單片機原理及應用(C語言版)1

1、單片機原理及應用單片機原理及應用 （C語言版）語言版）第第1章章 單片機概述單片機概述主主 編：編：周國運周國運本章本章制作：制作：趙天翔趙天翔中國水利水電出版社中國水利水電出版社第第1章章 單片機單片機概述概述目目 錄錄 1.1 單片機的基本概念單片機的基本概念 1.2 單片機的發(fā)展概況單片機的發(fā)展概況 1.3 單片機的特點及應用單片機的特點及應用 1.4 常用單片機簡介常用單片機簡介 1.5 單片機系統(tǒng)的開發(fā)方法單片機系統(tǒng)的開發(fā)方法 本章主要介紹了單片機的基本概念，單片本章主要介紹了單片機的基本概念，單片機的發(fā)展概況，單片機的應用及其特點，機的發(fā)展概況，單片機的應用及其特點，以以及一些常用

2、的單片機。及一些常用的單片機。 通過本章的學習，我們可以了解到什么是通過本章的學習，我們可以了解到什么是單片機，單片機的發(fā)展歷史。并且對單片機單片機，單片機的發(fā)展歷史。并且對單片機的應用和開發(fā)方法有個初步的認識。的應用和開發(fā)方法有個初步的認識。第第1章章 概述概述1.1 1.1 單片機的基本概念單片機的基本概念 微機微機是微型計算機的簡稱，它是由主機和是微型計算機的簡稱，它是由主機和外部設備外部設備等等組成的。組成的。如圖如圖1.11.1所示。所示。 單片機單片機就是把微機的主機部分（圖就是把微機的主機部分（圖1.11.1虛虛線框內(nèi)的）集成到一塊集成電路芯片上所得線框內(nèi)的）集成到一塊集成電路芯

3、片上所得到的。到的。微處理器微處理器 存儲器存儲器 外部設備外部設備 接口適配器接口適配器 地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線圖圖1-1 1-1 微機的組成微機的組成1.1 1.1 單片機的基本概念單片機的基本概念 單片機：單片機：將中央處理器，隨機存儲器，只將中央處理器，隨機存儲器，只讀存儲器，中斷系統(tǒng)，定時器讀存儲器，中斷系統(tǒng)，定時器/ /計數(shù)器以及計數(shù)器以及I/OI/O接口電路等主要微型計算機的部件集成接口電路等主要微型計算機的部件集成在一塊芯片上，使其具有計算機的基本功能。在一塊芯片上，使其具有計算機的基本功能。 就叫做單片微型計算機就叫做單片微型計算機（Single C

4、hip Micro Computer，SCMC），），簡稱單片機。簡稱單片機。 1.1 單片機的基本概念單片機的基本概念1.2 單片機的發(fā)展概況單片機的發(fā)展概況 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.2.1 單片機的歷史單片機的歷史 1.2.1 單片機技術(shù)的發(fā)展單片機技術(shù)的發(fā)展1.2.1 單片機的歷史單片機的歷史 一一 、4 4位單片機階段位單片機階段 1975年美國德克薩斯儀器公司（年美國德克薩斯儀器公司（TI）首次推）首次推出出4位單片機位單片機TMS-1000。 4位單片機主要用于家用電器、電子玩具等。位單片機主要用于家用電器、電子玩具等。 二、二、 8位單片機階段位單片機階段 1976年年9月，美國月

5、，美國Intel公司首先推出了公司首先推出了MCS-48系列系列8位單片機。位單片機。 8位單片機由于功能強，被廣泛用于工業(yè)控制、位單片機由于功能強，被廣泛用于工業(yè)控制、智能接口、儀器儀表等各個領(lǐng)域。智能接口、儀器儀表等各個領(lǐng)域。 三、三、16位單片機階段位單片機階段 1983 年年Intel公司推出了公司推出了16位單片機位單片機MCS-96系列。系列。 1616位單片機可用于高速復雜的控制系統(tǒng)。位單片機可用于高速復雜的控制系統(tǒng)。 四、四、32位單片機位單片機 近年來，各個計算機生產(chǎn)廠家已進入更高性近年來，各個計算機生產(chǎn)廠家已進入更高性能的能的3232位單片機研制、生產(chǎn)階段。位單片機研制、生

