第1章51系列單片機概述,單片機以其價格低廉、功能強大、體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，深受廣大電子設計愛好者喜愛。目前，各類產品中都能看到單片機的身影，如門鈴、報警器、玩具，以及各類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制終端等。單片機是現(xiàn)代電子設計中使用最廣泛的電子元件。而其中的51系列單片機是最早興起的一類。51系列單片機功能完備、指令系統(tǒng)豐富，發(fā)展的最為成熟。本章主要介紹單片機的產生及幾十年的發(fā)展演化、51系列單片機的簡介和應用領域。另外還包括最新主流51內核單片機介紹以及單片機的開發(fā)概述。本章內容包括：單片機的產生與發(fā)展51系列單片機介紹最新主流51內核單片機介紹51系列單片機開發(fā)概述,1.1單片機的產生與發(fā)展,1946年，由美國賓夕法尼亞大學研制成功世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC。該計算機運算速度為5000次/s，內部使用了18000多個電子管和1500多個繼電器，占地150m2，重30噸。它的誕生引發(fā)了20世紀電子工業(yè)的革命，如今電子計算機以令人難以想象的速度發(fā)展，產品線不斷更新?lián)Q代，成為發(fā)展最快的行業(yè)。近年來，為了滿足小型設備或者便攜式設備的需求，在計算機的大家族中，單片微型計算機異軍突起，發(fā)展十分迅速，其基本滲透到了電子設計的方方面面。單片微型計算機（Single-ChipMicrocomputer）是在一塊芯片上集成了中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）、只讀存儲器（ReadOnlyMemory，ROM）、隨機存取存儲器（RandomAccessMemory，RAM）、定時器/計數(shù)器以及I/O（Input/Output）接口等部件，這些部件構成了一個完整的微型計算機。單片微型計算機也簡稱為單片機。單片機從產生到現(xiàn)在的短短三十幾年歷史中，產品不斷更新，其大致經(jīng)歷了四個階段。14位單片機時代2低中檔8位單片機時代3高檔8位單片機時代4增強型單片機時代,1.251系列單片機介紹,目前8位單片機仍然是電子設計領域最為廣泛使用的產品，這里詳細介紹使用最多的51系列8位單片機。,1.2.151系列單片機簡介,51系列單片機是指Intel的MCS-51系列以及和其具有兼容內核的單片機。MCS-51系列單片機是最早、最基本的單片機，功能也最簡單。Intel公司生產的MCS-51系列單片機包括8031、8051、8032、8052、8751、8752等?，F(xiàn)在集成電路的飛速發(fā)展，各大芯片廠商提供了很多與其兼容的單片機。比如Atmel公司的AT89C系列、AT89S系列，SiliconLaboratories公司的C8051F系列，還有Philips公司的8XC552系列等。這些單片機采用兼容的MCS-51的結構和指令系統(tǒng)，只是對其功能和內部資源等方面進行了不同程度的擴展。,1.2.251系列單片機的應用領域,51系列單片機以其高性能、高速度、體積小、價格低廉、可重復編程和方便功能擴展等優(yōu)點，在市場上得到廣泛的應用。其主要應用于如下幾個領域。家電產品及玩具。由于51系列單片機價格低、體積小、控制能力強、功能擴展方便等優(yōu)點，使其廣泛應用于電視、冰箱、洗衣機、玩具、家用防盜報警器等方面。機電一體化設備。機電一體化設備是指將機械技術、微電子技術和計算機技術結合在一起，從而產生具有智能化特性的產品，它是現(xiàn)代機械及電子工業(yè)的主要發(fā)展方向。單片機可以作為機電一體化產品的控制器，從而簡化原機械產品的結構，擴展其功能。智能測量設備。以前的測量儀表體積大、功能單一，限制了測量儀表的發(fā)展。