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1、单片机原理及应用单片机原理及应用 （C语言版）语言版）第第1章章 单片机概述单片机概述主主 编：编：周国运周国运本章本章制作：制作：赵天翔赵天翔中国水利水电出版社中国水利水电出版社第第1章章 单片机单片机概述概述目目 录录 1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念 1.2 单片机的发展概况单片机的发展概况 1.3 单片机的特点及应用单片机的特点及应用 1.4 常用单片机简介常用单片机简介 1.5 单片机系统的开发方法单片机系统的开发方法 本章主要介绍了单片机的基本概念，单片本章主要介绍了单片机的基本概念，单片机的发展概况，单片机的应用及其特点，机的发展概况，单片机的应用及其特点，以以及一些常用
2、的单片机。及一些常用的单片机。 通过本章的学习，我们可以了解到什么是通过本章的学习，我们可以了解到什么是单片机，单片机的发展历史。并且对单片机单片机，单片机的发展历史。并且对单片机的应用和开发方法有个初步的认识。的应用和开发方法有个初步的认识。第第1章章 概述概述1.1 1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念 微机微机是微型计算机的简称，它是由主是微型计算机的简称，它是由主机和外部设备机和外部设备等等组成的。组成的。如图如图1.11.1所示。所示。 单片机单片机就是把微机的主机部分（图就是把微机的主机部分（图1.11.1虚虚线框内的）集成到一块集成电路芯片上所得线框内的）集成到一块集成电路芯
3、片上所得到的。到的。微微处处理理器器 存存储储器器 外外部部设设备备 接接口口适适配配器器 地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线图图1-1 1-1 微机的组成微机的组成1.1 1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念 单片机：单片机：将中央处理器，随机存储器，只将中央处理器，随机存储器，只读存储器，中断系统，定时器读存储器，中断系统，定时器/ /计数器以及计数器以及I/OI/O接口电路等主要微型计算机的部件集成接口电路等主要微型计算机的部件集成在一块芯片上，使其具有计算机的基本功能。在一块芯片上，使其具有计算机的基本功能。 就叫做单片微型计算机就叫做单片微型计算机（Single C
4、hip Micro Computer，SCMC），），简称单片机。简称单片机。 1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念1.2 单片机的发展概况单片机的发展概况 主要内容主要内容 1.2.1 单片机的历史单片机的历史 1.2.1 单片机技术的发展单片机技术的发展1.2.1 单片机的历史单片机的历史 一一 、4 4位单片机阶段位单片机阶段 1975年美国德克萨斯仪器公司（年美国德克萨斯仪器公司（TI）首次推）首次推出出4位单片机位单片机TMS-1000。 4位单片机主要用于家用电器、电子玩具等。位单片机主要用于家用电器、电子玩具等。 二、二、 8位单片机阶段位单片机阶段 1976年年9月，美国月
5、，美国Intel公司首先推出了公司首先推出了MCS-48系列系列8位单片机。位单片机。 8位单片机由于功能强，被广泛用于工业控制、位单片机由于功能强，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域。智能接口、仪器仪表等各个领域。 三、三、16位单片机阶段位单片机阶段 1983 年年Intel公司推出了公司推出了16位单片机位单片机MCS-96系系列。列。 1616位单片机可用于高速复杂的控制系统。位单片机可用于高速复杂的控制系统。 四、四、32位单片机位单片机 近年来，各个计算机生产厂家已进入更高性近年来，各个计算机生产厂家已进入更高性能的能的3232位单片机研制、生产阶段。位单片机研制、生
