單片機技術及其應用

　　(1)單片機的概念與特點

　　單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)簡稱單片機，又稱微控制器
(Microcontroller Unit)或嵌埋式控制器(Embeded Controller)，是將計算機的基本部件微型化，使之集成一塊芯片上的微機。片內含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。
　　單片機具有體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣應用等顯著優(yōu)點。新型單片機可承擔數(shù)據與數(shù)值分析、信號處理、機器人智能控制，以及圖象處理等復雜任務。目前，單片機已在自動化裝置、智能化儀表、過程控制和家用電器等領域得到日益廣泛的應用。

　　(2)單片機技術的發(fā)展

　　單片機在近二十多年中得到了迅速發(fā)展。70年代中期，從微機家族中派生出新的一員，形成了一個新的分支：單片微型計算機。它以價格低廉、功能完善、面向實時控制為特征，以不求規(guī)模大、力爭小而全為宗旨，在一塊芯片上集成了構成一臺計算機的主要部件。1976年9月，美國Intel公司的MCS-48型單片機問世，成為單片機劃時代的里程碑。接著，美國Mostek和仙童公司共同研制和生產了3870系列單片機，Motorola公司推出了MC6801系列單片機。這階段單片機的特點是：片內配置的存儲器(RAM/ROM)容量及提供的尋址空間較小(內部ROM容量不超過2k字節(jié)，RAM不超過128字節(jié)，尋址空間不超過4k字節(jié)，只有并行I/O接口，運算指令功能較弱。
　　1980年Intel公司在總結了MCS-48系列機的基礎上推出了8位高檔MCS-51系列單片機。它與MCS-48系列相比，硅片的面積擴大為原來的1.4倍，片內程序存儲器(ROM/EPROM)容量為原來的4倍，RAM容量增加了1倍，工作寄存器組擴大了1倍，設有兩個16位定時器/計數(shù)器；并行I/O接口增至4個口共32線，增設有全雙工串行I/O接口；擴充了指令功能，提高了執(zhí)行速度；存儲器尋址空間分別為擴大到64kB等。可見其功能有了很大提高。在此期間，各家公司相繼推出新的高檔8倍單片機。例如：Motorola公司推出了MC6801系列單片機；Zilog公司推出了Z-8系列單片機；Rokwel公司推出了6501/6502單片機；NEC公司推出了μCOM-78××系列單片機；TI公司推出了TMS-7000系列單片機。這階段的單片機的特點是：片內ROM/EPROM容量達4k～8k字節(jié)，RAM達128～256字節(jié)，存儲器尋址空間(ROM/RAM)分別達64k字節(jié)，增設全雙工串行接口，擴充了中斷源和優(yōu)先級，部分單片機還設置了A/D轉換接口等。指令功能進一步增強，除增設乘、除、比較等運算指令外，有的固化了BASIC、FORTH高級語言，有的可通過微程序化指令為用戶提供設計部分所需的指令，使軟件更靈活與方便。設有位處理功能，提高了運算速度。后繼產品還擴充了DMA、顯示接口、網絡控制等功能。這類單片機大大拓展了應用領域，適用于復雜自動測控系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)、單機局部網絡等應用場合。這類產品屬8位高擋單片機。
　　1983年Intel公司推出了MCS-96系列16位單片機。在一塊芯片上集成了13萬以上個管子。片內設有字長16位的CPU，沒有累加器，而是采用寄存器——寄存器結構，8k字節(jié)的ROM，232字節(jié)的RAM，5個8位的I/O端口，一個全雙工I/O端口，專門的波特率發(fā)生器，具有高速的I/O系統(tǒng)，4或8通道的的10位A/D轉換器，8個中斷源。此外，設有脈寬調制輸出裝置，16位監(jiān)視定時器，4個16位的軟件定時器和2個16位的定時器/計數(shù)器。可實現(xiàn)位、字節(jié)、字(16位)、雙字(32位)操作，設有16×16位或32÷16位的乘、除法運算。另外還可配置面向控制的PL/M和FORTH語言。緊接著，其他公司也都先后推出16位的單片機系列。例如：Motorola公司采用新的模塊化設計技術，生產出MC68HC16Z1 16位單片機，它由內部模塊總線(IMB)、CPU16系統(tǒng)集成模塊(SIM)、靜態(tài)RAM、通用定時器模塊(GPT)、隊列串行模塊(QSM)、模數(shù)轉換模塊(ADC)等組成。CPU16是一個真正的16位高速CPU，它與8位的MC68HC11 CPU向上兼容，具有兩個16位的通用累加器和三個16位的變址寄存器，支持8位、16位、32位的存、儲和算術運算。它可尋址1M字節(jié)的數(shù)據存儲空間和1M的程序存儲空間。它具有適合控制要求的靈敏字信號處理(DSP)功能。它支持高級語言，允許使用高級語言(C語言)來編寫控制源程序，從而大大縮短軟件設計時間。其他公司，如Mostek公司推出了68200 16位單片機；TI公司推出了TMS-9900系列16位單片機；日本三菱公司研制出第一臺16位CMOS工藝的單片機。
　　近幾年來，Intel和Motorola等公司先后推出更高擋的32位單片機，其功能極強，主要用于復雜的高層次系統(tǒng)。
　　今后一段時期內，單片機發(fā)展的總趨勢將是不斷推出高檔和高性能的機型；重點提高8位單片機的性能；采用新工藝，實現(xiàn)低功耗、寬電壓、高速度、高可靠性；以及日趨單片化等。

