周国运单片机原理及应用(C语言版)1

1、单片机原理及应用单片机原理及应用 （C语言版）语言版）第第1章章 单片机概述单片机概述中国水利水电出版社中国水利水电出版社第第1章章 单片机单片机概述概述目目 录录 1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念 1.2 单片机的发展概况单片机的发展概况 1.3 单片机的特点及应用单片机的特点及应用 1.4 常用单片机简介常用单片机简介 1.5 单片机系统的开发方法单片机系统的开发方法 本章主要介绍了单片机的基本概念，单片本章主要介绍了单片机的基本概念，单片机的发展概况，单片机的应用及其特点，机的发展概况，单片机的应用及其特点，以以及一些常用的单片机。及一些常用的单片机。 通过本章的学习，我们可以了

2、解到什么是通过本章的学习，我们可以了解到什么是单片机，单片机的发展历史。并且对单片机单片机，单片机的发展历史。并且对单片机的应用和开发方法有个初步的认识。的应用和开发方法有个初步的认识。第第1章章 单片机单片机概述概述1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念单片机：单片机：将将CPU、随机存储器、只读存储器、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器中断系统、定时器/计数器以及计数器以及I/O接口电路等，接口电路等，微微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，使其具有型计算机的主要部件集成在一块芯片上，使其具有计算机的基本功能。计算机的基本功能。此就是此就是“单片微型计算机单片微型计算机”（Sing

3、le Chip Micro Computer，SCMC或或SCM），），简称为简称为“单单片微机片微机”、或、或“单片机单片机”。微控制器概念：微控制器概念：芯片上除了具有微机的功能部芯片上除了具有微机的功能部件之外，还集成有外部设备，如件之外，还集成有外部设备，如A/D、D/A、RTC、PWM 、USB、Watchdog等。等。 微处理器微处理器 存储器存储器 外部设备外部设备 接口适配器接口适配器 地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线图图1-1 1-1 微机的组成微机的组成1.1 1.1 单片机的基本概念单片机的基本概念1.2 单片机的发展概况单片机的发展概况 主要内容主要内容

4、 1.2.1 单片机的历史单片机的历史 1.2.1 单片机技术的发展单片机技术的发展1.2.1 单片机的历史单片机的历史 一一 、4 4位单片机阶段位单片机阶段1971年年Intel公司首先开发出了第一片公司首先开发出了第一片4位微处理位微处理器器4004，主要用于家用电器、计算器、高级玩具中。，主要用于家用电器、计算器、高级玩具中。4004的问世，既标志着微处理器的诞生，也标的问世，既标志着微处理器的诞生，也标志着单片机、嵌入式系统的诞生志着单片机、嵌入式系统的诞生。1975年美国德克萨斯仪器公司（年美国德克萨斯仪器公司（TI）推出）推出4位单位单片机片机TMS-1000。 4位单片机主要用

5、于家用电器、电子玩具等。位单片机主要用于家用电器、电子玩具等。 二、二、 8位单片机阶段位单片机阶段 1976年年9月，美国月，美国Intel公司首先推出了公司首先推出了MCS-48系列系列8位单片机，其增强型便是位单片机，其增强型便是MCS-51。 8位单片机由于功能强大，被广泛用于工业控制、智位单片机由于功能强大，被广泛用于工业控制、智能接口、仪器仪表等各个领域。能接口、仪器仪表等各个领域。 三、三、16位单片机阶段位单片机阶段 1983 年年Intel公司推出了公司推出了16位单片机位单片机MCS-96系列。系列。16位单片机可用于高速复杂的控制系统。位单片机可用于高速复杂的控制系统。

6、四、四、32位单片机位单片机 近几年，更高性能的近几年，更高性能的32位单片机得到广泛的应用，位单片机得到广泛的应用，典型的机型有典型的机型有ARM、DSP等系列。等系列。1.2.1 单片机的历史单片机的历史1.2.2 单片机技术的发展单片机技术的发展 一、片内程序存储器的发展一、片内程序存储器的发展单片机的程序存储器（单片机的程序存储器（ROM）经历了）经历了ROMEPROME2PROMFLASH ROM的发展，容量也由的发展，容量也由小变大。小变大。 二、看门狗定时器二、看门狗定时器 单片机在运行时由于干扰等原因，可能会出现软件单片机在运行时由于干扰等原因，可能会出现软件混乱。混乱。 看门

