【正文】 單 片機(jī)方案選擇 本設(shè)計(jì)由于對(duì)單片機(jī)使用的資源并不是很多，在設(shè)計(jì)中只用到少量的單片機(jī)資源，只用到一個(gè)定時(shí)器和少量的幾個(gè) I/O 口。單片機(jī) AT89C51 內(nèi)含量 2 個(gè)定時(shí)器 T0、 T1 完全可以滿足本設(shè)計(jì)的要求，所有本設(shè)計(jì)就選用 AT89C51 作為 CPU，以 AT89C51 單片機(jī)為中心配上其他外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能輸液系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)控制功能。 AT89C51 片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)器型，美國(guó) ATMEL 公司推出，它是一個(gè)低功耗、高性能的含有 4KB 閃爍存儲(chǔ)器的 8 位 CMOS 單片機(jī)，時(shí)鐘頻率高達(dá) 20MHZ， 與 MCS51 的指 令系統(tǒng)和引腳完全兼容，芯片本身就是一個(gè)最小系統(tǒng)。閃爍存儲(chǔ)器允許在線（ +5V）電擦除、電寫入或使用編程器對(duì)其重復(fù)編程。此外， AT89C51 還支持由軟件選擇的兩種掉電工作方式，非常適于電池供電或其他要求低功耗的場(chǎng)合。由于單片機(jī) EPROM的 87C51價(jià)格偏高，而 89C51 芯片內(nèi)的 4KB 內(nèi)閃爍存儲(chǔ)器可在線編程或?qū)嵱镁幊唐髦貜?fù)編程 ，且價(jià)格較低。因此， 89C51 受到了應(yīng)用設(shè)計(jì)者的歡迎。 早期的單片機(jī)都是 8位或 4位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。 90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大的提高。隨著 INTEL i960 系列特別是后來的 ARM系列的廣泛應(yīng)用， 32 位單片機(jī)迅速取代 16 位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的 8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80 年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而 普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至 1美元，最高端的型號(hào)也只有 10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。 單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于 嵌入式系統(tǒng) ，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生 活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 12部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備 40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計(jì)算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機(jī)介紹 單片機(jī)又稱單片微控制器 ， 它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ， 而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì) 量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 單片機(jī)內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如 CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲(chǔ)器件，不同的是它的這些部件性能都相對(duì)我們的家用電腦弱很多，不過價(jià)錢也是低的，一般不超過 10元即可 ......用它來做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動(dòng)滾筒洗衣機(jī)、排煙罩、 VCD 等等的家電里面都可以看到它的身影 ， 它主要是作為控制部分的核心部件。 它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是 現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計(jì)算機(jī)的（比如家用 PC）的主要區(qū)別。 單片機(jī)是靠程序的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國(guó) 50年代開發(fā)的 74系列，或者 60 年代的CD4000 系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大 PCB 板！但是如果要是用美國(guó)70年代成功投放市場(chǎng)的系列單片機(jī)，結(jié)果就會(huì)有天壤之別！只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過你編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)高智 能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機(jī)對(duì)成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級(jí) 匯編 語言，它是除了二進(jìn)制機(jī)器碼以上最低級(jí)的語言了，既然這么低級(jí)為什么還要用呢？很多高級(jí)的語言已經(jīng)達(dá)到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡(jiǎn)單，就是單片機(jī)沒有家用計(jì)算機(jī)那樣的 CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲(chǔ)設(shè)備。一個(gè)可視化高級(jí)語言編寫的小程序里面即使只有一個(gè)按鈕，也會(huì)達(dá)到幾十 K的尺寸 ！