型計算機。

單片機英文名稱的變更：

SCM

(SingleChipMicrocomputer)

MCU(EMCU)

(MicrocontrollerUnit)

單片機的分類按其基本操作處理位數可分為：1位單片機，4位單片機，8位單片機，16位單片機,32位單片機。按適用范圍可分為：通用型/專用型

按是否提供并行總線來分：總線型/非總線型

通用型它把可開發的內部資源（RAM、ROM、I/O等）全部提供給用戶。特點:具有豐富的內部資源，性能全面、適應性強。用戶可以根據實際需要，設計一個以通用單片機芯片為核心，再配以外部接口電路及其它外圍設備，來滿足各種不同需要的測控系統。例如：80C51是通用型單片機。專用型針對某些產品的特定用途而制作的單片機。特點:在設計中已經對系統結構、可靠性、成本等因素進行了全面考慮，所以專用單片機綜合優勢十分明顯的。例如:為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成有ADC接口等功能的溫度測量控制電路。打印機、各通信設備中的廣泛使用的專用單片機。1.2單片機的歷史及發展概況

單片機的發展歷史可分為四個階段(劃分不唯一)：第一階段（19741976）：單片機初級階段。因工藝限制，單片機采用雙片的形式而且功能比較簡單。第二階段（19761978）：單片機的探索階段。這種單片機片內集成有8位CPU、并行I/O口、8位定時/計數器，RAM和ROM，不足之處是無串行口，中斷處理較簡單，片內RAM和ROM容量較小。

代表機型：IntelMCS-48系列。

第三階段（19781982）：單片機的完善階段。普遍帶有串行I/O口，多級中斷系統，16位定時/計數器。RAM和ROM容量大且可尋址范圍達64K，片內帶有A/D轉換器。

代表機型：IntelMCS-51系列、Motorola的6801、Zilog公司的Z8。

由于這類單片機的性能價格比高，所以仍被廣泛采用，是目前應用數量較多的單片機。

第四階段（1982現在）：8位單片機鞏固發展及16位單片機、32位單片機推出階段。集成度高達120000管子/片，主振為12MHz，片內RAM為232B，ROM為8KB，中斷處理為8級，片內帶有多通道10位A/D轉換器及高速輸入/輸出部件（HIS/HSO）實時處理能力很強。

代表機型：INTELMCS-96。

32位單片機除了具有更高的集成度外，主振已達20MHz,其性能也比8位、16位單片機更加優越。

1.3單片機的特點及應用

一、單片機的特點

小巧靈活、成本低、易于產品化。

能方便地組裝成各種智能式測控設備及各種智能儀器儀表。

可靠性好，適應溫度范圍寬。

單片機本身是按工業測控環境要求設計的,能適應各種惡劣的環境.

MCS-51系列民用、工業用、軍用產

品使用溫度對照表民用品0~+70oC工業用品

-40~+85oC軍用品

-65~+125oC

易擴展，易構成各種規模的應用系統，控制功能強。

單片機的邏輯控制功能很強，指令系統有各種控制功能指令。

可以很方便地實現多機和分布式控制。

MCS-51單片機的特點

二、單片機的應用

工業方面：各種測控系統、數據采集系統，工業機器人。

智能儀器儀表方面：在這個領域單片機應用很普及。單片機應用在智能儀器儀表方面，使傳統的儀器儀表發生根本的變革，加速了儀器儀表向數字化、智能化方向發展。通訊方面：調制解調器、程控交換技術。

民用方面：電子玩具、錄像機、激光唱機。

導彈與控制方面：導彈控制、魚雷制導控制、智能武器裝備、航天飛機導航系統。

各種計算機外部設備及電器方面：打印機、硬盤驅動器、彩色與黑白復印機，磁帶機等。多機分布式系統：可用單片機構成分布式測控系統。

MCS-51單片機具有如下一些特點：

集成度高。MCS-51單片機的典型代表產品為8031，8031芯片內部包含了128個字節的RAM，4個8位并行I/O口，1個全雙工的串行口，2個16位的定時器/計數器，以及一個處理能力很強的中央處理器。

