1、基于單片機(jī)的數(shù)字電容表設(shè)計摘 要 隨著工業(yè)信息化自動化的發(fā)展，數(shù)字電容表的優(yōu)越性日益表現(xiàn)出來。由于它具有功能強(qiáng)、體積小、功耗低、價格便宜、工作可靠、讀數(shù)方便，精度高等特點(diǎn)，因此特別適用于工業(yè)控制或與控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，越來越廣發(fā)被各個領(lǐng)域和項目采用。它的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)決定了他的強(qiáng)大用途，使得它在智能儀表、儀器、小型檢測及控制系統(tǒng)、家用電器中大展身手，倍受青睞。因此掌握好精密型數(shù)字 電容表制作的一般設(shè)計方法，對于工程設(shè)計和開發(fā)有十分重要的指導(dǎo)意義。 數(shù)字電容表結(jié)構(gòu)更小，更美觀，更實(shí)用，用戶不需要擴(kuò)充資源就可以更方便的使用，不僅是開發(fā)簡單，產(chǎn)品小巧美觀，同時系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，對數(shù)字電容表的研究，通過

2、將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)，從而使得人們真正體會到科技的發(fā)展給自己的現(xiàn)實(shí)生活所帶來的方便和舒適。 本文設(shè)計的基于單片機(jī)的數(shù)字電容表，其主要構(gòu)成采用的是單片機(jī)和LED數(shù)碼管。它具有功能強(qiáng)、體積小、功耗低、價格便宜、工作可靠、讀數(shù)方便，精度高等特點(diǎn)，因此特別適用于工業(yè)控制或與控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。集成芯片比分立元器件控制電路具有更簡單，更可靠的特點(diǎn)和易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，可以提高電容表工作的可靠性和性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，數(shù)字電容表 Abstract Along with the development of industrial information-based automation, the s

3、uperiority of the number electric capacity form expresses day by day.Because it has function strong, small physical volume, achievement consume low, price cheapness, work credibility, read number convenience, accuracy Gao Dengs characteristics, therefore specially be applicable to industry control o

4、r control- related data processing system, more and more and widely deliver quilt each realm and item adoption.Its structure and characteristics come to a decision his strong use and make it is in the intelligence gauge, instrument, small scaled examination and control system, home appliances big ex

5、hibition artistic skill, doubly be subjected to favor.The general design method that consequently controls a very precise type the number electric capacity form creation has very important instruction meaning to the engineering design and the development. The number electric capacity form structure

6、is smaller, more beautiful, more practical, its enough that the customer doesnt need to enlarge a resources more convenient use, not only is that the development is simple, the product is cleverly made beautiful, at the same time system also more stable, the research of the logarithms word electric

7、capacity form, pass to apply to science technique industry production, make thus people truely realize the development of science and technology the convenience brought by own real life and comfortable. This text design of according to the number electric capacity of the single slice machine form, i

8、t mainly constitutes adoptive is list slice machine and LED figures tube.It has function strong, small physical volume, achievement consume low, price cheapness, work credibility, read number convenience, accuracy Gao Dengs characteristics, therefore specially be applicable to industry control or co

9、ntrol- related data processing system.The integrated chip score signs a dollar spare part control electric circuit to have more in brief, more dependable characteristics and be easy to adjust to try of advantage, can raise the credibility and function index sign of electric capacity form work.Keywor

10、d:List slice the machine ，number electric capacity form目 錄摘 要- 1 -目 錄- 4 -前 言- 6 -第1章 概 述- 8 -1.1 現(xiàn)代電容表的發(fā)展概況- 8 -1.2 本文所做的工作- 8 -第2章 電容表制作的方案論證- 9 -2.1方案一 基本電路搭建- 9 -2.2 方案二 運(yùn)用單片機(jī)編程- 9 -2.3 顯示方案比較- 9 -方案一：靜態(tài)顯示- 9 -方案二：動態(tài)顯示- 10 -2.4 系統(tǒng)框路圖- 10 -第3章 單片機(jī)概述- 10 -3.1 單片機(jī)及其發(fā)展概況- 10 -3.2 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向- 11 -3.3

11、 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用- 14 -1） 單片機(jī)的特點(diǎn)- 14 -2）單片機(jī)的應(yīng)用范圍- 14 -3.4 ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)- 14 -1） AT89C2051性能及特點(diǎn)- 14 -2） AT89C2051主要性能- 15 -3.5 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳- 15 -第4章 主要單元電路設(shè)計- 22 -4.1 單片機(jī)電路- 22 -4.2串口LED顯示模塊- 23 -（1）概述- 23 -（2）數(shù)碼管的選取- 25 -（3）數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及代碼顯示- 26 -4.3 測量電路工作原理- 27 -4.4 測量前所作工作- 29 -4.5整體電路圖- 29 -第5章 電容測試系統(tǒng)軟件設(shè)