采用單片機改造各種測量控制儀表，可以使其體積減少、功能擴展，從而產生新一代的智能化儀表，如各種數(shù)字萬用表、示波器等。自動測控系統(tǒng)。采用單片機可以設計各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)等。例如溫度的自動控制、電壓電流的數(shù)據(jù)采集。計算機控制及通信技術。51系列單片機都集成有串行通信接口，可以通過該接口和計算機的串行接口進行通信，實現(xiàn)計算機的程序控制和通信等。,1.3最新51內核單片機介紹,自世界上第一片單片機誕生以來，51系列單片機不斷推陳出新，目前已有幾十個系列、上百種型號。這些新產品都基于51內核，各個型號基本都兼容。以下是一些典型的51系列單片機。美國Intel公司的MCS48系列、MCS51系列、MCS96系列單片機；美國Atmel公司的AT89系列單片機；美國Motorola公司的6801、6802、6803、6805和68HC11系列單片機；美國Zilog公司的Z8、Super8系列單片機；美國Fairchild公司的F8和3870系列單片機；美國TI公司的TMS7000系列單片機；美國NS公司的NS8070系列單片機；日本NEC公司的PD7800系列單片機；日本Hitachi公司的HD6301、HD6305系列單片機；,1.3.1ATMEL單片機介紹,Atmel公司的產品非常豐富，除了基本的51系列單片機外，還包括針對不同設計領域的專用51內核單片機。Atmel公司的51內核單片機有如下幾類。單周期8051內核單片機。這類單片機具有單周期8051內核，F(xiàn)lashISP在系統(tǒng)編程調試，片內集成了SPI、UART、模擬比較器、PWM以及內部RC振蕩器等資源。主要有AT89LP213、AT89LP214、AT89LP216、AT89LP2052、AT89LP4052等。FlashISP在系統(tǒng)編程單片機。這類單片機主要特點是內部集成Flash，可以實現(xiàn)ISP在系統(tǒng)編程，使用方便。包括AT89C5115、AT89C51AC2、AT89C51AC3、AT89C51ED2、AT89C51IC2、AT89C51ID2、AT89C51RB2、AT89C51RC2、AT89C51RD2、AT89C51RE2、AT89LS51、AT89LS52AT89S2051、AT89S4051、AT89S51、AT89S52、AT89S8253等。USB接口單片機。這類單片機片內集成USB接口，基于C51微處理器，另外還具備TWI、SPI、UART、PCA、ADC等資源。包括AT83C5134、AT83C5135、AT83C5136、AT89C5130A-M、AT89C5131A-L、AT89C5131A-M、AT89C5132等。智能卡接口單片機。這類單片機基于C51微處理器，帶有串行接口和智能卡接口、DC/DC轉換、以及EEPROM等資源。包括AT83C5121、T83C5121、AT83C5122、AT83C5123、AT83C5127、AT83EC5123、AT85C5121、T85C5121、AT85C5122、AT85EC5122、AT89C5121、T89C5121等。MP3專用單片機。這類單片機基于C51內核，具備USB、多媒體卡接口、ADC、DAC、TWI、UART、SPI，MP3、WMA、JPEG以及MPEG的編解碼電路等。包括AT85C51SND3、AT89C51SND2C、AT83SND2C、AT89C51SND1C、AT83SND1C、AT80C51SND1C等。,1.3.2CYPRESS單片機介紹,Cypress公司的51內核單片機主要集中在USB接口上，有如下幾類。USB嵌入式主機。包括CY7C67200、CY7C67300、SL811HST等。USB全速設備。包括AN21xx系列、CY7C64013C、CY7C64215、CY7C6431x系列、CY7C64345、CY7C6435x系列、CY7C64713等。USB高速設備。