1、單片機原理與應用,張景璐,1.1 單片機介紹,1.1.1單片機概念 單片機是在一塊芯片上集成了各種部件的微型計算機，即是將組成微型計算機的各個功能部件，中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、輸入/輸出接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通信接口電路等集成在一塊芯片中，構成一個完整的微型計算機。因此，這樣的計算機稱為單片微型計算機single chip microcomputer或單片機。本書講述的MCS-51系列單片機是一種應用時間長，應用范圍廣，影響大的單片機。,分類,（1）4-BIT 單片機 4 位單片機的控制功能較弱,CPU 一次只能處理4 位二進制數(shù)。（2）8-BIT 單片

2、機 8 位單片機 8 位單片機的控制功能較強，品種最為齊全。和4 位單片機相比，它不僅具有較大的存儲容量和尋址范圍，而且中斷源、并行I/O 接口和定時器/計數(shù)器個數(shù)都有了不同程度的增加， 代表產(chǎn)品 有Intel 公司的MCS-48 系列和MCS-51 系列 、 Microchip 公司的PIC16C系列和PIC17C系列以及PIC1400 系列、 Motorola 公司的M68HC05 系列和M68HC11 系列、 Zilog 公司的Z8 系列、 荷蘭Philips 公司的80C51 系列(同MCS-51 兼容)、 Atmel公司的AT89 系列(同MCS-51 兼容)、 NEC 公司的UPD

3、78系列等等。,（3）16-BIT 單片機16 位單片機是在1983 年以后發(fā)展起來的。這類單片機的特點是：CPU是16 位的，運算速度普遍高于8 位機，有的單片機的尋址能力高達1MB，片內(nèi)含有A/D 和D/A轉(zhuǎn)換電路，支持高級語言。 這類單片機主要用于過程控制、智能儀表、家用電器以及作為計算機外部設備的控制器等。典型產(chǎn)品有Intel 公司的MCS-96/98 系列、Motorola 公司的M68HC16系列、NS 公司的783系列、TI公司的MSP430系列等等。,（4）32-BIT 單片機,32 位單片機的字長為32 位，是單片機的頂級產(chǎn)品，具有極高的運算速度。近年來，隨著家用電子系統(tǒng)的新

4、發(fā)展，32 位單片機的市場前景看好。繼16 位單片機出現(xiàn)后不久，幾大公司先后推出了代表當前最高性能和技術水平的32 位單片微機系列。32 位單片機具有極高的集成度，內(nèi)部采用新穎的RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）結構，CPU 可與其他微控制器兼容，主頻頻率可達33MHz 以上，指令系統(tǒng)進一步優(yōu)化，運算速度可動態(tài)改變，設有高級語言編譯器，具有性能強大的中斷控制系統(tǒng)、定時/事件控制系統(tǒng)、同步/異步通信控制系統(tǒng)。代表產(chǎn)品有Intel 公司的MCS-80960 系列、Motorola 公司的M68300 系列、Hitachi 公司的Super H(簡稱SH)系列等等。這類單片機主要應用于汽車、航空航天、高

5、級機器人、軍事裝備等方面。它代表著單片機發(fā)展中的高、新技術水平。ARM在32位MCU中的主流地位是毫無疑問的。ARM公司于1991年成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用ARM技術智能財產(chǎn)（IP）核心的處理器，即我們通常所說的ARM處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術的處理器應用約占據(jù)了32位RISC微處理器75以上的市場，ARM技術不止逐步滲入到我們生活的各個方面，我們甚至可以說，ARM于人類的生活環(huán)境中，已經(jīng)是不可或缺的一環(huán)。,ARM,CISC 和RISC單片機,集中指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）單片

6、機是從指令結構來分的兩種類型單片機。 采用CISC結構的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分時復用，即所謂馮.諾伊曼結構。它的指令豐富，功能較強，但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時進行，速度受限，價格亦高。 采用RISC結構的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分離，即所謂哈佛結構。這使得取指令和取數(shù)據(jù)可同時進行，且由于一般指令線寬于數(shù)據(jù)線，使其指令較同類CISC單片機指令包含更多的處理信息，執(zhí)行效率更高，速度亦更快。同時，這種單片機指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現(xiàn)超小型化。 屬于CISC結構的單片機有IntelMCS-51系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、臺灣Winbond