7、狗电路就是用于在看门狗电路就是用于在CPU处于软件混乱时，使系处于软件混乱时，使系统正常工作的一种恢复方法。统正常工作的一种恢复方法。 1.2.2 单片机技术的发展单片机技术的发展 三、节电模式三、节电模式 在节电模式下，在节电模式下，CPU和部分部件进入睡眠状态，和部分部件进入睡眠状态，但片内但片内RAM和寄存器等部件保持工作状态，以达和寄存器等部件保持工作状态，以达到节能的目的。到节能的目的。 四、加强输入输出功能四、加强输入输出功能 某有些单片机具备大功率的输入某有些单片机具备大功率的输入/输出接口，输出接口，可可直接驱动荧光显示器、直接驱动荧光显示器、LCD和和LED。 还有一些还有一

8、些增加了接口或定时器增加了接口或定时器的数量，或者增的数量，或者增加了新型的接口，如加了新型的接口，如IIC、SPI等。等。 五、单片机制造工艺提高五、单片机制造工艺提高 半导体制作工艺的提高，使单片机的体积可以做半导体制作工艺的提高，使单片机的体积可以做的更小，时钟频率更高。可以集成更多的存储器和的更小，时钟频率更高。可以集成更多的存储器和部件。降低产品的价格。部件。降低产品的价格。 六、在线编程和调试技术六、在线编程和调试技术 一些新型的单片机实现了在系统编程（一些新型的单片机实现了在系统编程（ISP）和）和在应用编程（在应用编程（IAP）功能。）功能。1.2.2 单片机技术的发展单片机技

9、术的发展1.3 单片机的特点及应用单片机的特点及应用主要内容主要内容 1.3.1 单片机的特点单片机的特点 1.3.2 单片机的应用单片机的应用 一、一、ROM和和RAM存储器区分使用存储器区分使用 ROM称为程序存储器，只存放程序、固定常称为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。数及数据表格。 RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。户数据。二、采用面向控制的指令系统二、采用面向控制的指令系统 为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。能力，特别是具有很强的位处理能力。1.

10、3.1 单片机的特点单片机的特点三、三、I/O引脚通常多功能引脚通常多功能 由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复引脚功能复用用的方法。引脚处于何种功能，可由指令来设置或的方法。引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。由机器状态来区分。 四、单片机外部扩展能力强四、单片机外部扩展能力强 在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展（如可在外部进行扩展（如扩展扩展ROM、RAM，I/O接口，接口，定时器定时

11、器/计数器，中断控制器计数器，中断控制器等），与许多通用的微等），与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。和灵活性。1.3.1 单片机的特点单片机的特点 五、体积小、价格低五、体积小、价格低 易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。设备和仪器，做到机电一体化。六、六、抗干扰、可靠性高抗干扰、可靠性高 在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。类型计算机无法比拟的。 七七、易实现多机和分布式

12、控制易实现多机和分布式控制 使整个控制系统的效率和可靠性大为提高使整个控制系统的效率和可靠性大为提高1.3.1 单片机的特点单片机的特点 单片机的应用范围十分广泛，主要的应用单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有：领域有： 工业控制工业控制仪器仪表仪器仪表 计算机外部设备与智能接口计算机外部设备与智能接口 商用产品商用产品家用电器家用电器 消费类电子产品消费类电子产品 通讯设备和网络设备通讯设备和网络设备 儿童智能玩具儿童智能玩具 汽车、轮船、飞机等大型运输工具汽车、轮船、飞机等大型运输工具 交通控制设备交通控制设备1.3.2 单片机的应用单片机的应用单片机的应用（单片机的应用（2）当前我

