单片机原理及应用

1、单片机原理及应用第1章单片机概述 本章主要介绍单片机的发展，基本的结构和特点，单片机的应用模式和领域，单片机的供应状态等。 单片微型计算机就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此，一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。课程目的本课程为电子类专业的主干课程，必修课，从理论和实践两方面解决计算机应用中的多种问题。本课程是在学生学完电子技术类基础课程之后，为加强对学生技术应用能力的培养而开设的体现电子技术、计算机技术综合应用的综合性课程。本课程的任务是使学生获得单片机应用系统设计

2、的基本理论、基本知识与基本技能，掌握单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法，并了解单片机在测量、控制等电子技术应用领域的应用。初步具备应用单片机进行设备技术改造、产品开发的能力。课程的先修课程 数字电路、模拟电子技术。后期训练 单片机课程设计、电子系统设计。深入应用 电子设计竞赛、毕业设计。工程应用 企业电子产品开发。1.1 单片微机的发展单片微机的发展1.1.1单片微机的概念单片微机的概念单片微机是单片微型计算机单片微机是单片微型计算机SCMC（Single Chip Micro Computer）的译名简称，在国内也常简称为的译名简称，在国内也常简称为“ 单片微单片微机机” 或或“单片机

3、单片机” 。它包括中央处理器。它包括中央处理器CPU、随机存储器随机存储器RAM、只读存储器只读存储器ROM、中断系统、定时器中断系统、定时器/计数器、串行计数器、串行口和口和I/O等等。等等。除了工业控制领域，单片微机在家用电器、电子玩具、除了工业控制领域，单片微机在家用电器、电子玩具、通信、高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等通信、高级音响、图形处理、语言设备、机器人、计算机等各个领域迅速发展。目前单片微机的世界年产量已达各个领域迅速发展。目前单片微机的世界年产量已达100亿片，亿片，而在中国大陆地区单片微机的年应用量已达而在中国大陆地区单片微机的年应用量已达6亿片左右，截止亿片

4、左右，截止2001年年4月，由中国大陆地区自行设计和生产的单片微机也已月，由中国大陆地区自行设计和生产的单片微机也已达到达到2000万片。万片。我们可以把单片机的发展历史划分为四阶段：第一阶段（19761978年）：低性能单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，采用了单片结构，即在一块芯片内含有8位CPU、定时/计数器、并行I/O口、RAM和ROM等。主要用于工业领域。第二阶段（19781982年）：高性能单片机阶段，这一类单片机带有串行I/O口，8位数据线、16位地址线可以寻址的范围达到64K字节、控制总线、较丰富的指令系统等。这类单片机的应用范围较广，并在不断的改进和发展。

5、第三阶段（19821990年）：16位单片机阶段。16位单片机除CPU为16位外，片内RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如Intel公司的MCS-96主振频率为12M，片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位A/D转换器和高速输入/输出部件等。第四阶段（1990年）：微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速、强运算能力、寻址范围大以及小型廉价方面发展。1970年微型计算机研制成功之后，随着大规模集成电路的发年微型计算机研制成功之后，随着大规模集成电路的发展又出现了单片微机。美国展又出现了单片微机。美国

6、Intel公司公司1971年生产的年生产的4位单片微机位单片微机4004和和1972年生产的年生产的8位单片微机位单片微机8008，特别是，特别是1976年年MCS-48单片单片微机问世以来，在短短的二十几年间，经历了四次更新换代，其发微机问世以来，在短短的二十几年间，经历了四次更新换代，其发展速度大约每二三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。展速度大约每二三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。发展速度之快、应用范围之广，已达到了惊人的地步。它已渗透到发展速度之快、应用范围之广，已达到了惊人的地步。它已渗透到生产和生活的诸领域，可谓生产和生活的诸领域，可谓“无孔不入无孔不入”。19

7、76年年Intel公司首先推出公司首先推出MCS48系列单片微型计算机。它系列单片微型计算机。它包括计算机的三个基本单元，已成为真正意义的单片微机，为单片包括计算机的三个基本单元，已成为真正意义的单片微机，为单片微机的发展奠定了基础，成为单片微机发展进程中的一个重要阶段。微机的发展奠定了基础，成为单片微机发展进程中的一个重要阶段。许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片微机系列，有微机系列，有Motorola公司的公司的6801、6802，Zilog公司的公司的Z8系系列，列，Rockwell公司的公司的6501、6502等，此外，日