12、計- 30 -5.1 軟件的總體設(shè)計- 30 -程序1- 32 -程序2- 34 -程序3- 38 -第6章 安裝與模擬調(diào)試- 43 -第7章 結(jié) 論- 45 -第8章 主要參考文獻(xiàn)- 46 -附錄- 48 -C文件- 48 -HEX文件- 50 -致謝- 51 -前 言單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣、發(fā)展很快。單片機(jī)體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計算機(jī)科學(xué)的領(lǐng)域，小到玩具，信用卡，大到航天器，機(jī)器人，從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，過程

13、控制，模糊控制等智能控制到揉的常生活，可以說，在人們的生活生產(chǎn)中都離不開單片機(jī)，又如智能儀表、實(shí)時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器，電子萬年歷，到計時器，定時器，計數(shù)器，頻率計，電子秤，電子血壓表等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能型”，“電腦型”，如智能型洗衣機(jī)，電腦溫控冰箱等。在我國，單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等各個方面。單片機(jī)的應(yīng)用具有范圍廣的特點(diǎn)，對各個行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品智能化的更新?lián)Q代起著重要的推動作用。單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代，象Fairchid公司研制

14、的F8單片微型計算機(jī)。所謂單片機(jī)是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理單元(Center Processing Unit,也即常稱的CPU)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)及其他I/O通信口集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個最小的計算機(jī)系統(tǒng)，而現(xiàn)代的單片機(jī)則加上了中斷單元，定時單元及A/D轉(zhuǎn)換等更復(fù)雜、更完善的電路，使得單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用更廣泛。 20世紀(jì)70年代，微電子技術(shù)正處于發(fā)展階段，集成電路屬于中規(guī)模發(fā)展時期，各種新材料新工藝尚未成熟，單片機(jī)仍處在初級的發(fā)展階段，元件集成規(guī)模還比較小，功能比較簡單，一般均把CPU、RAM有的還包括了一些簡單的I/O口集成到芯片上，象Faric

15、hild公司就屬于這一類型，它還需配上外圍的其他處理電路方才構(gòu)成完整的計算系統(tǒng)。類似的單片機(jī)還有Zilog公司的Z80微處理器。 1976年INTEL公司推出了MCS-48單片機(jī)，這個時期的單片機(jī)才是真正的8位單片微型計算機(jī)，并推向市場。它以體積小，功能全，價格低贏得了廣泛的應(yīng)用，為單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，成為單片機(jī)發(fā)展史上重要的里程碑。 在MCS-48的帶領(lǐng)下，其后，各大半導(dǎo)體公司相繼研制和發(fā)展了自己的單片機(jī)，象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，單片機(jī)已發(fā)展到了高性能階段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及

16、6502系列等等,此外,日本的著名電氣公司NEC和HITACHI都相繼開發(fā)了具有自己特色的專用單片機(jī)。 80年代，世界各大公司均競相研制出品種多功能強(qiáng)的單片機(jī)，約有幾十個系列，300多個品種，此時的單片機(jī)均屬于真正的單片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、數(shù)目繁多的I/O接口、多種中斷系統(tǒng)，甚至還有一些帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，功能越來越強(qiáng)大，RAM和ROM的容量也越來越大，尋址空間甚至可達(dá)64kB，可以說，單片機(jī)發(fā)展到了一個全新階段，應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，許多家用電器均走向利用單片機(jī)控制的智能化發(fā)展道路。 1982年以后，16位單片機(jī)問世，代表產(chǎn)品是INTEL公司的MCS-96系列，16位單片機(jī)比

17、起8位機(jī)，數(shù)據(jù)寬度增加了一倍，實(shí)時處理能力更強(qiáng)，主頻更高，集成度達(dá)到了12萬只晶體管，RAM增加到了232字節(jié)，ROM則達(dá)到了8kB，并且有8個中斷源，同時配置了多路的A/D轉(zhuǎn)換通道，高速的I/O處理單元，適用于更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 九十年代以后，單片機(jī)獲得了飛速的發(fā)展，世界各大半導(dǎo)體公司相繼開發(fā)了功能更為強(qiáng)大的單片機(jī)。美國Microchip公司發(fā)布了一種完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列單片機(jī)，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，特別它的產(chǎn)品只有33條精簡指令集吸引了不少用戶，使人們從INTEL的111條復(fù)雜指令集中走出來。PIC單片機(jī)獲得了快速的發(fā)展，在業(yè)界中占有一席之地。近年來隨著科技的飛速發(fā)展，