13、国嵌入式系统的主要应用领域当前我国嵌入式系统的主要应用领域客户分布：客户分布：主要在电信、医疗、汽车、安主要在电信、医疗、汽车、安全、工业控制和消费类等行业。全、工业控制和消费类等行业。产品分布：产品分布：主要在消费类电子、通信、医主要在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。疗、安全等行业。其中在消费类电子领域占其中在消费类电子领域占最大的市场份额。最大的市场份额。发展重点：发展重点：移动多媒体、数字娱乐、手机移动多媒体、数字娱乐、手机终端、汽车电子、医疗成为嵌入式系统应用市终端、汽车电子、医疗成为嵌入式系统应用市场的发展重点。场的发展重点。 1.4 常用单片机简介常用单片机简介主要内容主要内容

14、 1.4.1 MCS-51系列单片机系列单片机 1.4.2 STC89/12系列单片机系列单片机 1.4.3 ATMEL89系列单片机系列单片机 1.4.4 常见的其它系列单片机常见的其它系列单片机1.4.1 MCS-51系列单片机系列单片机 MCS-51系列单片机：系列单片机：Intel在在1980-1982年陆续推出了指令系统完全相同、内部结年陆续推出了指令系统完全相同、内部结构基本相同的构基本相同的8031、8051和和8751等型号单等型号单片机，初步形成片机，初步形成MCS-51系列，被奉为系列，被奉为“工工业控制单片机标准业控制单片机标准”。 8031：片内无：片内无ROM8051

15、：片内有掩膜：片内有掩膜PROM8751：片内有紫外线擦除的片内有紫外线擦除的PROM MCS-51增强型单片机：增强型单片机： MCS-51系列单系列单片机除了片机除了89C51之外，主要包括之外，主要包括89C52、89C54、89C58、89C516等型号，等型号，它们的区它们的区别主要是三个方面：一是片内别主要是三个方面：一是片内RAM由由128B增加到增加到256B；二是多一个定时器二是多一个定时器/计数器计数器；三三是片内是片内Flash ROM由由4KB分别分别增加增加到到了了8KB、16KB、32KB和和64KB。 不同厂家的产品可能还增加有其它外设不同厂家的产品可能还增加有其

16、它外设或功能，但引脚和指令都是完全兼容的。或功能，但引脚和指令都是完全兼容的。为了讨论方便起见，为了讨论方便起见，我们将我们将89C51（包括（包括8031、8051、8751等）等）称为基本型称为基本型，其他的其他的型号称为增强型型号称为增强型。1.4.1 MCS-51系列单片机系列单片机1.4.2 STC89/12系列单片机系列单片机 一、一、STC 89C5xRC/RD系列单片机系列单片机 STC 89C5xRC/RD系列单片机是宏晶科技系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机。片机。指令代码完全兼容传统指令代码完全兼容传统

17、8051 单片机，单片机，12时钟时钟/机器周期和机器周期和6时钟时钟/机器周期可任意选择。机器周期可任意选择。1.4.2 STC89/12系列单片机系列单片机 STC 89C51RC/RD系列单片机特点如下：系列单片机特点如下： 增强型增强型6或或12时钟时钟/机器周期机器周期8051 CPU； 工作电压：工作电压：5.5V3.4V（5V单片机）单片机）/ 3.8V2.0V（3V 单片机）；单片机）； 工作频率范围：工作频率范围：040MHz，相当于普通，相当于普通8051 的的080MHz； 用户应用程序空间用户应用程序空间 4K 64K 字节；字节； 片上集成片上集成1280字节字节/5

18、12字节字节RAM； 通用通用I/O口口32 / 36 个；个； ISP（在系统可编程）（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），（在应用可编程），无需专用编程器无需专用编程器/仿真器；仿真器； 内部内部E2PROM 功能；功能； 硬件看门狗；硬件看门狗； 内部集成内部集成MAX810专用复位电路（专用复位电路（D版本才有）版本才有）,外部晶体外部晶体20M以下时，可省外部复位电路；以下时，可省外部复位电路； 共共3个个16位定时器位定时器/计数器；计数器； 外部中断外部中断4路；路； 通用异步串行口，还可用定时器软件实现多个通用异步串行口，还可用定时器软件实现多个UART； 工作温度范围：工