系統結構簡單。MCS-51芯片內部采用模塊式結構，增加或更換一個模塊，就能得到指令系統和引腳兼容的新產品。系統擴展方便。MCS-51具有外擴至64K字節程序存儲器和64k字節的外部RAM和I/O口的能力。可靠性高。MCS-51單片機的總線大多在芯片內部不易受干擾，而且MCS-51應用系統體積小，容易采取屏蔽等措施，適應范圍寬，在各種惡劣的環境下都能可靠的工作。處理功能強、速度高。MCS-51單片機指令系統中有加、減、乘除及各種邏輯運算和轉移指令，還具有位操作功能。CPU時鐘頻率為12MHz，指令系統中近50%的指令為單字節指令，指令執行速度快。

容易產品化。MCS-51由于單片機應用系統具有體積小、可靠性高、功能強、價格低等特點，因此容易形成產品，可以把它裝入各種儀器、儀表及控制設備中。1.48位單片機的主要生產廠家和機型

目前世界上較為著名的8位單片機的生產廠家和主要機型：Intel（美國英特爾）公司:MCS-51系列及其增強型系列Zilog（美國齊洛格）公司：Z8系列和SUPER8系列Fairchild（美國仙童）公司：F8系列和3870系列Motorola（美國摩托羅拉）公司：6801系列和6805系列Rockwell（美國洛克威爾）公司：6500/1系列TI（美國德克薩司儀器儀表）公司：TMS7000系列NS（美國國家半導體）公司：NS8070系列RCA（美國無線電）公司：CDP1800系列NEC（日本電氣）公司：uCOM87(uPD7800)系列HITACHI（日本日立）公司：HD6301HD63L05HD6305PHILIPS（荷蘭菲力浦）公司：8×C552系列為什么Intel公司的MCS-51系列及其增強型系列在8位單片機市場中能占據半壁江山？

所以自1980年MCS-51系列單片機推出以來，直到現在，其市場仍很堅挺。它已成為我國在工業檢測控制領域中的優選機種和機型。

MCS-51系列單片機比MCS-48系列的性能價格比要高。

該系列單片機品種全、兼容性強。

軟硬件應用設計資料豐富齊全，國內很多工程技術人員對其十分熟悉。1.5單片機的發展趨勢

趨勢：大容量、高性能化、外圍電路內裝化等。

CPU的改進

存儲器的擴展片內I/O口的改進外圍電路內裝化低耗化CPU的改進采用雙CPU結構，以提高處理能力。增加數據總線寬度（16位數據總線），以提高數據處理能力。串行總線結構。IIC總線（Inter-ICbus）。該總線用兩根信號線代替現行的8位數據總線,從而大大地減少了單片機外部引線，簡化了單片機與外部的接口電路，降低了成本。

存儲器的擴展

加大存儲器容量新型單片機片內RAM：128K

256K

片內ROM：可達4KB至8KB,有的高達128KB。片內EPROM采用E2PROM或閃存

EPROM特點：高壓編程寫入，紫外線擦抹。E2PROM特點：＋5V下讀寫，讀寫操作方便，掉電時不丟失數據。閃存同樣有此特點。程序保密化對片內的EPROM或E2PROM加鎖。片內I/O口的改進

增加并行口的驅動能力。增加I/O口的邏輯控制能力。設置一些特殊的串行接口功能，為構成分布式、網絡化系統提供了方便。

外圍電路內裝化

隨著集成度的提高，盡可能將眾多的外圍功能器件都集成在片內。除了一般必須具有的ROM、RAM、定時/計數器、中斷系統外，片內集成的部件還有模/數轉換器、數/模轉換器、DMA控制器、中斷控制器、鎖相器、頻率合成器、字符發生器、聲音發生器、CRT控制器、譯碼驅動器等。低耗化

MCS-51系列中的80C31/80C51/87C51采用的就是CHMOS工藝，正常運行時，工作電流為16mA。

MOS

CMOS

CHMOS

1.6MCS–51系列單片機

MCS-51系列、80C51系列、8051、AT89C51的區別？

MCS是Intel公司專用的單片機的系列符號，例如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機。MCS-51系列單片機既包括三個基本型8031、8051、8751也包括對應的低功耗型80C31、80C51、87C51,因此MCS-51系列特指Intel公司的這幾種型號的單片機。