18、單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實(shí)時檢測和自動控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。第1章 概 述1.1 現(xiàn)代電容表的發(fā)展概況 電子科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展, 電子測量也變的越來越普遍, 并且對測量的精度和功能的要求也越來越高, 而電容的測量甚為突出。而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展, 更是經(jīng)常需要測量高精度的電容,所以數(shù)字電容表就成為一種必不可少的測量儀器。由于數(shù)字式儀器具有讀數(shù)準(zhǔn)確方便、精度高、誤差小、靈敏度高和分辨率高、測量速度快等特點(diǎn)而倍受青睞。這款數(shù)字

19、電容表采用單片機(jī)作為測量儀器的主控制器,這種以單片機(jī)為主體的新型智能儀表將計算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起, 所以這種類型的數(shù)字電容表無論在功能還是實(shí)際應(yīng)用上,都具有傳統(tǒng)數(shù)字電容表無法比擬的特點(diǎn)。 隨著電子電源的集成化、模塊化、智能化的發(fā)展，功率集成技術(shù)己模糊了整機(jī)與器件的界限。單片電源和模塊電源已取代了整機(jī)電源在一些技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用，并且派生出新的供電體系分布供電，使單一的集中供電體系走向多元化。 自單片機(jī)70年代問世以來得到蓬勃發(fā)展，目前數(shù)字電容表正日漸完善和發(fā)展:1、數(shù)字電容表集成越來越多的資源，結(jié)構(gòu)更小，更美觀，更實(shí)用，用戶不需要擴(kuò)充資源就可以完成項目開發(fā)，不僅是開發(fā)簡單，產(chǎn)品小巧

20、美觀，同時系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，目前該方向即是發(fā)展為SOC(片上系統(tǒng))。2、數(shù)字電容表抗干擾能力加強(qiáng)，使的它更加適合工業(yè)控制領(lǐng)域，具有更加廣闊的市場前景。3、 微型化 現(xiàn)在常規(guī)的數(shù)字電容表普遍都是將單片機(jī)集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)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(jī)將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣數(shù)字電容表包含的單元電路就更多，精密程度就越強(qiáng)大。甚至數(shù)字電容表廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的數(shù)字電容表。 此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求數(shù)字電容表除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小。現(xiàn)在的許多

21、數(shù)字電容表都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由數(shù)字電容表構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。 1.2 本文所做的工作 如前所述，自從70年代以來，電力電子技術(shù)取得到了飛速的發(fā)展。隨著單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，各種以單片機(jī)為依托的新產(chǎn)品不斷面世，不斷更新，伴隨著單片機(jī)的發(fā)展而發(fā)展，并且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防科技、高新精密產(chǎn)業(yè)中大展身手。一般的電容表體積大，需要的元器件多，測量精度低，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障系數(shù)大，不易調(diào)試，維修極其不方便，同時測量精度低，誤差很大導(dǎo)致不能滿足高科技產(chǎn)品、現(xiàn)代高端產(chǎn)品以及精密儀器的需要。 本文設(shè)計的基于單片機(jī)的數(shù)字電容表，其主要構(gòu)成采用的是單片機(jī)和LED數(shù)碼管

22、。它具有功能強(qiáng)、體積小、功耗低、價格便宜、工作可靠、讀數(shù)方便，精度高等特點(diǎn)，因此特別適用于工業(yè)控制或與控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。集成芯片比分立元器件控制電路具有更簡單，更可靠的特點(diǎn)和易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，可以提高電容表工作的可靠性和性能指標(biāo)。第2章 電容表制作的方案論證2.1方案一 基本電路搭建 用基本電路來構(gòu)造實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的電容表，電路圖會非常復(fù)雜，結(jié)構(gòu)雜亂，將會消耗大量的電路元器件，并且很容易發(fā)生故障，并且不容易調(diào)試，維修也極其不方便，誤差很大，精度低。2.2 方案二 運(yùn)用單片機(jī)編程 用單片機(jī)設(shè)計電路，使用軟硬件結(jié)合的方法，電路結(jié)構(gòu)簡單，清晰，元件個數(shù)少，整體體積小，攜帶方便，調(diào)試也極其方便，只需

23、調(diào)試有關(guān)程序軟件即可，可謂一勞永逸。同時，也是最重要的一點(diǎn)，靈敏系數(shù)高，誤差很小，在現(xiàn)代技術(shù)行業(yè)，必須使用這種方式的數(shù)字電容表。并且是數(shù)字式的，人工讀數(shù)也方便，更為先進(jìn)一點(diǎn)，電腦自動讀數(shù)，自動抄表，將會非常實(shí)用。這與第一種方案相比，優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。 2.3 顯示方案比較方案一：靜態(tài)顯示 靜態(tài)顯示，顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再作用，直到下一次數(shù)據(jù)需要更新時再傳送一次數(shù)據(jù)，靜態(tài)顯示方法比較簡單，只將顯示段碼送至段碼口，并把位控字送至位控口即可。靜態(tài)顯示雖然簡單，但是用處不大。因為在同一時刻只顯示一種字符的場合是不多的，大多數(shù)情況下，需要顯示的是不同字符，這就要