19、作温度范围：0 75，4085； 封装：封装：LQFP-44 ,PDIP-40 , PLCC -44 , PQFP-44 。（。（QFP：4面扁平封装）面扁平封装）1.4.2 STC89/12系列单片机系列单片机1.4.3 ATMEL 89系列单片机系列单片机 Atmel公司生产的公司生产的89系列单片机是市场上比系列单片机是市场上比较具有代表性的较具有代表性的MCS-51单片机。单片机。一、一、ATMEL89系列单片机型号说明系列单片机型号说明 AT89系列单片机型号由三个部分组成，它系列单片机型号由三个部分组成，它们分别是们分别是前缀、型号、后缀前缀、型号、后缀，其格式如下：，其格式如下：

20、 AT89C（LV、S）XXXX-XXXX 1、前缀、前缀 前缀由字母前缀由字母“AT”组成，它表示该器件是组成，它表示该器件是ATMEL公司的产品。公司的产品。1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机 2、型号、型号 型号由型号由“89CXXXX”或或“89LVXXXX”或或“89SXXXX”等表示。等表示。“9”表示芯片内部含表示芯片内部含Flash存储器；存储器；“C”表示是表示是CMOS产品；产品；“LV”表示低电压产品；表示低电压产品；“S”表示含可下载的表示含可下载的Flash存储器。存储器。“XXXX”为表示型号的数字，为表示型号的数字，如：如：51、52、2051、825

21、2等。等。 3、后缀、后缀 后缀由后缀由“XXXX”四个参数组成，与产品四个参数组成，与产品型号间用型号间用“-”号隔开。号隔开。 后缀中第一个参数后缀中第一个参数“X”表示速度表示速度后缀中第二个参数后缀中第二个参数“X”表示封装表示封装 后缀中第三个参数后缀中第三个参数“X”表示温度范围表示温度范围 后缀中第四个参数后缀中第四个参数“X” 说明产品的处理说明产品的处理情况情况如如AT89S52-24PC，后缀表示，后缀表示24MHz、塑料封装、商业级（塑料封装、商业级（I为工业级）为工业级）1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机 二、二、AT89C51单片机单片机 AT89C51单

22、片机特点：单片机特点： 与与MCS-51产品完全兼容；产品完全兼容； 具有具有4K字节的字节的Flash内部程序存储器，内部程序存储器，可写可写/擦擦1000次；次； 全静态操作：全静态操作：0Hz24MHz； 三级程序存储器加密；三级程序存储器加密； 128字节内部字节内部RAM；1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机 32根可编程根可编程I/O线；线； 2个个16位定时器位定时器/计数器；计数器； 6个中断源；个中断源； 可编程串行可编程串行UART通道；通道； 低功耗空闲和掉电方式。低功耗空闲和掉电方式。 CMOS工艺，低功耗工艺，低功耗1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单

23、片机 三、三、AT89S52单片机单片机 AT89S52单片机特点：单片机特点： 与与MCS-51产品兼容；产品兼容； 具有具有8K字节可在系统编程的字节可在系统编程的Flash内部内部程序存储器，可写程序存储器，可写/擦擦1000次；次； 4.0V5.5V的工作电压范围；的工作电压范围； 全静态操作：全静态操作：0Hz24MHz； 三级程序存储器加密；三级程序存储器加密； 256字节内部字节内部RAM；1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机 全双工异步串行通信通道；全双工异步串行通信通道； 低功耗空闲和掉电方式；低功耗空闲和掉电方式； 通过中断中止掉电方式；通过中断中止掉电方式； 看

