单片机技术及其应用

　　(1)单片机的概念与特点

　　单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片机，又称微控制器
(Microcontroller Unit)或嵌埋式控制器(Embeded Controller)，是将计算机的基本部件微型化，使之集成一块芯片上的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。
　　单片机具有体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。新型单片机可承担数据与数值分析、信号处理、机器人智能控制，以及图象处理等复杂任务。目前，单片机已在自动化装置、智能化仪表、过程控制和家用电器等领域得到日益广泛的应用。

　　(2)单片机技术的发展

　　单片机在近二十多年中得到了迅速发展。70年代中期，从微机家族中派生出新的一员，形成了一个新的分支：单片微型计算机。它以价格低廉、功能完善、面向实时控制为特征，以不求规模大、力争小而全为宗旨，在一块芯片上集成了构成一台计算机的主要部件。1976年9月，美国Intel公司的MCS-48型单片机问世，成为单片机划时代的里程碑。接着，美国Mostek和仙童公司共同研制和生产了3870系列单片机，Motorola公司推出了MC6801系列单片机。这阶段单片机的特点是：片内配置的存储器(RAM/ROM)容量及提供的寻址空间较小(内部ROM容量不超过2k字节，RAM不超过128字节，寻址空间不超过4k字节，只有并行I/O接口，运算指令功能较弱。
　　1980年Intel公司在总结了MCS-48系列机的基础上推出了8位高档MCS-51系列单片机。它与MCS-48系列相比，硅片的面积扩大为原来的1.4倍，片内程序存储器(ROM/EPROM)容量为原来的4倍，RAM容量增加了1倍，工作寄存器组扩大了1倍，设有两个16位定时器/计数器；并行I/O接口增至4个口共32线，增设有全双工串行I/O接口；扩充了指令功能，提高了执行速度；存储器寻址空间分别为扩大到64kB等。可见其功能有了很大提高。在此期间，各家公司相继推出新的高档8倍单片机。例如：Motorola公司推出了MC6801系列单片机；Zilog公司推出了Z-8系列单片机；Rokwel公司推出了6501/6502单片机；NEC公司推出了μCOM-78××系列单片机；TI公司推出了TMS-7000系列单片机。这阶段的单片机的特点是：片内ROM/EPROM容量达4k～8k字节，RAM达128～256字节，存储器寻址空间(ROM/RAM)分别达64k字节，增设全双工串行接口，扩充了中断源和优先级，部分单片机还设置了A/D转换接口等。指令功能进一步增强，除增设乘、除、比较等运算指令外，有的固化了BASIC、FORTH高级语言，有的可通过微程序化指令为用户提供设计部分所需的指令，使软件更灵活与方便。设有位处理功能，提高了运算速度。后继产品还扩充了DMA、显示接口、网络控制等功能。这类单片机大大拓展了应用领域，适用于复杂自动测控系统、智能化系统、单机局部网络等应用场合。这类产品属8位高挡单片机。
　　1983年Intel公司推出了MCS-96系列16位单片机。在一块芯片上集成了13万以上个管子。片内设有字长16位的CPU，没有累加器，而是采用寄存器——寄存器结构，8k字节的ROM，232字节的RAM，5个8位的I/O端口，一个全双工I/O端口，专门的波特率发生器，具有高速的I/O系统，4或8通道的的10位A/D转换器，8个中断源。此外，设有脉宽调制输出装置，16位监视定时器，4个16位的软件定时器和2个16位的定时器/计数器。可实现位、字节、字(16位)、双字(32位)操作，设有16×16位或32÷16位的乘、除法运算。另外还可配置面向控制的PL/M和FORTH语言。紧接着，其他公司也都先后推出16位的单片机系列。例如：Motorola公司采用新的模块化设计技术，生产出MC68HC16Z1 16位单片机，它由内部模块总线(IMB)、CPU16系统集成模块(SIM)、静态RAM、通用定时器模块(GPT)、队列串行模块(QSM)、模数转换模块(ADC)等组成。CPU16是一个真正的16位高速CPU，它与8位的MC68HC11 CPU向上兼容，具有两个16位的通用累加器和三个16位的变址寄存器，支持8位、16位、32位的存、储和算术运算。它可寻址1M字节的数据存储空间和1M的程序存储空间。它具有适合控制要求的灵敏字信号处理(DSP)功能。它支持高级语言，允许使用高级语言(C语言)来编写控制源程序，从而大大缩短软件设计时间。其他公司，如Mostek公司推出了68200 16位单片机；TI公司推出了TMS-9900系列16位单片机；日本三菱公司研制出第一台16位CMOS工艺的单片机。
　　近几年来，Intel和Motorola等公司先后推出更高挡的32位单片机，其功能极强，主要用于复杂的高层次系统。
　　今后一段时期内，单片机发展的总趋势将是不断推出高档和高性能的机型；重点提高8位单片机的性能；采用新工艺，实现低功耗、宽电压、高速度、高可靠性；以及日趋单片化等。

