单片机开发入门与典型设计实例

1.单片机的定义

日常生活中使用的计算机是一种微型计算机系统，由主机、显示器和键盘、鼠标、打印机等输入、输出设备组成。在计算机的主机内部，有CPU、内存、显卡、硬盘、电源等部件，这些部件都插接在包含控制芯片和接口电路的主板上。主机通过与外部设备连接，在硬盘上安装了软件系统后，计算机就可以高速运行，在人的操作下完成各种工作，如程序设计、文档编辑以及上网聊天、玩游戏、看电影等功能。

图1-1 单片机内部结构示意图

单片机是单片微型计算机（Mono-lithic Microcomputer或Single Chip Mi-crocomputer）的简称，是一种集成在一个芯片上的微型计算机系统。MCS-51系列单片机内部结构如图1-1所示。单片机内部的各个部件实际上是计算机主板、CPU、硬盘、内存的简化，与常见计算机的主要区别在于其结构、组成以及应用领域不同。它把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、基本输入/输出（I/O）接口电路、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等部件都集成在一块芯片内，构成一个完整的微型计算机硬件。单片机在早期的自动化生产控制领域中应用得十分广泛，因此常被称为微控制器（Microcontroller Unit，MCU）。

单片机的运行情况与计算机一样，也需要必要的硬件和软件。程序是单片机系统软件，通过程序下载软件把编制好的单片机程序下载到单片机内部ROM中，就可以让单片机运行，从而实现单片机的基本功能。低端单片机一般不能加载操作系统，也不能处理复杂的数据运算，但它是一种低成本的计算机系统，各个功能部件在芯片中的布局和结构达到最优。

2.单片机的应用

单片机只是一个单独的集成电路，如图1-2所示。我们日常见到的交通信号灯控制、LED汉字广告屏、电梯控制等电子系统常把单片机作为核心控制芯片。在实际应用中，需要把单片机和外部器件或被控对象进行电气连接，构成一个单片机应用系统。图1-3为一个由单片机和外部器件组成的校园自动打铃定时器电路原理图。系统中单片机主要用来定时，键盘用来调整定时的时间点，继电器用来控制电铃，数码管用来显示当前时间。

图1-2 双列直插式40引脚单片机芯片

图1-3 校园自动打铃定时器

单片机是一个简单的计算机系统，具有一定的数据处理和通信能力，并且电路和软件设计简单、成本较低，因此被广泛应用于移动终端、工业系统、火灾报警系统、智能家电控制、视频监控系统、跟踪定位控制等。在物联网中信号的检测、信息的传送以及通信控制也能找到单片机的身影，如基于单片机和GSM模块的无线抄表系统、实时检测系统，ZigBee无线数据收发控制等。单片机系统是最典型的嵌入式系统，现已经渗透到人们日常生活的各个领域，随着人们生活水平的不断提高，各个领域的自动化、智能化程度也将越来越高，单片机将成为我国科技领域的重要技术。(www.xing528.com)

3.单片机发展历史

（1）MCS-51系列单片机

第一片单片机是Intel公司于1976年开发的MCS-48系列单片机，MCS是Micro Computer System的缩写。MCS-48系列单片机本身即构成一个微机系统（硬件部分）。20世纪70年代是高性能单片机发展阶段，这一阶段的单片机带有串行I/O接口、8位数据线、16位地址线、控制总线、较丰富的指令系统等，应用范围较广，并在不断地改进。1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机，包含8位CPU、4KB ROM、128B RAM、4个8位并行接口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器，寻址范围64KB，并有功能较强的布尔处理器。Intel公司的MCS-51系列单片机又称51或8051系列单片机，代表型号有8031、8051。

16位单片机出现在20世纪80年代，单片机内部除CPU为16位外，内部的RAM和ROM容量进一步增大，实时处理能力更强，体现了微控制器的特征。例如1982年Intel公司推出的MCS-96系列单片机，其片内RAM为232B，ROM为8KB，中断处理能力为8级，片内带有10位模-数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、1路PWM（Pulse-Width Mod_- ulation，脉宽调制）输出和高速输入/输出部件等。

20世纪90年代以后，随着微电子技术的发展和单片机在家用电器领域应用的不断深入，单片机得到全面的发展，运算能力更强的产品不断涌现。如具有32位数据处理能力的ARM系列单片机，不但具有较强的运算能力，而且能够运行基于Linux内核的操作系统。目前单片机不断向微型化、低功耗、高速化和多资源集成方向发展。

（2）MCS-51系列单片机兼容产品

由于MCS-51系列单片机内部采用控制总线、数据总线和地址总线组成的三总线结构，具有结构简单、通用性强的特点和完整的汇编指令集，MCS-51系列单片机的出现对单片机发展影响深远。从20世纪90年代以后，Intel公司把研发重点放在了PC产品上，8051、8031单片机已经渐渐退出市场。同时，世界许多公司沿用或参考了Intel公司的MCS-51系列单片机内核，相继开发出与MCS-51系列单片机兼容的产品，如89C51、89C52等。目前，市场流行的8位单片机主要有宏晶公司的STC系列，Atmel公司的AT89系列，Philips公司的80C51和80C52系列，华邦公司的W78C51和W77C51系列，ADI公司的ADμC8××高精度ADC系列，LG公司的GMS90/97低压高速系列，Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列，Cygnal公司的C8051F系列高速SoC（System on Chip，片上系统）单片机。

根据自身技术优势和市场需要，很多公司在原MCS-51系列单片机基础上增加和扩展了单片机的很多功能，如Atmel公司的单片机融入FLASH存储器技术，宏晶公司的单片机支持USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）在线编程等。这些单片机又称为增强型51系列。

（3）其他单片机

非MCS-51结构的单片机也有很多产品，如Intel公司的MCS-96系列16位单片机、Mi-crochip公司的PIC系列RISC单片机、TI公司的MSP430系列16位低功耗单片机、Atmel公司的AVR系列单片机，以及高速度和强大数据处理能力的ARM等。

单片机系列多样化给单片机系统设计提供了更多的选择空间，但从目前国内的单片机使用情况来开，51兼容系列单片机仍然是使用最广泛的产品，我们在电子市场很容易就可以买到如STC89C51、STC89C52、AT89C51、AT89S51等单片机。这些单片机都与MCS-51兼容，但各自又有不同的技术特点和功能优势，主要区别在于数据和程序存储空间的大小、程序下载方式、内部附加的功能部件等。