8、本的等，此外，日本的NEC公司、日公司、日立公司及立公司及EPSON公司等，也都相继推出了各具特色的单片微机公司等，也都相继推出了各具特色的单片微机品种。品种。 最具典型性的属最具典型性的属Intel公司的公司的MCS51系列单片微机，它系列单片微机，它具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。直到现在具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。直到现在MCS51仍不失为单片微机中的主流机型。由于仍不失为单片微机中的主流机型。由于8位单片微机的位单片微机的高性能价格比，已成为单片微机中的主流机型。高性能价格比，已成为单片微机中的主流机型。在在8位单片微机之后，位单片微机之后，16位单片微机也

9、有很大发展。位单片微机也有很大发展。1983年年Intel公司推出的公司推出的MCS96系列单片微机。与系列单片微机。与MCS51相相比，比，MCS96不但字长增加一倍，而且还具有不但字长增加一倍，而且还具有4路或路或 8路的路的10位位 A/D 转换功能，此外，在其它性能方面也有一定的提高。转换功能，此外，在其它性能方面也有一定的提高。飞利浦公司推出了与飞利浦公司推出了与80C51在源码级兼容性的在源码级兼容性的16位单片微机，位单片微机，即即80C51XA(每一条每一条80C51指令可以指令可以1 1地被翻译成一条地被翻译成一条XA指指令，仅令，仅XCHD指令除外指令除外)，用户不需投入很

10、大的软件开销和人员，用户不需投入很大的软件开销和人员就能较大的提高产品性能。就能较大的提高产品性能。80C51XA具有的高性能包括：执行具有的高性能包括：执行速度快、支持高级语言速度快、支持高级语言(比如比如C语言语言) 、支持实时多任务执行、支持实时多任务执行、易于形成派生系列产品、地址宽度可变易于形成派生系列产品、地址宽度可变(用户可以方便地将外部用户可以方便地将外部地址线宽度选定为地址线宽度选定为12位、位、16位、位、20位、位、24位等等。在工业控制位等等。在工业控制产品、高档智能仪表、彩色复印机、录像机等应用领域，产品、高档智能仪表、彩色复印机、录像机等应用领域，单片微机正朝多功能

11、、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大单片微机正朝多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。功能及结构兼容方向发展。 多功能多功能 在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器、在单片微机中尽可能多的把应用系统中所需要的存储器、各种功能的各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，即外围器件内装化，如口都集成在一块芯片内，即外围器件内装化，如把把LED、LCD显示驱动器集成在显示驱动器集成在8位单片微机中，如把位单片微机中，如把A/D、D/A、乃至多路模拟开关和采样乃至多路模拟开关和采样/保持器也集成在单片微机芯片中，保持器也集成在单片

12、微机芯片中，从而成为名副其实的单片微机。从而成为名副其实的单片微机。 高性能高性能为了提高速度和执行效率，在单片微机中开始使用为了提高速度和执行效率，在单片微机中开始使用RISC体系结构、并行流水线操作和体系结构、并行流水线操作和DSP等的设计技术，使单片微机的等的设计技术，使单片微机的指令运行速度得到大大提高，其电磁兼容等性能明显地优于同类指令运行速度得到大大提高，其电磁兼容等性能明显地优于同类型的微处理器。型的微处理器。 全盘全盘CMOS化趋势化趋势单片微机采用二种半导体工艺生产，单片微机采用二种半导体工艺生产，HMOS工艺即高密工艺即高密度短沟道度短沟道MOS工艺，具有高速度和高密度；工

13、艺，具有高速度和高密度；CHMOS工艺即互工艺即互补金属氧化物的补金属氧化物的HMOS工艺，除具有工艺，除具有HMOS的优点外，还具有的优点外，还具有CMOS工艺的低功耗特点。如工艺的低功耗特点。如8051的功耗为的功耗为630mw，而而80C51的功耗仅的功耗仅120mw。从第三代单片微机起开始淘汰非从第三代单片微机起开始淘汰非CMOS工艺。工艺。 推行串行扩展总线推行串行扩展总线推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量，简化系统结推行串行扩展总线可以显著减少引脚数量，简化系统结构。随着外围器件串行接口的发展，单片微机的串行接口的普构。随着外围器件串行接口的发展，单片微机的串行接口的普遍化、高速

14、化，使得并行扩展接口技术日渐衰退。遍化、高速化，使得并行扩展接口技术日渐衰退。推出了删去了并行总线的非总线单片微机，需要外扩器推出了删去了并行总线的非总线单片微机，需要外扩器件件(存储器、存储器、I/O等等) 时，采用串行扩展总线，甚至用软件虚拟时，采用串行扩展总线，甚至用软件虚拟串行总线来实现。串行总线来实现。由于集成度的进一步提高，有的单片微机的寻址能力已由于集成度的进一步提高，有的单片微机的寻址能力已突破突破64KB的限制，的限制，8位、位、16位的单片微机有的寻址能力已达到位的单片微机有的寻址能力已达到 1MB和和 16 MB。片内片内ROM的容量可达的容量可达 62 KB，RAM的容