6、产阶段。1.2.1 单片机的历史单片机的历史1.2.2 单片机技术的发展单片机技术的发展 一、片内程序存储器的发展一、片内程序存储器的发展单片机的程序存储器（单片机的程序存储器（ROM）经历了）经历了ROMEPROME2PROMFLASH MEMORY的发展，的发展，容量也由小变大。容量也由小变大。 二、看门狗定时器二、看门狗定时器 单片机在运行时由于干扰等原因，可能会出现单片机在运行时由于干扰等原因，可能会出现软件混乱。软件混乱。 看门狗电路就是用于在看门狗电路就是用于在CPU处于软件混乱时使处于软件混乱时使系统正常工作的一种恢复方法。系统正常工作的一种恢复方法。 1.2.2 单片机技术的发
7、展单片机技术的发展 三、节电模式三、节电模式 在节电模式下，在节电模式下，CPUCPU和部分部件进入睡和部分部件进入睡眠状态，但片内眠状态，但片内RAMRAM和寄存器等部件保持工和寄存器等部件保持工作状态，以达到节能的目的。作状态，以达到节能的目的。 四、加强输入输出功能四、加强输入输出功能 某有些单片机具备大功率的输入某有些单片机具备大功率的输入/ /输出输出接口，可直接驱动荧光显示器、接口，可直接驱动荧光显示器、LCDLCD和和LEDLED。 还有一些增加了接口或定时器的数量，还有一些增加了接口或定时器的数量，或者增加了新型的接口。或者增加了新型的接口。 五、单片机制造工艺提高五、单片机制
8、造工艺提高 半导体制作工艺的提高，使单片机的体半导体制作工艺的提高，使单片机的体积可以做的更小，时钟频率更高。可以集成积可以做的更小，时钟频率更高。可以集成更多的存储器和部件。降低产品的价格。更多的存储器和部件。降低产品的价格。 六、在线编程和调试技术六、在线编程和调试技术 一些新型的单片机实现了在系统编程一些新型的单片机实现了在系统编程（ISPISP）和在应用编程（）和在应用编程（IAPIAP）功能。）功能。1.2.2 单片机技术的发展单片机技术的发展1.3 单片机的特点及应用单片机的特点及应用主要内容主要内容 1.3.1 单片机的特点单片机的特点 1.3.2 单片机的应用单片机的应用 一、
9、单片机的存储器一、单片机的存储器ROMROM和和RAMRAM是严格是严格区分的区分的 ROMROM称为程序存储器，只存放程序、称为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。固定常数及数据表格。 RAMRAM则为数据存储器，用作工作区及则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。存放用户数据。二、采用面向控制的指令系统二、采用面向控制的指令系统 为满足控制的需要，单片机有更强的为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。力。1.3.1 单片机的特点单片机的特点三、单片机的三、单片机的I/OI/O引脚通常是多功能的引脚通常是多功能
10、的 由于单片机芯片上引脚数目有限，为了由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。引脚处于何种功能，了引脚功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。可由指令来设置或由机器状态来区分。 四、单片机的外部扩展能力强四、单片机的外部扩展能力强 在内部的各种功能部分不能满足应用需在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展（如扩展求时，均可在外部进行扩展（如扩展ROMROM、RAMRAM，I/OI/O接口，定时器接口，定时器/ /计数器，中断系统等），计数器，中断系统等）
11、，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。设计带来极大的方便和灵活性。1.3.1 单片机的特点单片机的特点 五、体积小，成本低，运用灵活五、体积小，成本低，运用灵活 易于产品化，它能方便地组成各种智能化易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。的控制设备和仪器，做到机电一体化。 六、六、面向控制面向控制 能针对性地解决从简单到复杂的各类控制能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。任务，因而能获得最佳的性能价格比。 七、适应性强、抗干扰七、适应性强、抗干扰 在各种恶劣的环
