【正文】 路固有的領(lǐng)地。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。彩電、冰箱、空調(diào)、錄像機(jī)、 VCD、遙控器、游戲機(jī)、電飯煲等無處不見單片機(jī)的影子，單片機(jī)早已深深地融入我們每個人的生活之中。單片機(jī)按用途大體上可分為兩類，一種是通用型單片機(jī)，另一種是專用型單片機(jī)。相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)，和計算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了 I/O 設(shè)備。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個芯片中，使 計算機(jī)系統(tǒng) 更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。其中最成功的是 INTEL 的 8031，此后在 8031上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)。盡管 2021 年以后 ARM已經(jīng)發(fā)展出了 32位的主頻超過 300M的高端單片機(jī)，直到目前基于 8031的單片機(jī)還在廣泛的使用。事實上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多處理器，隨著單片機(jī)家族的發(fā)展壯大，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。手機(jī)、電話、 計算器 、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)。 單片機(jī)的應(yīng)用分類 單片機(jī)作為計算機(jī)發(fā) 展的一個重要分支領(lǐng)域，根據(jù)目前發(fā)展情況，從不同角度單片機(jī)大致可以分為通用型 /專用型、總線型 /非總線型及工控型 /家電型。例如， 80C51 是通用型單片機(jī)，它不是為某種專用途設(shè)計的；專用型單片機(jī)是針對一類產(chǎn)品甚至某一個產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內(nèi)集成 ADC 接口等功能的溫度測量控制電路?？偩€型單片機(jī)普遍設(shè)置有并行地址總線、 數(shù)據(jù)總線、控制總線，這些引腳用以 擴(kuò)展并行外圍器件都可通過串行口與單片機(jī)連接，另外，許多單片機(jī)已把所需要的外圍器件及外設(shè)接口集成一片內(nèi)，因此在許多情況下可以不要并行擴(kuò)展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機(jī)稱為非總線型單片機(jī)。一般而言，工控型尋址范圍大，運(yùn)算能力強(qiáng)；用于家電的單片機(jī)多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設(shè)接口集成度高。例如， 80C51 類十秒的秒表 3 單片機(jī)既是通用型又是總線型，還可以作工控用。其中最成功的是 INTEL 的 8031，此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51系列 MCU 系統(tǒng)。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)，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。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。目前，高端的 32 位 Soc 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，而普通的型號出廠價格跌落至 1 美元，最高端的型號也只有10美元。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) 。 主要階段 早期階段 SCM 即 單片微型計算機(jī) （ Single Chip Microputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳 體系結(jié)構(gòu) 。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上， Intel 公司功不可沒。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展 MCU 的重任不可避免地落在電氣、 電子技術(shù) 廠家。在發(fā)展 MCU 方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù) Philips 公司。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記 Intel和 Philips 的歷史功績。隨著微電子技術(shù)、 IC 設(shè) 計、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SoC 的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。 1971 年 intel 公司 研制出世界上第一個 4 位的微處理器； Intel 公司的 霍夫研 制成功世界上第一塊 4 位微處理器芯片 Intel 4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，微處理器和 微機(jī) 時代從此開始。 1971年 11月， Intel 推出 MCS4微型計算機(jī)系統(tǒng) （包括 4001 ROM 芯片、 4002 RAM芯片、 4003移位寄存器 芯片和 4004微處理器 ）其中 4004（下圖）包含 2300個 晶體管 ，尺寸規(guī)格為 3mm4mm ，計算性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年的 ENIAC，最初售價為200美元。由于 8008采用的是 P 溝道 MOS 微處理器，因此仍屬第一代微處理器。 主頻 2MHz的 8080 芯片運(yùn)算速度比 8008 快 10倍，可存取 64KB 存儲器，使用了基于 6 微米技術(shù)的 6000 個晶體管，處理速度為 （ Million Instructions Per Second ）。