1.1 概述

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是指集成在一块芯片上的计算机，它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。

1.1.1 单片机及其应用

1．单片机芯片技术的发展概况

单片机的发展历史并不长，但其发展速度很快，目前已普及到各行各业，而且正朝着多系列、多型号方向发展。从它的发展历程上看，大体经历了四个发展阶段：

第一阶段是单片机的初级阶段，时间在1971～1974年。1971年，Intel公司首次宣布推出4004的4位微处理器。1974年12月，仙童公司推出了8位单片机F8，从此开创了单片机发展的初级阶段。F8单片机只包含了8位CPU、64B数据存储器和2个并行输入/输出接口，必须外加一片3815（内含1KB ROM、1个定时/计数器和2个并行I/O口）才能构成一个完整的微型计算机。

第二阶段是低性能单片机阶段，时间在1974～1978年。此时的单片机是真正的8位单片微型计算机，它具有体积小、功能全的特点，在单块芯片上已集成了CPU、并行口、定时器、RAM和ROM等。如1976年，Intel公司推出了MCS-48单片机，1977年，GI公司推出了PIC1650，但这个阶段的单片机仍然处于低性能阶段。

第三阶段是高性能单片机阶段，时间在1978～1983年。此时的单片机品种多、功能强，一般片内RAM、ROM都相对增大，而且寻址范围可达64KB，并有串行输入/输出接口，还可以进行多级中断处理。1980年，Intel公司在MCS-48的基础上推出的MCS-51，使单片机的应用跃上了一个新的台阶。此后，各公司的8位单片机迅速发展起来，如Mortorola公司的6801系列等。

第四阶段是单片机的发展、巩固、提高阶段，时间1983年至现在，单片机朝着高性能和多品种方向发展。1983年，Intel公司开始推出MCS-96系列16位单片机，1988年，Intel公司又推出了MCS-96系列中的8098/8398/8798单片机，使MCS-96系列单片机的应用更为广泛。20世纪90年代，是单片机制造业大发展时期。这个时期的MOTOROLA、Intel、AT-MEL、德州仪器、三菱、日立、飞利浦、LG等公司也开发了一大批性能优越的单片机，极大地推动了单片机的应用。此阶段单片机的一个重要标志就是超8位单片机的各档机种增加了直接数据存取通道、特殊串行接口等，而且近几年发展的单片机又增加了看门狗、A/D转换、D/A转换、LCD直接驱动等功能。例如80C552片内带8路10位A/D、2路PWM、1个输入捕捉和1个输出比较的16位定时器等。带LCD驱动的单片机有8xC055、83CL167/168、83CL267/268等。出现了单片机市场丰富多彩的局面。此阶段的主要特点是片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。“微控制器”的称谓更能反映单片机的本质。

2．单片机的特点

（1）体积小 由于单片机已将微计算机的所有结构浓缩于单一芯片内，因此可使产品符合轻薄短小的要求。

（2）接线简单 由于单片机的外部只要接上少许器件即可动作，接线简单，可靠性高，不论装配或检修都容易操作。

（3）价格低廉 由于各制造商展开市场争夺战，单片机的价格不断下降。若大量采购，则价格已足以与一般传统的逻辑（数字）电路较量。

（4）简单易学 由于单片机所需的外部器件甚少，初学者只需花费极少的时间学习硬件电路的设计，而把大部分的时间放在软件（设计程序）的学习上，可缩短学会单片机应用所需的时间。

3．单片机的应用

单片机之所以能够发展至今天，而且发展势头强劲，关键在于它的应用非常广阔。自20世纪80年代以来，单片机的应用已经深入到工业、农业、国防、科研、机关、教育、商业以及家电、生活、娱乐、玩具等各个领域之中。