　　(3)單片機在工業(yè)測控領域中的應用概況

　　單片機具有全電腦功能，且體積小、可靠性高、價格便宜、簡單易學和開發(fā)應用方便，深受廣大科技人員的歡迎。單片機具有眾多的I/O口線，豐富的操作指令，較強的邏輯能力，特別適用于各類工業(yè)測控系統(tǒng)。在此領域，單片機的應用主要有以下方面：
　　①過程控制：如電鍍工藝加工過程控制，塑料注射成型加工過程控制等。
　　②數(shù)據采集：工業(yè)生產過程需要各類采集系統(tǒng)，如電廠運行數(shù)據采集系統(tǒng)和軋鋼機運行數(shù)據采集系統(tǒng)等，借此實現(xiàn)智能化測量和自動控制。
　　③智能化儀器儀表：如發(fā)動機油耗測試儀和液壓系統(tǒng)參數(shù)測試儀等。
　　④機電設備的現(xiàn)代化改進：如將普通機床改為數(shù)控機床和將原生產線改為全自動生產線等。
　　將單片機應用于工業(yè)測控系統(tǒng)，有利于提高測控精度和智能水平，有利于提高設備的自動化水平及可靠性，有利于降低生產成本。

　　(4)單片機技術的學習方法

　　在學習單片機技術的過程中，以下幾點值得注意：
　　①努力掌握微機技術的有關基本概念及其在單片機上的具體應用，要通過對單片機與其他微機的聯(lián)系及區(qū)別的考察，加深對它的認識。
　　②努力掌握單片機所采用的匯編語言。弄清各類指令的表達方式及含義，弄清指令的應用范圍、作用及有關限定。弄清指令與計算機結構的關系。
　　③適當補充一些有關電子技術的基礎知識，尤其注意掌握好數(shù)字與邏輯電路的基礎知識。
　　④在學習有關教科書的同時查閱相關的技術論文，以幫助理解并由此學習他人的成功經驗。為了便于理解有關概念，應配一本計算機技術詞典。
　　⑤在學習書本知識的同時積極參與設計、編程和仿真調試等實踐活動。實踐是技術學科學習的關鍵環(huán)節(jié)。

　　(5)第一講思考題

　　①什么是單片機?它有哪些特點及突出優(yōu)點?
　　②單片機在各個發(fā)展階段各有哪些功能特征?
　　③您所熟悉的機電裝置，哪些地方可采用單片機技術予以改進?

2　MCS-51單片機的結構與工作原理

　　(1)概述
　　盡管單片機不斷向縱深發(fā)展，但目前乃至今后若干年，8位機仍舊是實際應用中的主導產品。MCS-51系列是目前8位單片機的主流機型，在實時控制、智能化儀表等方面應用最廣。因此，本講座將主要介紹MCS-51系列單片機。
　　MCS-51系列單片機以片內有無程序存儲器及存儲的形式，分為3種基本產品：8051，8751和8031。
　　8051單片機片內含有掩膜ROM型程序存儲器。因為這種只讀存儲器中的程序要由單片機生產廠制作芯片時為用戶固化于片內，所以只適用于批量極大、程序要永久性保留且不會修改的場合。
　　8751片內含有EPROM型程序存儲器，用戶可以把程序固化在EPROM中，需要修改時，可用紫外線光照擦除，然后又可寫入新的用戶程序，但該芯片價格較高。
　　8031片內沒有程序存儲器，外部擴展一片或多片含用戶程序的EPROM后，就相當于一片8751，因而使用方便靈活，加之價格低廉，目前是應用最廣的機型。
　　MCS-51系列增強性產品有8052、8752和8032，它們與8051、8751和8031相比分別增加了一個定時器/計數(shù)器、一個中斷源、128字節(jié)片內RAM以及4k字節(jié)程序存儲器(僅對8052、8752)。采用CHMOSⅡ-E工藝制造的80C51、87C51和80C31，除具有運行時的低功耗外(16mA，5V)，還具備空閑(IDLE)操作和掉電(POWER DOWN)操作兩種既節(jié)電又能保存片內信息的工作方式。此外，87C51還具備二級程序存儲器加密電路和智能編程算法。
　　MCS-51系列單片機主要產品及特點見下表。