對(duì)于家用 PC 的硬盤來講沒什么，可是對(duì)于單片機(jī)來講是不能接受的。 單片機(jī)在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用 PC上來運(yùn)行，家用 PC的也是承受不了的。 可以說，二十世紀(jì)跨越了三個(gè) “ 電 ” 的時(shí)代，即電氣時(shí)代、電子時(shí)代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時(shí)代。不過，這種電腦，通常是指?jìng)€(gè)人計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 PC 機(jī)。它由主機(jī)、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計(jì)算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計(jì)算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)（亦稱微控制器）。顧名思義，這種 計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算和控制。因?yàn)樗w積小，通常都藏在被控機(jī)械的 “ 肚子 ” 里。它在整個(gè)裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個(gè)裝置就癱瘓了。現(xiàn)在，河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞 —— “ 智能型 ” ，如智能型洗衣機(jī)等。現(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡(jiǎn)單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未 使用單片機(jī)或其它可編程邏輯器件上。 單片機(jī) 歷史 1946 年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生至今 ， 只有 50年的時(shí)間 ， 依靠微電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步 ， 從電子管 —— 晶體管 —— 集成電路 —— 大規(guī)模集成電路 ， 現(xiàn)在一塊芯片上完全可以集成幾百萬甚至上千萬只晶體管 ， 使得計(jì)算機(jī)體積更小 ， 功能更強(qiáng) .特別是近20年時(shí)間里 ， 計(jì)算機(jī)技術(shù)獲得飛速的發(fā)展 ， 計(jì)算機(jī)在工農(nóng)業(yè) ， 科研 ， 教育 ， 國(guó)防和航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用 ， 計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代科技水平的重要標(biāo)志 。 單片機(jī)誕生于 20世紀(jì) 70 年代 ， 像 Fairchid 公司研制的 F8單片微型 計(jì)算機(jī) .所謂單片機(jī)是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理單元 (Center Processing Unit， 也即常稱的 CPU)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)、程序存儲(chǔ)器 (ROM)及其他 I/O通信口集成在一塊芯片上 ，構(gòu)成一個(gè)最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ， 而現(xiàn)代的單片機(jī)則加上了中斷單元 ， 定時(shí)單元及 A/D 轉(zhuǎn)換等更復(fù)雜、更完善的電路 ， 使得單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大 ， 應(yīng)用更廣泛 。 20世紀(jì) 70 年代 ， 微電子技術(shù)正處于發(fā)展階段 ， 集成電路屬于中規(guī)模發(fā)展時(shí)期 ， 各種新材料新工藝尚未成熟 ， 單片機(jī)仍處在初級(jí)的發(fā)展階段 ， 元件集成規(guī)模還比較小 ， 功能比較簡(jiǎn)單 ， 一般 均把 CPU、 RAM 有的還包括了一些簡(jiǎn)單的 I/O 口集成到芯片上 ， 像Farichild 公司就屬于這一類型 ， 它還需配上外圍的其他處理電路方才構(gòu)成完整的計(jì)算系統(tǒng) .類似的單片機(jī)還有 Zilog 公司的 Z80 微處理器 。 1976 年 INTEL 公司推出了 MCS48 單片機(jī) ， 這個(gè)時(shí)期的單片機(jī)才是真正的 8 位單片微型計(jì)算機(jī) ， 并推向市場(chǎng) .它以體積小 ， 功能全 ， 價(jià)格低贏得了廣泛的應(yīng)用 ， 為單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) ， 成為單片機(jī)發(fā)展史上重要的里程碑 。 在 MCS48 的帶領(lǐng)下 ， 其后 ， 各大半導(dǎo)體公司相繼研制和發(fā)展了自己的單片機(jī) ， 象Zilog 公司的 Z8 系列 .到了 80 年代初 ， 單片機(jī)已發(fā)展到了高性能階段 ， 象 INTEL 公司的 MCS51 系列 ， Motorola 公司的 6801 和 6802 系列 ， Rokwell 公司的 6501 及 6502 系列等等 ， 此外 ， 日本的著名電氣公司 NEC 和 HITACHI 都相繼開發(fā)了具有自己特色的專用單片機(jī) 。 80年代 ， 世界各大公司均競(jìng)相研制出品種多功能強(qiáng)的單片機(jī) ， 約有幾十個(gè)系列 ，300多個(gè)品種 ， 此時(shí)的單片機(jī)均屬于真正的單片化 ， 大多集成了 CPU、 RAM、 ROM、數(shù)目繁多的 I/O 接口、多種中斷系統(tǒng) ， 甚至還有一些帶 A/D 轉(zhuǎn)換器的單片機(jī) ， 功能越來越強(qiáng)河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 大 ， RAM 和 ROM 的容量也越來越大 ， 尋址空間甚至可達(dá) 64kB， 可以說 ， 單片機(jī)發(fā)展到了一個(gè)全新階段 ， 應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛 ， 許多家用電器均走向利用單片機(jī)控制的智能化發(fā)展道路 。 