【正文】 階段單片機(jī)的代表為8051 系列。許多半導(dǎo)體公司和生產(chǎn)廠以MCS51 的8051 為內(nèi)核，推出了滿足各種嵌入式應(yīng)用的多種類(lèi)型和型號(hào)的單片機(jī)。其主要技術(shù)發(fā)展有： （1） 外圍功能集成。滿足模擬量直接輸入的ADC 接口；滿足伺服驅(qū)動(dòng)輸出的PWM；保證程序可靠運(yùn)行的程序監(jiān)控定時(shí)器WDT（俗稱(chēng)看門(mén)狗電路）。 （2） 出現(xiàn)了為滿足串行外圍擴(kuò)展要求的串行擴(kuò)展總線和接口，如SPI、I2C Bus、單總線（1Wire）等。 （3） 出現(xiàn)了為滿足分布式系統(tǒng)，突出控制功能的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，如CAN Bus 等。 （4） 在程序存儲(chǔ)器方面廣泛使用了片內(nèi)程序存儲(chǔ)器技術(shù)，出現(xiàn)了片內(nèi)集成EPROM、EEPROM、FlashROM 以及MaskROM、OTPROM 等各種類(lèi)型的單片機(jī)，以滿足不同產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的需要，也為最終取消外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展奠定了良好的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，一些公司面向更高層次的應(yīng)用，發(fā)展推出了16 位的單片機(jī)，典型代表有Inter 公司的 MCS96 系列的單片機(jī)。 第四階段（1993 年現(xiàn)在）：百花齊放階段。現(xiàn)階段單片機(jī)發(fā)展的顯著特點(diǎn)是百花齊放、技術(shù)創(chuàng)新，以滿足日益增長(zhǎng)的廣泛需求。其主要方面有： （1）單片嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用是面對(duì)最底層的電子技術(shù)應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的玩具、小家電；到復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、智能儀表、電器控制；以及發(fā)展到機(jī)器人、個(gè)人通信信息終端、機(jī)頂盒等。因此，面對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象，不斷推出適合不同領(lǐng)域要求的，從簡(jiǎn)易性能到多全功能的單片機(jī)系列。 （2）大力發(fā)展專(zhuān)用型單片機(jī)。早期的單片機(jī)是以通用型為主的。由于單片機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)的提高、周期縮短、成本下降，以及許多特定類(lèi)型電子產(chǎn)品，如家電類(lèi)產(chǎn)品的巨大的市場(chǎng)需求能力，推動(dòng)了專(zhuān)用單片機(jī)的發(fā)展。在這類(lèi)產(chǎn)品中采用專(zhuān)用單片機(jī)，具有低成本、資源有效利用、系統(tǒng)外圍電路少、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。因此專(zhuān)用單片機(jī)也是單片機(jī)發(fā)展的一個(gè)主要方向。 （3）致力于提高單片機(jī)的綜合品質(zhì)。采用更先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提高單片機(jī)的綜合品質(zhì)，如提高I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力；增加抗靜電和抗干擾措施；寬（低）電壓低功耗等。單片嵌入式系統(tǒng)的核心――單片機(jī)，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、擴(kuò)大存儲(chǔ)容量和加強(qiáng)I/O 功能等方向發(fā)展。其進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)是多方面的。 （1） 全盤(pán)CMOS 化。CMOS 電路具有許多優(yōu)點(diǎn)，如極寬的工作電壓范圍；極佳的低功耗及功耗管理特性等。CMOS 化已成為目前單片機(jī)及其外圍器件流行的半導(dǎo)體工藝。 （2） 采用RISC 體系結(jié)構(gòu)。早期的單片機(jī)大多采用CISC 結(jié)構(gòu)體系，指令復(fù)雜，指令代碼、周期數(shù)不統(tǒng)一；指令運(yùn)行很難實(shí)現(xiàn)流水線操作，大大阻礙了運(yùn)行速度的提高。如MCS51 系列單片機(jī)，當(dāng)外部時(shí)鐘為12MHz 時(shí)，其單周期指令運(yùn)行速度也僅為1MIPS。采用RISC 體系結(jié)構(gòu)和精簡(jiǎn)指令后，單片機(jī)的指令絕大部分成為單周期指令，而通過(guò)增加程序存儲(chǔ)器的寬度（如從8 位增加到16 位），實(shí)現(xiàn)了一個(gè)地址單元存放一條指令。在這種體系結(jié)構(gòu)中，很容易實(shí)現(xiàn)并行流水線操作，大大提高了指令運(yùn)行速度。目前一些RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，如美國(guó)ATMEL公司的AVR 系列單片機(jī)已實(shí)現(xiàn)了一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。與MCS51 相比，在相同的12MHz 外部時(shí)鐘下，單周期指令運(yùn)行速度可達(dá)12MIPS。一方面可獲得很高的指令運(yùn)行速度，另一方面，在相同的運(yùn)行速度下，可大大降低時(shí)鐘頻率，有利于獲得良好的電磁兼容效果。 （3） 多功能集成化。單片機(jī)在內(nèi)部已集成了越來(lái)越多的部件，這些部件不僅包括一般常用的電路，如：定時(shí)/計(jì)數(shù)器，模擬比較器，A/D 轉(zhuǎn)換器，D/A 轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，WDT電路，LCD 控制器等，還有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊CAN 總線，以方便地構(gòu)成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。為了能在變頻控制中方便使用單片機(jī)，形成最具經(jīng)濟(jì)效益的嵌入式控制系統(tǒng)。有的單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置了專(zhuān)門(mén)用于變頻控制的脈寬調(diào)制控制電路PWM。 （4） 片內(nèi)存儲(chǔ)器的改進(jìn)與發(fā)展。