单片机原理及应用概述培训讲学

单片机原理及应用

第一章单片机概述

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发也较为容易。由于具有上述优点，在我国，单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面。1.0单片机的由来

单片微型计算机的诞生是计算机发展史上一个新的里程碑。单片机的出现将计算机系统一分为二，形成了嵌入式计算机系统和通用计算机系统两大分支。单片机作为微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点就是把CPU、存储器、定时器和多种输入输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和规模而言，一块单片机就是一台计算机。嵌入式计算机系统

（嵌入式系统）技术要求：对象的智能化控制能力。技术发展方向：与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它使得传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。

由于嵌入式系统与通用计算机系统的技术要求与技术发展方向完全不同，它们的分道扬镳也就无法避免。同时也正是因为计算机系统发展有了专业化的分工，从而也形成了20世纪末，计算机高速发展的局面。1.1什么是单片机

一台能够工作的计算机要有这样几个部分：CPU：进行运算、控制RAM：数据存储ROM：程序存储输入/输出设备：如串行口、并行输出口等。

在个人计算机上这些部分被分成若干块芯片，安装在一个称之为主板的印刷线路板上。而在单片机中，这些部分全部被做到一块集成电路芯片中了，所以就称为单片（单芯片）机。单片机的定义：

在一块硅片上集成了中央处理器（CPU），存储器（RAM,ROM,EPROM）和各种输入、输出接口（定时器，计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等），这样一块芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机。

单片机英文名称的变更：

SCM

(SingleChipMicrocomputer)

MCU(EMCU)

(MicrocontrollerUnit)

单片机的分类按其基本操作处理位数可分为：1位单片机，4位单片机，8位单片机，16位单片机,32位单片机。按适用范围可分为：通用型/专用型

按是否提供并行总线来分：总线型/非总线型

通用型它把可开发的内部资源（RAM、ROM、I/O等）全部提供给用户。特点:具有丰富的内部资源，性能全面、适应性强。用户可以根据实际需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外部接口电路及其它外围设备，来满足各种不同需要的测控系统。例如：80C51是通用型单片机。专用型针对某些产品的特定用途而制作的单片机。特点:在设计中已经对系统结构、可靠性、成本等因素进行了全面考虑，所以专用单片机综合优势十分明显的。例如:为了满足电子体温计的要求，在片内集成有ADC接口等功能的温度测量控制电路。打印机、各通信设备中的广泛使用的专用单片机。1.2单片机的历史及发展概况

单片机的发展历史可分为四个阶段(划分不唯一)：第一阶段（19741976）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。第二阶段（19761978）：单片机的探索阶段。这种单片机片内集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器，RAM和ROM，不足之处是无串行口，中断处理较简单，片内RAM和ROM容量较小。

代表机型：IntelMCS-48系列。

第三阶段（19781982）：单片机的完善阶段。普遍带有串行I/O口，多级中断系统，16位定时/计数器。RAM和ROM容量大且可寻址范围达64K，片内带有A/D转换器。

代表机型：IntelMCS-51系列、Motorola的6801、Zilog公司的Z8。

由于这类单片机的性能价格比高，所以仍被广泛采用，是目前应用数量较多的单片机。

第四阶段（1982现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。集成度高达120000管子/片，主振为12MHz，片内RAM为232B，ROM为8KB，中断处理为8级，片内带有多通道10位A/D转换器及高速输入/输出部件（HIS/HSO）实时处理能力很强。

代表机型：INTELMCS-96。

32位单片机除了具有更高的集成度外，主振已达20MHz,其性能也比8位、16位单片机更加优越。

1.3单片机的特点及应用

一、单片机的特点

小巧灵活、成本低、易于产品化。

能方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表。

可靠性好，适应温度范围宽。

单片机本身是按工业测控环境要求设计的,能适应各种恶劣的环境.

