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1、第1章 单片机开发概述,单片机是目前应用最为广泛的微处理器，其以价格低廉、功能强大、性能稳定等优点，深受广大电子设计爱好者喜爱。而其中的51系列单片机是最早兴起，发展的最为成熟的一类。目前，市场上的各类产品均能看到单片机的身影，小到报警器、玩具、智能充电器，大到冰箱、电视、空调以及数据采集系统和控制终端等。本章首先简略介绍一下单片机，然后重点介绍一下单片机开发流程以及开发语言。,1.1 单片机介绍,1946年，由美国宾夕法尼亚大学研制成功世界上第一台电子数字计算机ENIAC。随后，便引发了20世纪的电子工业革命。如今，计算机特别是单片微型计算机（简称单片机）得到了迅猛发展。市场上的单片机种类繁
2、多，覆盖各种功能和价位，这为应用设计提供了多种选择。,1.1.1 单片机简介,单片机是将中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、只读存储器（Read Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口等部件集成在一起的微芯片。单片机从产生至今，经过30多年的发展，从4位单片机发展到8位、16位乃至32位单片机，其性能越来越强，价格越来越低。其中，应用最为广泛的便是51系列单片机。 51系列单片机是指由Intel公司发展起来的MCS-51系列以及和其具有兼容内
3、核的单片机。MCS-51系列单片机是最早、最基本的单片机，功能也最简单。Intel公司生产的MCS-51系列单片机是包括8031、8051、8032、8052等。随后，各大芯片公司均推出了51内核的单片机，其和MCS-51系列单片机完全兼容，同时提高了性能并增加了更多的功能。比如Atmel公司的AT89C系列、AT89S系列和AT89LP系列，Philips公司的8XC552系列，Silicon Laboratories公司的C8051F系列等。,1.1.3 单片机引脚及功能,51系列单片机有各种封装形式，这里以40引脚双列直插DIP形式的封装来进行介绍，如图1.1所示。其中正电源和地线两根，
4、外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。,1.1.4 单片机的应用领域,单片机以其高性价比、高速度、体积小、可重复编程和方便功能扩展等优点，而得到广泛的应用。特别是51系列单片机更是达到百花齐放、百家争鸣的程度。单片机主要应用于如下几个领域： 家电产品。例如在电视、空调、冰箱、洗衣机、家用防盗报警器等产品中实现智能控制。 智能玩具。由于单片机的价格低廉、功能强大，其被广泛应用于智能型玩具的控制。例如发声玩具、玩具机器人、遥控电动车等。 机电一体化设备。机电一体化设备是指将机械技术、微电子技术和计算机技术结合在一起，从而实现人性化智能控制的设备。单片机作为机
5、电一体化设备的控制器，可以简化机械产品的结构设计，并扩展其功能。 计算机控制及通信。由于单片机均集成有串行通信接口，计算机可以通过该接口和单片机进行通信，实现计算机的程序控制和数据传输等。 智能测量设备。使用单片机强大的可编程和可扩展能力，可用设计新一代的智能化仪表，如各种数字万用表、示波器等。 自动测控系统。在自动控制和测量领域，可以采用单片机设计各种数据采集系统、自适应控制系统等。例如温度的自动控制、压力的自动感应、电压电流的数据采集和分析等。,1.2 单片机开发流程,单片机应用系统的开发主要包括单片机的外部电路设计和单片机的控制程序设计，其中以单片机的控制程序设计为核心。一般来说，一个完
6、整的单片机应用系统设计包括系统分析、单片机选型、单片机程序设计、仿真测试并最终下载到实际硬件电路中执行。单片机开发的整个流程，如图所示。,单片机开发流程,1.2.1 系统分析,设计者在开始单片机应用系统开发之前，除了需要掌握单片机的硬件及程序设计方法外，还需要对整个系统进行可行性分析和系统总体方案分析。这样，可以避免盲目地开始工作，浪费宝贵的时间。可行性分析用于明确整个设计任务在现有的技术条件和个人能力上是可行的。 一方面，首先要保证设计要求可以利用现有的技术来实现。一般可以通过查找相关文献、寻找类似设计等方法找到与该任务相关的设计方案。这样可以参考这些相关的设计，分析该项目是否可行以及如何实
7、现。如果设计的是一个全新的项目，则需要了解该项目的功能需求、体积和功耗等，同时需要对当前的技术条件和器件性能非常熟悉，以确保合适的器件能够完成所有的功能。 另一方面，需要了解整个项目开发所需要的知识是否都具备。如果不具备，则需要估计在现有的知识背景和时间限制下能否掌握并完成整个设计。必要的时候，可以选用成熟的开发板来加快学习和程序设计的速度。,1.2.2 单片机选型,在单片机应用系统开发中，单片机是整个设计的核心。设计者需要为单片机安排合适的外部器件，同时还需要设计整个控制软件，因此选择合适的单片机型号很重要。目前，市场上的单片机种类繁多，在进行正式的单片机应用系统开发之前，需要根据不同单片机