　　(3)单片机在工业测控领域中的应用概况

　　单片机具有全电脑功能，且体积小、可靠性高、价格便宜、简单易学和开发应用方便，深受广大科技人员的欢迎。单片机具有众多的I/O口线，丰富的操作指令，较强的逻辑能力，特别适用于各类工业测控系统。在此领域，单片机的应用主要有以下方面：
　　①过程控制：如电镀工艺加工过程控制，塑料注射成型加工过程控制等。
　　②数据采集：工业生产过程需要各类采集系统，如电厂运行数据采集系统和轧钢机运行数据采集系统等，借此实现智能化测量和自动控制。
　　③智能化仪器仪表：如发动机油耗测试仪和液压系统参数测试仪等。
　　④机电设备的现代化改进：如将普通机床改为数控机床和将原生产线改为全自动生产线等。
　　将单片机应用于工业测控系统，有利于提高测控精度和智能水平，有利于提高设备的自动化水平及可靠性，有利于降低生产成本。

　　(4)单片机技术的学习方法

　　在学习单片机技术的过程中，以下几点值得注意：
　　①努力掌握微机技术的有关基本概念及其在单片机上的具体应用，要通过对单片机与其他微机的联系及区别的考察，加深对它的认识。
　　②努力掌握单片机所采用的汇编语言。弄清各类指令的表达方式及含义，弄清指令的应用范围、作用及有关限定。弄清指令与计算机结构的关系。
　　③适当补充一些有关电子技术的基础知识，尤其注意掌握好数字与逻辑电路的基础知识。
　　④在学习有关教科书的同时查阅相关的技术论文，以帮助理解并由此学习他人的成功经验。为了便于理解有关概念，应配一本计算机技术词典。
　　⑤在学习书本知识的同时积极参与设计、编程和仿真调试等实践活动。实践是技术学科学习的关键环节。

　　(5)第一讲思考题

　　①什么是单片机?它有哪些特点及突出优点?
　　②单片机在各个发展阶段各有哪些功能特征?
　　③您所熟悉的机电装置，哪些地方可采用单片机技术予以改进?

2　MCS-51单片机的结构与工作原理

　　(1)概述
　　尽管单片机不断向纵深发展，但目前乃至今后若干年，8位机仍旧是实际应用中的主导产品。MCS-51系列是目前8位单片机的主流机型，在实时控制、智能化仪表等方面应用最广。因此，本讲座将主要介绍MCS-51系列单片机。
　　MCS-51系列单片机以片内有无程序存储器及存储的形式，分为3种基本产品：8051，8751和8031。
　　8051单片机片内含有掩膜ROM型程序存储器。因为这种只读存储器中的程序要由单片机生产厂制作芯片时为用户固化于片内，所以只适用于批量极大、程序要永久性保留且不会修改的场合。
　　8751片内含有EPROM型程序存储器，用户可以把程序固化在EPROM中，需要修改时，可用紫外线光照擦除，然后又可写入新的用户程序，但该芯片价格较高。
　　8031片内没有程序存储器，外部扩展一片或多片含用户程序的EPROM后，就相当于一片8751，因而使用方便灵活，加之价格低廉，目前是应用最广的机型。
　　MCS-51系列增强性产品有8052、8752和8032，它们与8051、8751和8031相比分别增加了一个定时器/计数器、一个中断源、128字节片内RAM以及4k字节程序存储器(仅对8052、8752)。采用CHMOSⅡ-E工艺制造的80C51、87C51和80C31，除具有运行时的低功耗外(16mA，5V)，还具备空闲(IDLE)操作和掉电(POWER DOWN)操作两种既节电又能保存片内信息的工作方式。此外，87C51还具备二级程序存储器加密电路和智能编程算法。
　　MCS-51系列单片机主要产品及特点见下表。

