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1、单片机原理与应用主编 张瑞玲 杨丽西北工业大学出版社,项目1 认识单片机,项目实操1 使用单片机开发软件 Keil C,项目实操2 使用单片机仿真软件 Proteus,任务1.1 单片机的发展概况,1.1.1单片机的概念随着大规模、超大规模集成电路技术的发展和计算机微型化的需要，把微型计算机的基本功能部件如中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、定时/计数器、中断系统等多种资源集成在一个半导体芯片上，使得一块集成电路芯片就能构成一个完整的微型计算机。这种集成电路芯片被称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简称单片机。由于它的结构及功能均是按照工业控制要
2、求设计的，所以其确切的名称应是“单片微控制器”（Single Chip Microcontroller）。,单片机的概念,微型计算机系统的硬件部分通常由五部分组成:,这种计算机系统通常由多块印刷电路板制成,印刷 电路板,1.1.2单片机发展概况自从1975年美国德克萨斯仪器公司（TI公司）的第一个单片机TMS-1000问世以来，迄今为止，已有30年的历史，单片机技术也已成为计算机技术的一个独特分支，在众多领域尤其是在智能化仪器仪表、检测和控制系统中有着广泛的应用。单片机作为微型计算机的一个分支，它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，主要分为三个阶段。,第一阶段（19741978年）：初
3、级单片机阶段。这一阶段以Intel公司的MCS-48为代表。这个系列的单片机在片内集成了8位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器、RAM等，无串行I/O口，寻址范围不大于4。第二阶段（19781983年）：高性能单片机阶段。这一阶段以MCS-51系列为代表，这个阶段的单片机内均带有串行I/O口，具有多级中断处理系统，定时/计数器为16位，片内RAM和ROM容量相对增大，且寻址范围可达64 K。这类单片机应用领域极为广泛。由于其优良的性价比，特别适合我国的国情，因此在我国得到广泛应用。,第三阶段（1983至今）：8位单片机巩固完善及16位单片机推出阶段。这一阶段以MCS-96系列为16位单片机
4、的代表，其内部除了CPU为16位以外，还采用了新颖的寄存器堆/逻辑部件（RALU），片内RAM和ROM的容量进一步增大，片内ROM为8 KB甚至更大且可以加密，片内还带有高速输入输出部件、多通道10位A/D转换器，具有8级中断等。近年来，32位单片机也已进入实用阶段。目前，单片机正朝着高性能和多品种的方向发展，但由于MCS-51系列的8位单片机仍能满足绝大多数应用领域的需要，所以以MCS-51系列为主的8位单片机，在现在及以后相当长的一段时期内仍将占据单片机应用的主导地位。,1.1.3单片机的应用及发展1.单片机的应用领域单片机的应用极为广泛，已深入到国民经济的各个领域，对各行业的技术改造和产
5、品的更新换代起着积极的推动作用。单片机的应用领域主要有以下几个方面：（1）生产自动化自动化生产不但能够降低劳动强度，而且可以提高经济效益、改善产品质量，广泛应用于机械、汽车、电子、石油、化工、食品等工农业生产领域。自动化生产线、机器手、数控机床等自动化生产设备都能由单片机实现其智能化的自动控制功能。,（2）实时测控测控系统的工作环境往往比较恶劣，干扰繁杂，并且要求实时测量控制，如工业窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制等。单片机工作稳定、可靠，抗干扰能力强，体积小使用灵活，适用于各种恶劣环境，最宜承担测控工作。（3）智能化产品现代工业产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，而智能化的提