（1）主要应用领域

1）智能产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机电一体化产品。

2）智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。

3）测控系统。用单片机可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。

4）数控控制机。在目前机床数控系统的建议控制中，采用单片机可提高其可靠性及增强功能，降低控制成本。

5）智能接口。计算机系统特别是较大型的工业测、控系统中，除通用外部设备外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口。这些外部设备与接口如果完全由主机进行管理，势必造成主机负担过重，降低运行速度，接口的管理水平也不可能提高。如果用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机均可单独进行工作，大大提高了系统的运行速度。同时，由于单片机可对接口信息进行加工处理，可以大量减少接口界面的通信密度，极大地提高接口控制管理水平。

（2）单片机在各个领域中的典型应用举例

1）工业控制。数控机床、温度控制、可编程顺序控制、电动机控制、工业机器人、智能传感器、离散与连续过程控制等。

2）仪器仪表。智能仪器、医疗器械、液晶和气体色谱仪、数字示波器、金属探测仪等。

3）电信技术。调制解调器、声像处理、数字滤波、智能线路运行控制、通信设备等。

4）办公自动化和计算机外部设备。图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘驱动器、智能终端机等。

5）汽车与节能。点火控制、排放控制、喷油控制、变速控制、防滑控制、安全气囊控制、门锁控制、刮水器控制、座椅控制、防盗报警控制、空调控制、前照灯控制、导航控制、计费器、交通控制等。

6）导航。导弹控制、鱼雷制导、智能武器装置、航天导航系统等。

7）商用产品。自动售货机、电子收款机、电子秤、银行统计机等。

8）家用电器。微波炉、电视机、空调机、洗衣机、录像机、摄像机、数码相机、音响设备、游戏机、智能玩具等。

综上所述，单片机技术遍布每一个角落，从家用电器、智能仪器与仪表、工业控制直到导弹火箭导航等尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。

4．主流单片机简介

随着微电子设计技术及计算机技术的不断发展，单片机产品和技术日新月异。单片机产品近况可以归纳为以下两个方面。

1）80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。通用微型计算机计算速度的提高主要体现在CPU位数的提高（16位、32位、64位），而单片机更注重的是产品的可靠性、经济性和嵌入性。多年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构合理、技术成熟。因此，许多单片机芯片生产厂商倾力于提高80C51单片机产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品地位。近年来推出的与80C51兼容的主要产品如下：

● ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机。

● Philips公司推出的80C51、80C52系列高性能单片机。

● Winbond公司推出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机。

● ADI公司推出的ADuC8xx系列高精度ADC单片机。

● LG公司推出的GMS90/97系列低电压高速单片机。

● Cygnal公司推出的C8051F系列高速SOC单片机等。

● Maxim公司推出的DS89C420高速（50MIPS）单片机。

由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列。

2）非80C51结构单片机不断推出，给用户提供了更为广泛的选择空间。

在80C51及其兼容产品流行的同时，一些单片机芯片生产厂商也推出了一些非80C51结构的产品，影响比较大的如下：

● MOTOROLA单片机。品种全、选择余地大、新产品多是其特点，MOTOROLA是世界上最大的单片机厂商。

● Microchip公司推出的PIC系列RISC结构单片机。

● ATMEL公司推出的AVR系列RISC结构单片机。

● TI公司推出的MSP430F系列16位低电压、低功耗单片机。

5．微型计算机及微型计算机系统

微型计算机（Microcomputer）简称微机，是计算机的一个重要分支。微型计算机不但具有其他计算机快速、精确、程序控制等特点，最突出的是它具有体积小、重量轻、功耗低、价格便宜等优点。个人计算机简称PC（Personal Computer）机，是微型计算机中应用最为广泛的一种，也是近年来计算机领域中发展最快的一个分支。

通过分析人们如何利用算盘这种工具来解题的过程，就很容易了解计算机的工作过程和基本的结构组成。人们利用算盘进行计算时，必须具有以下装置。

● 运算装置：算盘。

● 记录（存放）计算步骤、计算结果的装置：纸张和笔。

● 控制装置：上述计算过程都是在人脑的控制下，由手去执行。

● 输入输出装置。

下面把组成计算机的六个基本部件作简单说明：

（1）运算器 运算器是计算机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行（相当于算盘）。

（2）控制器 控制器是计算机的指挥控制部件，使计算机各部分能自动协调地工作（相当于使用纸、笔、算盘的人的大脑）。运算器和控制器是计算机的核心部分，常把它们合在一起称为中央处理器，简称CPU。

