隨著電子技術(shù)的快速進步，單片機在自動化控制、數(shù)據(jù)處理和智能系統(tǒng)中的角色日益重要。單片機開發(fā)是電子工程師的核心技能之一，涉及硬件選擇、軟件編程等多個領(lǐng)域。本教學(xué)模塊旨在介紹單片機開發(fā)的準(zhǔn)備和實施過程，為學(xué)生深入研究智能電子產(chǎn)品開發(fā)提供基礎(chǔ)指導(dǎo)。問題引入QuestionIntroduction目錄導(dǎo)航任務(wù)1-1認(rèn)識單片機任務(wù)1-2構(gòu)建單片機的最小硬件系統(tǒng)任務(wù)1-3單片機開發(fā)軟件安裝及操作任務(wù)1-1認(rèn)識單片機通過查閱網(wǎng)絡(luò)、書籍等資源，了解單片機的概念、應(yīng)用領(lǐng)域、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu)。工作任務(wù)一、什么是單片機相關(guān)知識單片機是將微型計算機的主要組成部分集成在一個芯片上的微型計算機。具體地說就是把中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及I/О接口電路等集成在一塊芯片上的微型計算機。與計算機相比，單片機缺少了外圍設(shè)備等，概括地講：一塊芯片就成了一臺計算機，它的體積小，質(zhì)量輕、價格便宜，從而為學(xué)習(xí)，應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。雖然單片機只是一塊芯片，但從組成和功能上看，它已具有了計算機系統(tǒng)的屬性，因此稱它為單片微型計算機（SCMC，SingleChipMicro-Computer），簡稱單片機。一、什么是單片機相關(guān)知識單片機引腳圖IAP15L2K61S2實物圖二、單片機應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)知識1.智能儀器單片機具有體積小，功耗低、控制功能強﹑擴展靈活，微型化和使用方便等優(yōu)點﹐廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度﹑溫度﹑流量﹑速度、厚度，角度﹑長度、硬度、壓力等物理量的測量。采用單片機控制可使儀器儀表數(shù)字化、智能化﹑微型化且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大，例如精密的測量設(shè)備（電壓表、功率計、示波器﹑各種分析儀）。二、單片機應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)知識2.工業(yè)控制單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)，以及當(dāng)今非常流行的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等。3.家用電器家用電器廣泛采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材再到電子秤稱量設(shè)備和白色家電等。二、單片機應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)知識4.網(wǎng)絡(luò)和通信現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件。通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機、電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信再到日常工作中隨處可見的移動電話、集群移動通信、無線電對講機等。5.設(shè)備領(lǐng)域單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機﹑各種分析儀、監(jiān)護儀、超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等，二、單片機應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)知識6.汽車電子單片機在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器﹑基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、ABS防抱死系統(tǒng)﹑制動系統(tǒng)、胎壓檢測等，此外，單片機在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。三、單片機內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)相關(guān)知識單片機內(nèi)部主要包括中央處理器（CPU），程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、定時器/計數(shù)器、掉電喚醒專用定時器、I/O口、高速A/D轉(zhuǎn)換、比較器、看門狗、UART高速異步串行通信口（1～4）CCP/PWM/PCA、高速同步串行通信端口SPI，片內(nèi)高精度R/C時鐘以及高可靠復(fù)位等模塊。STC15系列單片機幾乎包含了數(shù)據(jù)采集單元和控制中所需要的所有單元模塊，可稱得上是一個真正的片上系統(tǒng)（SysTemonChip，簡寫為STC，這是宏晶科技STC名稱的由來）。