1982 年以后 ， 16位單片機(jī)問世 ， 代表產(chǎn)品是 INTEL 公司的 MCS96 系列 ， 16 位單片機(jī)比起 8位機(jī) ， 數(shù)據(jù)寬度增加了一倍 ， 實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng) ， 主頻更高 ， 集成度達(dá)到了12萬只晶體管 ， RAM 增加到了 232 字節(jié) ， ROM 則達(dá)到了 8kB， 并且有 8 個(gè)中斷源 ， 同時(shí)配置了多路的 A/D轉(zhuǎn)換通道 ， 高速的 I/O處理單元 ， 適用于更復(fù)雜的控制系統(tǒng) 。 九十年代以后 ， 單片機(jī)獲得了飛速 的發(fā)展 ， 世界各大半導(dǎo)體公司相繼開發(fā)了功能更為強(qiáng)大的單片機(jī) 。 美國(guó) Microchip 公司發(fā)布了一種完全不兼容 MCS51 的新一代 PIC 系列單片機(jī) ， 引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注 ， 特別它的產(chǎn)品只有 33條精簡(jiǎn)指令集吸引了不少用戶 ， 使人們從 INTEL 的 111條復(fù)雜指令集中走出來 。 PIC 單片機(jī)獲得了快速的發(fā)展 ， 在業(yè)界中占有一席之地 。 隨后的事情 ， 熟悉單片機(jī)的人士都比較清楚了 ， 更多的單片機(jī)種蜂擁而至 ， MOTOROLA公司相繼發(fā)布了 MC68HC 系列單片機(jī) ， 日本的幾個(gè)著名公司都研制出了性能更強(qiáng)的產(chǎn)品 ，但日本的單片機(jī)一般均用于專用系統(tǒng)控 制 ， 而不象 INTEL 等公司投放到市場(chǎng)形成通用單片機(jī) 。 例如 NEC 公司生產(chǎn)的 uCOM87 系列單片機(jī) ， 其代表作 uPC7811 是一種性能相當(dāng)優(yōu)異的單片機(jī) 。 MOTOROLA 公司的 MC68HC05 系列其高速低價(jià)等特點(diǎn)贏得了不少用戶 。 Zilog 公司的 Z8 系列產(chǎn)品代表作是 Z8671， 內(nèi)含 BASIC Debug 解釋程序 ， 極大地方便用戶 。 而美國(guó)國(guó)半的 COP800 系列單片機(jī)則采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu) .ATMEL 公司則把單片機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的 Flash 存儲(chǔ)技術(shù)完美地結(jié)合起來 ， 發(fā)布了性能相當(dāng)優(yōu)秀的 AT89 系列單片機(jī) 。 包括中國(guó)的臺(tái)灣 HOLTEK和 WINBOND 等公司也紛紛加入了單片機(jī)發(fā)展行列 ， 憑著他們廉價(jià)的優(yōu)勢(shì) ， 分享一杯美羹 。 1990 年美國(guó) INTEL 公司推出了 80960 超級(jí) 32位單片機(jī)引起了計(jì)算機(jī)界的轟動(dòng) ， 產(chǎn)品相繼投放市場(chǎng) ， 成為單片機(jī)發(fā)展史上又一個(gè)重要的里程碑 。 此期間 ， 單片機(jī)園地里 ， 單片機(jī)品種異彩紛呈 ， 爭(zhēng)奇斗艷 .有 8位、 16 位甚至 32位機(jī) ， 但 8位單片機(jī)仍以它的價(jià)格低廉、品種齊全、應(yīng)用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開發(fā)方便等特點(diǎn)而占著主導(dǎo)地位 。 而 INTEL 公司憑著他們雄厚的技術(shù) ， 性能優(yōu)秀的機(jī)型和良好的基礎(chǔ) ， 目前仍是單片機(jī)的主流產(chǎn)品 。 只不過是九十年代 中期 ， INTEL 公司忙著開發(fā)他們個(gè)人電腦微處理器 ， 已沒有足夠的精力繼續(xù)發(fā)展自己創(chuàng)導(dǎo)的單片機(jī)技術(shù) ， 而由PHILIPS 等公司繼續(xù)發(fā)展 C51 系列單片機(jī) 。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 管理及過程控制等領(lǐng)域 ， 大致可分如下幾個(gè)范疇 ： 1. 在智能儀器儀表上的應(yīng)用 單片機(jī)具有體積小、功耗 低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便 的 優(yōu)點(diǎn) ，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中 ， 結(jié)合不同類型的傳感器 ， 可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、 元素、壓力等物理量的測(cè)量 .采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化 ， 且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大 .例如精密的測(cè)量設(shè)備 (功率計(jì) ， 示波器 ， 各種分析儀 )。 2. 在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) .例如工廠流水線的智能化管理 ， 電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng) ， 與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等 。 3. 在家用電器中的應(yīng)用 可以這樣說 ， 現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制 ， 從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備 ， 五花八門 ， 無所不在 。 4. 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和 通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口 ， 可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 ， 為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了