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第1章 单片机概述 1.1 单片机的概念 1.2 单片机的发展概况 1.3 MCS-51系列 1.4 AT89系列单片机
第1章 单片机概述 1.1 单片机的概念 1.2 单片机的发展概况 1.3 MCS-51系列 1.4 AT89系列单片机 1.5 单片机的应用
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1.什么叫单片机 它是把组成微型计算机的各功能部件:中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中,构成一个完整的微型计算机。 单片机是单片微型计算机的简称。 单片机主要应用于控制领域,它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的,故又称为微控制器(Micro Controller Unit)。在国际上,“微控制器”的叫法更通用些,在我国比较习惯“单片机”这一名称。 由于单片机在应用时通常是被控系统的核心并融入其中,即以嵌入的方式工作,为了强调其“嵌入”的特点,也常常将单片机称为嵌入式微控制器。
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2.单片机的发展 单片机出现的历史并不长,它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步,经历了4个阶段:
第一阶段(1971~1974年):1971年11月美国Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004,并且配有随机存取存储器RAM、只读存储器ROM和移位寄存器等芯片,构成第一台MCS-4微型计算机。1972年4月Intel公司又研制成功了处理能力较强的8位微处理器——Intel 8008。这些微处理器虽说还不是单片机,但从此拉开了研制单片机的序幕。 第二阶段(1974~1978年):初级单片机阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。这个系列单片机内集成有8位CPU、并行I/O接口、8位定时器/计数器,寻址范围不大于4K,且无串行口。
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第三阶段(1978~1983年):在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口,有多级中断处理系统、16位定时器/计数器。片内RAM、ROM容量加大,且寻址范围可达64KB,有的片内还带有A/D转换器接口。这类单片机有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。这类单片机的应用领域极其广泛,这个系列的各类产品仍然是目前国内外产品的主流。其中MCS-51系列产品,以其优良的性能价格比,成为我国广大科技人员的首选。 第四阶段(1983年~现在):8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机;另一方面不断完善高档8位单片机,改善其结构,以满足不同的用户需要。
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3. MCS-51系列 单片机的应用特性 (1)集成度高
MCS-51系列单片机代表产品为8051,8051内部包含4KB的ROM、128B的RAM、四个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/计数器以及一个处理功能强大的中央处理器。 (2)系统结构简单 MCS-51系列单片机芯片内部采用模块化结构,增加或更换一个模块就能获得指令系统和引脚兼容的新产品。另一方面,MCS-51系列单片机具有64KB的外部程序存储器寻址能力和64KB的外部RAM和I/O口寻址能力。Intel公司标准的I/O接口电路和存储器电路都可以直接连到MCS-51系列单片机上以扩展系统功能,应用非常灵活。
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(3)可靠性高 单片机产品和其他产品一样,出厂指标有军用品、工业品和商用品之分。其中军用品要求绝对可靠,在任何恶劣的环境下都能可靠工作,主要用于武器系统、航空器等方面。单片机属于工业品,能在常温下工作,不需要在温度恒定的机房内工作。由于单片机总线大多在芯片内部不易受干扰,而且单片机应用系统体积小,易于屏蔽,所以单片机的可靠性较高。 (4)处理功能强,速度快 MCS-51系列单片机指令系统中具有加、减、乘、除指令,各种逻辑运算和转移指令,还具有位操作功能。CPU时钟频率高达12MHz,单字节乘法和除法仅需要4μs,而且具有特殊的多机通信功能,可作为多机系统中的子系统。
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单片机的制造工艺 制造单片机的工艺只有两种:HMOS工艺和CHMOS工艺。 早期的MCS-51系列芯片都采用HMOS工艺,即高密度、短沟道MOS工艺。8051、8751、8031、8951等产品均属于HMOS工艺制造的产品。 CHMOS工艺是CMOS和HMOS的结合,除保持了HMOS工艺的高密度、高速度之外,还具有CMOS工艺低功耗的特点。例如HMOS工艺制造的8051芯片的功耗为630mW,而用CHMOS工艺制造的80C51芯片的功耗为120mW,这么低的功耗用一粒钮扣电池就可以工作。单片机型号中包含有“C”的产品就是指它的制造工艺是CHMOS工艺。 例如80C51,就是指用CHMOS工艺制造的8051。
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MCS-51是一个单片机系列产品,具有多种芯片型号。具体说,按其内部资源配置的不同,MCS-51可分为两个子系列和四种类型,见表1.1。
子系列 片内ROM形式 片内ROM容量 片内RAM容量 定时器/计数器 中断源 无 ROM EPROM E2PROM MCS-51子系列 8031 8051 8751 8951 4KB 128B 2×16 5 MCS-52子系列 8032 8052 8752 8952 8KB 256B 3×16 6
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MCS-51子系列包含4个产品,这4个产品具有不同的应用特性。
8051:单片机8051内部包含了4KB的ROM、128B的RAM、21个特殊功能寄存器、4个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/计数器以及一个处理功能很强的中央处理器,是一台完整的微型计算机 8751:是以4KB的EPROM代替4KB ROM的8051。 8951:是以4KB的E2PROM(或Flash ROM)代替4KB ROM的8051。 8031:是内部无ROM的8051。单片机8031不构成完整计算机,必须外接EPROM作为程序存储器。 52子系列也包含4个产品,分别是51子系列的增强型。由于资源数量的增加,芯片的功能有所增强。片内ROM容量从4KB增加到8KB;RAM容量从128B增加到256B;定时器数目从2个增加到3个;中断源从5个增加到6个等。