包括CY7C68001、CY7C68013A、CY7C68014A、CY7C68015A、CY7C68016A、CY7C68023、CY7C68024、CY7C68033、CY7C68034等。USB低速設。包括CY7C630 xx、CY7C631xx、CY7C632xx、CY7C633xx、CY7C63413C、CY7C63513C、CY7C63613C、CY7C637xx、CY7C638xx等。,1.3.3Infineon單片機介紹,Infineon公司的產品包括標準的8051內核以及符合工業(yè)標準的8051單片機。主要有如下幾類。XC800系列單片機。新型高級XC800家族8位微控制器采用高性能8051內核、片上集成閃存和ROM存儲器以及功能強大的外設組，如增強型CAPCOM6(CC6)、CAN、LIN和10位ADC，具有多種產品型號可供選擇。如XC886/888CLM、XC886/888LM、XC866等。C500/C800系列單片機。這類單片機是基于工業(yè)標準8051架構的微處理器，具有CAN、SPI等資源。包括C515C、C505CA、C868等。,1.3.4Silicon單片機介紹,SiliconLaboratories公司的C8051F系列單片機，集成了世界一流的模擬功能、Flash以及基于JTAG的調試功能。另外還具有可配置的高性能模擬、高達100MIPS的8051CPU以及系統(tǒng)內現(xiàn)場可編程性。這些特性為用戶提供了充分的設計靈活性以及卓越的系統(tǒng)性能。C8051F系列單片機主要有如下幾類。USB混合信號微處理器。這類微處理器內部集成了USB接口，以及ADC、DAC、溫度傳感器、SMbus、UART等資源。精密混合信號微處理器。這類微處理器內部集成了Flash、ADC、DAC、溫度傳感器、SMbus、UART、比較器、VREF等資源。CAN總線接口混合信號微處理器。這類微處理器內部集成了CAN總線接口、Flash、ADC、DAC、溫度傳感器、SMbus、UART、比較器、VREF等資源。小型化微處理器。這類微處理器將高速8051CPU、閃存及高性能模擬電路集成到一個超小微型導線框封裝(MLP)中，可以讓系統(tǒng)設計者在提高系統(tǒng)性能的同時，減少元件數(shù)量和整體尺寸。,1.3.5Maxim單片機介紹,Maxim公司的產品線很豐富，其推出的8051兼容微控制器在保持指令集、目標代碼與早期8051設計兼容的同時，使性能指標提高33倍。主要有如下幾類。高速微處理器。這類微處理器具有閃存、EPROM、ROM等，每機器周期使用一個時鐘，速度是標準8051的33倍。包括DS89C450、DS89C430、DS87C530、DS87C520、DS83C530、DS83C520、DS80CH11、DS80C323、DS80C320、DS80C310等。安全微控制器。這是具有防篡改能力的微控制器，其能夠對程序和數(shù)據(jù)存儲器進行加密，以防未經(jīng)授權的系統(tǒng)介入。系統(tǒng)的電池備份架構一旦檢測到篡改事件將立即清零內部SRAM，并且DES/3DES加密技術可以防止外部總線竊聽。包括DS5250、DS5000T、DS5000、DS2250T、DS2250、DS5002FP、DS2252T、DS907X、DS5001FP、DS5000FP、DS2251T等。網(wǎng)絡微控制器。Maxim的微型互聯(lián)網(wǎng)接口(TINI)網(wǎng)絡微控制器能夠為嵌入式系統(tǒng)增添網(wǎng)絡功能，適用于以太網(wǎng)或各種低級網(wǎng)絡系統(tǒng)。片內集成具有IPv4/IPv6的TCP/IP網(wǎng)絡棧，以及10/100以太網(wǎng)MAC，符合IEEE802.3MII標準。包括DS80C411、DS80C410、DS80C400、DS80C390等。,1.3.6NXP單片機介紹,NXP半導體公司的前身是Philips，其推出了多種單片機微控制器。主要有如下幾類。LPC7000系列。