单片机开发入门与典型设计

一个完整的单片机应用系统包括系统硬件和软件两部分。单片机的硬件部分主要指电路组成，其中除单片机外，通常还要用到很多外部器件，如按键、显示器件及各种接口电路等。图1-15是一个简单的电子日历电路图，包括单片机、按键和液晶显示器等器件，能够完成时间显示和校时。复杂的单片机系统还要用到一些模拟或数字电路芯片，如A-D转换器、D-A转换器、运算放大器以及各种外部存储器芯片等。

单片机软件包括程序以及开发程序的平台，一般指单片机的运行程序。程序设计可以采用汇编语言，也可以采用C语言等高级语言。

图1-15 电子日历电路原理图

1.常用单片机

随着微电子技术的发展和单片机应用领域的扩大，在原MCS-51系列单片机的基础上，很多制造商增加了A-D转换器、脉宽调制（PWM）器、看门狗等功能。一般将这类产品统称为兼容型或增强型MCS-51系列单片机。很多常用的单片机属于这一类芯片，如Atmel公司的AT89系列、宏晶公司的STC系列等。

（1）AT89系列单片机

AT89系列单片机是由美国Atmel公司于20世纪80年代后期推出的一种基于MCS-51系列单片机架构的8位单片机，最大特点是在片内集成了FLASH存储器，并且程序存储器采用三级加密技术，是目前单片机市场上一种性价比较高的产品。AT89系列单片机早期主要用于生产过程的自动控制，目前在便携式仪器仪表、机电一体化设备与交通灯等方面应用广泛。

1）主要特性。

AT89S51单片机是一个低功耗、高性能8位CMOS单片机，片内4KB的FLASH存储器支持ISP（In-SystemProgrammable，系统内可编程），可反复擦写1000次，采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51系列单片机指令系统及80C51引脚结构。

在AT89系列单片机中，AT89C1051的FLASH存储器容量最小，只有1KB；AT89S55的FLASH存储器容量为20KB。结构最简单的AT89C1051中不含串行接口，最复杂的AT89S8252集成有标准的串行接口、串行外围接口（SPI）、看门狗定时器、定时器/计数器、双数据指针等部件。

2）主要型号。

AT89系列单片机目前有多种型号，主要是AT89C1051、AT89C2051、AT89C4051、AT89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52、AT89S8252、AT89LS8252、AT89C55、AT89LV55、AT89S53、AT89LS53、AT89S4D12。其中，AT89LV51、AT89LV52和AT89LV55分别是AT89C51、AT89C52和AT89C55的低电压产品，工作电压可以低至2.7V。AT89C1051和AT89C2051属于低档型低电压产品，仅有20个引脚，最低工作电压为2.7V。

Atmel公司除推出AT89系列的51单片机外，还通过核心技术的组合和市场需要推出了各种通用和特定应用的系统级芯片，如AT90系列的AVR单片机、AT91系列的16位或32位单片机ARM等，以满足传感、检测、控制等领域的需求。

（2）PIC系列单片机

PIC单片机是美国Microchip公司推出的高性能产品，具有体积小、功耗低、指令集精简、抗干扰性好、可靠性高、代码保密性好等特点，集成有较强的模拟接口和FLASH存储器。

1）主要特性。

PIC系列单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线采用分离的哈佛（Har-vard）总线结构，指令具有单字长的特性，指令码的位数允许多于8位。与采用CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）结构的传统8位单片机相比，可以达到2∶1的代码压缩，速度可提高4倍。

PIC系列单片机引脚通过限流电阻可以接入220V交流电源，与继电器可以直接相连，无需光耦合器隔离；内置看门狗定时器，保密性极高，具有睡眠和低功耗模式。PIC系列单片机有几十个型号，可以满足各种需要。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界上最小的单片机。

2）典型产品。

PIC16C73是PIC16××系列单片机中的一种，由高性能RISC结构的CPU、存储器、I/O接口和复位电路等组成。PIC16C73仅有35条单字指令，采用的时钟频率为20MHz，指令周期为200ns；具有8级深度的硬件堆栈；具有11个中断源；带有片内RC振荡器的看门狗定时器；具有程序保密位，可防止非法复制；具有低功耗睡眠方式，功率低；采用高速CMOS EPROM工艺制造；可选择不同的振荡器方式；工作电压为3.0～6.0V。片内有3个定时器/计数器、3个双向I/O接口、16位捕捉/比较/PWM模块。其中捕捉器的最大分辨率为12.5ns，比较器的分辨率为200ns，PWM的分辨率为10位。