15、量可的容量可达达2KB。1.2 80C51系列单片微机系列单片微机8051是美国是美国INTEL公司在公司在1980年推出的年推出的MCS-51系列的第系列的第一个成员，一个成员，MCS是是INTEL公司的注册商标。其它公司生产的以公司的注册商标。其它公司生产的以8051为核心单元的其它派生单片微机却不能称为为核心单元的其它派生单片微机却不能称为MCS-51系列，系列，只能称为只能称为8051系列。系列。8051系列泛指所有公司（也包括系列泛指所有公司（也包括INTEL公司）公司）生产的以生产的以8051为核心单元的所有单片微机。为核心单元的所有单片微机。80C51系列包括系列包括Intel公

16、司的公司的MCS-51，又包括了以，又包括了以8051为核为核心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如心单元的世界许多公司生产的单片微机，比如PHILIPS(飞利浦飞利浦公司公司) 的的83C552及及51LPC系列等、系列等、SIEMENS(西门子公司西门子公司) 的的SAB80512等、等、AMD(先进微器件公司先进微器件公司) 的的8053等、等、OKI(日本冲电日本冲电气公司气公司) 的的MSM80C154等、等、ATMEL公司的公司的Flash单片微机单片微机89C51等、等、DALLAS公司的公司的DS5000/DS5001等、华邦公司的等、华邦公司的W78C51及及W77C51等

17、。等。 从从MCS48单片微机发展到如今的新一代单片微机，大单片微机发展到如今的新一代单片微机，大致经历了三代。如以致经历了三代。如以 Intel 8位单片微机为例，位单片微机为例，第一代：以第一代：以MCS48系列单片微机为代表。属于低性能系列单片微机为代表。属于低性能单片微机阶段。单片微机阶段。 第二代：以第二代：以MCS5l系列的系列的8051、8052单片微机为代表。单片微机为代表。主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总主要的技术特征是为单片微机配置了完善的外部并行总线（线（AB、DB、CB）和具有多机识别功能的串行通信接口和具有多机识别功能的串行通信接口（UART），），规

18、范了功能单元的特殊功能寄存器（规范了功能单元的特殊功能寄存器（SFR）控制控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片微机奠定了良好的基础。有良好兼容性的新一代单片微机奠定了良好的基础。第三代：以第三代：以80C51系列单片微机为代表。系列单片微机为代表。它包括了它包括了 Intel公司发展公司发展MCS51系列的新一代产品，如系列的新一代产品，如 8XC152、80C51FA/FB、80C5lGA/GB，还包括了还包括了 Phlips、Siemens、ADM、OKI、ATMEL等公司以等公司以80C5

19、1为核心推出的为核心推出的大量各具特色、与大量各具特色、与MCS51兼容的单片微机。兼容的单片微机。部分厂家所生产的部分厂家所生产的80C51系列或与之相兼容的单片微机系列或与之相兼容的单片微机的特点列于表的特点列于表1l、表表1一一2及表及表1一一3中。中。80C51系列单片微机保留了系列单片微机保留了MCS51的所有特性，内部的所有特性，内部组成基本相同。组成基本相同。80C51系列增设了两种可以用软件进行选择的系列增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。低功耗工作方式：空闲方式和掉电方式。 87C51是是80C51含含EPROM的产品，的产品，89C51是是80

20、C51含含EEPROM的产品。新一代的的产品。新一代的80C51系列除了上述的结构特性外，系列除了上述的结构特性外，还向外部电路扩展，有的公司型号配备了串行扩展线，比如芯还向外部电路扩展，有的公司型号配备了串行扩展线，比如芯片间的总线片间的总线(飞利浦公司的飞利浦公司的I2C总线总线) 、设备间网络系统总线、设备间网络系统总线(CAN总线总线) 等，为外部提供了完善的总线结构。采用总线等，为外部提供了完善的总线结构。采用总线 方方式的应用系统多属较复杂的工控系统、智能仪表、监测系统，式的应用系统多属较复杂的工控系统、智能仪表、监测系统，或满足这些应用而构成的多机与网络系统。总线方式的单片微或满