12、境下都能可靠地工作，这在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。是其它类型计算机无法比拟的。 八八、方便实现多机和分布式控制方便实现多机和分布式控制 使整个控制系统的效率和可靠性大为提高使整个控制系统的效率和可靠性大为提高1.3.1 单片机的特点单片机的特点 单片机的应用范围十分广泛，主要单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有：的应用领域有：工业控制工业控制仪器仪表仪器仪表计算机外部设备与智能接口计算机外部设备与智能接口商用产品商用产品家用电器家用电器消费类电子产品消费类电子产品通讯设备和网络设备通讯设备和网络设备儿童智能玩具儿童智能玩具汽车，建筑机械，飞机等大型机械
13、设备汽车，建筑机械，飞机等大型机械设备交通控制设备交通控制设备1.3.2 单片机的应用单片机的应用1.4 常用单片机简介常用单片机简介主要内容主要内容 1.4.1 MCS-51系列单片机系列单片机 1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机 1.4.3 STC89/12系列单片机系列单片机 1.4.4 常见的其它系列单片机介绍常见的其它系列单片机介绍1.4.1 MCS-51系列单片机系列单片机 MCS-51系列单片机：系列单片机：Intel在在1980-1982年年陆续推出了指令系统完全相同，内部结构基陆续推出了指令系统完全相同，内部结构基本相同的本相同的8031、8051和和8751等型
14、号单片机，等型号单片机，初步形成初步形成MCS-51系列，被奉为系列，被奉为“工业控制单工业控制单片机标准片机标准”。 MCS-51增强型单片机：增强型单片机： MCS-51系列单系列单片机除了片机除了89C51之外，主要包括之外，主要包括89C52、89C54、89C58、89C516等型号，等型号，它们的区它们的区别主要是三个方面：一是片内别主要是三个方面：一是片内RAM由由128B增增加到加到256B；二是多一个定时器二是多一个定时器/计数器计数器；三三是片内是片内Flash ROM由由4KB分别分别增加增加到到了了8KB、16KB、32KB和和64KB。 不同厂家的产品可能还增加有其它
15、外设不同厂家的产品可能还增加有其它外设或功能，但引脚和指令都是完全兼容的。或功能，但引脚和指令都是完全兼容的。为了讨论方便起见，为了讨论方便起见，我们将我们将89C51（包括（包括8031、8051等）等）称为基本型称为基本型，其他的型号称其他的型号称为增强型为增强型。1.4.1 MCS-51系列单片机系列单片机1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机 Atmel公司生产的公司生产的89系列单片机是市场上系列单片机是市场上比较具有代表性的比较具有代表性的MCS-51单片机。单片机。一、一、ATMEL89系列单片机型号说明系列单片机型号说明 AT89系列单片机型号由三个部分组成，它系列单片
16、机型号由三个部分组成，它们分别是们分别是前缀、型号、后缀前缀、型号、后缀，其格式如下：，其格式如下： AT89C（LV、S）XXXX-XXXX 1、前缀、前缀 前缀由字母前缀由字母“AT”组成，它表示该器件是组成，它表示该器件是ATMEL公司的产品。公司的产品。1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机 2、型号、型号 型号由型号由“89CXXXX”或或“89LVXXXX”或或“89SXXXX”等表示。等表示。“9”表示芯片内部含表示芯片内部含Flash存储器；存储器；“C”表示是表示是CMOS产品；产品；“LV”表示低电压产品；表示低电压产品；“S”表示含可下载的表示含可下载的Flash
17、存储器。存储器。“XXXX”为表示型号的数字，为表示型号的数字，如：如：51、52、2051、8252等。等。 3、后缀、后缀 后缀由后缀由“XXXX”四个参数组成，与产品型四个参数组成，与产品型号间用号间用“-”号隔开。号隔开。 后缀中第一个参数后缀中第一个参数“X”表示速度表示速度后缀中第二个参数后缀中第二个参数“X”表示封装表示封装 后缀中第三个参数后缀中第三个参数“X”表示温度范围表示温度范围 后缀中第四个参数后缀中第四个参数“X” 说明产品的处说明产品的处理情况理情况1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机 二、二、AT89C51单片机单片机 AT89C51单片机特点：单片机特