表　MCS-51系列单片机主要产品类型及特点

图1　8051芯片的内部组成框图

　　现简要介绍图中各组成部分。
　　a.中央处理器(CPU)。它是单片机的核心，包括运算器和控制器两个主要组成部分，用于实现运算和控制功能。运算器主要包括算术逻辑运算部件(ALU)、位处理器、累加器A、寄存器B、缓存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。其主要功能是实现数据的算术运算、逻辑运算、位操作及数据传送等。控制器主要由时钟和时序电路以及一些控制寄存器组成。其主要功能是协调整个单片机的工作，产生时序脉冲和提供控制信号等。
　　b.数据存储器。MCS-51系列单片机芯片数据存储器共有128个存储单元，用于存放可读写的数据。为了与外部扩展的数据存储器相区别，通常称芯片内部的数据存储器为内部数据存储器，简称内部RAM。
　　c.程序存储器。8051芯片内部有4KB掩膜ROM，8751芯片内部有4KB EPROM，用来存放程序和原始数据。通常称之为内部程序存储器或内部ROM。
　　d.定时器/计数器。MCS-51共有两个16位的定时器/计数器，以实现定时和计数功能。
　　e.并行I/O口。MCS-51共有四个8位的I/O口(即P0、P1、P2和P3)，用以完成数据的并行输入/输出。
　　f.串行I/O口。MCS-51有一个全双工串行口，以实现单片机和其他计算机或设备之间的串行数据传送。
　　g.中断控制系统。MCS-51共有5个中断源，分高和低两个优先级别。
　　②MCS-51的信号引脚
　　MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路，其引脚排列及逻辑符号如图2所示。

(a)引脚排列　　　　　　　　(b)逻辑符号
图2　MCS-51单片机引脚和逻辑符号图

　　现简要介绍各引脚的功能。
　　a.主电源引脚
　　Vss-(20脚)：地线
　　Vcc-(40脚)：+5V电源
　　b.外接晶振或外部振荡器引脚
　　XTAL1-(19脚)：当采用芯片内部时钟信号时，接外部晶振的一个引脚；当采用外部时钟信
号时，此脚应接地。
　　XTAL1-(18脚)：当采用芯片内部时钟信号时，接外部晶振的一个引脚；当采用外部时钟信
号时，外部信号由此脚输入。
　　c.控制、选通或电源复用引脚
　　RST/Vp0-(9脚)：复位信号输入；Vcc掉电后，此脚可接上备用电源，在低功耗条件下保持
内部RAM中的数据。
　　ALE/PROG-(30脚)：ALE即允许地址锁存信号输出，当单片机访问外部存储器时该脚的输出
信号用于锁存P0的低8位地址，其输出的频率为时钟振荡频率的1/6。PROG为编程脉冲输入端，
当选用8751单片机时，由此脚输入编程脉冲。
　　-(29脚)：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效，用于实现外部程序存储器的
读操作。
　　/Vpp-(31脚)：EA为访问内部或外部程序存储器选择信号，EA=0，单片机只访问外部程
序存储器，故对8031此脚只能接地；EA＝1，单片机访问内部程序存储器，固对8051和8751此脚
应接高电平，但若程序指针PC值超过4KB(OFFFH)范围，单片机将自动访问外部程序存储器。
　　d.多功能I/O引脚
　　P0口-(32～39脚)：P0数据/地址复用总线端口。
　　P1口-(1～8脚)：P1静态通用端口。
　　P2口-(21～28脚)：P2动态端口。
　　P3口-(10～17脚)：P3双功能静态端口。除作I/O端口外，它还提供特殊的第二功能，其具
体含义为：
　　P3.0-(10脚)RXD：串行数据接收端。
　　P3.1-(11脚)TXD：串行数据发送端。
　　P3.2-(12脚)INT0：外部中断0请求端，低电平有效。
　　P3.3-(13脚)INT1：外部中断1请求端，低电平有效。
　　P3.4-(14脚)T0：定时器/计数器0计数输入端。
　　P3.5-(15脚)T1：定时器/计数器1计数输入端。
　　P3.6-(16脚)WR：外部数据存储器写选通，低电平有效。
　　P3.7-(17脚)RD：外部数据存储器读选通，低电平有效