21、足这些应用而构成的多机与网络系统。总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为I/O口口用。在掩膜用户程序时，还可要求将这些用。在掩膜用户程序时，还可要求将这些 I/O口改造成具有各口改造成具有各种驱动能力的种驱动能力的 I/O口。根据应用的需要，部分产品对总线结构口。根据应用的需要，部分产品对总线结构作了重大改进，推出了非总线型单片微机，其对外部不存在并作了重大改进，推出了非总线型单片微机，其对外部不存在并行三总线行三总线(AB、DB、CB) ，必要时可以通过串行总线进行扩展。必要时可以通过串行总线进行扩展。1.3单片微机的

22、应用单片微机的应用单片机最主要的应用就是构成智能系统，智能系统应具备数据采集、处理、判断、分析和控制、输出能力。在智能化程度较高的电子系统中，还应具备预测、自诊断、自适应、自组织和自学习功能。智能系统的组成：软件和硬件；硬件：模拟电路、数字电路、微处理器单片机系统DSP系统嵌入式系统PC机系统按照所使用单片微机的类型不同，单片微机应用系统结按照所使用单片微机的类型不同，单片微机应用系统结构可分成总线方式和非总线方式。构可分成总线方式和非总线方式。 在总线方式的应用系统中，单片微机具有完善的外部扩在总线方式的应用系统中，单片微机具有完善的外部扩展总线，如并行总线（展总线，如并行总线（AB、DB、

23、CB）、）、串行通信总线（如串行通信总线（如 UART），），通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等。通过这些总线可方便地扩展外围单元、外设接口等。总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时，外部并行总线总线方式的单片微机在不使用外部并行总线时，外部并行总线引脚可作为引脚可作为I/O口用。口用。 非总线方式的应用系统（如非总线方式的应用系统（如 80C51系列中的系列中的 83C751、87C751，83C752、WC752，Motorola 的的MC68HC05系列中的系列中的许多产品）省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有许多产品）省去了外部并行总线，可构成各种小封装芯片，有限的

24、引脚限的引脚 可提供更多的用户可提供更多的用户I/O口。口。 l 家用电器领域家用电器领域 国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控国内各种家用电器已普遍采用单片微机控制取代传统的控制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、制电路，做成单片微机控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制微波炉、电饭堡、电视机、录像机及其它视频音像设备的控制器。器。 2办公自动化领域办公自动化领域 比如一台比如一台PC机可能嵌入了机可能嵌入了10个单片微机，如控制键盘、个单片微机，如控制键盘、鼠标、显示器、鼠标、显示器、CD-ROM、声卡、打

25、印机、软声卡、打印机、软/硬盘驱动器、调硬盘驱动器、调制解调器等。制解调器等。现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如绘图仪、现代办公室中所使用的大量通信、信息产品，如绘图仪、复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。复印机、电话、传真机等，多数都采用了单片微机。 3工业自动化领域的在线应用工业自动化领域的在线应用 如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系控制系统等，许多都是以单片微机为核心的单机或多机网络系统。如工业机器人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行统。如工业机器人的

26、控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。而其中每一个走系统、擒拿系统等节点构成的多机网络系统。而其中每一个小系统都是由单片微机进行控制的。小系统都是由单片微机进行控制的。4. 智能仪器仪表与集成智能传感器领域智能仪器仪表与集成智能传感器领域 应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行应用单片微机来对传统的仪器仪表行业的产品进行“ 更新换代更新换代” ，提供了非常理想的的条件。目前各种变送器、，提供了非常理想的的条件。目前各种变送器、电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，电气测量仪表普遍采用单片微机应用系统替代传统的测量系统，使测量系统具

27、有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、使测量系统具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断判断、联网和语音功能等联网和语音功能等。5汽车电子与航空航天电子系统汽车电子与航空航天电子系统通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制通常在这些电子系统中的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等，系统、自动驾驭系统、通信系统以及运行监视器（黑匣子）等，都要构成冗余的网络系统。比如一台都要构成冗余的网络系统。比如一台RMW-7系列宝马轿车就用系列宝马轿车就用了了63个单片微机。个单片微机。单片微机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计单片微机的应

28、用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这分控制功能，现在已能使用单片微机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。这标志着一种全新概念的建立。控制技术。这标志着一种全新概念的建立。03级单片机实践题目列表： 专题一：液体点滴速度监控装置专题一：液体点滴速度监控装置 专题二：电子秤的设计与制作专题二：电子秤的设计与制作 专题三：智能电梯控制系统专题三：智能电梯控制系统 专题四：水温控制系统专题四：水温控制系统 专题五：数字式液量测量系统专题五：数字式液量测量系统 专题六：脉搏测量仪的制作专题六：脉搏测量仪的制作 专题七：直流数控稳压源专题七：直流数控稳压源 专题八：转速控制测量仪专题八：转速控制测量仪 专题九：数据采集系统专题九：数据采集系统1.4单片机系