【文章內(nèi)容簡介】 司于 1971年生 產(chǎn) 第一 顆單 片機 Intel4004開始 ， 開創(chuàng) 了 電 子 應 用的“智能化”新 時 代。 單 片機以其高性價比和 靈 活性，牢固 樹 立了其在嵌入式微控制系 統(tǒng) 中的“霸主”地位，在 PC 機以 28 38 Pentium、PⅢ 高速更新 換代 的同 時 ， 單 片機 卻 “始 終如 一”保持旺盛的生命力。例如， MCS51系列 單 片機已有 十多年的生命期，如今仍保持 著 上升的 態(tài)勢 就充分 證 明了 這 一點 。 單 片機的 結(jié) 構(gòu)與 組 成 目前， 單 片機的系 統(tǒng)結(jié) 構(gòu) 有兩種類 型：一種 是將 程序和 數(shù) 據(jù)存 儲 器分 開 使用， 即哈佛 （ Harvard） 結(jié) 構(gòu)， 當 前的 單 片機大都是 這 種 結(jié) 構(gòu)。另一種是采用和 PC機的 馮 .諾 依曼 （ Von Neumann） 類 似的原理， 對 程序和 數(shù) 據(jù)存 儲 器不作 邏輯 上的 區(qū)分，用 來 存放用 戶 程序，可分 為 EPROM、 OTP、 ROM 和 FLASH 等 類 。 EPROM 型 內(nèi) 存 編 程后其 內(nèi) 容可用紫外 線 擦除，用 戶 可反復使用，故特 別 適用于 開發(fā)過 程，但 EPROM 型 單 片機價格很高。具 有 ROM 型（掩膜型） 內(nèi) 存的 單 片機價格最低，它適用于大批量生 產(chǎn)。 由于 ROM 型 單 片機的代 碼 只能由生 產(chǎn) 廠商在制造芯片 時寫 入，故用 戶 要更改程序代 碼 就十分不便，在 產(chǎn) 品未成熟 時選用 ROM型單 片機 風險較 高。 OTP型（一次可 編 程） 單 片機介于 EPROM 和 ROM 型 單 片機 之間 ，它 允許 用 戶 自己 對 其 編 程，但只能 寫 入一次。 OTP型 單 片機生 產(chǎn)多 少完全可由用戶 自己掌握，不存在 ROM 型有最小起 訂 量和掩膜 費問題， 另外， 該類單 片機價格已同掩膜型十分接近，故特 別 受中小批量客 戶 的 歡 迎。 Flash 型（ 閃 速型） 單 片南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 機 允許 用 戶 使 用編 程工具或 在線 快速修改程 序 代碼 ，且可反復使用，故一推出就受到 廣 大用 戶 的 歡 迎。 Flash 型 單 片機 ,即可用于 開發(fā)過 程，也可用于批量生 產(chǎn) ，隨著 制造 工藝 的改 進 ， Flash 型 單 片機價格不 斷 下降，使用越 來 越普遍，它已是現(xiàn) 代 單 片機 的發(fā) 展 趨勢。 隨 機 內(nèi) 存 （ RAM） :用 來 存放程序 運 行 時 的工作 變 量和數(shù) 據(jù)，由于 RAM 的制作 工藝 復 雜， 價格比 ROM 高得多，所以 單 片機的 內(nèi) 部 RAM非常 寶貴， 通常 僅 有幾十到幾百 個 字 節(jié) 。 RAM 的 內(nèi) 容是易失性（也有的 稱 易 揮發(fā) 性）的，掉 電 后 會丟 失。最近出 現(xiàn)了 EEPROM 或 FLASH 型的 數(shù) 據(jù)存 儲 器，方便用 戶 存放不 經(jīng) 常改 變 的 數(shù) 據(jù)及其它重要 信息。 單 片機通常 還 有特殊寄存器和通用寄存器，它 們 是 單 片機中存取速度最快的 內(nèi) 存，但通常存 儲空間 很小。 中央 處 理器（ CPU） 是 單 片機的核心 單 元，通常由算 術(shù)邏輯運 算部件 ALU 和控制部件構(gòu)成。 