MCS-51系列民用、工业用、军用产

品使用温度对照表民用品0~+70ºC工业用品

-40~+85ºC军用品

-65~+125ºC

易扩展，易构成各种规模的应用系统，控制功能强。

单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能指令。

可以很方便地实现多机和分布式控制。

MCS-51单片机的特点

二、单片机的应用

工业方面：各种测控系统、数据采集系统，工业机器人。

智能仪器仪表方面：在这个领域单片机应用很普及。单片机应用在智能仪器仪表方面，使传统的仪器仪表发生根本的变革，加速了仪器仪表向数字化、智能化方向发展。通讯方面：调制解调器、程控交换技术。

民用方面：电子玩具、录像机、激光唱机。

导弹与控制方面：导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装备、航天飞机导航系统。

各种计算机外部设备及电器方面：打印机、硬盘驱动器、彩色与黑白复印机，磁带机等。多机分布式系统：可用单片机构成分布式测控系统。

MCS-51单片机具有如下一些特点：

集成度高。MCS-51单片机的典型代表产品为8031，8031芯片内部包含了128个字节的RAM，4个8位并行I/O口，1个全双工的串行口，2个16位的定时器/计数器，以及一个处理能力很强的中央处理器。

系统结构简单。MCS-51芯片内部采用模块式结构，增加或更换一个模块，就能得到指令系统和引脚兼容的新产品。系统扩展方便。MCS-51具有外扩至64K字节程序存储器和64k字节的外部RAM和I/O口的能力。可靠性高。MCS-51单片机的总线大多在芯片内部不易受干扰，而且MCS-51应用系统体积小，容易采取屏蔽等措施，适应范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作。处理功能强、速度高。MCS-51单片机指令系统中有加、减、乘除及各种逻辑运算和转移指令，还具有位操作功能。CPU时钟频率为12MHz，指令系统中近50%的指令为单字节指令，指令执行速度快。

容易产品化。MCS-51由于单片机应用系统具有体积小、可靠性高、功能强、价格低等特点，因此容易形成产品，可以把它装入各种仪器、仪表及控制设备中。1.48位单片机的主要生产厂家和机型

目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型：Intel（美国英特尔）公司:MCS-51系列及其增强型系列Zilog（美国齐洛格）公司：Z8系列和SUPER8系列Fairchild（美国仙童）公司：F8系列和3870系列Motorola（美国摩托罗拉）公司：6801系列和6805系列Rockwell（美国洛克威尔）公司：6500/1系列TI（美国德克萨司仪器仪表）公司：TMS7000系列NS（美国国家半导体）公司：NS8070系列RCA（美国无线电）公司：CDP1800系列NEC（日本电气）公司：uCOM87(uPD7800)系列HITACHI（日本日立）公司：HD6301HD63L05HD6305PHILIPS（荷兰菲力浦）公司：8×C552系列为什么Intel公司的MCS-51系列及其增强型系列在8位单片机市场中能占据半壁江山？

所以自1980年MCS-51系列单片机推出以来，直到现在，其市场仍很坚挺。它已成为我国在工业检测控制领域中的优选机种和机型。

MCS-51系列单片机比MCS-48系列的性能价格比要高。

该系列单片机品种全、兼容性强。

软硬件应用设计资料丰富齐全，国内很多工程技术人员对其十分熟悉。1.5单片机的发展趋势

趋势：大容量、高性能化、外围电路内装化等。

CPU的改进

存储器的扩展片内I/O口的改进外围电路内装化低耗化CPU的改进采用双CPU结构，以提高处理能力。增加数据总线宽度（16位数据总线），以提高数据处理能力。串行总线结构。IIC总线（Inter-ICbus）。该总线用两根信号线代替现行的8位数据总线,从而大大地减少了单片机外部引线，简化了单片机与外部的接口电路，降低了成本。

存储器的扩展

加大存储器容量新型单片机片内RAM：128K

256K

片内ROM：可达4KB至8KB,有的高达128KB。片内EPROM采用E2PROM或闪存

EPROM特点：高压编程写入，紫外线擦抹。E2PROM特点：＋5V下读写，读写操作方便，掉电时不丢失数据。闪存同样有此特点。程序保密化对片内的EPROM或E2PROM加锁。片内I/O口的改进

增加并行口的驱动能力。增加I/O口的逻辑控制能力。设置一些特殊的串行接口功能，为构成分布式、网络化系统提供了方便。

外围电路内装化

随着集成度的提高，尽可能将众多的外围功能器件都集成在片内。除了一般必须具有的ROM、RAM、定时/计数器、中断系统外，片内集成的部件还有模/数转换器、数/模转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。低耗化

