【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 6 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）。 7 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?，F(xiàn)在，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)的特點(diǎn) 單片機(jī)的特點(diǎn)主要有 ：高集成度，體積小，高可靠性 ；控制功能強(qiáng)；低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 ；易擴(kuò)展；優(yōu)異的性能價(jià)格比。 單片機(jī)是以工業(yè)測(cè)控對(duì)象、環(huán)境、接口特點(diǎn)出發(fā)向著增強(qiáng)控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性方向發(fā)展。主要特點(diǎn)如下： 1. 種類多，型號(hào)全。很多單片機(jī)廠家逐年擴(kuò)大適應(yīng)各種需要，有針對(duì)性地推出一系列型號(hào)產(chǎn)品，使系統(tǒng)開發(fā)工程師有很大的選擇余地。大部分產(chǎn)品有較好的兼容性，保證了已開發(fā)產(chǎn)品能順利移植，較容易地使產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)換代。 2. 提高性能，擴(kuò)大容量，性能價(jià)格比高。集成度已經(jīng)達(dá)到 300 萬個(gè)晶體管以上，總線速度達(dá)到數(shù)十微妙到幾百納秒，指令執(zhí)行周期已經(jīng)達(dá)到幾微妙到數(shù)十納秒，以往片外 XRAM 現(xiàn)已在物理上存入片內(nèi)， ROM 容量已經(jīng)擴(kuò)充達(dá) 32K， 64K， 128K 以致更大的空間。價(jià)格從幾百到幾元不等。 3. 增加控制功能，向真正意義上的 “ 單片 ” 機(jī)發(fā)展。把原本是外圍接口芯片的功能集成到一塊芯片內(nèi)，在一片芯片中構(gòu)造了一個(gè)完整的功能強(qiáng)大的微處理應(yīng)用系統(tǒng)。 4. 低功耗?，F(xiàn)在新型單片機(jī)的功耗越來越小，供電電壓從 5V 降低到了 ，甚至 1V，工作電流從 mA 降到 181。A 級(jí)， gz2 頻率從十幾兆可編程到幾十千赫茲。特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式 8 包括等待，暫停，睡眠，空閑，節(jié)電等。 5. C 語言開發(fā)環(huán)境，友好的人機(jī)互交環(huán)境。大多數(shù)單片機(jī)都提供基于C 語言開發(fā)平臺(tái)，并提供大量的函數(shù)供使用，這使產(chǎn)品的開發(fā)周期、代碼可讀性、可移植性都大為提高。 單片機(jī)的應(yīng)用 1. 在智能儀表中的應(yīng)用 這是單片機(jī)應(yīng)用最多最活躍的領(lǐng)域之一。在各類儀器儀 表中引入單片機(jī)，使儀器儀表智能化，提高測(cè)試的自動(dòng)化程度和精度，簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價(jià)格比。 2. 在機(jī)電一體化中的應(yīng)用 機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集機(jī)械技術(shù)，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī) 技術(shù) 于一體，使其產(chǎn)品具有智能化特征的電子產(chǎn)品。它是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的方向。 3. 在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 單片機(jī)廣泛用于各種實(shí)時(shí)過程控制系統(tǒng)中，例如工業(yè)過程控制、過程監(jiān)測(cè)、航空航天、間斷武器、機(jī)器人系統(tǒng)等各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制，保證系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，有利于提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。 4. 在人們 生活中的應(yīng)用 目前國(guó)內(nèi)外各種家具已經(jīng)普遍用單片機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制電路，例如，洗衣機(jī) 、電冰箱、空調(diào)機(jī)、微波爐、電飯煲、收音機(jī)、音像、電風(fēng)扇及許多高級(jí)電子玩具都配上了單片機(jī)。 5. 在其他方面的應(yīng)用 單片機(jī)還廣泛應(yīng)用于辦公自動(dòng)化領(lǐng)域、商業(yè)營(yíng)銷領(lǐng)域、安全防衛(wèi)、汽車及通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、模糊控制等領(lǐng)域。 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理 9 單片機(jī) 的引腳 功能介紹 AT89C51 的 引腳排列請(qǐng)參見圖 13。 圖 13 AT89C51 引腳圖 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) 閃爍 可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 AT89C51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版 本。 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入 10 式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖所示 。 主要特性： （ 1） 與 AT89C51 兼容 （ 2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 （ 3） 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) （ 4） 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 （ 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz （ 6） 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 （ 7） 1288 位內(nèi)部 RAM （ 8） 32 可編程 I/O 線 （ 9） 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 （ 10） 5 個(gè)中斷源 （ 11） 可編程串行通道 （ 12） 低功耗的閑置和掉電 模式 （ 13） 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被 內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出 11 電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng) 對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個(gè) TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈 沖。在平時(shí)，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE 禁止，置位無效。 12 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA ：當(dāng) EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性 : XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 單片機(jī)的 時(shí)鐘電路與復(fù)位電路 1. 時(shí)鐘電路與時(shí)序 （ 1）時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生 在 單片機(jī) 芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳X