單片機原理及應用概述培訓講學

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(guān)注，應用很廣，發(fā)展很快。單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)也較為容易。由于具有上述優(yōu)點，在我國，單片機已廣泛地應用在工業(yè)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(fā)展史上一個新的里程碑。單片機的出現(xiàn)將計算機系統(tǒng)一分為二，形成了嵌入式計算機系統(tǒng)和通用計算機系統(tǒng)兩大分支。單片機作為微型機的一個主要分支，在結(jié)構(gòu)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(guī)模集成電路芯片上。就其組成和規(guī)模而言，一塊單片機就是一臺計算機。嵌入式計算機系統(tǒng)

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

由于嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)的技術(shù)要求與技術(shù)發(fā)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(tǒng)發(fā)展有了專業(yè)化的分工，從而也形成了20世紀末，計算機高速發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)器，并行I/O口，串行口，A/D轉(zhuǎn)換器以及脈沖調(diào)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(shù)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(fā)的內(nèi)部資源（RAM、ROM、I/O等）全部提供給用戶。特點:具有豐富的內(nèi)部資源，性能全面、適應性強。用戶可以根據(jù)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(tǒng)。例如：80C51是通用型單片機。專用型針對某些產(chǎn)品的特定用途而制作的單片機。特點:在設計中已經(jīng)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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(yōu)勢十分明顯的。例如:為了滿足電子體溫計的要求，在片內(nèi)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(fā)展概況

單片機的發(fā)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(nèi)集成有8位CPU、并行I/O口、8位定時/計數(shù)器，RAM和ROM，不足之處是無串行口，中斷處理較簡單，片內(nèi)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(tǒng)，16位定時/計數(shù)器。RAM和ROM容量大且可尋址范圍達64K，片內(nèi)帶有A/D轉(zhuǎn)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(shù)量較多的單片機。

第四階段（1982現(xiàn)在）：8位單片機鞏固發(fā)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(nèi)RAM為232B，ROM為8KB，中斷處理為8級，片內(nèi)帶有多通道10位A/D轉(zhuǎn)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(yōu)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(chǎn)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(yè)測控環(huán)境要求設計的,能適應各種惡劣的環(huán)境.

MCS-51系列民用、工業(yè)用、軍用產(chǎn)

品使用溫度對照表民用品0~+70oC工業(yè)用品

-40~+85oC軍用品

-65~+125oC

易擴展，易構(gòu)成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)，控制功能強。

單片機的邏輯控制功能很強，指令系統(tǒng)有各種控制功能指令。

可以很方便地實現(xiàn)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(yè)方面：各種測控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工業(yè)機器人。

智能儀器儀表方面：在這個領(lǐng)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(tǒng)的儀器儀表發(fā)生根本的變革，加速了儀器儀表向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。通訊方面：調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術(shù)。

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(tǒng)。

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

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(chǎn)品為8031，8031芯片內(nèi)部包含了128個字節(jié)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(shù)器，以及一個處理能力很強的中央處理器。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。MCS-51芯片內(nèi)部采用模塊式結(jié)構(gòu)，增加或更換一個模塊，就能得到指令系統(tǒng)和引腳兼容的新產(chǎn)品。系統(tǒng)擴展方便。MCS-51具有外擴至64K字節(jié)程序存儲器和64k字節(jié)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(nèi)部不易受干擾，而且MCS-51應用系統(tǒng)體積小，容易采取屏蔽等措施，適應范圍寬，在各種惡劣的環(huán)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(tǒng)中有加、減、乘除及各種邏輯運算和轉(zhuǎn)移指令，還具有位操作功能。CPU時鐘頻率為12MHz，指令系統(tǒng)中近50%的指令為單字節(jié)指令，指令執(zhí)行速度快。

容易產(chǎn)品化。MCS-51由于單片機應用系統(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)廠家和機型

目前世界上較為著名的8位單片機的生產(chǎn)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(jù)半壁江山？

所以自1980年MCS-51系列單片機推出以來，直到現(xiàn)在，其市場仍很堅挺。它已成為我國在工業(yè)檢測控制領(lǐng)域中的優(yōu)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(nèi)很多工程技術(shù)人員對其十分熟悉。1.5單片機的發(fā)展趨勢

趨勢：大容量、高性能化、外圍電路內(nèi)裝化等。

CPU的改進

存儲器的擴展片內(nèi)I/O口的改進外圍電路內(nèi)裝化低耗化CPU的改進采用雙CPU結(jié)構(gòu)，以提高處理能力。增加數(shù)據(jù)總線寬度（16位數(shù)據(jù)總線），以提高數(shù)據(jù)處理能力。串行總線結(jié)構(gòu)。IIC總線（Inter-ICbus）。該總線用兩根信號線代替現(xiàn)行的8位數(shù)據(jù)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(nèi)RAM：128K

256K

片內(nèi)ROM：可達4KB至8KB,有的高達128KB。片內(nèi)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(shù)據(jù)。閃存同樣有此特點。程序保密化對片內(nèi)的EPROM或E2PROM加鎖。片內(nèi)I/O口的改進

增加并行口的驅(qū)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(gòu)成分布式、網(wǎng)絡化系統(tǒng)提供了方便。

外圍電路內(nèi)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(nèi)。除了一般必須具有的ROM、RAM、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)外，片內(nèi)集成的部件還有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、中斷控制器、鎖相器、頻率合成器、字符發(fā)生器、聲音發(fā)生器、CRT控制器、譯碼驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)讓的形式把8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了許多半導體芯片生產(chǎn)廠家，如ATMEL、PHILIPS、DALLAS公司等。這些廠家生產(chǎn)的芯片是MCS-51系列的兼容產(chǎn)品（指令系統(tǒng)兼容）。這些兼容機與8051的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)的單片機。8051是MCS-51系列基本產(chǎn)品當中的一個。

AT89C51是美國ATMEL公司的產(chǎn)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(nèi)部含有4KB的閃爍存儲器在線編程，價格較低，在國內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)無程序存儲器）

8051（片內(nèi)4KROM）

8751（4KEPROM）

8位CPU，128字節(jié)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(shù)器，5個中斷源，2級中斷邏輯，111條指令。

8051ROM內(nèi)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(jié)RAM，定時器/計數(shù)器增加至3個16位計數(shù)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(chǎn)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(nèi)ROM為8K，RAM為232字節(jié)。4條高速觸發(fā)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(nèi)有10位的A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)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(yè)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(chǎn)品

Z8單片機系列

Z8是Zilog公司生產(chǎn)的8位單片機產(chǎn)品。推出時間較晚，集中了許多8位單片機的優(yōu)點，功能較強。

Z8061/Z8611

片內(nèi)ROM分別為2K（Z8061）和4K(Z8611)；片內(nèi)RAM為256字節(jié)；系統(tǒng)擴展能力：ROM為64K，RAM為64K；兩個8位定時/計數(shù)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(yōu)先級可屏蔽中斷。

無片內(nèi)ROM的Z8681/Z8682

除無片內(nèi)ROM外，其余的與Z8601相同，功耗低。

Z8671

在Z8671內(nèi)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(chǎn)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(nèi)ROM為2K，RAM為128字節(jié)，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(shù)器。

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