8、的特性，从中作出合理的选择。 1单片机选型注意事项 2各大公司单片机简介,1.2.3 程序设计,当完成系统总体方案并确定单片机型号后，便可以开始电路和程序设计。在电路设计时，需要仔细规划整个硬件电路的资源分配以及扩展器件。同时，需要规划哪部分的功能用硬件来实现以及用什么器件来实现，哪部分的功能用软件来实现等。这里需要注意以下几点： 如果所选单片机的硬件资源丰富且性能指标达到要求，则应尽量使用其内部集成的硬件资源来实现，这样可以减少额外的器件投资，同时提高系统的集成度和降低电路的复杂性。 合理规划和使用单片机的硬件资源，充分发挥单片机的性能。 尽量选择一些标准化、模块化的典型电路，这样可以加速电
9、路设计速度，提高设计的灵活性，确保成功率等。 硬件电路上最好将不用的引脚留为扩展的接口，以方便后期的电路维护及硬件升级。 要仔细考虑各部分硬件的功耗以及驱动能力，确保电源具有足够的驱动能力，同时也需要保证相连接的两个器件之间的驱动能力，否则将导致系统无法正确运行。,1.2.4 仿真测试,单片机程序在实际使用前，一般均需要进行代码仿真。单片机仿真测试和程序设计是紧密相关的。在实际设计过程中，通过仿真测试，这样可以及时发现问题，确保模块及程序的正确性。当发现问题时，需要重新进行修改设计，直到程序通过仿真测试。单片机程序的仿真测试需要从如下几憧悸牵 对于模块化的程序，可以通过仿真测试单独测试每一个模
10、块的功能是否正确。 对于通信接口，如串口等，可以在仿真程序中测试通信的流程。 通过程序仿真测试可以预先了解软件的整体运行情况是否满足要求。 选择一个好的程序编译仿真环境，例如Keil公司的Vision系列、英国Labcenter electronics公司的PROTEUS软件等。 如果条件允许，可以选择一款和单片机型号匹配的硬件仿真器。硬件仿真器一般支持在线仿真调试，可以实时观察程序中的各个变量，最大程度上对程序进行测试。,1.2.5 程序下载,当程序设计完毕并初步通过仿真测试后，便可以将其下载到单片机中，并结合硬件电路来测试系统整体运行。此时，主要测试单片机程序和外部硬件接口是否正常，整个硬
11、件电路的逻辑时序配合是否正确等。如果发现问题，则要返回设计阶段，逐个解决问题，直至解决所有问题，达到预期设计功能和指标。在程序下载和实践电路调试时，可以从如下几点考虑。 在设计调试时，尽量选择可重复编程的单片机，这样便于及时修改程序。 在投入生产时，可以根据需要选择一次性编程的器件。 尽量选择Flash编程的单片机，相比早期的单片机来说，其程序下载方式简单，下载器投资较少。 选择合适的程序下载器，最好同时具有在线调试功能，这样便于硬件的仿真调试。,1.3 单片机开发语言概述,进行单片机程序开发，首先需要选择合适的开发语言。在单片机设计中，一般可以选择单片机汇编语言和单片机C51语言两种。这两种
12、语言各有优势，目前以单片机C51语言使用的最多。,1.3.1 单片机汇编语言,单片机汇编语言是采用助记符标识的指令的程序设计语言，其中助记符标识是二进制指令的形象标记。单片机汇编语言程序是单片机汇编指令的集合。汇编语言程序设计与51系列单片机的汇编指令集和硬件结构等有密切联系，在单片机上可以用来实现特定的功能和任务。汇编语言以其简练的代码、快速的操作硬件能力而最先获得了广泛使用。一个典型的汇编语言程序示例如下： ORG0200H;汇编程序起始命令 MOVA,R4;低字节送入累加器A CPLA;取反 ADDA,#01H;加1 MOV21H,A;将结果送入地址21H MOVA,R3;高字节送入累加
13、器A CPLA;取反 ADDCA,#00H;加进位位 MOV20H,A;将结果送入地址20H END;程序结束,1.3.2 单片机C51语言,对比现有的种种程序设计语言，C语言以其功能强大、结构清晰等优点得到应用广泛。而在单片机程序设计中，同样有应用于单片机的C语言，一般简称为C51语言。C51语言继承了C语言的结构上的优点，便于学习和使用，同时又具有汇编语言操作硬件的能力。因此，目前单片机C51被广泛使用于单片机程序设计中，大有取代单片机汇编语言的趋势。一个典型的单片机C51语言的程序示例如下： #include /头文件 void main( )/主函数 floata;/定义a为单精度浮点型变量 double b;/定义b为双精度浮点型变量 a=1134.5678;/赋值 b=5890.1; printf(a=%fnb=%fn,a,b);/打印输出结果 ,1.4 小结,本章主要介绍了单片机以及其基本的组成部分和功能，同时介绍了单片机的应用领域。接着详细介绍了单片机的开发流程，并对其中每一个流程的关键点进行了详细的讲解。最好对比分析了单片机汇编语言和单片机C51语言。本章是单片机程序开发的基础。,