24、采用動態(tài)顯示方法。 此方案編程容易，管理簡單，顯示亮度高，顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時間。但是引線較多，線路復(fù)雜，硬件成本較高。方案二：動態(tài)顯示 動態(tài)顯示需要CPU時刻對顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)會有閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。 這兩種顯示方式各有利弊，靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動電路，使用的硬件較多；動態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。 綜上所述，本設(shè)計采用方案二。2.4 系統(tǒng)框路圖 根據(jù)以上分析，該系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為核心，系統(tǒng)框路圖如下:四位LE

25、D數(shù)碼管AT89C2051單片機(jī)被測電路5V電源圖2-4-1 系統(tǒng)框圖第3章 單片機(jī)概述3.1 單片機(jī)及其發(fā)展概況隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型計算機(jī)，給人類生活帶來了根本性的改變。單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)。它是把組成微型計算機(jī)的各功能部件：中央處理器CPU、隨機(jī)存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個完整的微型計算機(jī)。由于它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制要求設(shè)計的，故又叫單片微控制器(Single Chip Microcontroller)。目前國外已開始把它稱作單片微型計算機(jī)(

26、Single Chip Microcomputer)。如果說微型計算機(jī)的出現(xiàn)使現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么可以毫不夸張地說，單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命。目前，單片機(jī)以其高可靠性、高性能價格比，在工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動化等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用，并已走入家庭，從洗衣機(jī)、微波爐到音響、汽車，到處都可見到單片機(jī)的蹤影。因此，單片機(jī)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。由于單片機(jī)技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機(jī)。如單片機(jī)家族中的主流產(chǎn)品MCS51系

27、列，還有最近推出的PIC和凌陽系列都是比較優(yōu)秀的單片機(jī)芯片，是構(gòu)建我們不同的設(shè)計系統(tǒng)的最佳選擇。3.2 單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向 從半導(dǎo)體集成技術(shù)及微電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，也可以預(yù)見到未來單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢。1 主流機(jī)型發(fā)展趨勢 在未來較長一段時期內(nèi)，8位單片機(jī)仍是主流機(jī)型，許多廠家還會不斷改進(jìn)與完善8位機(jī)，使8位機(jī)不斷保持其活力；在滿足高速數(shù)字處理方面，32位機(jī)會發(fā)揮重要作用；16位機(jī)空間有可能被8位機(jī)、32位機(jī)擠占。2 全盤CMOS化趨勢 CMOS工藝很早就已出現(xiàn)，它具有十分優(yōu)異的性能，只是運(yùn)行速度慢，長期被冷落。HCMOS工藝出現(xiàn)后，HCMOS器件得到了飛速的發(fā)展。從第三代單片機(jī)起開始淘汰非

28、CMOS工藝。全盤CMOS化是指在HCMOS基礎(chǔ)上的CMOS化。如今，數(shù)字邏輯電路、外圍器件都已普遍CMOS化。單片機(jī)CMOS化給單片機(jī)技術(shù)發(fā)展帶來廣闊天地。最顯著的變革是低功耗管理技術(shù)的飛速發(fā)展。3 RISC體系結(jié)構(gòu)的大發(fā)展 早期單片機(jī)大多是CISC結(jié)構(gòu)體系，指令復(fù)雜，指令代碼、周期數(shù)不統(tǒng)一；指令運(yùn)行很難實(shí)現(xiàn)流水線操作，大大阻礙了運(yùn)行速度的提高。例如， MCS51系列單片機(jī)，時鐘頻率12MHz時，單周期指令運(yùn)行速度僅1MIPS。雖然單片機(jī)對運(yùn)行速度要求遠(yuǎn)不如通用計算機(jī)系統(tǒng)或數(shù)字信號處理（DSP）對指令運(yùn)行速度的要求，但速度的提高會帶來許多好處，并拓寬單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。如果采用RISC體系結(jié)構(gòu)，