主要有P87LPC760、P87LPC761、P87LPC762、P87LPC764、P87LPC767、P87LPC768、P87LPC769、P87LPC778、P87LPC779等。LPC9000系列。這是一種增強型多用途Flash單片機。主要有P89LPC9401、P89LPC9402、P89LPC9403、P89LPC9408、P89LPC9102、P89LPC9103、P89LPC9107、P89LPC912、P89LPC913、P89LPC914、P89LPC915以及P89LPC92x系列、P89LPC93x系列等。80C51系列。包括P87C5xX2、P87CL5xX2、P89C5xX2、P89C66x、P8xC591、P87C552、P87C5x、P89C5xBx、P87C51Rx等。,1.3.7Winbond單片機介紹,Winbond系列單片機是中國臺灣的華邦電子推出的，其產品線豐富。主要有如下幾類：標準51單片機。這類單片機具有高達40MHz的工作頻率，包含多個定時/計數(shù)器以及在系統(tǒng)編程等特性。包括W78C32、W78E51B、W78E52B、W78E54B、W78E58B、W78E516、W78E858、W78C51D、W78C52D、W78C54、W78C801、W78C438C、W78C58等。寬電壓單片機。這類單片機工作電壓可以低至2.4V以及1.8V，非常適合于電池供電的手持式設備。包括W78L32、W78L51、W78L52、W78L54、W78L801、W78LE51、W78LE52、W78LE54、W78LE58、W78LE516、W78LE812等。增強C51單片機。這類單片機工作電壓可以低至2.7V，具有高達40MHz的工作頻率、多個定時/計數(shù)器、12個中斷源、內置SRAM、以及雙UART等資源。主要包括W77C32、W77L32、W77E58、W77LE58等。工業(yè)溫度級單片機。這類單片機具有符合工業(yè)應用的溫度范圍以及低至2.4V的工作電壓。包括W78IE52、W78IE54、W77IC32、W77IE58等。,1.3.8AnalogDevices單片機介紹,美國ADI公司（AnalogDeviceInc）公司生產各種高性能的模擬器件，其推出的8051內核的ADuC800系列單片機集成了多種精密模擬資源，包括多通道的高分辨率模數(shù)轉換器ADC和數(shù)模轉換器DAC、基準電壓源和溫度傳感器等。ADuC800系列單片機具有符合工業(yè)標準的8052MCU內核，包括ADuC812、ADuC814、ADuC816、ADuC824、ADuC831、ADuC832、ADuC834、ADuC836、ADuC841、ADuC842、ADuC843、ADuC845、ADuC847、ADuC848等。,1.3.9TI單片機介紹,美國德州儀器(TI)提供兩類具有嵌入式8051/8052微控制器的產品系列。其中MicroSystems(MSC)產品系列包括嵌入式數(shù)據(jù)獲取解決方案。TUSB產品系列包括USB嵌入式連接解決方案。MicroSystems系列單片機。這類單片機是完全集成混合信號器件。該系列的產品包括整合了以下組件的8051CPU：高精度delta型ADC、高精度DAC、8通道復用器、燒壞檢測、可選緩沖輸入、失調DAC（數(shù)模轉換器）、可編程增益放大器(PGA)、溫度傳感器、精密電壓參考、閃速程序存儲器、閃速數(shù)據(jù)存儲器和數(shù)據(jù)SRAM。該產品系列的器件都是引腳兼容的，大大簡化了器件遷移過程。包括MSC1200、MSC1201、MSC1202、MSC1210、MSC1211、MSC1212、MSC1213、MSC1214等。USB接口系列單片機。這類微控制器系列使用標準的805x微控制器并將各種外圍接口集成到一起，以滿足各種USB外設需求。所有這些產品都遵從USB2.0規(guī)范。其中TUSB3xxx器件是USB全速適配外圍設備。TUSB2136和TUSB5052是將8052微控制器和全速USB集線器集成到一起的組合USB設備。