51单片机技术与应用Word文档下载推荐.docx

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1.4MCS-51单片机的最小系统

1.4.1单片机最小系统组成原理

1.4.2单片机系统电源

1.4.3单片机复位电路

1.4.4单片机的时钟与机器周期

总结

思考题

第1章单片机基础

本章主要介绍MCS-51系列单片机的硬件组成与工作原理，内容主要包括单片机的产生与发展过程、单片机的概念及其与微机的联系和区别、单片机的硬件组成与内部各个部件作用、单片机最小系统的组成等。

通过本章的学习，读者可以了解MCS-51系列单片机内部资源和单片机最小系统的组成，为单片机应用系统开发的奠定基础。

1.1单片机的产生与发展过程

通过计算机基础等相关课程的学习可知，微型计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，硬件主要由CPU（CentralProcessingUnit）、内存、内部功能单元和I/O（InputOutput）接口电路等部分组成。

在计算机发展的初期，每一部分至少需要一片集成电路，如图1-1所示。

单片机是微型计算机的一个分支，与常规微型计算机的区别主要在结构上。

图1-1微型计算机系统组成示意图

单片机是单片微型计算机（MonolithicMicrocomputer或SingleChipMicrocomputer）的简称，也称为微控制器（Microcontroller）或微控制单元（MicroControlUnit，缩写为MCU、µ

C或uC），是指集成在一个芯片上的微型计算机，即将组成微型计算机的各种常用功能单元，包括CPU、随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）、只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、输入/输出（Input/Output）接口电路、定时/计数器（Timer/Counter）、中断系统（InterruptSystem）、系统时钟（SystemClock）及系统总线（SystemBus）等都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。

单片机内部结构示意图如图1-2所示。

单片机实质上是一个芯片。

在实际应用中，通常很难将单片机直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件以及软件，才能构成一个单片机应用系统。

由于单片机在自动控制中应用得十分广泛，因此国外文献中一般都称为微控制器。

1.1.1单片机的发展过程

第一片单片机是Intel公司1976年开发的MCS-48系列单片机，MCS是MicroComputerSystem的缩写，即MCS-48单片机本身即构成一个微机系统（硬件部分）。

第一阶段（1976～1978）为低性能单片机阶段，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。

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。

8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。

图1-2单片机内部结构示意图

第二阶段（1978～1982）是高性能单片机阶段。

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，并在不断地改进和发展。

1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：

8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并行口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。

寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。

第三阶段（1982～1990）为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1982年Intel公司推出的MCS-96单片机片内RAM为232字节，ROM为8K字节，中断处理能力为8级，片内带有10位模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）、1路PWM（Pulse-WidthModulation）输出和高速输入/输出部件等。

第四阶段（1990～）是单片机的全面发展阶段，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。

MCS-51系列单片机产品繁多，兼容的主要产品有Atmel公司融入Flash存储器技术的AT89系列、Philips公司的80C51和80C552系列、华邦公司的W78C51和W77C51系列、ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列、LG公司的GMS90/97低压高速系列、Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列、Cygnal公司的C8051F系列高速SOC（SystemOnChip，片上系统）单片机、宏晶公司支持USB（UniversalSerialBus，通用串行总线）在线编程的STC系列等。

非MCS-51结构的单片机也有很多产品，给用户提供了更多的选择空间，近年来推出的非MCS-51系列的单片机主要产品有、Intel的MCS-96系列16位单片机、Microchip的PIC系列RISC单片机、TI的MSP430系列16位低功耗单片机、Atmel的AVR系列单片机等。

Intel公司的MCS-51系列单片机出现最早，很多公司如Philips、Dallas、Atmel等公司，沿用或参考了Intel公司的MCS-51内核，相继开发出了兼容的单片机产品，并增加和扩展了单片机的很多功能，先后有8031、8051、8751、89C51等型号。

目前市场流行的8位单片机多为宏晶公司的STC89系列、Atmel公司的AT89系列等。

STC单片机为增强MCS-51系列，支持串口在线编程（In-SystemProgramming，ISP）、内部看门狗和内部E2PROM在应用编程（In-ApplicationProgramming，IAP），个别型号内部设计有A/D转换器，由于STC单片机功能强且价格低，市场容易购置，实验和研发成本较低，因此本书案例多以STC单片机为例展开讨论。

1.1.2单片机的发展趋势

1.微型化

早期单片机多采用DIP（DualIn-linePackage，双列直插式）封装，体积相对较大。

随着芯片集成度的提高及贴片工艺的出现，单片机逐步采用各种符合贴片工艺的封装，减小了芯片体积，方便了实际应用系统的设计。

2.低功耗

很多单片机提供了多种工作方式，如睡眠、空闲和节电等方式，功耗越来越低。

扩大电源电压范围以及在较低电压下工作是当今单片机发展的目标之一。

目前，单片机大多可以在3.3V~5.5V的范围内工作，Maxim的16位单片机MAXQ610电压范围工作是1.7V~3.6V，方便了实际应用。

3.高速化

早期MCS-51单片机的典型时钟频率为12MHz，西门子公司C500系列单片机（与MCS-51单片机兼容）的时钟频率为36MHz，Dallas公司DS89C420系列单片机的时钟频率高达50MHz，现在已有更快的32位100MHz的单片机产品。

4.提供更多资源

当前在单片机内部已集成了越来越多的功能单元，如定时/计数器、比较器、A/D转换器、D/A（Digital-to-AnalogConverter，DAC）转换器、串行通信接口、看门狗（Watchdog）和液晶（LiquidCrystalDisplay，LCD）控制器等常用功能电路。

有的单片机为了便于构成控制网络，内部集成了网络功能模块，甚至将网络协议固化在其内部，方便了实际应用。

5.专用型单片机发展迅速

专用型单片机是针对某一类产品甚至某个产品需要的单片机，在小家电和智能玩具中比较常见，如来电显示电话中配有液晶驱动器接口的单片机和全自动洗衣机中的单片机，都是专用单片机，成本低，资源利用率高，系统外围电路少，可靠性高，具有极高的性价比和极大的市场空间，是单片机发展的一个重要方向。

1.1.3单片机的应用

单片机构成的应用系统具有体积小、成本低、使用灵活等特点，在工业控制、机电一体化、智能仪表、计算机外围设备、家用电器、机器人、军工等方面得到了日益广泛的应用，已经渗透到社会生活的各个方面。

1.自动控制

单片机对生产过程的控制用软件来实现，不同的生产工艺只需改变程序即可，灵活方便。

单片机通过传感器采集现场信号，经过模拟-数字（A/D）转换，输入单片机，单片机处理以后，通过数字-模拟（D/A）转换，直接调节和控制生产过程，可实现多回路、多参数的控制以及工厂生产的自动化。

2.智能仪器仪表

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活和使用方便等优点，广泛应用于各种仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、温度、湿度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、成分、压力等物理量的测量。

采用单片机可实现仪器仪表的数字化、智能化和微型化。

3.智能化民用产品

单片机在家用电器（电饭煲、电磁炉、洗衣机、电冰箱、空调机、电视机等）、游戏机、智能玩具、声像设备、电子秤、电子词典、学习机、收银机、办公设备等许多产品中应用广泛，大大提高了产品功能和性价比。

4.计算机外设

单片机在计算机外围设备中应用广泛，如键盘、鼠标、硬盘、光驱、打印机、扫描仪等都是以单片机作为控制单元。

5.通信设备

单片机中都集成了通信接口，可以很方便地与计算机和其他智能设备进行通信，现在的通信设备通常采用单片机进行设计，如电话机、无线电对讲机、程控交换机等。

5.医疗设备

单片机在医疗设备中应用广泛，如各种医用分析仪、监护仪、超声诊断设备、病床呼叫系统等。

6.汽车行业

单片机在汽车电子中的应用非常广泛，如汽车中基于CAN（CanAreaNetwork）总线的发动机控制器，GPS（GlobalPositionSystem）导航系统，ABS（Anti-skidBrakeSystem）防抱死系统、制动系统等。

此外，单片机在教育、科研、金融、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

计算机是信息处理工具，不论是指令还是数据，如采用计算机进行处理，都必须采用二进制编码，即使是图形和声音这类信息也是一样。

因为在计算机中，信息的表示依赖于内部电路的状态。

采用基2码（即二进制的0和1）表示信息有许多优点。

（1）易于物理实现

因为具有两种稳定状态的物理器件很多，如三极管的导通与截止、电压的高与低等，分别对应于1和0两个二进制数。

如采用十进制，则需要用具有十种不同状态的物理器件，那就难以实现。

（2）二进制数运算简单

数学运算表明，对x进制数的算术求和、求积规则各有x（x + 1）/2种。

如采用十进制，就有55种求和与求积的运算规则；

二进制仅各有3种，简化了运算器等物理器件的设计。

（3）通用性强

基2码既可用于数值信息编码，又可用于各种非数值信息的数字化编码。

二进制的0和1对应于逻辑命题的“真”与“假”，方便计算机进行逻辑运算和逻辑判断。

计算机存储器中存储的都是二进制形式的信息，但它们分别代表不同的含义。

有的表示机器指令，有的表示二进制数据，有的表示英文字母，有的则表示汉字，还有的可能是表示色彩与声音。

虽然计算机内部采用基2码来表示各种信息，但在与外部交换信息仍采用人们熟悉和便于阅读的形式，如十进制数、文字显示及图形描述等。

其间的转换则由