7、(華邦)W78系列、荷蘭Pilips的PCF80C51系列等； 屬于RISC結構的有Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韓國三星公司的KS57C系列4位單片機、臺灣義隆的EM-78系列等。一般來說，控制關系較簡單的小家電，可以采用RISC型單片機；控制關系較復雜的場合，如通訊產(chǎn)品、工業(yè)控制系統(tǒng)應采用CISC單片機。不過，RISC單片機的迅速完善，使其佼佼者在控制關系復雜的場合也毫不遜色。,EPROM、OTP（一次可編程）、QTP（掩膜）單片機,根據(jù)程序存儲方式的不同，單片機又可分為EPROM、OTP（一次可編程）、QTP（掩膜）三種。目前單片

8、機大都將程序存儲體置于其內(nèi)，給應用帶來了極大的方便。值得一提的是，美國ATMEL公司用自己擅長的FLASH存儲技術與單片機技術結合，在MCS51內(nèi)核中加入了該公司的FLASH存儲器技術，推出了ISP單片機大大方便了單片機的設計和開發(fā)。,PIC 8位單片機,Microchip公司的PIC單片機最大的特點是多種型號來滿足不同層次的應用要求。PIC系列從低到高有幾十個型號，可以滿足各種需要。比如說對類似汽車點火器，電子鐘之類的應用來說需要一個I/O較少、RAM及程序存儲空間不大、可靠性較高的小型單片機，若采用40腳且功能強大的單片機，不僅成本提高，40管腳的芯片體積也太大，PIC就提供PIC12C5

9、08單片機來滿足此類需求，PIC12C508僅有8個引腳是世界上最小的51單片機，,四、ATMEL的89S5X系列,ATMEL 的89C51即ATMEL公司的 AT89C51 單片機使用很廣泛，在第二章詳細介紹。 五、AVR 高速8位單片機 1997年,由ATMEL公司挪威設計中心的A先生與V先生利用ATMEL公司的Flash新技術, 共同研發(fā)出RISC精簡指令集的高速8位單片機，簡稱AVR 。突出的型號有：atmega48、atmega8、atmega16、atmega169P,ATMEL的89S5X系列,AVR 高速8位單片機,單片機應用,單片機被稱為信息產(chǎn)業(yè)三大支柱的“大腦”之一，具有形

10、小、體輕、穩(wěn)定、可靠等特點 應用于儀器上，如設計的信號發(fā)生器、多功能函數(shù)發(fā)生器、多功能電腦電子秤、指紋識別控制系統(tǒng)設計 應用于家用電器，如設計的電飯煲、電風扇自然風發(fā)生器、電話計費器、心電儀、萬年歷 應用于工業(yè)控制，火災報警器、衛(wèi)星導航定位GPS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)、溫度測控系統(tǒng)、燈光自動控制系統(tǒng)、 應用于通信領域，光纖數(shù)字遙測系統(tǒng)、具有局域網(wǎng)總線的安全防盜監(jiān)控系統(tǒng)、單片機與IC卡、基于藍牙技術的無限收發(fā)芯片的應用設計。 單片機系能系統(tǒng)的開發(fā)不是傳統(tǒng)儀器與單片機的簡單組合，體現(xiàn)了系統(tǒng)一體化的設計，設計者除了掌握電腦知識外、還需要熟悉硬件電路接口、傳感器、和執(zhí)行機構的具體應用特點 由硬件和軟件的配合完

11、成,萬年歷,如圖所示：為小型溫控系統(tǒng)的基本電路,如圖所示：為小型溫控系統(tǒng)的基本電路,特點,現(xiàn)在可以說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，數(shù)不勝數(shù)，應有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地。 1.低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在100mW左右， 2.微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。,特點,3.主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流，兼容其結構和指令系統(tǒng)的有PH