三、單片機內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)相關(guān)知識IAP15L2K61S2內(nèi)部功能框架圖四、單片機存儲結(jié)構(gòu)相關(guān)知識IAP15L2K61S2系列工作電壓：3.6V——2.4V，為3V單片機，片內(nèi)大容量SRAM2048字節(jié)，包括常規(guī)的256字節(jié)RAM（idata）和內(nèi)部擴展的1792字節(jié)（xdata），內(nèi)部Flash61K，擦寫次數(shù)10萬次以上。STC15系列單片機的存儲器采用了哈佛結(jié)構(gòu)。有一根地址和數(shù)據(jù)總線，程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間采用獨立編址，擁有各自的尋址方式和尋址空間。在物理結(jié)構(gòu)上有三個存儲空間，分別為：片內(nèi)程序存儲器（ROM）、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（RAM）和片外數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。在訪問不同的邏輯空間時，應(yīng)采用不同形式的指令，以產(chǎn)生不同的存儲器空間的選通信號。四、單片機存儲結(jié)構(gòu)相關(guān)知識IAP15L2K61S2單片機內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)示意圖四、單片機存儲結(jié)構(gòu)相關(guān)知識1.程序存儲器（Flash存儲器）該內(nèi)存的尋址范圍為：0000H～F3FFH，容量則為61K，主要作用是存放程序及程序運行時所需的常數(shù)等等。PC指向0000H，即單片機從這個單元開始執(zhí)行程序。2.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。數(shù)據(jù)存儲器分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器，2K的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器在物理和邏輯上分為兩個地址空間：內(nèi)部RAM（256字節(jié)）和內(nèi)部擴展RAM（1792字節(jié)）。其中內(nèi)部RAM的高128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器與特殊功能寄存器（SFR）看似地址重疊，實際使用時通過不同的尋找方式可訪問不同的存儲區(qū)。任務(wù)1-1認(rèn)識單片機任務(wù)實施查閱、學(xué)習(xí)書籍資料及網(wǎng)絡(luò)資源。課后拓展1.單片機的應(yīng)用范圍有哪些？2.IAP15L2K61S2單片機引腳有幾個？請繪制出單片機的引腳圖，并說說引腳的功能。3.給自己單片機學(xué)習(xí)列個計劃。任務(wù)1-2構(gòu)建單片機的最小硬件系統(tǒng)設(shè)計一塊單片機最小系統(tǒng)開發(fā)板，要求包含電源、復(fù)位電路、振蕩電路和程序下載電路。工作任務(wù)一、電源電路相關(guān)知識本課程采用的主控制器為IAP15L2K61S2，工作電壓：3.6V——2.4V，正常工作電流4mA——6mA，因此我們可以采用3.3V電源系統(tǒng)進行供電，考慮到外設(shè)的功率消耗，可選擇LM1117IMPX-3.3電源芯片進行供電，最大供電電流可以達到800mA。如果功率不能滿足需求，可以考慮使用更大輸出功率的DC-DC芯片（比如MP1584）進行供電。LM1117IMPX-3.3是一款LDO（LowDropoutVoltageRegulator）低壓差線性穩(wěn)壓器，它具有成本低，噪音低，靜態(tài)電流小等突出優(yōu)點，外接元件也很少，通常只需要一兩個旁路電容即可工作。這里外接輸入電源采用USB接口5V供電，因此需要將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V電源一、電源電路相關(guān)知識5V電源轉(zhuǎn)3.3V電路圖二、振蕩電路相關(guān)知識1.內(nèi)部高精度R/C時鐘IAP15L2K61S2單片機使用內(nèi)部時鐘時，不需要外接任何電路，運行時的系統(tǒng)時鐘可通過ISP編程軟件設(shè)置，常溫下的時鐘頻率可設(shè)置為5-35Mhz，精度為±0.3%，在-40～+85℃溫度環(huán)境下，溫飄為±1%，常溫下的溫飄為±0.6%。二、振蕩電路相關(guān)知識2.外部晶振時鐘IAP15L2K61S2單片機使用外部時鐘時，需要外接晶振電路，晶振類型通常分為兩種，一種是有源晶振，一種是無源晶振。無源晶振自身無法起振，需要芯片內(nèi)部的振蕩電路協(xié)助才能振蕩，缺點是信號質(zhì)量和精度稍差，但價格較便宜，因此在實際應(yīng)用中經(jīng)常使用，外形如圖1-6所示。無源晶振工作時還需要兩個起振電容，一般根據(jù)晶振的參數(shù)進行選擇，采用的在10pF-22pF之間。有源晶振是一個完整的諧振振蕩器，它利用石英晶體的壓電效應(yīng)起振，因此工作時需要給晶振提供一個電源，這也是有源晶振名字的由來。它可以產(chǎn)生高精度、信號質(zhì)量穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)信號，但相對于無源晶振，價格較高。二、振蕩電路相關(guān)知識無源晶振實物外型圖