6、產(chǎn)階段。1.2.1 單片機的歷史單片機的歷史1.2.2 單片機技術(shù)的發(fā)展單片機技術(shù)的發(fā)展 一、片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展一、片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展單片機的程序存儲器（單片機的程序存儲器（ROM）經(jīng)歷了）經(jīng)歷了ROMEPROME2PROMFLASH MEMORY的發(fā)展，的發(fā)展，容量也由小變大。容量也由小變大。 二、看門狗定時器二、看門狗定時器 單片機在運行時由于干擾等原因，可能會出現(xiàn)單片機在運行時由于干擾等原因，可能會出現(xiàn)軟件混亂。軟件混亂。 看門狗電路就是用于在看門狗電路就是用于在CPU處于軟件混亂時使處于軟件混亂時使系統(tǒng)正常工作的一種恢復方法。系統(tǒng)正常工作的一種恢復方法。 1.2.2 單片機技術(shù)的發(fā)

7、展單片機技術(shù)的發(fā)展 三、節(jié)電模式三、節(jié)電模式 在節(jié)電模式下，在節(jié)電模式下，CPUCPU和部分部件進入睡眠和部分部件進入睡眠狀態(tài)，但片內(nèi)狀態(tài)，但片內(nèi)RAMRAM和寄存器等部件保持工和寄存器等部件保持工作狀態(tài)，以達到節(jié)能的目的。作狀態(tài)，以達到節(jié)能的目的。 四、加強輸入輸出功能四、加強輸入輸出功能 某有些單片機具備大功率的輸入某有些單片機具備大功率的輸入/ /輸出接輸出接口，可直接驅(qū)動熒光顯示器、口，可直接驅(qū)動熒光顯示器、LCDLCD和和LEDLED。 還有一些增加了接口或定時器的數(shù)量，或還有一些增加了接口或定時器的數(shù)量，或者增加了新型的接口。者增加了新型的接口。 五、單片機制造工藝提高五、單片機制

8、造工藝提高 半導體制作工藝的提高，使單片機的體積半導體制作工藝的提高，使單片機的體積可以做的更小，時鐘頻率更高?？梢约筛梢宰龅母。瑫r鐘頻率更高?？梢约筛嗟拇鎯ζ骱筒考＝档彤a(chǎn)品的價格。多的存儲器和部件。降低產(chǎn)品的價格。 六、在線編程和調(diào)試技術(shù)六、在線編程和調(diào)試技術(shù) 一些新型的單片機實現(xiàn)了在系統(tǒng)編程一些新型的單片機實現(xiàn)了在系統(tǒng)編程（ISPISP）和在應用編程（）和在應用編程（IAPIAP）功能。）功能。1.2.2 單片機技術(shù)的發(fā)展單片機技術(shù)的發(fā)展1.3 單片機的特點及應用單片機的特點及應用主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.3.1 單片機的特點單片機的特點 1.3.2 單片機的應用單片機的應用 一、

9、單片機的存儲器一、單片機的存儲器ROMROM和和RAMRAM是嚴是嚴格區(qū)分的格區(qū)分的 ROMROM稱為程序存儲器，只存放程序、固稱為程序存儲器，只存放程序、固定常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。定常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。 RAMRAM則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。放用戶數(shù)據(jù)。二、采用面向控制的指令系統(tǒng)二、采用面向控制的指令系統(tǒng) 為滿足控制的需要，單片機有更強的邏為滿足控制的需要，單片機有更強的邏輯控制能力，特別是具有很強的位處理能力。輯控制能力，特別是具有很強的位處理能力。1.3.1 單片機的特點單片機的特點三、單片機的三、單片機的I/OI/O引腳通常是多功能引腳通常是多功能的

10、的 由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引實際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復用的方法。引腳處于何種功能，可由腳功能復用的方法。引腳處于何種功能，可由指令來設置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。指令來設置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。 四、單片機的外部擴展能力強四、單片機的外部擴展能力強 在內(nèi)部的各種功能部分不能滿足應用需求時，在內(nèi)部的各種功能部分不能滿足應用需求時，均可在外部進行擴展（如擴展均可在外部進行擴展（如擴展ROMROM、RAMRAM，I/OI/O接口，定時器接口，定時器/ /計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等），計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等）