CPU就象人的大 腦 一 樣 ， 決定了單 片機的 運 算能力和 處 理速度。 并行 輸 入 /輸 出 （ I/O）口 :通常 為獨 立的 雙向 口，任何口既可以用作 輸 入方式，又可以作 輸 出方式，通過軟 件 編 程 來設(shè) 定。 現(xiàn) 代的 單 片機的 I/O 口也有不同的功能 ，有的 內(nèi) 部具有上拉或下拉 電阻 ，有的是漏極 開 路 輸 出，有的能提供足 夠 的 電 流可 以直 接驅(qū)動 外部 設(shè)備 。 I/O 是 單 片機的重要 資 源，也是衡量 單 片機功能的重要指 針 之一。串口輸 入 /輸 出口 :用于 單 片機和串行 設(shè)備或其它單 片機的通信。串行通信有同步和異步之分， 這 可以用硬件或通用串行收 發(fā) 器 件來實現(xiàn) 。不同的 單 片機可能提供不同標 準的串行通信接口，如 UART、 SPI、 I2C、 Micro Wire 等。 定 時 器 /計數(shù)器（ T/C） 單片機內(nèi) 部用于精 確定時 或 對 外部事件 （輸 入信 號 如 脈沖 ） 進 行 計數(shù) ，有的單片機內(nèi) 部有多 個定時 /計數(shù)器 。 系 統(tǒng)時鐘 通常需要外接石英晶體或其它振 蕩 源 來 提供 時鐘 信 號輸 入，也有的使用 內(nèi) 部RC振 蕩 器。 第三章 單片機介紹 10 以上是 單 片機的基本構(gòu)成， 現(xiàn) 代的 單 片機又加入了 許 多新的功能部件，如模擬 /數(shù) 字 轉(zhuǎn)換 器 （ A/D） 、 數(shù) 字 /模 擬轉(zhuǎn)換 器 （ D/A） 、 溫 度 傳 感器、液晶 （ LCD）驅(qū)動電 路、 電壓監(jiān) 控、看 門 狗 （ WDT） 電 路、低 壓檢測 （ LVD） 電 路等等 單 片機 編 程 語 言介 紹 對 于 51系列 單 片機， 現(xiàn) 有四 種語 言支持，即 匯編 、 PL/M， C 和 BASIC。 BASIC 通常附在 PC 機上，是初 學編 程的第一 種語 言。一 個 新 變 量名定 義 之后可在程序中作 變 量使用，非常易 學 ，根據(jù) 解釋 的行可以找到 錯誤而 不是 當 程 序執(zhí) 行完才能 顯現(xiàn) 出 來 。 BASIC 由于逐行 解釋 自然很 慢，每一行必 須在執(zhí) 行 時轉(zhuǎn)換成機器代 碼， 需要花 費許多時間 不能做到 實時 性。 BASIC 為簡 化使用 變 量，所有變 量都用 浮點 值。 BASIC 是用于要求 編 程 簡單 而 對編 程效率和 運 行速度要求不高的場 合。 PL/M 是 Intel 從 8080 微 處 理器 開始為 其系列 產(chǎn) 品 開發(fā)的編 程 語 言。它很像PASCAL，是一種 結(jié) 構(gòu) 化語 言，但它使用 關(guān)鍵詞 去定 義結(jié) 構(gòu)。 PL/M 編譯 器好像 匯編器一樣 可 產(chǎn) 生 緊湊 代 碼 。 PL/M 總 的 來說 是“高 級匯編語 言”，可 詳細 控制 著代 碼的 生成。但 對 51系列， PL/M 不支持復 雜的 算 術(shù)運 算、 浮點變 量而 無 豐富的庫 函 數(shù) 支持。 學習 PL/M 無 異 于 學習 一種新 語 言。 C語 言是一種源于 編寫 UNIX 操作系 統(tǒng) 的 語 言，它是一種 結(jié) 構(gòu) 化語 言，可 產(chǎn)生 壓縮 代 碼 。 C語言結(jié) 構(gòu)是以括 號 { }而不是子和特殊符 號 的 語 言。 C 可以 進 行許 多機器 級 函 數(shù) 控制而不用 匯編語 言。