目前新型的單片機(jī)一般在片內(nèi)集成兩種類(lèi)型的存儲(chǔ)器：隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器SRAM，做為臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放工作數(shù)據(jù)用；只讀存儲(chǔ)器ROM，做為程序存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)控制程序和固定不變的數(shù)據(jù)。片內(nèi)存儲(chǔ)器的改進(jìn)與發(fā)展的方向是擴(kuò)大容量、ROM數(shù)據(jù)的易寫(xiě)和保密等。 。新型的單片機(jī)一般在片內(nèi)集成的SRAM 在128 字節(jié)至1K 字節(jié)， ROM 的容量一般為4K 字節(jié)至8K 字節(jié)。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、音視頻等高端產(chǎn)品的需要，高擋的單片機(jī)在片內(nèi)集成了更大容量的RAM 和ROM 存儲(chǔ)器。如 ATMEL 公司的ATmega16，片內(nèi)的SRAM為1K 字節(jié)，F(xiàn)lashROM 為16K 字節(jié)。而該系列的高端產(chǎn)品ATmega256，片內(nèi)集成了8K 字節(jié)的SRAM，256K 字節(jié)的FlashROM 和4K 字節(jié)的EEPROM。 型向FlashROM 發(fā)展。早期的單片機(jī)在片內(nèi)往往沒(méi)有程序存儲(chǔ)器或片內(nèi)集成EPROM 型的程序存儲(chǔ)器。將程序存儲(chǔ)器集成在單片機(jī)內(nèi)可以大大提高單片機(jī)的抗干擾性能、提高程序的保密性、減少硬件的設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和空間等許多優(yōu)點(diǎn)，因此片內(nèi)集成程序存儲(chǔ)器已成為新型單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)方式。但由于EPROM 需要使用12v 高電壓編程寫(xiě)入、紫外線光照擦除、重寫(xiě)入次數(shù)有限等缺點(diǎn)，這給使用帶來(lái)了不便。新型的單片機(jī)則采用FlashROM 以及MaskROM、OTPROM 做為片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器。FlashROM 在通常電壓（如5v/3v）下就可以實(shí)現(xiàn)編程寫(xiě)入和擦除操作，重寫(xiě)次數(shù)在10000 次以上，并可實(shí)現(xiàn)在線編程寫(xiě)入ISP技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，為使用帶來(lái)了及大的方便。采用MaskROM 的微控制器稱(chēng)為掩模芯片，它是在芯片制造過(guò)程中就將程序“寫(xiě)入”了，并永遠(yuǎn)不能改寫(xiě)。采用OTPROM 的微控制器，其芯片出廠時(shí)片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器是“空的”，它允許用戶將自己編寫(xiě)好的程序一次性的編程寫(xiě)入，之后便再也無(wú)法修改了。后兩種類(lèi)型的單片機(jī)適合于大批量產(chǎn)品生產(chǎn)的使用，而前兩種類(lèi)型的微控制器則適合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、批量生產(chǎn)以及學(xué)習(xí)培訓(xùn)的應(yīng)用。3. 程序保密化。一個(gè)單片嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序是系統(tǒng)的最重要的部分，是知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的核心。為了片內(nèi)的程序防止被非法讀出復(fù)制，新型的單片機(jī)往往采用對(duì)片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器采用加鎖保密。系統(tǒng)程序編程寫(xiě)入片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器后，可以再對(duì)加密保護(hù)單元編程，使芯片加鎖。加鎖加密后，從芯片的外部則無(wú)法讀取片內(nèi)的系統(tǒng)程序代碼，若將加密單元擦除，則片內(nèi)的程序也同時(shí)擦除掉，這樣便達(dá)到了程序保密的目的。（5） ISP、IAP 及基于ISP、IAP 技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。ISP(In System Programmable)稱(chēng)為在線系統(tǒng)可編程技術(shù)。隨著微控制器在片內(nèi)集成EEPROM、FlashROM 的發(fā)展，導(dǎo)致了ISP技術(shù)在單片機(jī)中的應(yīng)用。首先實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)程序的串行編程寫(xiě)入（下載），使得不必將焊接在PCB 印刷電路板上的芯片取下，就可直接將程序下載到單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，淘汰了專(zhuān)用的程序下載寫(xiě)入設(shè)備。其次，基于ISP 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使模擬仿真開(kāi)發(fā)技術(shù)重新興起。在單時(shí)鐘、單指令運(yùn)行的RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)中，可實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)通過(guò)串行電纜對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的在線仿真調(diào)試。在ISP 技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了IAP(In Application Programmable)技術(shù)，也稱(chēng)在應(yīng)用可編程技術(shù)。利用IAP 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用戶可隨時(shí)根據(jù)需要對(duì)原有的系統(tǒng)方便的在線更新軟件、修改軟件，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程調(diào)試和遠(yuǎn)程更新。（6） 實(shí)現(xiàn)全面功耗管理。采用CMOS 工藝后，單片機(jī)具有極佳的低功耗和功耗管理功能。它包括： 單片機(jī)的低功耗運(yùn)行方式，既閑置方式（Idle Mode）、掉電方式（PowerDown Mode）。配置有高速（主）和低速（子）兩個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)。