有源晶振實物外型圖二、振蕩電路相關(guān)知識無源晶振和有源晶振在STC15單片機中的連接方法如圖下圖所示。其中有源晶振有四個引腳，給VCC引腳供電后，由OUT引腳自動輸出指定的頻率；而無源晶振一般只有兩個引腳，沒有“正負(fù)”之分，接到單片機對應(yīng)晶振引腳即可，如有四個引腳，其余的引腳一般直接接地。有源晶振電路圖

無源晶振電路圖三、復(fù)位電路相關(guān)知識復(fù)位電路的作用是使單片機運行狀態(tài)恢復(fù)到最初始狀態(tài)，即從第一條指令開始執(zhí)行程序。STC15單片機的復(fù)位方式有7種：外部RST引腳復(fù)位、軟件復(fù)位、掉電復(fù)位/上電復(fù)位、內(nèi)部低壓檢測復(fù)位、MAX810專用復(fù)位電路、看門狗復(fù)位、程序地址非法復(fù)位。STC15系列單片機內(nèi)部集成了MAX810高性能專用復(fù)位電路，因此它自身具有復(fù)位功能，外部復(fù)位電路可以省略。如果同學(xué)們需要使用外部復(fù)位功能，可在ISP軟件中將單片機的P5.4設(shè)置為復(fù)位引腳，可采用手動復(fù)位和自動復(fù)位兩種方式三、復(fù)位電路相關(guān)知識復(fù)位電路具體復(fù)位過程：上電瞬間，100nF電容上端為高電平（3.3V），下端為低電平（0V），此時對電容充電，從而在10K電阻上有電流流過，這樣，在RST端就會有高電平出現(xiàn)，隨著電容的充電，電流一直下降，當(dāng)電容充滿電后，電容起隔離作用，電流變?yōu)?，此時RST保持低電平，單片機開始工作。手動復(fù)位電路上電自動復(fù)位電路三、復(fù)位電路相關(guān)知識上圖中無論手動、

還是上電自動復(fù)位，RST腳都會出現(xiàn)高電平變成低電平的過程，那具體復(fù)位的時間是多長呢？從數(shù)據(jù)手冊上我們可以查到需要“不少于24個時鐘外加20uS”，因此需要通過RC電路調(diào)整上電的時間，假設(shè)先取電阻R為10K，電阻C為100nF，根據(jù)

，計算t為1100uS，假設(shè)系統(tǒng)工作在12Mhz，那么24個時鐘周期為

，那么要求的復(fù)位時間為22uS左右，設(shè)計的時間1100uS遠大于22uS，因此能完全滿足實際使用的需求，并留有很大余量。另外手動復(fù)位中33Ω電阻為限流作用，避免按鍵按下后，瞬間產(chǎn)生很大的電流，導(dǎo)致電磁干擾。四、下載電路相關(guān)知識下載電路的作用是將電腦上編譯好的可執(zhí)行文件通過串口電路下載到單片機內(nèi)部程序存儲器中，為節(jié)省成本，一般在產(chǎn)品的設(shè)計中將P3.0（RXD）、P3.1（TXD）、VDD和GND四個引腳預(yù)留為測試引腳即可，實際生產(chǎn)中將使用測試夾具進行批量下載。任務(wù)1-2構(gòu)建單片機的最小硬件系統(tǒng)任務(wù)實施原理圖設(shè)計任務(wù)1-2構(gòu)建單片機的最小硬件系統(tǒng)任務(wù)實施單片機最小系統(tǒng)元器件清單序號元器件名稱規(guī)格參數(shù)數(shù)量1單片機IAP15L2K61S212電源芯片LM1117IMPX-3.313晶振12MHz±20ppm20pF14電容10uF±20%25V25