11、，與許多通用的微機接口芯片兼容，給應用系統(tǒng)與許多通用的微機接口芯片兼容，給應用系統(tǒng)設計帶來極大的方便和靈活性。設計帶來極大的方便和靈活性。1.3.1 單片機的特點單片機的特點 五、體積小，成本低，運用靈活五、體積小，成本低，運用靈活 易于產(chǎn)品化，它能方便地組成各種智能化易于產(chǎn)品化，它能方便地組成各種智能化的控制設備和儀器，做到機電一體化。的控制設備和儀器，做到機電一體化。 六、六、面向控制面向控制 能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制能針對性地解決從簡單到復雜的各類控制任務，因而能獲得最佳的性能價格比。任務，因而能獲得最佳的性能價格比。 七、適應性強、抗干擾七、適應性強、抗干擾 在各種惡劣的環(huán)

12、境下都能可靠地工作，這在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其它類型計算機無法比擬的。是其它類型計算機無法比擬的。 八八、方便實現(xiàn)多機和分布式控制方便實現(xiàn)多機和分布式控制 使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高1.3.1 單片機的特點單片機的特點 單片機的應用范圍十分廣泛，主要的單片機的應用范圍十分廣泛，主要的應用領(lǐng)域有：應用領(lǐng)域有： 工業(yè)控制工業(yè)控制儀器儀表儀器儀表 計算機外部設備與智能接口計算機外部設備與智能接口 商用產(chǎn)品商用產(chǎn)品家用電器家用電器 消費類電子產(chǎn)品消費類電子產(chǎn)品 通訊設備和網(wǎng)絡設備通訊設備和網(wǎng)絡設備 兒童智能玩具兒童智能玩具 汽車，建筑機械，

13、飛機等大型機械設備汽車，建筑機械，飛機等大型機械設備 交通控制設備交通控制設備1.3.2 單片機的應用單片機的應用1.4 常用單片機簡介常用單片機簡介主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.4.1 MCS-51系列單片機系列單片機 1.4.2 ATMEL89系列單片機系列單片機 1.4.3 STC89/12系列單片機系列單片機 1.4.4 常見的其它系列單片機介紹常見的其它系列單片機介紹1.4.1 MCS-51系列單片機系列單片機 MCS-51系列單片機：系列單片機：Intel在在1980-1982年陸續(xù)推出了指令系統(tǒng)完全相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)年陸續(xù)推出了指令系統(tǒng)完全相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同的基本相同的8031、8051

14、和和8751等型號單片機，等型號單片機，初步形成初步形成MCS-51系列，被奉為系列，被奉為“工業(yè)控制工業(yè)控制單片機標準單片機標準”。 MCS-51增強型單片機：增強型單片機： MCS-51系列單系列單片機除了片機除了89C51之外，主要包括之外，主要包括89C52、89C54、89C58、89C516等型號，等型號，它們的區(qū)它們的區(qū)別主要是三個方面：一是片內(nèi)別主要是三個方面：一是片內(nèi)RAM由由128B增加到增加到256B；二是多一個定時器二是多一個定時器/計數(shù)器計數(shù)器；三三是片內(nèi)是片內(nèi)Flash ROM由由4KB分別分別增加增加到到了了8KB、16KB、32KB和和64KB。 不同廠家的產(chǎn)品

15、可能還增加有其它外設不同廠家的產(chǎn)品可能還增加有其它外設或功能，但引腳和指令都是完全兼容的?；蚬δ?，但引腳和指令都是完全兼容的。為了討論方便起見，為了討論方便起見，我們將我們將89C51（包括（包括8031、8051等）等）稱為基本型稱為基本型，其他的型號稱其他的型號稱為增強型為增強型。1.4.1 MCS-51系列單片機系列單片機1.4.2 ATMEL89系列單片機系列單片機 Atmel公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的89系列單片機是市場上比系列單片機是市場上比較具有代表性的較具有代表性的MCS-51單片機。單片機。一、一、ATMEL89系列單片機型號說明系列單片機型號說明 AT89系列單片機型號由三個部分

16、組成，它系列單片機型號由三個部分組成，它們分別是們分別是前綴、型號、后綴前綴、型號、后綴，其格式如下：，其格式如下： AT89C（LV、S）XXXX-XXXX 1、前綴、前綴 前綴由字母前綴由字母“AT”組成，它表示該器件是組成，它表示該器件是ATMEL公司的產(chǎn)品。公司的產(chǎn)品。1.4.2 ATMEL89系列單片機系列單片機 2、型號、型號 型號由型號由“89CXXXX”或或“89LVXXXX”或或“89SXXXX”等表示。等表示。“9”表示芯片內(nèi)部含表示芯片內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲器；存儲器；“C”表示是表示是CMOS產(chǎn)品；產(chǎn)品；“LV”表示低電壓產(chǎn)品；表示低電壓產(chǎn)品；“S”表示含可下載的表示含可