MCS-51系列中的80C31/80C51/87C51采用的就是CHMOS工艺，正常运行时，工作电流为16mA。

MOS

CMOS

CHMOS

1.6MCS–51系列单片机

MCS-51系列、80C51系列、8051、AT89C51的区别？

MCS是Intel公司专用的单片机的系列符号，例如MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。MCS-51系列单片机既包括三个基本型8031、8051、8751也包括对应的低功耗型80C31、80C51、87C51,因此MCS-51系列特指Intel公司的这几种型号的单片机。

20世纪80年代中期，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给了许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、DALLAS公司等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品（指令系统兼容）。这些兼容机与8051的系统结构相同，采用CMOS工艺，因此常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机。8051是MCS-51系列基本产品当中的一个。

AT89C51是美国ATMEL公司的产品。它在我国使用较多。该芯片具有低功耗、高性能的特点，其内部含有4KB的闪烁存储器在线编程，价格较低，在国内很受欢迎。

原理属于ROM型存储器，功能上又可随时改写，作用又相当于RAM。

目前使用的MCS系列单片机及其兼容产品分为：

MCS系列单片机

MCS-518位单片机系列基本型

MCS-9616位单片机

MCS-51单片机兼容产品

Z8单片机系列

MC6801单片机系列

MCS-518位单片机系列基本型

8031/8051/8751

8031（片内无程序存储器）

8051（片内4KROM）

8751（4KEPROM）

8位CPU，128字节RAM，片外ROM和片外RAM最多都可扩展至64K。4个8位并行I/O口，1个全双工的串行口，2个16位的定时器/计数器，5个中断源，2级中断逻辑，111条指令。

8051ROM内的程序是公司制作芯片时为用户烧制的，所以出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。

8052AH/8032AH

改进型，将ROM、RAM增大一倍。8KROM，256字节RAM，定时器/计数器增加至3个16位计数器，有6个中断源。80C51BH/87C51/80C31BH

这三种机型是8051的CHMOS型。功能与8051完全兼容。

特点：功耗低,能用电池供电工作，有较宽的工作电压范围，抗干扰能力强。

MCS-9616位单片机

MCS-96是INTEL公司1983年以后推出的产品，是16位的单片机系列，性能比51系列有较大的改进，其性能为：16位CPU，主频为12MHz，采用新颖的寄存器/运算逻辑部件（RALU）。片内ROM为8K，RAM为232字节。4条高速触发输入线，6条高速脉冲输出线。4个16位的软件能同时工作。内有10位的A/D转换器。运算能力和运算速度大大加强，在12MHz输入频率下，可实现16位加法运算（1us）、16×16位乘法、32位÷16位的除法运算（6.5us）可使用面向工业控制的高级语言。如：PLUS、C语言、Forth语言、PL/M语言等。

MCS-51单片机兼容产品

Z8单片机系列

Z8是Zilog公司生产的8位单片机产品。推出时间较晚，集中了许多8位单片机的优点，功能较强。

Z8061/Z8611

片内ROM分别为2K（Z8061）和4K(Z8611)；片内RAM为256字节；系统扩展能力：ROM为64K，RAM为64K；两个8位定时/计数器；32条可编程I/O口线；1个全双工的串行口；6个中断矢量，具备优先级可屏蔽中断。

无片内ROM的Z8681/Z8682

除无片内ROM外，其余的与Z8601相同，功耗低。

Z8671

在Z8671内部固化了一个TINYBASIC程序，这给用户提供了很大方便.MCS-51单片机兼容产品

MC6801单片机系列

MC6801是MOTOROLA公司1979年推出的8位单片机系列，它保留了M6800特性并进行改进，主要性能为：

改进M6800的CPU，增加了M6800的指令集

片内ROM为2K，RAM为128字节，外部扩展空间64K。

29条并行I/O线，1个串行通行口，1个可编程的三功能定时/计数器。

68HC11与MC6801兼容，属CMOS工艺，功耗低，片内有4K的ROM，512字节EPROM和256字节RAM，两个通信系统SCI和SPI，1