18、点：与与MCS-51产品完全兼容；产品完全兼容；具有具有4K字节可在系统编程的字节可在系统编程的Flash内部内部程序存储器，可写程序存储器，可写/擦擦1000次；次；全静态操作：全静态操作：0Hz24MHz；三级程序存储器加密；三级程序存储器加密；128字节内部字节内部RAM；1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机32根可编程根可编程I/O线；线；2个个16位定时器位定时器/计数器；计数器；6个中断源；个中断源；可编程串行可编程串行UART通道；通道；低功耗空闲和掉电方式；低功耗空闲和掉电方式；1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机 三、三、AT89S52单片机单片机 AT8
19、9S52单片机特点：单片机特点：与与MCS-51产品兼容；产品兼容；具有具有8K字节可在系统编程的字节可在系统编程的Flash内部内部程序存储器，可写程序存储器，可写/擦擦1000次；次；4.0V5.5V的工作电压范围；的工作电压范围；全静态操作：全静态操作：0Hz24MHz；三级程序存储器加密；三级程序存储器加密；256字节内部字节内部RAM；1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机全双工异步串行通信通道；全双工异步串行通信通道；低功耗空闲和掉电方式；低功耗空闲和掉电方式；通过中断中止掉电方式；通过中断中止掉电方式；看门狗定时器；看门狗定时器；两个数据指针。两个数据指针。1.4.2 A
20、TMEL89系列单片机系列单片机1.4.3 STC89/12系列单片机系列单片机 一、一、STC 89C51RC/RD系列单系列单片机片机 STC 89C51RC/RD系列单片机是宏系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机。低功耗的单片机。指令代码完全兼容传统指令代码完全兼容传统8051 单片机，单片机，12时钟时钟/机器周期和机器周期和6时钟时钟/机器周期可任机器周期可任意选择。意选择。1.4.3 STC89/12系列单片机系列单片机 STC 89C51RC/RD系列单片机特点如下：系列单片机特点如下：增强型增强型6/12时钟时钟/
21、机器周期机器周期8051 CPU；工作电压：工作电压：5.5V3.4V（5V单片机）单片机）/ 3.8V2.0V（3V 单片机）；单片机）；工作频率范围：工作频率范围：040MHz，相当于普通，相当于普通8051 的的080MHz；用户应用程序空间用户应用程序空间 4K 64K 字节；字节；片上集成片上集成1280字节字节/512字节字节RAM；通用通用I/O口口32 / 36 个；个；ISP（在系统可编程）（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），（在应用可编程），无需专用编程器无需专用编程器/仿真器；仿真器；内部内部E2PROM 功能；功能；硬件看门狗；硬件看门狗；内部集成内部集成MAX8
22、10专用复位电路（专用复位电路（D版本才有）版本才有）,外部晶体外部晶体20M以下时，可省外部复位电路；以下时，可省外部复位电路； 共共3个个16位定时器位定时器/计数器；计数器； 外部中断外部中断4路；路； 通用异步串行口，还可用定时器软件实现多个通用异步串行口，还可用定时器软件实现多个UART； 工作温度范围：工作温度范围：0 75，4085； 封装：封装：LQFP-44 ,PDIP-40 , PLCC -44 , PQFP-44 。1.4.3 STC89/12系列单片机系列单片机1.4.4 常见的其它系列单片机介绍常见的其它系列单片机介绍AVR单片机单片机 Motorola单片机单片机
23、MicroChip单片机单片机Scenix单片机单片机 EPSON单片机单片机 东芝单片机东芝单片机 GMS90单片机单片机 华邦单片机华邦单片机 Zilog单片机单片机 NS单片机单片机 AX1001单片机单片机1.5 单片机系统的开发方法单片机系统的开发方法主要内容主要内容 1.5.1 单片机系统的设计要求单片机系统的设计要求 1.5.2 单片机系统的开发特点单片机系统的开发特点 1.5.3 单片机系统的开发工具及环境单片机系统的开发工具及环境 1.5.4 单片机系统设计中芯片的选择单片机系统设计中芯片的选择1.5 单片机系统的开发方法单片机系统的开发方法 单片机系统是软件和硬件的逻辑结合