17、下載的Flash存儲器。存儲器?！癤XXX”為表示型號的數(shù)字，為表示型號的數(shù)字，如：如：51、52、2051、8252等。等。 3、后綴、后綴 后綴由后綴由“XXXX”四個參數(shù)組成，與產(chǎn)品四個參數(shù)組成，與產(chǎn)品型號間用型號間用“-”號隔開。號隔開。 后綴中第一個參數(shù)后綴中第一個參數(shù)“X”表示速度表示速度后綴中第二個參數(shù)后綴中第二個參數(shù)“X”表示封裝表示封裝 后綴中第三個參數(shù)后綴中第三個參數(shù)“X”表示溫度范圍表示溫度范圍 后綴中第四個參數(shù)后綴中第四個參數(shù)“X” 說明產(chǎn)品的處理說明產(chǎn)品的處理情況情況1.4.2 ATMEL89系列單片機系列單片機 二、二、AT89C51單片機單片機 AT89C51單片

18、機特點：單片機特點： 與與MCS-51產(chǎn)品完全兼容；產(chǎn)品完全兼容； 具有具有4K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的字節(jié)可在系統(tǒng)編程的Flash內(nèi)部內(nèi)部程序存儲器，可寫程序存儲器，可寫/擦擦1000次；次； 全靜態(tài)操作：全靜態(tài)操作：0Hz24MHz； 三級程序存儲器加密；三級程序存儲器加密； 128字節(jié)內(nèi)部字節(jié)內(nèi)部RAM；1.4.2 ATMEL89系列單片機系列單片機 32根可編程根可編程I/O線；線； 2個個16位定時器位定時器/計數(shù)器；計數(shù)器； 6個中斷源；個中斷源； 可編程串行可編程串行UART通道；通道； 低功耗空閑和掉電方式；低功耗空閑和掉電方式；1.4.2 ATMEL89系列單片機系列單片機 三、三

19、、AT89S52單片機單片機 AT89S52單片機特點：單片機特點： 與與MCS-51產(chǎn)品兼容；產(chǎn)品兼容； 具有具有8K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的字節(jié)可在系統(tǒng)編程的Flash內(nèi)部內(nèi)部程序存儲器，可寫程序存儲器，可寫/擦擦1000次；次； 4.0V5.5V的工作電壓范圍；的工作電壓范圍； 全靜態(tài)操作：全靜態(tài)操作：0Hz24MHz； 三級程序存儲器加密；三級程序存儲器加密； 256字節(jié)內(nèi)部字節(jié)內(nèi)部RAM；1.4.2 ATMEL89系列單片機系列單片機 全雙工異步串行通信通道；全雙工異步串行通信通道； 低功耗空閑和掉電方式；低功耗空閑和掉電方式； 通過中斷中止掉電方式；通過中斷中止掉電方式； 看門狗定時器；

20、看門狗定時器；兩個數(shù)據(jù)指針。兩個數(shù)據(jù)指針。1.4.2 ATMEL89系列單片機系列單片機1.4.3 STC89/12系列單片機系列單片機 一、一、STC 89C51RC/RD系列單片系列單片機機 STC 89C51RC/RD系列單片機是宏系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機。低功耗的單片機。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051 單片機，單片機，12時鐘時鐘/機器周期和機器周期和6時鐘時鐘/機器周期可任意機器周期可任意選擇。選擇。1.4.3 STC89/12系列單片機系列單片機 STC 89C51RC/RD系列單片機特點

21、如下：系列單片機特點如下： 增強型增強型6/12時鐘時鐘/機器周期機器周期8051 CPU； 工作電壓：工作電壓：5.5V3.4V（5V單片機）單片機）/ 3.8V2.0V（3V 單片機）；單片機）； 工作頻率范圍：工作頻率范圍：040MHz，相當于普通，相當于普通8051 的的080MHz； 用戶應用程序空間用戶應用程序空間 4K 64K 字節(jié)；字節(jié)； 片上集成片上集成1280字節(jié)字節(jié)/512字節(jié)字節(jié)RAM； 通用通用I/O口口32 / 36 個；個； ISP（在系統(tǒng)可編程）（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），（在應用可編程），無需專用編程器無需專用編程器/仿真器；仿真器； 內(nèi)部內(nèi)部E