TUSB6xxx產品是USB2.0高速適配設備。,1.3.10其他單片機介紹,除了上述的幾家半導體公司的單片機外，還有很多其他的半導體廠商也提供了多種型號的51內核單片機。例如美國的飛思卡爾Freescale、摩托羅拉Motorola、Microchip等，日本的NEC、日立Hitachi、瑞薩Renesas等。這些廠商的單片機同樣具有不錯的性能。另外，近些年國內的半導體廠商異軍突起，也提供了很多有特色的單片機。例如上海普芯達電子有限公司的CW89F系列單片機。上海普芯達電子有限公司總部位于上海張江高科技園區(qū)。該公司提供多種半導體器件，包括單片機、電源管理器件、系統(tǒng)監(jiān)管器件、通信接口器件、信號調理器件、功率驅動器件、數(shù)字邏輯器件、存儲器、專用標準器件和系統(tǒng)級封裝芯片等。其推出的單片機型號有如下兩類。1.CW89F系列單片機。2.CW89FE系列單片機。,1.451系列單片機開發(fā)概述,單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)是以單片機為核心，配合一定的外部電路及程序，從而實現(xiàn)特定測量及控制功能的應用系統(tǒng)。其中單片機的選型、資源分配以及程序設計是整個系統(tǒng)設計的關鍵。一般來說，一個完整的單片機應用系統(tǒng)設計包括分析測控系統(tǒng)、單片機選型、硬件資源分配、單片機程序設計、仿真測試并最終下載到實際硬件電路中執(zhí)行。單片機開發(fā)的整個流程，如圖所示。,1.4.1分析測控系統(tǒng),用戶在進行單片機應用系統(tǒng)開發(fā)時，首先要對該測控系統(tǒng)進行可行性分析以及系統(tǒng)總統(tǒng)方案設計。1可行性分析可行性分析主要是分析整個設計任務的可能性。2系統(tǒng)總體方案設計當完成可行性分析后，便進入系統(tǒng)整體方案設計階段。這里，主要結合國內外相關產品的技術參數(shù)和功能特性、本系統(tǒng)的應用要求以及現(xiàn)有條件，來決定本設計所要實現(xiàn)的功能和技術指標。接著，制定合理的計劃，編寫設計任務書，從而完成該單片機應用系統(tǒng)的總體方案設計。,1.4.2單片機選型,在51系列單片機應用系統(tǒng)開發(fā)過程中，單片機是整個設計的核心，因此選擇合適的單片機型號很重要。目前，市場上的單片機種類很多，不同廠商均推出很多不同側重功能的單片機類型。在進行正式的單片機應用系統(tǒng)開發(fā)之前，需要了解各個不同單片機的特性，從中作出合理的選擇。在單片機選型時，主要需要注意以下幾點。根據(jù)應用系統(tǒng)的硬件資源要求，在性能指標滿足的情況下，盡量選擇硬件資源集成在單片機內的型號，例如ADC、DAC、I2C以及SPI等。這樣便于整個系統(tǒng)的軟件管理，可以減少外部硬件的投入，縮小電路板的面積，從而減少投資等。,1.4.3硬件資源分配,當總體方案以及單片機型號確定下來后，需要仔細規(guī)劃整個硬件電路的資源分配。一般來說，一個單片機應用系統(tǒng)由緊密聯(lián)系的硬件及軟件構成。因此，在進行設計前，需要規(guī)劃哪部分的功能用硬件來實現(xiàn)以及用什么硬件來實現(xiàn)，哪部分的功能用軟件來實現(xiàn)等。這里需要注意以下幾點。如果單片機的硬件資源豐富，盡量選擇使用單片機內部集成的硬件資源來實現(xiàn)，這樣可以減少硬件投資，提高集成度。對于一些常用的功能部件，盡量選擇標準化、模塊化的典型電路，這樣可以提高設計的靈活性，確保成功率等。合理規(guī)劃單片機的硬件及軟件資源，充分發(fā)揮單片機的最大功能。硬件上最好留有擴展的接口，以方便后期的維護及升級。要仔細考慮各部分硬件的功率消耗以及驅動能力，驅動能力不夠將導致系統(tǒng)無法正確運行。,1.4.4程序設計,在整個單片機應用系統(tǒng)的總體方案及硬件分配定型后，便可以著手進入具體的設計階段。這里，單片機的程序設計是關鍵，可以根