29、精簡指令后絕大部分成為單周期指令，而且通過增加程序存儲器的寬度（例如從8位增加到10位、12位、14位等），實(shí)現(xiàn)一個地址單元存放一條指令。在這樣的體系結(jié)構(gòu)中，很容易實(shí)現(xiàn)并行流水線操作，其結(jié)果大大提高了指令運(yùn)行速度。目前在一些RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)已實(shí)現(xiàn)了一個時鐘周期執(zhí)行一條指令。與MCS51相比，在相同的12MHz外部時鐘下，單周期指令運(yùn)行速度可達(dá)12MIPS。一方面可獲得很高的指令運(yùn)行速度，另方面，在相同的運(yùn)行速度下，可大大降低時鐘頻率，有利于獲得良好的電磁兼容效果。4 大力發(fā)展專用型單片機(jī) 專用單片機(jī)是專門針對某一類產(chǎn)品系統(tǒng)要求而設(shè)計的。使用專用單片機(jī)可最大限度地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使資源利用效率

30、最高。在大批量使用時有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和可靠性效益。專用單片機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體集成工藝和微電子設(shè)計技術(shù)。采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)單元的快速設(shè)計及快速半導(dǎo)體集成工藝，將加速專用單片機(jī)的發(fā)展。5 OTPROM、Flash ROM成為主流供應(yīng)狀態(tài) 早期程序存儲器的供應(yīng)狀態(tài)主要是 OTPROM（掩膜）、EPROM和ROM Less（片內(nèi)無ROM）三種型式。掩膜ROM周期長、投資大，無法更改；EPROM型的芯片成本高；ROM Less型的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前絕大多數(shù)單片機(jī)系列都可提供OTPROM型式，其價格逐漸逼近掩膜ROM。OTPROM可由用戶編程，軟件升級、修改十分方便。Flash ROM則由于可多次編程，

31、系統(tǒng)開發(fā)階段使用十分方便，在小批量應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用。目前Flash ROM的可靠性不及OTPROM，但隨著Flash ROM的改進(jìn)，可靠性不斷提高，會有很廣泛的應(yīng)用前景。6 ISP及基于ISP的開發(fā)環(huán)境 Flash ROM的發(fā)展，推動了在系統(tǒng)可編程ISP（In System Programmable）技術(shù)的發(fā)展。在ISP技術(shù)基礎(chǔ)上，首先實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)程序的串行下載，促使模擬仿真開發(fā)方式的重新興起；在單時鐘、單指令運(yùn)行的RISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)中，可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)通過串行電纜對目標(biāo)系統(tǒng)的仿真調(diào)試；基于上述仿真技術(shù)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試，以及對原有系統(tǒng)方便地更新軟件、修改軟件和對軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。7 單片機(jī)中的軟

32、件嵌入 目前單片機(jī)只提供了程序空間，沒有任何駐機(jī)軟件。目標(biāo)系統(tǒng)中的所有軟件都是系統(tǒng)開發(fā)人員開發(fā)的應(yīng)用程序。隨著單片機(jī)程序空間的擴(kuò)大，會有許多空余空間，在這些空間上可嵌入一些工具軟件，這些軟件可大大提高產(chǎn)品開發(fā)效率，提高單片機(jī)性能。單片機(jī)中嵌入軟件的類型主要有： （1） 實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng) RTOS（Real Time Operating System）。在RTOS支持下，可實(shí)現(xiàn)按任務(wù)分配的規(guī)范化應(yīng)用程序設(shè)計。Time Operating System）。在RTOS支持下，可實(shí)現(xiàn)按任務(wù)分配的規(guī)范化應(yīng)用程序設(shè)計。 （2）平臺軟件。可將通用的子程序及函數(shù)庫嵌入，以供應(yīng)用程序調(diào)用。(3）虛擬外設(shè)軟件包

33、。用于構(gòu)成軟件模擬外圍電路的軟件包，可用來設(shè)定虛擬外圍功能電路。 （4）其它用于系統(tǒng)診斷、管理的軟件等。8 實(shí)現(xiàn)全面功耗管理 采用CMOS工藝后，單片機(jī)具有極佳的本質(zhì)低功耗和功耗管理功能。從第四代單片機(jī)開始，各家半導(dǎo)體廠家都在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)了全面的低功耗技術(shù)，它包括：（1） 傳統(tǒng)的CMOS單片機(jī)低功耗運(yùn)行方式，即休閑方式（Idle）、掉電方式（Power Down）。 （2）雙時鐘技術(shù)。配置有高速（主時鐘）和低速（子時鐘）兩個時鐘系統(tǒng)。在不需要高速運(yùn)行時，轉(zhuǎn)入子時鐘控制下，以節(jié)省功耗。（3）高速時鐘下的分頻或低時鐘下的倍頻控制運(yùn)行技術(shù)。雖然只設(shè)置一個時鐘，但可根據(jù)指令運(yùn)行速度要求，通過分頻、倍頻