6、高离不开单片机的参与。传统的机电产品与单片机结合后，可简化产品结构、升级产品功能，并实现控制智能化。单片机与机械技术相结合，称为机电一体化，是机械工业的发展方向。单片机在家电产品上得到更为普遍的应用，出现了程控洗衣机、电脑空调机等。为提高汽车的动力性、经济性以及舒适性、稳定性，减少污染排放，在现代汽车上都大量使用了单片机。,（4）智能化仪表用单片机改造、设计制造仪器仪表，大大促进了仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化和柔性化方向发展，并能同时提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积。（5）信息通信技术多机系统（各种网络）中的各计算机之间的通信联系，以及计算机与其外围设备（键盘、打印机、
7、传真机、复印机等）之间的协作都有单片机的参与。（6）科学研究小到实验测控台，大到卫星、运载火箭，单片机都发挥着极其重要的作用。（7）国防现代化各种军事装备、管理通信系统都有单片机深入其中。例如，数字化部队的武器、通信等装备都大量应用了单片机。,2.单片机的应用特点（1）面向控制的应用由于单片机内部采用了微控制技术，其结构及功能均按自动控制的要求设计，因而主要应用于控制领域。微控制技术从根本上改变了传统的控制系统设计思想，它通过对单片机编程的方法代替由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，是对传统控制方式的一次革命。,传统控制系统的控制功能是通过电器元件和线路连接等硬件手段实现的，一经完成，功
8、能很难更改。若要改变功能，必须重新连接电路，十分不便。而微控制技术的控制是由硬件和软件共同实现的。只要改变程序的内容就可在硬件线路基本功能的基础上实现多种功能。例如，彩灯的控制，若由传统控制系统实现，则线路完成之后，彩灯的闪烁变换方式也就确定了；而若由单片机系统控制，不改变线路连接，只简单地改变程序即可实现多种不同的彩灯闪烁方式。（2）在线应用在线应用就是以单片机代替常规模拟或数字控制电路，使其成为测控系统的一部分，在被控对象工作过程中实行实时检测，并实时控制。在线应用为实时测控提供了可能和方便。,（3）嵌入式应用单片机在应用时通常装入到各种智能化产品之中，所以又称“嵌入式微控制器”（Embe
9、dded Micro Controller Unit，EMCU）。单片机应用系统就是典型的嵌入式系统。嵌入式计算机系统，是作为其他系统的组成部分使用的。由于通用计算机系统有限的可靠性、较高的价位及庞大的身躯，限制了其在嵌入式系统的广泛应用，尤其限制了以嵌入式计算机系统作为核心控制产品的发展。单片机以较小的体积、现场运行环境的高可靠性满足了许多对象的嵌入式应用要求。在嵌入式系统中，单片机是最重要也是应用最多的智能核心器件。将单片机系统嵌入到对象体系中后，单片机就成为对象体系的专用指挥中心。嵌入式系统的广泛应用和不断发展的美好前景，极大地影响着每个人的学习、工作和生活。,3.单片机应用系统单片机应
10、用系统，如果按其系统扩展及配置状况，可分为最小系统、最小功耗系统、典型系统等。单片机最小系统是指单片机嵌入一些简单的控制对象（如开关状态的输入/输出控制等），并能维护单片机运行的控制系统。这种系统成本低、结构简单，其功能完全取决于单片机芯片技术的发展水平。单片机最小功耗系统是指系统功耗最小。设计该系统时，必须使系统内所有器件及外设都有最小的功耗，最小功耗应用系统常用在一些袖珍式智能仪表及便携式仪表中。,单片机典型系统也是单片机控制系统的一般模式，它是单片机要完成工业测控功能必须具备的硬件结构系统。其系统框图如图1.1所示，下面简要说明图中主要部分的作用。通过传感器把被控对象的物理量转换成标准的
11、模拟电量，如把0500 温度转换成420 mA标准直流电流输出，该输出经滤波器滤除掉输入通道的干扰信号，然后送入多路采样器；多路采样开关分时地对多个模拟量进行采样、保持，使A/D转换器能将某时刻的模拟量转换成相应的数字量，然后该数字量输入单片机；单片机对输入的数据进行运算处理后，输出相应的数字量，经D/A转换器转换为模拟量，该模拟量经保持器控制相应的执行机构，对被控对象的相关参数进行调节，从而控制被调参数的物理量，使之按给定规律变化。,图1.1 单片机典型应用系统,4.单片机的发展趋势（1）微型化芯片集成度的提高为单片机的微型化提供了可能。早期单片机大量使用双列直插式封装，随着贴片工艺的出现，