與 匯編相 比，有如下優(yōu) 點 ： 對單 片機的指令系 統(tǒng) 不要求了解， 僅 要求 對 51 的 內(nèi) 存 結(jié) 構(gòu)有初步了解寄存器分配、不同 內(nèi) 存的 尋 址及 數(shù) 據(jù) 類 型等 細節(jié) 可由 編譯 器管理程序有 規(guī) 范的 結(jié) 構(gòu)，可分 為 不同的函數(shù) 。 這 種方式可使程序 結(jié) 構(gòu)化 將可變 的 選擇與 特殊操 作組 合在一起的能力，改善了程序的可 讀 性 編 程及程 序調(diào)試時間顯著縮 短， 從 而提高效率提供的 庫 包含 許 多標 準子程序，具有 較強 的 數(shù) 據(jù) 處 理能 將 已 編 好程序可容易的植入新程序，因 為 它具有方便的模 塊 化 編 程技 術(shù) C語 言作 為 一種非常方便的 語 言而得到 廣泛 的支持，C語 言程序本 身并不依 賴于 機器硬件系 統(tǒng) ，基本上不做修改就可根據(jù) 單 片機不同 較快 地移植 過來 。 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 51 的匯編語 言非常像其它 匯編語 言。指令系 統(tǒng) 比第一代微 處 理器要 強 一些。51的不同存 儲區(qū) 域使得其復 雜 一些。 盡 管懂得 匯編語 言不是你的目的，看懂一些可 幫 助你了解影 響 任何 語 言效率的 51特殊 規(guī) 定。例如，懂得 匯編語 言指令就可以使用在 片內(nèi) RAM 作 變 量的 優(yōu)勢 ，因 為 片外 變 量需要幾 條 指令才能 設(shè) 置累加器和 數(shù) 據(jù)指 針進 行存取。要求使用 浮點 和 啟 用函 數(shù)時只 有具 備匯編編程經(jīng)驗 才能 避免生 成龐 大的、效率低的程序， 這 需要考 慮簡單 的算 術(shù)運 算或先算好的查表法。 最好的 單 片機 編 程者 應 是 由匯編轉(zhuǎn) 用 C而不是原 來 用 過標 準 C語 言的人。 由此 來 看， 單 片機有 著 微 處 理器所不具 備 的功能，它可 單獨地 完成 現(xiàn) 代 工業(yè)控制所要求的智能化控制功能， 這 是 單 片機最大的特征。 系 統(tǒng) 單片機 選擇 本系 統(tǒng) 以 MCS51單 片機成 員 中的 AT89C51 為 控制核心。 AT89C51 是美 國ATMEL 公司生 產(chǎn) 的低功耗，高性能 CMOS 8 位 單 片機， 片內(nèi) 含 4kbytes 的 可系 統(tǒng)編 程的 Flash 只 讀 程序 內(nèi) 存，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存 儲 技 術(shù)生 產(chǎn) ，兼 容標 準 8051 指令系 統(tǒng) 及引 腳 。它集 Flash 程序 內(nèi) 存既可 在線編 程（ ISP）也可用 傳統(tǒng)方 法 進 行 編 程及通用 8位微 處 理器 于單 片芯片中， ATMEL 公司的功能強大 ，低價位 AT89C51 單 片機可 為 您提供 許 多高性價比的 應 用 場 合，它 靈 活 應 用于各種控制 領(lǐng) 域。 主要性能 參數(shù) ： （ 1）與 MCS51產(chǎn) 品指令系 統(tǒng) 完全兼容 （ 2） 4K 字 節(jié) 在系 統(tǒng)編 程 （ ISP） Flash 閃 速 內(nèi) 存 （ 3） 1000 次擦 寫 周期 （ 4） 的工作 電壓 范 圍 （ 5）全 靜態(tài) 工作模式： 0Hz— 33MHz （ 6）三 級 程序加 密鎖 （ 7） 256?8字體 內(nèi) 部 RAM （ 8） 32 個 可 編 程 I/O 口 線 （ 9） 3個 16 位 定時 /計數(shù)器 （ 10） 8 個 中 