24、体，单片机系统是软件和硬件的逻辑结合体，必须根据对系统功能、性能参数的要求，必须根据对系统功能、性能参数的要求，对软件和硬件统一考虑进行设计开发，以对软件和硬件统一考虑进行设计开发，以求达到最佳效果。求达到最佳效果。1.5.1 单片机系统的设计要求单片机系统的设计要求 单片机系统设计开发非常受制于功能和具单片机系统设计开发非常受制于功能和具体的应用环境，所以单片机系统的设计具体的应用环境，所以单片机系统的设计具有一些特殊的要求：有一些特殊的要求： 接口方便、操作容易接口方便、操作容易 稳定可靠、维护简便稳定可靠、维护简便 功耗管理、降低成本功耗管理、降低成本 并发处理、及时响应并发处理、及时响
25、应1.5.2 单片机系统的开发特点单片机系统的开发特点 需要需要软硬件综合开发软硬件综合开发，二者密切相关。因，二者密切相关。因为任何一个单片机系统产品都是软件和硬件为任何一个单片机系统产品都是软件和硬件的结合体。的结合体。 一旦单片机系统产品研发完成，一旦单片机系统产品研发完成，软件就软件就固化在硬件环境中，单片机软件是针对相应固化在硬件环境中，单片机软件是针对相应的单片机硬件系统开发的，是专用的。的单片机硬件系统开发的，是专用的。 1.5.3 单片机系统的开发工具及环境单片机系统的开发工具及环境 一、单片机一、单片机C语言开发工具语言开发工具Keil C51Keil C51是是Keil S
26、oftware公司出品的公司出品的51系列兼容单片机系列兼容单片机C语言软件开发系统。语言软件开发系统。提供丰富的库函数和功能强大的集成开提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具发调试工具Vision2，全，全Windows界面，生界面，生成的目标代码效率非常高。成的目标代码效率非常高。1.5.3 单片机系统的开发工具及环境单片机系统的开发工具及环境 二、二、Proteus嵌入式系统仿真与开发嵌入式系统仿真与开发平台平台 Proteus：Proteus是一个嵌入式系统仿真是一个嵌入式系统仿真与开发平台，是英国与开发平台，是英国Labcenter Electronics公司出版的公司出版的E
27、DA工具软件。工具软件。 Proteus的功能：的功能：它不仅具有仿真数字、它不仅具有仿真数字、模拟电路的功能，还具备由微控制器及外围模拟电路的功能，还具备由微控制器及外围器件组成的混合电路的仿真功能。器件组成的混合电路的仿真功能。 Proteus的先进性：的先进性：它是目前世界上最先它是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台。进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台。 1.5.4 单片机系统设计中芯片的选择单片机系统设计中芯片的选择 现在市场上的单片机品种很丰富，现在市场上的单片机品种很丰富，89C51只是个基本型。虽然在本课程中我们主要是只是个基本型。虽然在本课程中我们主要是以以8
28、9C52为例来组织教学的，但是在进行单为例来组织教学的，但是在进行单片机系统设计的时候就要片机系统设计的时候就要根据系统的需求，根据系统的需求，灵活地选用具有不同特性的单片机。灵活地选用具有不同特性的单片机。本章小结本章小结本章首先给出了单片机的概念，单片机即单本章首先给出了单片机的概念，单片机即单片微机，也叫微控制器。片微机，也叫微控制器。然后介绍了单片机的发展概况，使我们基本然后介绍了单片机的发展概况，使我们基本了解了单片机的历史及发展。了解了单片机的历史及发展。接着讨论了单片机的特点及应用，使我们树接着讨论了单片机的特点及应用，使我们树立起学习单片机的目标。立起学习单片机的目标。接下来对常见及常用的单片机作了一个总体接下来对常见及常用的单片机作了一个总体介绍介绍，使我们了解了单片机更多的功能和特点使我们了解了单片机更多的功能和特点。最后简单地介绍了单片机开发的一些问题最后简单地介绍了单片机开发的一些问题，如开发环境与工具、芯片选择与设计要求等。如开发环境与工具、芯片选择与设计要求等。思考题与习题思考题与习题 1. 什么是单片机？什么是单片机？ 2. 单片机有哪些特点？单片机有哪些特点？ 3. 单片机的应用有哪些？单片机的应用有哪些？ 4. 常见的单片机有哪些类型？常见的单片机有哪些类型？