在不需要高速運(yùn)行時(shí)，則轉(zhuǎn)入子時(shí)鐘控制下，以節(jié)省功耗。?? 片內(nèi)外圍電路的電源管理。對(duì)集成在片內(nèi)的外圍接口電路實(shí)行供電管理，當(dāng)該外圍電路不運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉其供電。?? 低電壓節(jié)能技術(shù)。CMOS 電路的功耗與電源電壓有關(guān)，降低系統(tǒng)的供電電壓，能大幅度減少器件的功耗。新型的單片機(jī)往往具有寬電壓（3V－5V）或低電壓（3V）運(yùn)行的特點(diǎn)。低電壓低功耗是手持便攜式系統(tǒng)重要的追求目標(biāo)，也是綠色電子的發(fā)展方向。（7） 以串行總線方式為主的外圍擴(kuò)展。目前，單片機(jī)與外圍器件接口技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面是由并行外圍總線接口向串行外圍總線接口的發(fā)展。采用串行總線方式為主的外圍擴(kuò)展技術(shù)具有方便、靈活、電路系統(tǒng)簡(jiǎn)單、占用I/O 資源少等特點(diǎn)。采用串行接口雖然比采用并行接口數(shù)據(jù)傳輸速度慢，但隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展，大批采用標(biāo)準(zhǔn)串行總線通信協(xié)議（如：SPI、I2C、1Wire 等）的外圍芯片器件的出現(xiàn)，串行傳輸速度也在不斷提高（可達(dá)到1M－10M 的速率），片內(nèi)集成程序存儲(chǔ)器而不必外部并行擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，加之單片嵌入式系統(tǒng)有限速度的要求，使得以串行總線方式為主的外圍擴(kuò)展方式能夠滿足大多數(shù)系統(tǒng)的需求，成為流行的擴(kuò)展方式，而采用并行接口的擴(kuò)展技術(shù)則成為輔助方式。（8）單片機(jī)向片上系統(tǒng)SOC 的發(fā)展。SOC(System On Chip)是一種高度集成化、固件化的芯片級(jí)集成技術(shù)，其核心思想是把除了無(wú)法集成的某些外部電路和機(jī)械部分之外的所有電子系統(tǒng)電路全部集成在一片芯片中?，F(xiàn)在一些新型的單片機(jī)（如AVR 系列單片機(jī)）已經(jīng)是SOC 的雛形，在一片芯片中集成了各種類(lèi)型和更大容量的存儲(chǔ)器，更多性能更加完善和強(qiáng)大的功能電路接口，這使得原來(lái)需要幾片甚至十幾片芯片組成的系統(tǒng)，現(xiàn)在只用一片就可以實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)不僅是減小了系統(tǒng)的體積和成本，而且也大大提高了系統(tǒng)硬件的可靠性和穩(wěn)定性。 單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車(chē)的安全保障系統(tǒng)，錄象機(jī)、攝象機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 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(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類(lèi)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(shuō)，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(mén)，無(wú)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)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車(chē)無(wú)線通信、再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。（5）單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用：?jiǎn)纹瑱C(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。（6）在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用：某些專(zhuān)用單片機(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進(jìn)行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂(lè)集成單片機(jī)，看似簡(jiǎn)單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類(lèi)似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂(lè)信號(hào)以數(shù)字的形式存于存儲(chǔ)器中（類(lèi)似于ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂(lè)電信號(hào)（類(lèi)似于聲卡）。在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡(jiǎn)化了電路，降低了損壞、錯(cuò)誤率，也方便于更換。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。現(xiàn)今的單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，因此成本也相對(duì)于別的新產(chǎn)品低，同時(shí)穩(wěn)定性也會(huì)更加的好。基于這些考慮，本設(shè)計(jì)使用89C51進(jìn)行控制。 ATmega16單片機(jī)簡(jiǎn)介 ATmega16單片機(jī)定義ATmega16單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)主要的存儲(chǔ)空間。本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot FlasMemory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW 操作。 通過(guò)將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，包括：C 語(yǔ)言 編譯器、宏匯編、 程序調(diào)試器/ 軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板。此外，ATmega16還有EEPROM存儲(chǔ)器以保存數(shù)據(jù)。這三個(gè)存儲(chǔ)器空間都為線性的平面結(jié)構(gòu)。ATmega16 有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力即RWW),512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C