（3）STC系列单片机(www.xing528.com)

STC系列单片机是宏晶公司推出的增强型MCS-51系列产品，在指令系统、硬件结构上与MSC-51系列单片机完全兼容，采用与8051完全一致的DIP40封装，片内资源比较丰富。近年来，该公司推出的新产品可直接代换89系列单片机，如STC10××系列、STC11××、STC12C5A××以及STC15F2K系列等。STC系列单片机执行代码速度比传统8051快8～12倍，个别型号集成了ADC、PWM和双串行接口等，在功能、速度、内部资源等方面具有一定的优势，近年来在国内单片机市场上的占有率不断攀升，是一种性价比较高的单片机。

STC系列芯片采用DIP20、DIP28、DIP40、PLCC44和PQFP44等多种封装形式。表1-7为几种常用的STC单片机内部资源。STC系列单片机程序采用串行接口在线下载，也可以利用USB总线接口芯片实现USB接口下载。本书项目设计主要采用STC89C51RC单片机，其程序也可以应用于其他MCS-51系列单片机中。

表1-7 STC系列部分单片机内部资源

（4）其他类型单片机

1）EMC单片机。

EMC单片机是我国台湾义隆公司的产品，大部分与PIC 8位单片机兼容，兼容产品的资源相对比PIC的多，并且有很多系列可选，但由于其抗干扰性能较差使其价格便宜。经常应用于仪器仪表的系统开发领域。

2）Philips公司的51LPC系列单片机。

Philips公司的单片机是基于80C51内核的单片机，嵌入了掉电检测、模拟量转换以及片内RC振荡器等功能，在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的要求，主要用于家用电器产品。

3）HOLTEK单片机。

HOLTEK为我国台湾盛扬半导体公司生产的产品，价格便宜，种类较多，但抗干扰能力较差，多适用于消费类电子产品。

4）TI单片机。

TI单片机由美国德州仪器公司生产，该公司提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机。TMS370系列单片机是8位CMOS单片机，具有多种存储模式和外围接口，适用于复杂的实时控制场合。MSP430系列单片机是一种超低功耗、集成度较高的16位单片机，特别适用于要求功耗低的场合。

5）SONIX单片机。

SONIX是我国台湾松翰公司生产的产品，大多为8位机，部分型号与PIC的8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，集成有PWM、ADC、内部振荡器、内部滤波等功能，其缺点是RAM空间过小。

单片机应用系统设计一般要根据任务要求对单片机选型，单片机的应用设计通常会得到生产厂商的技术支持，合理配置系统资源可以有效降低产品的成本，提高性价比。

2.单片机系统常用的外部器件

在复杂的单片机系统中，通常需要一些外围芯片，其中多数需要单片机的程序驱动。单片机外部器件一般分为两类：一种是单片机通过对I/O接口的简单控制就能使芯片运行的器件，如锁存器、并行接口的A-D转换器或D-A转换器及存储器芯片等；另一种芯片内部一般含有控制器，需要的单片机驱动程序相对复杂一些，如数字化温湿度传感器、加速度传感器、液晶显示器、带I²C或SPI的芯片等，它们都有相应的工作时序或操作命令。因此，单片机系统的设计不但需要了解电路使用的每一个元器件的功能特性，还要熟悉外部元器件的操作命令。

单片机可以作为核心控制单元嵌入各种电器或设备中，应用系统硬件是在最小系统的基础上设计完成。在电路设计中，单片机型号可根据系统功能进行选择；电阻、电容、石英晶体、显示器与相关芯片等外部器件，应严格根据要求选择型号和参数；系统电路的电气连接需要考虑信号衰减、电磁干扰等不利因素的影响。读者在练习单片机程序设计的同时，还要经常动手设计、制作和调试电路，用单片机的硬件对程序进行实际测试和验证，以有效提高单片机应用系统的综合设计能力。

单片机系统设计的一般原则是在达到功能要求的条件下，使用的元器件最少，并且元器件的选用以占用单片机硬件资源最少为标准。在系统硬件设计过程中，一般设计者多关注外部元器件的引脚排列和功能，其内部电路作为黑匣子对待，但元器件选型、单片机接口资源分配也是单片机系统电路设计的一个重要环节。只有合理的硬件配置及周密的程序设计才能保证单片机系统运行的可靠性。