電容100nF±10%50V46

電容22pF±10%50V27電阻10kΩ±5%62.5mW18

電阻33Ω±1%62.5mW19四腳輕觸按鍵6mm*6mm*5mm110下載接口1*4Pin，間距2.54mm1任務(wù)1-2構(gòu)建單片機的最小硬件系統(tǒng)相關(guān)知識課后拓展1.單片機的最小系統(tǒng)有哪幾部分組成，請說明每一部分的功能和作用；2.使用電路設(shè)計EDA軟件繪制單片機最小系統(tǒng)原理圖和PCB圖；3.做好硬件準(zhǔn)備，給自己購買一塊單片機最小系統(tǒng)開發(fā)板。任務(wù)1-3單片機開發(fā)軟件安裝及操作準(zhǔn)備一臺電腦，在上面安裝好單片機開發(fā)軟件，并新建一個單片機項目，輸入代碼、編譯、下載程序，掌握單片機開發(fā)流程。工作任務(wù)一、開發(fā)環(huán)境KeiluVision5介紹Keil公司是一家業(yè)界領(lǐng)先的微控制器（MCU）軟件開發(fā)工具的獨立供應(yīng)商。Keil公司所制造和銷售的開發(fā)工具種類比較多，包括ANSIC編譯器、宏匯編程序、調(diào)試器、連接器、庫管理器、固件和實時操作系統(tǒng)核心（Real-timeKernel）。有超過10萬名微控制器開發(fā)人員在使用這種得到業(yè)界認(rèn)可的解決方案。其KeilC51編譯器自1988年引入市場以來成為市面上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并支持超過500種8051變種。Keil公司2005年由ARM公司收購。其兩家公司分別更名為ARMGermanyGmbH和ARMInc。KeiluVision5（以下簡稱Keil5）是2013年10月由ARM公司發(fā)布的，引入靈活的窗口管理系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠使用多臺監(jiān)視器，并提供了視覺上的界面窗口，其位置完全可控。新的用戶界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個窗口，提供一個整潔，高效的環(huán)境來開發(fā)應(yīng)用程序。二、KeilμVision5的安裝（1）安裝軟件找到Keil5文件夾并打開，接著雙擊“KeilC51v9.60a”應(yīng)用程序，之后單擊“Next”按鈕，則會彈出一個“LicenseAgreement”對話框，此時在“Iagreeto…”前打鉤并單擊“Next”按鈕，接著是一個讓讀者選擇安裝路徑的對話框，單擊“Browse”按鈕選擇剛剛新建的文件夾（D：Keil5）。之后需要讀者填寫一些個人信息，再單擊“Next”按鈕，接著就是一個正在安裝的界面圖，稍等片刻，軟件就會安裝完畢，最后單擊“Finish”按鈕，這樣軟件就安裝完畢了，之后就可踏上編程之旅了。二、KeilμVision5的安裝（2）安裝庫文件Keil未包含STC公司的單片機，那如何安裝STC公司的單片機，其實很簡單，STC公司為了解決此問題，他們在自己的STC-ISP軟件上加入安裝庫的功能，讀者只需進行簡單的操作，就可以添加STC單片機到Keil5中。打開STC-ISP軟件，選擇“Keil仿真設(shè)置”選項卡，如圖所示，接著單擊“2”所示的按鈕，此時會彈出如圖1-14所示的Keil5安裝路徑文件夾選擇對話框，此時我們只需定位到安裝目錄即可。添加STC庫到Keil5中選擇對話框三、KeiluVision5的工程建立過程1.雙擊桌面，打開Keil5軟件，等Keil5軟件完全啟動后，選擇Project→NewuVisionProject菜單項，操作界面如圖所示。