20世紀80年代中期，Intel公司以專利轉讓的形式把8051內核技術轉讓給了許多半導體芯片生產廠家，如ATMEL、PHILIPS、DALLAS公司等。這些廠家生產的芯片是MCS-51系列的兼容產品（指令系統兼容）。這些兼容機與8051的系統結構相同，采用CMOS工藝，因此常用80C51系列來稱呼所有具有8051指令系統的單片機。8051是MCS-51系列基本產品當中的一個。

AT89C51是美國ATMEL公司的產品。它在我國使用較多。該芯片具有低功耗、高性能的特點，其內部含有4KB的閃爍存儲器在線編程，價格較低，在國內很受歡迎。

原理屬于ROM型存儲器，功能上又可隨時改寫，作用又相當于RAM。

目前使用的MCS系列單片機及其兼容產品分為：

MCS系列單片機

MCS-518位單片機系列基本型

MCS-9616位單片機

MCS-51單片機兼容產品

Z8單片機系列

MC6801單片機系列

MCS-518位單片機系列基本型

8031/8051/8751

8031（片內無程序存儲器）

8051（片內4KROM）

8751（4KEPROM）

8位CPU，128字節RAM，片外ROM和片外RAM最多都可擴展至64K。4個8位并行I/O口，1個全雙工的串行口，2個16位的定時器/計數器，5個中斷源，2級中斷邏輯，111條指令。

8051ROM內的程序是公司制作芯片時為用戶燒制的，所以出廠的8051都是含有特殊用途的單片機。

8052AH/8032AH

改進型，將ROM、RAM增大一倍。8KROM，256字節RAM，定時器/計數器增加至3個16位計數器，有6個中斷源。80C51BH/87C51/80C31BH

這三種機型是8051的CHMOS型。功能與8051完全兼容。

特點：功耗低,能用電池供電工作，有較寬的工作電壓范圍，抗干擾能力強。

MCS-9616位單片機

MCS-96是INTEL公司1983年以后推出的產品，是16位的單片機系列，性能比51系列有較大的改進，其性能為：16位CPU，主頻為12MHz，采用新穎的寄存器/運算邏輯部件（RALU）。片內ROM為8K，RAM為232字節。4條高速觸發輸入線，6條高速脈沖輸出線。4個16位的軟件能同時工作。內有10位的A/D轉換器。運算能力和運算速度大大加強，在12MHz輸入頻率下，可實現16位加法運算（1us）、16×16位乘法、32位÷16位的除法運算（6.5us）可使用面向工業控制的高級語言。如：PLUS、C語言、Forth語言、PL/M語言等。

MCS-51單片機兼容產品

Z8單片機系列

Z8是Zilog公司生產的8位單片機產品。推出時間較晚，集中了許多8位單片機的優點，功能較強。

Z8061/Z8611

片內ROM分別為2K（Z8061）和4K(Z8611)；片內RAM為256字節；系統擴展能力：ROM為64K，RAM為64K；兩個8位定時/計數器；32條可編程I/O口線；1個全雙工的串行口；6個中斷矢量，具備優先級可屏蔽中斷。

無片內ROM的Z8681/Z8682

除無片內ROM外，其余的與Z8601相同，功耗低。

Z8671

在Z8671內部固化了一個TINYBASIC程序，這給用戶提供了很大方便.MCS-51單片機兼容產品

MC6801單片機系列

MC6801是MOTOROLA公司1979年推出的8位單片機系列，它保留了M6800特性并進行改進，主要性能為：

改進M6800的CPU，增加了M6800的指令集

片內ROM為2K，RAM為128字節，外部擴展空間64K。

29條并行I/O線，1個串行通行口，1個可編程的三功能定時/計數器。

68HC11與MC6801兼容，屬CMOS工藝，功耗低，片內有4K的ROM，512字節EPROM和256字節RAM，兩個通信系統SCI和SPI，1