34、來控制總線速度，以降低功耗。（4）外圍電路的電源管理。對集成在片內(nèi)的外圍電路實(shí)行供電管理。在該外圍電路不運(yùn)行時，關(guān)閉其電源。（5）低電容節(jié)能技術(shù)。 CMOS電路的功耗與電源電容有關(guān)，降低供電電容能大幅度減少器件功耗。單片機(jī)的低電容技術(shù)除了不斷降低單片機(jī)電源電容外，有些單片機(jī)內(nèi)部還有不同的電容供給，在可以使用低電容的局部電路中，采用低壓供電。低功耗是便攜式系統(tǒng)重要的追求目標(biāo)，是綠色電子的發(fā)展勢向。低功耗的許多技術(shù)措施會帶來許多可靠性效益，也是低功耗技術(shù)發(fā)展的推動力。因此，低功耗應(yīng)是一切電子系統(tǒng)追求的目標(biāo)。9 推行串行擴(kuò)展總線 目前，外圍器件接口技術(shù)發(fā)展的一個重要方面是串行接口的發(fā)展。采用串行接口

35、可大大減少引腳數(shù)量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用串行接口雖然較之并行接口數(shù)據(jù)傳輸速度慢，但由于串行傳輸速度的不斷提高，加之單片機(jī)面對對象的有限速度要求，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的串行擴(kuò)展技術(shù)有了很大發(fā)展。隨著外圍電路串行接口的發(fā)展，單片機(jī)串行擴(kuò)展接口（移位寄存器接口、SPI、 I2C BUS、 Micro wire、 lWire）設(shè)置的普遍化、高速化，以及在片內(nèi)的Flash ROM不必外部并行擴(kuò)展EPROM，使得單片機(jī)的并行接口技術(shù)已日漸衰退。目前許多原有帶并行總線的單片機(jī)系列，推出了許多刪去并行總線的非總線單片機(jī)。10 ASMIC技術(shù)的啟動與發(fā)展 專用單片機(jī)的巨大優(yōu)勢會推動ASMIC技術(shù)的發(fā)展。ASMIC（

36、Application Specific Microcontroller Integrated Circuit）是以MCU為核心的專用集成電路（ASIC），與ASIC相比，由于是基于MCU的系統(tǒng)集成，有較好的柔性特性，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的重要途徑。3.3 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用1） 單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)以其卓越的性能，得到了廣泛的應(yīng)用，已深入到各個領(lǐng)域。單片機(jī)應(yīng)用在檢測、控制領(lǐng)域中，具有如下特點(diǎn)。（1）小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化。它能方便地組裝成各種智能式測、控設(shè)備及各種智能儀器儀表。（2）可靠性好，適應(yīng)溫度范圍寬。單片機(jī)芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，這是其它

37、機(jī)種無法比擬的。（3）易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)。單片機(jī)的邏輯控制功能很強(qiáng)，指令系統(tǒng)有各種控制功能用指令。（4）可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。2）單片機(jī)的應(yīng)用范圍單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，在下述的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。(1) 工業(yè)方面：各種測控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人，智能化儀器，機(jī)、電一體化產(chǎn)品。(2) 智能儀器儀表方面：單片機(jī)應(yīng)用在智能儀器、儀表方面，不僅使傳統(tǒng)的儀器儀表發(fā)生根本的變革，也給傳統(tǒng)的儀器、儀表行業(yè)改造帶來了曙光。(3) 通訊方面：調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術(shù)。(4) 民用方面：電子玩具、錄像機(jī)、激光唱機(jī)。(5) 導(dǎo)彈與控制方面：導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)

38、控制、智能武器裝備、航天飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。(6) 各種計算機(jī)外部設(shè)備及電器方面：打印機(jī)、硬盤驅(qū)動器、彩色與黑白復(fù)印機(jī)，磁帶機(jī)等。(7)多機(jī)分布式系統(tǒng)：可用單片機(jī)構(gòu)成分布式測控系統(tǒng)，它使單片機(jī)應(yīng)用進(jìn)入了一個新的水平。由上所述，單片機(jī)從家用電器、智能儀器儀表、工業(yè)控制直到火箭導(dǎo)航尖端技術(shù)領(lǐng)域，單片機(jī)都發(fā)揮著十分重要的作用。3.4 ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)1） AT89C2051性能及特點(diǎn) AT89C2051（以下簡稱 2051）是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器芯片，片內(nèi)帶2KB的快閃可編程及可擦除只讀存儲器（FPEROM）。它與MCS51指令系統(tǒng)兼容，片內(nèi)FPEROM允許對程