（3）存储器 存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数据（相当于纸和笔）。

按功能可以分为只读和随机存取存储器两大类。

所谓随机存取存储器，英文缩写为RAM（Random Access Memory）。汽车运行时，需要暂时存储的信息由微处理器传送到RAM。RAM中存储的信息随时都可以更改。由于传感器输出到微型计算机的信息，随着汽车工况的变化而频繁地变化，这类信息就得存在RAM中，既能从RAM中读出信息，还能擦除RAM中的信息。

所谓只读存储器，英文缩写为ROM（Read Only Memory）。微处理器能从ROM中读取信息，但不能把信息写入ROM中。而且，微处理器不能擦除ROM中的信息。在ROM芯片的制造过程中，各种永久性的程序和数据经编程送入ROM内，如电子控制燃油喷射发动机系统中的一系列控制程序软件、喷油特性脉谱、点火控制特性脉谱以及其他特性数据等，即使蓄电池的接线断开，ROM中的信息也不会丢失。

ROM中有查询表，其中包括汽车该如何运行的信息。图1-1所示为点火提前和混合气空燃比脉谱图，微处理器根据传感器的输入信息获知发动机的转速和负荷信息，从ROM中查取相应的理想点火提前角和理想空燃比，并进行相应的控制。

注意：所谓的只读和随机存取都是指在正常工作情况下而言，也就是在使用这块存储器的时候，而不是指制造这块芯片的时候。

程序存储器的类型：

PROM，称之为可编程程序只读存储器。这就像我们的练习本，买来的时候是空白的，可以写东西上去，可一旦写上去，就擦不掉了，因此它只能写一次，要是写错了，就报销了。

EPROM，称之为紫外线擦除的可编程只读存储器。它里面的内容写上去之后，如果觉得不满意，可以用一种特殊的方法去掉后重写，这就是用紫外线照射，紫外线就像“消字灵”，可以把字去掉，然后再重写。

EEPROM，称之为电可擦除的可编程只读存储器。这种存储器和EPROM类似，写上去的东西也可以擦掉重写，但它要方便一些，不需要光照了，只要用电学方法就可以擦除，所以就方便许多。它是上述几种只读存储器中价格最贵的一种，常用于在使用过程中需要时常修改其重要数据的存储器。汽车里程表的数据存储器就常用这种存储器。根据需要更改汽车里程数据或更换微机时，都需要将原来存储的数据擦掉，写入新的数据。

Flash ROM，称之为闪速存储器，Flash ROM是一种新型的电可擦除、非易失性存储器，使用方便，价格低廉，可多次擦写，近年来应用广泛。

串行EEPROM，称之为I²C接口存储器，内部有页写入缓冲器，页写入缓冲器容量P的大小与芯片生产厂家、型号有关，例如汽车AT93C46/56/57/66型防盗芯片和AT24C01A/02/04/08/16型音响防盗芯片。

（4）接口 一种在微处理器和外部设备之间控制数据流动和数据格式的电路称为接口。简单地说，接口就是连接两个电子设备单元的部件。单片机要通过外部设备与外界联系，例如，在发动机的优化控制中，CPU要在极短的时间内对发动机的许多工况（通过传感器）进行巡回检测。另外，CPU又要对点火提前角、燃油喷射、自动变速等进行自动控制或是优化控制。因此，许多输入、输出设备与微机连接时，必须有其专用的接口电路。

接口一般可分为并行和串行接口两种。

1）串行接口。一次传输一位数据称为串行传输，以串行传输方式通信时使用的接口叫串行接口。串行接口由接收器、发送器和控制器三部分组成。接收器把外部设备送来的串行数据变为并行数据送到数据总线；发送器把数据总线上的并行数据变为串行数据发送到外部设备去；控制器是控制上面两种变换过程的电路。串行接口的主要用途是进行串/并、并/串转换。