24、门狗定时器；看门狗定时器；两个数据指针。两个数据指针。1.4.2 ATMEL89系列单片机系列单片机LQFP也就是薄型也就是薄型QFP（Low-profile Quad Flat Package）指封装本体厚度为）指封装本体厚度为1.4mm的的QFP，是，是日本电子机械工业会根据制定的新日本电子机械工业会根据制定的新QFP外形规外形规格所用的名称。格所用的名称。 PQFP(Plastic Quad Flat Package，塑料方块平面封，塑料方块平面封装装)一种芯片封装形式。一种芯片封装形式。PQFP封装的芯片的四周封装的芯片的四周均有引脚，其引脚总数一般都在均有引脚，其引脚总数一般都在10

25、0以上，而且以上，而且引脚之间距离很小，管脚也很细，一般大规模或引脚之间距离很小，管脚也很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式。超大规模集成电路采用这种封装形式。 LCC(Leadless chip carrier): 无引脚芯片载体无引脚芯片载体.指陶瓷指陶瓷基板的四个侧面只有电极接触而无引脚的表面基板的四个侧面只有电极接触而无引脚的表面贴装型封装贴装型封装. QFN(quad flat non-leaded package) 四侧无引脚扁平四侧无引脚扁平封装。表面贴装型封装之一。现在多称为封装。表面贴装型封装之一。现在多称为LCC1.4.3 STC89/12系列单片机系列单片机

26、1.4.4 常见的其它系列单片机常见的其它系列单片机 AVR单片机单片机 Motorola单片机单片机 MicroChip单片机单片机 Scenix单片机单片机 EPSON单片机单片机 东芝单片机东芝单片机 GMS90单片机单片机 华邦单片机华邦单片机 Zilog单片机单片机 NS单片机单片机 AX1001单片机单片机1.5 单片机系统的开发方法单片机系统的开发方法主要内容主要内容 1.5.1 单片机系统的设计要求单片机系统的设计要求 1.5.2 单片机系统的开发特点单片机系统的开发特点 1.5.3 单片机系统的开发工具及环境单片机系统的开发工具及环境 1.5.4 单片机系统设计中芯片的选择单

27、片机系统设计中芯片的选择1.5 单片机系统的开发方法单片机系统的开发方法 单片机系统是软件和硬件的逻辑结合体，单片机系统是软件和硬件的逻辑结合体，必须根据对系统功能、性能参数的要求，必须根据对系统功能、性能参数的要求，对软件和硬件统一考虑进行设计开发，以对软件和硬件统一考虑进行设计开发，以求达到最佳效果。求达到最佳效果。1.5.1 单片机系统的设计要求单片机系统的设计要求 单片机系统设计开发非常受制于功能和具单片机系统设计开发非常受制于功能和具体的应用环境，所以单片机系统的设计具体的应用环境，所以单片机系统的设计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 稳定

28、可靠、维护简便稳定可靠、维护简便 功耗管理、降低成本功耗管理、降低成本 并发处理、及时响应并发处理、及时响应1.5.2 单片机系统的开发特点单片机系统的开发特点 需要需要软硬件综合开发软硬件综合开发，二者密切相关。因为任何，二者密切相关。因为任何一个单片机系统产品都是软件和硬件的结合体。一个单片机系统产品都是软件和硬件的结合体。 一旦单片机系统产品研发完成，一旦单片机系统产品研发完成，软件就固化在硬软件就固化在硬件环境中，单片机软件是针对相应的单片机硬件系件环境中，单片机软件是针对相应的单片机硬件系统开发的，是专用的。统开发的，是专用的。1.5.3 单片机系统的开发工具及环境单片机系统的开发工具及环境 一、单片机一、单片机C语言开发工具语言开发工具Keil C51Keil C51是是Keil Software公司出品的公司出品的51系列兼系列兼容单片机容单片机C语言软件开发系统。语言软件开发系统。提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具工具Vision2，全，全Windows界面，生成的目标代界面，生成的目标代码效率非常高。码效率非常高。1.5.3 单片机系统的开发工具及环境单片机系统的开发工具及环境 二、二、Proteus嵌入式系统仿真与开发平台嵌入式系统仿真与开发