39、序存儲器在線重新編程，也可用常規(guī)的EPROM編程器編程。ATMEL的205l將具有多種功能的8位CPU與FPEROM結(jié)合在同一芯片上，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了高度靈活且價格適宜的方案。2051還增加了在零頻下工作的靜態(tài)邏輯方式及兩種軟件可選的省電模式。其中，在閑置模式下，CPU停止工作，但RAM、定時器計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)仍然在工作。在掉電模式下，只保存RAM的內(nèi)容，振蕩器停振，關(guān)閉芯片的所有其他功能，直到下一次硬件復(fù)位為止。 2） AT89C2051主要性能（1）與MCS5l產(chǎn)品兼容。（2）2KB的在線可重復(fù)編程快閃存儲器，壽命可達(dá)1000次寫擦除周期。（3）寬工作電容范圍：2.7V6

40、V。（4）全靜態(tài)工作方式：0Hz24MHz。（5）兩級程序存儲器加密。（6）1288位SRAM。（7）15條可編程IO線。（8）2個16位定時器計數(shù)器。（9）5個中斷源。（10）可編程串行通道。（11）可直接驅(qū)動LED。（12）有片內(nèi)精密模擬比較器，具備低功耗的閑置與掉電模式。3.5 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳 AT89C2051是一個功能強(qiáng)大的單片機(jī)，但它只有20個引腳，15個雙向輸入/輸出（I/O）端口，其中P1是一個完整的8位雙向I/O口，兩個外中斷口，兩個16位可編程定時計數(shù)器,兩個全雙向串行通信口，一個模擬比較放大器。此外，從AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也可看出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與8051內(nèi)部結(jié)

41、構(gòu)基本一致（除模擬比較器外），引腳RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部連接電路也完全與51系列單片機(jī)相應(yīng)引腳一致，但P1口、P3口有其獨(dú)特之處。 2051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，引腳分布如圖2-4所示。引腳功能說明如下： （1）Vcc 供電電源。 （2）GND 電路地。（3）P1口 為雙向8位IO端口。P1.2P1.7引腳有內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1需要外部上拉電阻。P1.0和P1.l還作為模擬比較的正輸入端和負(fù)輸入端，與片內(nèi)精密模擬比較器相連。P1口輸出緩沖器能吸收20mA灌入電流并可直接驅(qū)動LED顯示器。當(dāng)向端口P1寫入電平“1”時，可作為輸入引腳。因為P1.2P1.7有內(nèi)部

42、上拉的作用，此時若有外電路作為輸入，引腳會向外灌電流（IIL）。P1口在快閃編程與校驗功能中還承擔(dān)數(shù)據(jù)代碼接收任務(wù)。（4）P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個雙向I/0引腳。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。P3口緩沖器可吸收20mA電流。當(dāng)P3口引腳寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時，被外部拉低的P3口引腳將用上拉電阻而流出電流(IIL)。 P3口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051的各種功能，如下表3-5-1 所示。 P3口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 （5）RST：復(fù)位輸入

43、。RST一旦變成高電平，所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時，持續(xù)給出RST引腳兩個機(jī)器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個機(jī)器周期需12個振蕩器或時鐘周期。 （6）XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。 （7）XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 表3-5-1 P3口的功能 P3口引腳 功能 P3.0 RXD(串行輸入端口) P3.1 TXD(串行輸出端口) P3.2 INT0(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時器0外部輸入) P3.5 T1(定時器1外部輸入) 從上述引腳說明可看出，AT89C2051沒有提供外部擴(kuò)展存儲器

44、與I/O設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號，因此利用AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在AT89C2051之外擴(kuò)展存儲器或I/O設(shè)備，也即AT89C2051本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。圖3-5-1 AT89C2051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AT89C2051是一個有20個引腳的芯片，引腳如圖3-5-2 所示，與8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比可發(fā)現(xiàn)，AT89C2051減少了兩個對外端口（即P0、P2口），使它最大可能地減少了對外引腳，因而芯片尺寸有所減少。 圖3-5-2 AT89C2051的引腳結(jié)構(gòu)圖 在穩(wěn)定的狀態(tài)條件下Io 低被外部限制如下1、每個管腳的最大IOL 15mA 注85 規(guī)格2、每個8位口的最大

45、IOL 26 mA3、IOL 輸出最大總和 71mA4、如果IOL 超過測試條件VOL 可能會超過相應(yīng)規(guī)格不能保證超過測試電流。內(nèi)部單元：運(yùn)算器：1、算術(shù)邏輯部件ALU：用以完成+、-、*、/ 的算術(shù)運(yùn)算及布爾代數(shù)的邏輯運(yùn)算，并通過運(yùn)算結(jié)果影響程序狀態(tài)寄存器PSW的某些位，從而為判斷、轉(zhuǎn)移、十進(jìn)制修正和出錯等提供依據(jù)。2、累加器A：在算術(shù)邏輯運(yùn)算中存放一個操作數(shù)或結(jié)果，在與外部存儲器和I/O接口打交道時，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過A來完成。3、寄存器B：在 *、/ 運(yùn)算中要使用寄存器B 。乘法時，B用來存放乘數(shù)以及積的高字節(jié)；除法時，B用來存放除數(shù)及余數(shù)。不作乘除時，B可作通用寄存器使用。4、程序狀