表　MCS-51系列單片機主要產品類型及特點

圖1　8051芯片的內部組成框圖

　　現(xiàn)簡要介紹圖中各組成部分。
　　a.中央處理器(CPU)。它是單片機的核心，包括運算器和控制器兩個主要組成部分，用于實現(xiàn)運算和控制功能。運算器主要包括算術邏輯運算部件(ALU)、位處理器、累加器A、寄存器B、緩存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進制調整電路等。其主要功能是實現(xiàn)數(shù)據的算術運算、邏輯運算、位操作及數(shù)據傳送等。控制器主要由時鐘和時序電路以及一些控制寄存器組成。其主要功能是協(xié)調整個單片機的工作，產生時序脈沖和提供控制信號等。
　　b.數(shù)據存儲器。MCS-51系列單片機芯片數(shù)據存儲器共有128個存儲單元，用于存放可讀寫的數(shù)據。為了與外部擴展的數(shù)據存儲器相區(qū)別，通常稱芯片內部的數(shù)據存儲器為內部數(shù)據存儲器，簡稱內部RAM。
　　c.程序存儲器。8051芯片內部有4KB掩膜ROM，8751芯片內部有4KB EPROM，用來存放程序和原始數(shù)據。通常稱之為內部程序存儲器或內部ROM。
　　d.定時器/計數(shù)器。MCS-51共有兩個16位的定時器/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時和計數(shù)功能。
　　e.并行I/O口。MCS-51共有四個8位的I/O口(即P0、P1、P2和P3)，用以完成數(shù)據的并行輸入/輸出。
　　f.串行I/O口。MCS-51有一個全雙工串行口，以實現(xiàn)單片機和其他計算機或設備之間的串行數(shù)據傳送。
　　g.中斷控制系統(tǒng)。MCS-51共有5個中斷源，分高和低兩個優(yōu)先級別。
　　②MCS-51的信號引腳
　　MCS-51是標準的40引腳雙列直插式集成電路，其引腳排列及邏輯符號如圖2所示。

(a)引腳排列　　　　　　　　(b)邏輯符號
圖2　MCS-51單片機引腳和邏輯符號圖

　　現(xiàn)簡要介紹各引腳的功能。
　　a.主電源引腳
　　Vss-(20腳)：地線
　　Vcc-(40腳)：+5V電源
　　b.外接晶振或外部振蕩器引腳
　　XTAL1-(19腳)：當采用芯片內部時鐘信號時，接外部晶振的一個引腳；當采用外部時鐘信
號時，此腳應接地。
　　XTAL1-(18腳)：當采用芯片內部時鐘信號時，接外部晶振的一個引腳；當采用外部時鐘信
號時，外部信號由此腳輸入。
　　c.控制、選通或電源復用引腳
　　RST/Vp0-(9腳)：復位信號輸入；Vcc掉電后，此腳可接上備用電源，在低功耗條件下保持
內部RAM中的數(shù)據。
　　ALE/PROG-(30腳)：ALE即允許地址鎖存信號輸出，當單片機訪問外部存儲器時該腳的輸出
信號用于鎖存P0的低8位地址，其輸出的頻率為時鐘振蕩頻率的1/6。PROG為編程脈沖輸入端，
當選用8751單片機時，由此腳輸入編程脈沖。
　　-(29腳)：訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效，用于實現(xiàn)外部程序存儲器的
讀操作。
　　/Vpp-(31腳)：EA為訪問內部或外部程序存儲器選擇信號，EA=0，單片機只訪問外部程
序存儲器，故對8031此腳只能接地；EA＝1，單片機訪問內部程序存儲器，固對8051和8751此腳
應接高電平，但若程序指針PC值超過4KB(OFFFH)范圍，單片機將自動訪問外部程序存儲器。
　　d.多功能I/O引腳
　　P0口-(32～39腳)：P0數(shù)據/地址復用總線端口。
　　P1口-(1～8腳)：P1靜態(tài)通用端口。
　　P2口-(21～28腳)：P2動態(tài)端口。
　　P3口-(10～17腳)：P3雙功能靜態(tài)端口。除作I/O端口外，它還提供特殊的第二功能，其具
體含義為：
　　P3.0-(10腳)RXD：串行數(shù)據接收端。
　　P3.1-(11腳)TXD：串行數(shù)據發(fā)送端。
　　P3.2-(12腳)INT0：外部中斷0請求端，低電平有效。
　　P3.3-(13腳)INT1：外部中斷1請求端，低電平有效。
　　P3.4-(14腳)T0：定時器/計數(shù)器0計數(shù)輸入端。
　　P3.5-(15腳)T1：定時器/計數(shù)器1計數(shù)輸入端。
　　P3.6-(16腳)WR：外部數(shù)據存儲器寫選通，低電平有效。
　　P3.7-(17腳)RD：外部數(shù)據存儲器讀選通，低電平有效