2）并行接口。同时传输两位或两位以上的数据称为并行传输，以并行传输方式通信是把多位数据，例如8位数据的各位同时传送。微机内部几乎都是使用并行传输方式。由于CPU与外部设备的速度不同，外部设备的数据线不能直接接到总线上。为使CPU与外部设备的动作匹配，中间需要有缓冲器和锁存器，用于暂时保存数据。由上述器件组成的电路称为并行接口。

串行和并行接口统称为输入、输出接口。

（5）输入设备 输入设备用于将程序和数据输入到计算机中，如键盘。

汽车上用的微机系统一般尺寸很小，不便于安装键盘。微机是专门用于汽车检测与自动控制（如点火、喷油、防滑制动等）的。它的程序是固定不变的，是事先编好存在微机存储器内的。只要通过传感器等信号启动相应的程序即可完成相应的自动控制。如果汽车的自动控制系统出现问题，需要调用系统的自诊断程序时，通过开关或简单的连接线即可实现人机对话的目的。有的高级汽车装有微型键盘，以方便进行较多的人机对话。

（6）输出设备 输出设备用于把计算机数据计算或加工的结果，以用户需要的形式显示或保存，如显示器、打印机。

通常把外存储器（微机用的较多的外部存储器是磁盘，磁盘又分为硬盘和软盘）、输入设备和输出设备合在一起称为计算机的外部设备，简称“外设”。

微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。

硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中，运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（Central Processing Unit, CPU），是微机的核心部件，配上存放程序和数据的存储器、输入输出（Input/Output, I/O）接口电路及外部设备即构成微机的硬件系统，如图1-2所示。

软件系统是指微机系统所使用的各种程序的总体。软件的主体驻留在存储器中，人们通过它对整机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的项目。

软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统，两者是相辅相成、缺一不可的。

6．单片微型计算机

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer, SCM）简称单片机，又称微控制器或嵌入式计算机，是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（Central Processing Unit）、随机存取存储器RAM（Random Access Memory）、只读存储器ROM（Read Only Memory）、基本输入/输出（Input/Output）接口电路、定时器/计数器等部件制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机的基本功能。

单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。本书的项目电路也是一个单片机的应用系统，它除了有单片机芯片以外，还有许多的外围电路，再配以后续章节一系列的项目程序，可以完成很多功能。单片机应用系统是由硬件和软件组成，硬件是应用系统的基础，软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的项目，二者相互依赖，缺一不可。

1.1.2 MCS-51系列单片机

MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。下面对MCS-51系列单片机进一步说明。

1．51子系列和52子系列

MCS-51系列又分为51和52两个子系列，并以芯片型号的最末位数字作为标志。其中51子系列是基本型，而52子系列属于增强型。52子系列功能增强的具体方面如下：

① 片内ROM从4KB增加到8KB。

② 片内RAM从128B增加到256B。

③ 定时器/计数器从2个增加到3个。

④ 中断源从5个增加到6个。

2．单片机芯片半导体工艺

MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产。一种是HMOS工艺，即高速度高密度短沟道MOS工艺。另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。

CHMOS是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS高速度和高密度的特点之外，还具有CMOS低功耗的特点。例如8051的功耗为630mW，而80C51的功耗只有120mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备上，低功耗是非常有意义的。因此，在这些产品中必须使用CHMOS的单片机芯片。

3．80C51系列单片机

80C51是MCS-51系列单片机的典型品种，所有生产厂商以80C51为核开发出的CHMOS工艺单片机产品称为80C51系列单片机。

80C51系列单片机基本组成虽然相同，但不同型号的产品在某些方面仍会有一些差异。80C51系列单片机分类见表1-1。

表中列出了80C51系列单片机的芯片型号，以及它们的技术性能指标，使我们对它们的基本情况有一个概括的了解。