46、態(tài)標(biāo)志寄存器PSW：用來存放當(dāng)前指令執(zhí)行后操作結(jié)果的某些特征，以便為下一條指令的執(zhí)行提供依據(jù)?！綪SW】 (D0H) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Cy AC F0 RS1 RS0 OV PCy：進(jìn)位標(biāo)志。有進(jìn)位或借位，則Cy1,否則Cy0 ；在布爾運(yùn)算時，Cy（簡稱C）作為布爾處理器。AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志位。F0：用戶標(biāo)志位：用戶可用軟件對F0置位“1”或清“0”，以決定程序的流向。OV：溢出標(biāo)志位：當(dāng)運(yùn)算結(jié)果溢出時，OV為“1”，否則為“0”。D.1：未定義。P： 奇偶校驗位：當(dāng)累加器A中的“1”的個數(shù)為奇數(shù)時，P置“1”，否則P置“0”。RS1、RS0：工作寄存區(qū)選擇位：

47、 【片內(nèi)工作寄存器組】RS1、RS0與片內(nèi)工作寄存器組的對應(yīng)關(guān)系 RS1 RS0 寄存器區(qū) 片內(nèi)RAM地址 通用寄存器名稱 0 0 0 00H07H R0R7 0 1 1 08H0FH R0R7 1 0 2 10H17H R0R7 1 1 3 18H1FH R0R7控制器：1、指令寄存器IR和指令譯碼器。2、程序計數(shù)器：存放CPU執(zhí)行下一條指令的地址。是一個16位寄存器，可尋址64KB 。3、堆棧指針SP：用于子程序調(diào)用和中斷處理?！緳C(jī)器復(fù)位后，SP#07H ，因此壓棧的第一個數(shù)據(jù)在08H單元中】。4、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR：16位的寄存器，也可以作為兩個8位寄存器DPH和DPL。DPTR主要

48、作外部數(shù)據(jù)指針，可對64KB外部RAM進(jìn)行間接尋址。MCS-51由包括PC在內(nèi)的22個特殊功能寄存器，它們除有各自的名稱外，還有唯一的地址，離散的分布在片內(nèi)RAM中的80HFFH共128個存儲單元中。在這128個儲存單元構(gòu)成的SFR塊中，未被占用的單元不可使用！ 【21個特殊功能寄存器SFR】特殊功能寄存器 功能名稱 地址 復(fù)位后狀態(tài)B * 寄存器 F0H 00HA * 累加器 E0H 00HPSW* 程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器 D0H 00HIP * 中斷優(yōu)先級控制器 B8H XXX00000BP3 * P3口數(shù)據(jù)寄存器 B0H FFHIE * 中斷允許控制寄存器 A8H 0XX00000BP2 *

49、 P2口數(shù)據(jù)寄存器 A0H FFHSBUF* 串行口發(fā)送接收緩沖器 99H 不定SCON * 串行口控制寄存器 98H 00HP1 * P1口數(shù)據(jù)寄存器 90H FFHTL1 T1計數(shù)器低8位 8BH 00HTL0 T0計數(shù)器低8位 8AH 00HTH1 T1計數(shù)器高8位 8DH 00HTH0 T0計數(shù)器高8位 8CH 00HTMOD 定時器計數(shù)器方式控制寄存器89H 00HTCON *定時器控制寄存器 88H 00HPCON 電源控制寄存器 87H 00HDPL 地址寄存器低8位 82H 00HDPH 地址寄存器高8位 83H 00HSP 堆棧指針寄存器 81H 07HP0 *P0口數(shù)據(jù)寄存

50、器 80H FFHPC 程序計數(shù)器 無地址 0000H注：“*”表示可位尋址。 【SER塊中具有位尋址功能寄存器的位地址】地址 HSB 位地址名稱：即可用地址，也可用（）內(nèi)的名稱 LSB 寄存器F0H F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 BE0H E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1E0 AD0H D7D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0PSW B8H BC(PS) BB(PT1) BA(PX1) B9(PT0) B8(PX0) IPB0H B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0P3A8HAF(EA) AC(ES)AB(ET1) AA(EX1) A9(ET0) A8(EX0) IEA0H A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 P298H9F(SM0) 9E(SM1) 9D(SM2) 9C(REN) 9B(TB8) 9A(RB8) 99(TI)98(RI)SCON90H 97 96 95 94 93 92 91 90 P188H 8F(TF1) 8E(TR1) 8D(TF0) 8C(TR0) 8B(IE1) 8A(IT1) 89(IE0) 88(IT0) TCON8