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80C51单片机系列 80C51单片机系列是在MCS-51系列的基础上发展起来的。 最早推出80C51系列芯片的是Intel公司,并且作为MCS-51系列的一部分,按原MCS-51系列芯片的规则命名,例如80C51、80C31、87C51等(至于89C51,我们把它归入89系列单片机,将在下一节介绍)。 后来越来越多的公司生产80C51芯片,而且型号的命名已面目全非,功能上也做了不同程度的改进,如增加了A/D转换、高速I/O口等。有些还在总线结构上做了重大改进,出现了廉价的非总线型单片机芯片。但是万变不离其宗: CHMOS工艺芯片80C51/80C31/87C51/89C51的基本特征是低功耗、允许的电源电压波动范围较大(为5V±20%),并有三种功耗控制方式(增加了待机和掉电保护两种方式)。 习惯上,我们仍然把80C51系列作为MCS-51的子系列。
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AT89系列单片机是ATMEL公司的8位Flash单片机系列。
这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器,而其他方面和MCS-51没有太大的区别。该系列有着十分广泛的用途,特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。
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AT89系列单片机的特点 (1)内含有Flash存储器 由于片内含有Flash存储器,因此在系统开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。同时,在系统工作过程中,能有效地保存数据信息,即使外界电源损坏也不影响信息的保存。 (2)和AT80C51插座兼容 AT89系列单片机的引脚和MCS-51系列单片机的引脚是一样的。只要用相同引脚的AT89系列单片机就可以取代MCS-51系列单片机。 (3)静态时钟方式 AT89系列单片机采用静态时钟方式,节省电能,这对于降低便携式产品的功耗十分有用。
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AT89系列单片机的概况 AT89系列单片机共有7种型号,分别为AT89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52、AT89C2051、AT89C1051、AT89S8252。 其中AT89LV51、AT89LV52分别是AT89C51、AT89C52的低电压产品。最低电压可以低至2.7V。而AT89C2051、AT89C1051则是低档型的低电压产品。它们只有20条引脚,最低电压也为2.7V,见表1.2。
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表1.2 AT89系列单片机概况 型 号 AT89C51 AT89C52 AT89C1051 AT89C2051 AT89S8252 Flash(KB) 4 8 1 2 片内RAM(B) 128 256 64 I/O(条) 32 15 定时器(个) 3 中断源(个) 6 9 串行接口(个) M加密/级 片内振荡器 有 EEPROM(KB) 无
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5.单片机的应用 由于单片机具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点,因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用。例如: (1)智能仪器仪表 用单片机改造原有的测量、控制仪表,能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展,如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表等。通过采用单片机软件编程技术,使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。 (2)实时工业测控系统 用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。如温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制等。
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(3)机电一体化产品 单片机与传统的机械产品结合,使传统机械产品结构简化、控制智能化。例如电传打字机的设计中由于采用了单片机,取代了近千个机械部件。 (4)家用电器 全自动洗衣机、智能冰箱、各类小家电都无一例外地采用了单片机。
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单片机的应用特点: (1)控制系统在线应用 控制系统在线应用由于控制对象和单片机联系密切,所以对设计者提出了很高的要求。他们不但要熟练掌握单片机,还要了解控制对象,懂得传感技术,具有一定的控制理论知识等。 (2)软硬件结合 单片机应用系统的设计需要软、硬件统筹考虑。设计者不但要熟练掌握汇编语言的编程技术,而且还必须精通单片机硬件系统和指令系统。
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(3)应用现场环境恶劣 应用现场的环境一般是比较恶劣的。电磁干扰、电源波动、高低温等因素都会影响系统工作的稳定。设计者必须根据特定的环境采取正确的办法才能解决。 (4)微控制技术 由于单片机具有高可靠性、超小型、低价格、容易产品化等特点,因而在需要嵌入式的控制系统里得到了广泛的应用,而且过去必须由模拟和数字电路来实现的大部分功能,现在可以通过软件(编程序)方法实现了。这种超小型的以软件取代硬件,并能提高系统性能的控制系统“软化”技术,称之为微控制技术。微控制技术是一种全新的概念,是对传统技术的一次革命。随着单片机应用的推广普及,微控制技术的发展必将带动产品的升级换代及产业升级。
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习 题 1. 什么叫单片机?除了“单片机”之外,单片机还可以称为什么? 2. 单片机主要使用汇编语言,而编写汇编语言程序要求设计人员除了熟练掌握指令系统外,还必须精通什么? 、8751、8031单片机的主要区别是什么? 4. 与8051比较,80C51的最大特点是什么? 5. AT89系列单片机的最大优点是什么? 6. 单片机发展方向是什么?
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