12、单片机也大量采用了各种符合贴片工艺的封装，大大减小了芯片的体积，为嵌入式系统提供了可能。（2）低功耗现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电等工作方式。扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是当今单片机发展的目标之一。目前，一般单片机都可在3.35.5 V的条件下工作，一些厂家甚至生产出可以在2.26 V条件下工作的单片机。,（3）高速化早期MCS-51单片机的典型时钟为12 MHz，目前西门子公司的C500系列单片机的（与MCS-51兼容）时钟频率为36 MHz；EMC公司的EM78系列单片机的时钟频率高达40 MHz；现在已有
13、更快的32位100 MHz的单片机产品出现。（4）集成更多资源单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一些常用的电路。例如，定时器、比较器、A/D转换器、D/A转换器、串行通信接口、“看门狗”Watchdog电路、LCD控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块，甚至将网络协议固化在其内部。,（5）通信及网络功能加强在某些单片机内部由于封装了局部网络控制模块，因此这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。目前，将单片机嵌入式系统和Internet连接起来已是一种趋势。（6）专用型单片机发展加快专用型单片机具有最大程
14、度简化的系统结构，资源利用率最高，大批量使用有着可观的经济效益。,1.1.4单片机的主要生产厂商及产品1.单片机的主要生产厂商及产品自单片机诞生以来，其产品在近30年里得到了迅猛的发展，形成了多公司、多系列、多型号的局面。2.单片机主要产品除上述公司及其产品外，还有一些其他公司也生产各种类型的单片机，如Siemens、OKI、Fairchild、Mostek公司等。（1）Intel公司系列单片机Intel公司的系列单片机可分为MCS-48、MCS-51、MCS-96三个系列。Intel的单片机每一类芯片的ROM根据型号一般有片内掩膜ROM、片内EPROM和外接EPROM三种方式，这是Intel
15、公司的首创，现已成为单片机的统一规范。片内掩膜ROM型单片机适合于已定型的产品，可以大批量生产；片内带EPROM型、外接EPROM型及片内带E2PROM型单片机适合于研制新产品和生产产品样机。,（2）Philips公司单片机Philips公司生产与MCS-51兼容的80C51系列单片机，片内具有I2C总线、A/D转换器、定时监视器、CRT控制器（OSD）、“看门狗”（WTD）电路、电源监测和时钟监测等丰富的外围部件。其某些产品工作电压甚至可低至1.8 V，并且扩大了接口功能，如设置高速口，扩展I/O数量，增加外部中断源以及将ADC、PWM做入片内。为提高运行速度，时钟频率已达1624 MHz。
16、主要产品有80C51、80C52、80C31、80C32、80C528、80C552、80C562、80C751等。Philips单片机独特的创造是具有I2C总线，这是一种集成电路和集成电路之间的串行通信总线。可以通过总线对系统进行扩展，使单片机的系统结构更简单，体积更小。,（3）Motorola公司单片机Motorola公司的单片机从应用角度可以分成两类：高性能的通用型单片机和面向家用消费领域的专用型单片机。通用型单片机具有代表性的是MC68HCll系列，有几十种型号。其典型产品为MC68HCllA8，具有准16位的CPU、8 KB ROM、256 B RAM、512 B E2PROM、16
17、位9功能定时器、38位I/O口线、2个串行口、8位脉冲累加器、8路8位A/D转换器、WTD电路、17个中断向量等功能，可单片工作，也可以扩展方式工作。,（4）ATMEL 51系列单片机ATMEL公司生产的CMOS型51系列单片机，具有MCS-51内核，用Flash ROM代替ROM作为程序存储器，具有价格低、编程方便等优点。例如，89C51就是拥有4 KB Flash ROM的单片机。ATMEL公司生产的单片机主要有89C51、89F51、89C52、89LV52、89C55等。（5）Microchip公司的单片机Microchip公司推出了PICl6C5X系列的单片机。它的典型产品PICl6C57具有8位CPU、2 KB12位E2PROM程序存储器、80 B RAM、1个8位定时器/计数器、21根I/O口线等硬件资源。指令系统采用RISC指令，拥有33条基本指令，指令长度为12位，工作速度较高。主要产品有PICl6C54、PICl6C55、PICl6C56等。,