新建工程三、KeiluVision5的工程建立過程2.選擇工程的保存路徑，本書就選擇E盤下的：我的第一個工程文件夾，這樣便于以后工程的管理，接著在文件名（實質(zhì)就是工程的名字）處輸入文件名：我的第一個工程，如圖所示，軟件會默認(rèn)為.uvproj的擴展名，然后單擊“保存”按鈕。保存工程三、KeiluVision5的工程建立過程3.此時彈出如圖所示的對話框，要求用戶選擇單片機型號。本書開發(fā)板搭載的是IAP15L2K61S2，由于前面我們已經(jīng)添加了STCMCU的庫，因此這里先如圖1-17中“1”選擇“STCMCUDatabase”，之后選擇如圖1-17中“2”所示，選擇“STC15F2K60S2”，之后單擊“OK”按鈕。選擇STC15F2K60S2三、KeiluVision5的工程建立過程4.接著彈出如圖所示的啟動代碼選擇對話框，這里選擇“是”（也可以選擇“否”），所謂啟動代碼就是處理器最先運行的一段代碼，主要任務(wù)是初始化處理器模式、設(shè)置堆棧、初始化寄存器等，由于以上的操作均與處理器體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置密切相關(guān)，所以一般由匯編來編寫。對于單片機開發(fā)來說是否添加都一樣。啟動代碼選擇框三、KeiluVision5的工程建立過程5.選擇File→New菜單項（或者直接CTRL+N）。6.此時Keil5的編輯界面處會有一個“text1”的文本文件，但與剛建立的工程還是沒有一點點關(guān)系，接著選擇File→Save菜單項（或CTRL+S）保存文件，此時彈出如圖所示的文件保存對話框，Keil5已經(jīng)默認(rèn)選擇了工程所在的文件夾路徑，所以只需輸入正確（一定要正確）文件名，文件名字隨便，最好是英文的，之后是擴展名“.c”（一定是英文狀態(tài)下的.c）。注意：如果是用C語言編寫程序，則擴展名必須是.c；匯編編寫程序，擴展名必須是.asm；頭文件則為.h。這里文件名可以與工程名相同，也可以不同，然后單擊“保存”按鈕。新建文件三、KeiluVision5的工程建立過程7.回到編輯界面，單擊“Project”窗口處“Target1”前的“+”號，選中“SourceGroup1”并右鍵單擊，彈出如圖1-20所示下拉菜單，然后選中“AddFilestoGroupSourceGroup1”菜單項，接著彈出一個對話框，選中上面所保存的文件（也即“我的第一個工程.c”），如圖1-21所示，之后單擊“Add”按鈕添加文件，最后單擊“Close”按鈕關(guān)閉此對話框。添加現(xiàn)有的文件到“SourceGroup1”文件加入工程之后的編輯界面三、KeiluVision5的工程建立過程8.編寫代碼，讀者這里只需CTRL+C、CTRL+V實例1的源代碼，暫時不需理會代碼的具體含義，輸入代碼之后的軟件編輯界面如圖所示。輸入程序后的界面三、KeiluVision5的工程建立過程9.常用按鈕介紹常用按鈕三、KeiluVision5的工程建立過程（1）編譯當(dāng)前操作的文件。（2）只編譯修改過的文件，并生成用于下載到單片機中的hex文件。（3）編譯工程中所有的文件，并生成用于下載到單片機中的hex文件。2、3這兩個按鈕現(xiàn)階段沒什么區(qū)別，等編寫大型代碼時才能體會到兩者的不同。（4）用于打開TargetOptions對話框，打開的對話框如圖所示，并在晶振選項框中填12，接著選擇Output選項卡，并選中CreateHEXFile復(fù)選框﹐別的不予理睬。（5）注釋選中行。先選中要注釋的代碼，之后單擊此按鈕就可以加入注釋了。（6）刪除選中行的注釋。（7）軟件進入仿真。（8）進入Configuration對話框﹐該對話框主要用來設(shè)置字體的大小，顏色，TAB鍵的縮進等。（9）表示已經(jīng)生成了可以下載到單片機中運行的HEX文件了。（10）表示所編寫的程序是沒有錯誤（0Error）。（11）編寫的代碼為沒有警告（0Warning）。編譯程序時，警告是可以有的，但一定要做到胸有成竹，看該警告是否可以忽略。三、KeiluVision5的工程建立過程設(shè)置OptionsforTarget對話框三、KeiluVision5的工程建立過程1.#include<STC15F2K60S2.H>2.#defineLED0P003.voidmain(void)4.{5. LED0=0;6. while(1);7.}我的第一個程序——點亮LED小燈三、KeiluVision5的工程建立過程CH340驅(qū)動的安裝由于很多讀者使用的是筆記本電腦，沒有串口，所以需要用USB轉(zhuǎn)串口，這里先介紹CH341的驅(qū)動安裝，否則無法給單片機下載程序。需要注意的是，WINDOWS10系統(tǒng)，聯(lián)網(wǎng)后會自動安裝驅(qū)動，WINDOWS7系統(tǒng)需要安裝驅(qū)動程序，驅(qū)動分別針對32位和64位機器，安裝時需先查看自己所用電腦的位數(shù)再選擇相應(yīng)的驅(qū)動。用實驗板附帶的USB線連接單片機和計算機，之后右擊“我的電腦”，在彈出的級聯(lián)菜單中選擇“屬性”，在“硬件”選項卡中單擊“設(shè)備管理器”，在彈出的對話框中單擊“端口（COM和LPT）”前的“〉”號，此時界面如圖所示，表明驅(qū)動安裝完成。三、KeiluVision5的工程建立過程CH340驅(qū)動的安裝USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備管理界面三、KeiluVision5的工程建立過程