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
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.
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.
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.
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.
(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.
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.
MCS-51单片机系列产品 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.
表1.1 MCS-51系列单片机
资源配置 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
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.
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.
4.AT89系列单片机 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.
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.
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.
表1.2 AT89系列单片机概况
型号AT89C51
AT89C52
AT89C1051
AT89C2051
AT89S8252
Flash(KB)
4
8
1
2
8
片内RAM(B)
128
256
64
128
256
I/O(条)
32
32
15
15
32
定时器(个)
2
3
1
2
3
中断源(个)
6
8
3
6
9
串行接口(个)
1
1
1
1
1
M加密/级33223片内振荡器
有有有有有EEPROM(KB)
无无无无25.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.
(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.
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.
(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.
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?3. 8051、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?