斷 源 第三章 單片機介紹 12 （ 11）全 雙 工串行 UART 通道 （ 12）低功耗 空閑 和掉 電 模式 （ 13）中 斷可從空閑 模 喚醒 系 統(tǒng) （ 14）看 門 狗 （ WDT） 及 雙數(shù) 據(jù)指 針 （ 15）掉 電標識 和快速 編 程特性 （ 16） 靈 活的在系 統(tǒng)編 程（ ISP— 字 節(jié) 或 頁寫 模式） 其 內(nèi)部結(jié) 構(gòu) 結(jié) 構(gòu)如 圖 31所示： 圖 31 單片機內(nèi)部結(jié) 構(gòu) 圖 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 AT89C51 引 腳 功能介 紹 源引 腳 Vcc和 GND Vcc： 電 源 電壓， GND(10 腳 )：接地端。 路引 腳 XTAL l和 XTAL 2。 XTAL 2(18 腳 )：接外部晶體和微 調(diào)電 容的一端。在 內(nèi) 它是振 蕩電 路反相放大器的 輸 出端，振 蕩電 路的 頻 率就是晶體的固有 頻 率。要 檢 查 單 片機的振 蕩電 路是否正確工作，可用示波器查看 XTAL2 端是否有 脈沖 信 號輸 出。 XTAL 1(19 腳 )：接外部晶體的微 調(diào)電 容的另一端。在 片內(nèi) 它是振 蕩電 路反相放大器的 輸 入端。若需采用外部 時鐘電 路 時 ， 該 引 腳輸 入外部 時鐘 脈沖 如 圖32， 33 所示： 圖 32 AT89S51單 片機晶振接法 號 引 腳 RST RES(8 腳 )“ RST 是復位信 號輸 入端，高 電平 有效。 當 此 輸 入端保 持兩個 機器周期 (24 個時鐘 振 蕩 周期 )的高 電平時 ，可以完成復位操作。 圖 33 外部 時鐘電 路 ／ O(輸 入／ 輸 出 ) P0、 P P2 和 P3 第三章 單片機介紹 14 標 準 51單 片機，如 805 803 AT89C5 AT89S5 P89C51 等有 4 個 I／O(輸 入／ 輸 出 )口，分 別為： P0 口 (39— 32 腳 )： P0 口是一 個 漏極 開 路的 8位 雙向 埠。作 為 漏極 八路的 輸出端口，每次 能驅(qū)動 8 個 Ls 型 TTL 負載 。 當 P0口作 為輸 入口使用 時 ，其先向 鎖存器 (地址 80H)寫 入全 1，此 時 P0口的全部引 腳懸 空，叫作 為 高阻抗 輸 入。 P1 口 (1— 8腳 )： P1 口是一 個帶 上拉 電阻 的 8位準 雙向 I/O端口每一 位能驅(qū)動 (吸收 成輸 出 電 流 )4 個 LS 型 TTL 負載 。 在 P1 口作 為輸 入口使用 時 ， 應 先向 P1 口 鎖 存器 (地址 90H)寫 入全 1,上拉 電阻 接成高 電平 。 P2 口 (21— 28 腳 )： P2口是一 個帶內(nèi) 部上接 電阻 的 8位準 雙向 埠。 P2口的每一 位能驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL負載 。 P3 口 (21— 28 腳 )： P3 口是一 個帶內(nèi) 部上接 電阻 的 8位準 雙向 埠。 P3 口的每一 位能驅(qū)動 (吸收或 輸 出 電 流 )4 個 LS型 TTL 負載 。 P3 口與其它的 I/O 埠有很大 區(qū)別 ，它除作 為 — 般準 雙向 I／ O口外，每 個 引 腳還 具有 專門 的功能， 見 表 31。 表 31 端口引腳功能 P1 口也是一 個 準 雙向 口，作通用 I/O 口使用。其 電 路 結(jié)構(gòu)見 圖 34 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 34 P1口作通用 I/O口使用 輸 出