這是世界上第一臺微型計算機(jī)。 Zilog 公司于 1976 年開發(fā)的 Z80 微處理器，廣泛用于微型計算機(jī)和工業(yè)自動十秒的秒表 5 控制設(shè)備。 20世紀(jì) 80年代初， Intel 公司在 MCS48系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，推出了 MCS51系列 8 位高檔單片機(jī)。 單片機(jī)的 硬件特性 主流單片機(jī)包括 CPU、 4KB容量的 ROM、 128 B 容量的 RAM、 2 個 16位定時 /計數(shù)器 、 4 個 8位并行口、全雙工串口行口、 ADC/DAC、 SPI、 I2C、 ISP、 IAP。 低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 控制功能強(qiáng) 環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。 導(dǎo)彈 的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡 ，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)， 錄像機(jī) 、 攝像機(jī) 、 全自動洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功十秒的秒表 6 能比起采用電子或 數(shù)字電路 更加強(qiáng)大。 工業(yè)控制 單片機(jī)具有體積小、控制功能強(qiáng)、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、擴(kuò)展靈活和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，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) 、通信系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機(jī)器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)。 家用電器 現(xiàn)在的家用電器廣泛采用了單片機(jī)控制，從電飯煲、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)備和白色家電等。 醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域 單片機(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。如音樂集成單片機(jī)，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類似于計算機(jī)的原理。 在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。 此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。它運(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：①實現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。②支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。③提供軟件調(diào)試功能。④具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。本章介紹 Proteus ISIS 軟件的工作環(huán)境和一些基本操作。尤其 C編譯工具在產(chǎn)生代碼的準(zhǔn)確性和效率性達(dá)到了較高的水平，而可以附加靈活的控制選項。 ⑵ C51 國際標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化 C交叉編譯器：從 C源代碼產(chǎn)生可重定位的口標(biāo)模塊。 ⑷ BL51 連接 /定位器：組合由 C51和 A51 產(chǎn)生的可重定位的目標(biāo)模塊，生成絕對目標(biāo)模塊。 ⑹ OH51 目標(biāo)文件至 HEX格式的轉(zhuǎn)換器：從絕對目標(biāo)模塊生成 IntelHEX 文件。 這個工具套件足為專業(yè)軟件開發(fā)人員設(shè)計的，但任何層次的編程人員都可以使用，并獲得 80C51 微控制器的部分應(yīng)用。 晶體振蕩電路 MCS51單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路是一個 高 增益反相放大器，引線 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向振蕩放 大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入和來自反向振蕩器的輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 1X1CR Y S T A LC12 2 P FC22 2 P F C31nF 晶體振蕩電路 復(fù)位電路 采用上電 +按鍵復(fù)位電路，上電后，由于電容充電，使 RST 持續(xù)一段高電平時間。這不 僅能使單片機(jī)復(fù)位，而且還能使 單片機(jī)的外圍芯片也同時復(fù)位。 電路圖如下： 復(fù)位電路 十秒的秒表 9 顯示電路 顯示電路既可以選用液晶顯示器，也可以選用數(shù)碼管顯示。用 2個共陰極 LED顯示， LED 是七段式顯示器，內(nèi)部有 7 個條形發(fā)光二極管和1個小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各二極管的亮滅組合成字符。 在設(shè)計中，我 們采用 LED 動態(tài)顯示，用 P0口驅(qū)動顯示。 鍵盤電路 在按鍵電路中，我們可以在 I/O口上直接按鍵，或者通過 I/O 口設(shè)計一個鍵盤，然后通過鍵盤掃描程序判斷是否有按鍵按下等。電路圖如下 所示： 十秒的秒表 10 硬件主電路圖設(shè)計 用 Protues 畫出其硬件主電路圖如下： 秒表原理圖 元器件清單 表 元器件清單 符 號 名 稱 型 號 數(shù) 量 U1 單片機(jī) AT89C51 1 十秒的秒表 11 SEG7 72 數(shù)碼管 7SEGCOMCATGRN 2 R1 電 阻