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1、单片机原理与应用,1.1 单片机介绍,1.1.1单片机概念单片机是在一块芯片上集成了各种部件的微型计算机,即是将组成微型计算机的各个功能部件,中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口电路等集成在一块芯片中,构成一个完整的微型计算机。因此,这样的计算机称为单片微型计算机single chip microcomputer或单片机。本书讲述的MCS-51系列单片机是一种应用时间长,应用范围广,影响大的单片机。,分类,(1)4-BIT 单片机 4 位单片机的控制功能较弱,CPU 一次只能处理4 位二进制数。(2)8-BIT 单片机 8 位
2、单片机 8 位单片机的控制功能较强,品种最为齐全。和4 位单片机相比,它不仅具有较大的存储容量和寻址范围,而且中断源、并行I/O 接口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加,代表产品有Intel 公司的MCS-48 系列和MCS-51 系列、Microchip 公司的PIC16C系列和PIC17C系列以及PIC1400 系列、Motorola 公司的M68HC05 系列和M68HC11 系列、Zilog 公司的Z8 系列、荷兰Philips 公司的80C51 系列(同MCS-51 兼容)、Atmel公司的AT89 系列(同MCS-51 兼容)、NEC 公司的UPD78系列等等。,(3)16-
3、BIT 单片机16 位单片机是在1983 年以后发展起来的。这类单片机的特点是:CPU是16 位的,运算速度普遍高于8 位机,有的单片机的寻址能力高达1MB,片内含有A/D 和D/A转换电路,支持高级语言。这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器等。典型产品有Intel 公司的MCS-96/98 系列、Motorola 公司的M68HC16系列、NS 公司的783系列、TI公司的MSP430系列等等。,(4)32-BIT 单片机,32 位单片机的字长为32 位,是单片机的顶级产品,具有极高的运算速度。近年来,随着家用电子系统的新发展,32 位单片机的市场前景
4、看好。继16 位单片机出现后不久,几大公司先后推出了代表当前最高性能和技术水平的32 位单片微机系列。32 位单片机具有极高的集成度,内部采用新颖的RISC(精简指令系统计算机)结构,CPU 可与其他微控制器兼容,主频频率可达33MHz 以上,指令系统进一步优化,运算速度可动态改变,设有高级语言编译器,具有性能强大的中断控制系统、定时/事件控制系统、同步/异步通信控制系统。代表产品有Intel 公司的MCS-80960 系列、Motorola 公司的M68300 系列、Hitachi 公司的Super H(简称SH)系列等等。这类单片机主要应用于汽车、航空航天、高级机器人、军事装备等方面。它代
5、表着单片机发展中的高、新技术水平。ARM在32位MCU中的主流地位是毫无疑问的。ARM公司于1991年成立于英国剑桥,主要出售芯片设计技术的授权。目前,采用ARM技术智能财产(IP)核心的处理器,即我们通常所说的ARM处理器,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场,ARM技术不止逐步渗入到我们生活的各个方面,我们甚至可以说,ARM于人类的生活环境中,已经是不可或缺的一环。,ARM,CISC 和RISC单片机,集中指令集(CISC)和精简指令集(RISC)单片机是从指令结构来分的两种类型单
6、片机。采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用,即所谓冯.诺伊曼结构。它的指令丰富,功能较强,但取指令和取数据不能同时进行,速度受限,价格亦高。采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离,即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行,且由于一般指令线宽于数据线,使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息,执行效率更高,速度亦更快。同时,这种单片机指令多为单字节,程序存储器的空间利用率大大提高,有利于实现超小型化。属于CISC结构的单片机有IntelMCS-51系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips
7、的PCF80C51系列等;属于RISC结构的有Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。一般来说,控制关系较简单的小家电,可以采用RISC型单片机;控制关系较复杂的场合,如通讯产品、工业控制系统应采用CISC单片机。不过,RISC单片机的迅速完善,使其佼佼者在控制关系复杂的场合也毫不逊色。,EPROM、OTP(一次可编程)、QTP(掩膜)单片机,根据程序存储方式的不同,单片机又可分为EPROM、OTP(一次可编程)、QTP(掩膜)三种。目前单片机大都将程序存储体置于其内,给应用带来
8、了极大的方便。值得一提的是,美国ATMEL公司用自己擅长的FLASH存储技术与单片机技术结合,在MCS51内核中加入了该公司的FLASH存储器技术,推出了ISP单片机大大方便了单片机的设计和开发。,PIC 8位单片机,Microchip公司的PIC单片机最大的特点是多种型号来满足不同层次的应用要求。PIC系列从低到高有几十个型号,可以满足各种需要。比如说对类似汽车点火器,电子钟之类的应用来说需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机,若采用40脚且功能强大的单片机,不仅成本提高,40管脚的芯片体积也太大,PIC就提供PIC12C508单片机来满足此类需求,PIC12C
9、508仅有8个引脚是世界上最小的51单片机,,四、ATMEL的89S5X系列,ATMEL 的89C51即ATMEL公司的 AT89C51 单片机使用很广泛,在第二章详细介绍。五、AVR 高速8位单片机1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术,共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机,简称AVR。突出的型号有:atmega48、atmega8、atmega16、atmega169P,ATMEL的89S5X系列,AVR 高速8位单片机,单片机应用,单片机被称为信息产业三大支柱的“大脑”之一,具有形小、体轻、稳定、可靠等特点应用于仪器上,如设计
10、的信号发生器、多功能函数发生器、多功能电脑电子秤、指纹识别控制系统设计应用于家用电器,如设计的电饭煲、电风扇自然风发生器、电话计费器、心电仪、万年历应用于工业控制,火灾报警器、卫星导航定位GPS的车辆监控系统、温度测控系统、灯光自动控制系统、应用于通信领域,光纤数字遥测系统、具有局域网总线的安全防盗监控系统、单片机与IC卡、基于蓝牙技术的无限收发芯片的应用设计。单片机系能系统的开发不是传统仪器与单片机的简单组合,体现了系统一体化的设计,设计者除了掌握电脑知识外、还需要熟悉硬件电路接口、传感器、和执行机构的具体应用特点 由硬件和软件的配合完成,万年历,如图所示:为小型温控系统的基本电路,如图所示
11、:为小型温控系统的基本电路,特点,现在可以说单片机是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,2.微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PM
12、W(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。,特点,3.主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。,二、单片机的应用的设计,1、硬件条件 编程器、仿真器、实验板 2、软件条件 单片机开发环境是目前使用最流行的软件:Keil6.12和 ADS1.2.KeilC51v612,它可以提供C编译环境。3、单片机的类型 C51系列单片机,