22、2PROM 功能；功能； 硬件看門狗；硬件看門狗； 內(nèi)部集成內(nèi)部集成MAX810專用復位電路（專用復位電路（D版本才有）版本才有）,外部晶體外部晶體20M以下時，可省外部復位電路；以下時，可省外部復位電路； 共共3個個16位定時器位定時器/計數(shù)器；計數(shù)器； 外部中斷外部中斷4路；路； 通用異步串行口，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個通用異步串行口，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART； 工作溫度范圍：工作溫度范圍：0 75，4085； 封裝：封裝：LQFP-44 ,PDIP-40 , PLCC -44 , PQFP-44 。1.4.3 STC89/12系列單片機系列單片機1.4.4 常見的其它系列單片機介

23、紹常見的其它系列單片機介紹 AVR單片機單片機 Motorola單片機單片機 MicroChip單片機單片機 Scenix單片機單片機 EPSON單片機單片機 東芝單片機東芝單片機 GMS90單片機單片機 華邦單片機華邦單片機 Zilog單片機單片機 NS單片機單片機 AX1001單片機單片機1.5 單片機系統(tǒng)的開發(fā)方法單片機系統(tǒng)的開發(fā)方法主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.5.1 單片機系統(tǒng)的設計要求單片機系統(tǒng)的設計要求 1.5.2 單片機系統(tǒng)的開發(fā)特點單片機系統(tǒng)的開發(fā)特點 1.5.3 單片機系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境單片機系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境 1.5.4 單片機系統(tǒng)設計中芯片的選擇單片機系統(tǒng)設計中芯片的選擇1

24、.5 單片機系統(tǒng)的開發(fā)方法單片機系統(tǒng)的開發(fā)方法 單片機系統(tǒng)是軟件和硬件的邏輯結(jié)合體，單片機系統(tǒng)是軟件和硬件的邏輯結(jié)合體，必須根據(jù)對系統(tǒng)功能、性能參數(shù)的要求，必須根據(jù)對系統(tǒng)功能、性能參數(shù)的要求，對軟件和硬件統(tǒng)一考慮進行設計開發(fā)，以對軟件和硬件統(tǒng)一考慮進行設計開發(fā)，以求達到最佳效果。求達到最佳效果。1.5.1 單片機系統(tǒng)的設計要求單片機系統(tǒng)的設計要求 單片機系統(tǒng)設計開發(fā)非常受制于功能和具單片機系統(tǒng)設計開發(fā)非常受制于功能和具體的應用環(huán)境，所以單片機系統(tǒng)的設計具體的應用環(huán)境，所以單片機系統(tǒng)的設計具有一些特殊的要求：有一些特殊的要求： 接口方便、操作容易接口方便、操作容易 穩(wěn)定可靠、維護簡便穩(wěn)定可靠、維

25、護簡便 功耗管理、降低成本功耗管理、降低成本 并發(fā)處理、及時響應并發(fā)處理、及時響應1.5.2 單片機系統(tǒng)的開發(fā)特點單片機系統(tǒng)的開發(fā)特點 需要需要軟硬件綜合開發(fā)軟硬件綜合開發(fā)，二者密切相關(guān)。因，二者密切相關(guān)。因為任何一個單片機系統(tǒng)產(chǎn)品都是軟件和硬件為任何一個單片機系統(tǒng)產(chǎn)品都是軟件和硬件的結(jié)合體。的結(jié)合體。 一旦單片機系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)完成，一旦單片機系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)完成，軟件就固軟件就固化在硬件環(huán)境中，單片機軟件是針對相應的化在硬件環(huán)境中，單片機軟件是針對相應的單片機硬件系統(tǒng)開發(fā)的，是專用的。單片機硬件系統(tǒng)開發(fā)的，是專用的。1.5.3 單片機系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境單片機系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境 一、單片機一、單

26、片機C語言開發(fā)工具語言開發(fā)工具Keil C51Keil C51是是Keil Software公司出品的公司出品的51系列兼容單片機系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具發(fā)調(diào)試工具Vision2，全，全Windows界面，生界面，生成的目標代碼效率非常高。成的目標代碼效率非常高。1.5.3 單片機系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境單片機系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境 二、二、Proteus嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺平臺 Proteus：Proteus是一個嵌入式系統(tǒng)仿真是一個嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺，是英國與開發(fā)平臺，是英國Labcenter Electron