单片机原理及 应用技术 单片机入门 信号灯闪烁系统设计 任务一任务一 单片机简介单片机简介 任务二任务二 单片机中的数制与编码单片机中的数制与编码 任务三任务三 数字电路入门数字电路入门 任务四任务四 单片机应用系统开发单片机应用系统开发信号灯闪烁系统软硬件设计信号灯闪烁系统软硬件设计 Project 1 3 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 任务1 单片机简介 4 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 什么是单片机 one 我们现在使用的计算机都属于冯冯 诺依曼结构诺依曼结构，采用存储程序方式运行，一 个完整的计算机系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分 组成。在计算机主板上有负责运算和控制功能的中央处理器（中央处理器（CPUCPU），），用于存储 的存储器（存储器（MemoryMemory），），以及连接外设的输入输出（ 输入输出（I/OI/O）接口）接口。随着大规模集成 电路的发展，CPU、Memory与I/O接口等主板上的主要部件集成到一个芯片上， 就构成了芯片级的计算机系统单片机（单片机（Single Chip MicrocomputerSingle Chip Microcomputer，SCMSCM）。 单片机的功能没有普通CPU强大，但它的体积很小，常被嵌入各种现代设 备中作为控制器件。因此，单片机还有一个常用的名字微控制器单元（微控制器单元（ MicroControllerMicroController Unit Unit，MCUMCU）。 5 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 单片机其实离我们的生活很近，在家用电器的遥控器中就有单片机的身影，微型计算机的很多部件如 鼠标、键盘、硬盘中也使用了不同种类的单片机，如图所示。 鼠 标 中 的 单 片 机 键 盘 中 的 单 片 机 6 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 单片机的发展历史与常见产品 two 1971年11月，Intel公司首先研制出集成度为2000只晶体管片的4位微处理器Intel 4004，它的成功推出拉 开了单片机时代的大幕。在过去的30多年里，单片机从最初的4位单片机已经发展成为32位，类型也已经发 展成为上百种系列的近千个品种。单片机的发展时期单片机的发展时期大致可以分为以下几个阶段： 19711976年为单片机的萌芽发展时期。功能相对简单的4位 单片机主要用作计算器中的控制部件。 19761979年为8位单片机的初始发展阶段。Intel公司在1976 年推出了MCS-48系列单片机，此时的单片机相对早期的4位机在性 能上有很大提高，另外，也因其体积小、价格低的优点得到了广 泛的应用，书写了单片机发展史上重要的一页。Motorola公司、 Zilog公司和Rockwell公司在也先后推出了8位单片机产品。 7 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 19791983年为8位单片机的完善发展阶段。在MCS- 48基础之上，Intel公司在1980年推出了高性能8位单片机 MCS-51系列。不仅单片机的存储容量和中断能力大大增强 ，并且开始配备串行通信接口。此时单片机发展到一个全 新的阶段，应用领域变得更加广泛，MCS-51系列单片机后 来成为8位单片机的典范。 19831990年为单片机向微控制器（MCU）发展的 阶段。Intel在1983年推出的MCS-96系列16位单片机，将数 模转换器（A/D）、程序运行监视器（PWM）、脉宽调制 器（WDT）等用于测控系统的部件纳入其中，体现了微控 制器特性。之后Intel公司逐渐淡出MCU的开发，Philips公 司以其在嵌入应用方面的优势，在MCU发展方面走在前 列。与此同时，各大公司的32位单片机也竞相问世，并且 开始应用到一些高端领域。 1990年至今，单片机的发展趋向多元化，各大厂商 在推出16位和32位高端单片机的同时，对8位单片机进行 功能上的扩展，衍生出很多新型的单片机，以满足各行业 不同层次的需求。 8 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 1Intel公司 Intel公司是单片机的领跑者，MCS-51MCS-51系列单片机系列单片机是该公司系 列单片机的总称，8031、8051、8751、8032、8052和8752等都属 于该系列，8051是其中的典型代表，其他单片机只是在其基础上 进行了一些调整，所以人们习惯上以8051来称呼MCS-51系列单片 机。另外，在Intel公司将MCS-51核心技术授权给多家公司后，与 8051兼容的各具特色的单片机陆续出现。 9 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 2otorola公司 Motorola公司是世界上最大的单片机厂商，在单片机生产上多采用内部倍频技术内部倍频技术或锁相环技术锁相环技术，从 而使得相同时钟频率下单片机内部总线速度大大提高。M6805、M68HC05、M68HC11、M68HC12是 Motorola公司8位单片机的典型代表。 提示 倍频（over tune）：倍频是使获得频率为原频率整数倍的 一种方法。利用非线性器件从原频率产生多次谐波，通过滤波 器选出所需倍数的那次谐波。倍频技术能够使CPU内部工作频率 变为外部频率的倍数，并使外部设备可以工作在一个较低外频 上。 锁相环技术（Phase-Locked Loop，PLL）：PLL是实现相位自动 控制的负反馈系统，它使振荡器的相位和频率与输入信号的相 位和频率同步。 10 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 3ATMEL公司 ATMEL公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列，AT89系列与8051系列单片机相兼容，具有8KB的闪闪 速存储器（速存储器（Flash MemoryFlash Memory），采用静态时钟模式静态时钟模式。AT90系列单片机采用增强精简指令集（RISC）结构， 大多数指令仅需要1个晶振周期，运行速度快；因为最初两位研发人员的名字分别以A和V开头，所以此 类单片机又被称为AVRAVR单片机单片机。 提示 精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer， RISC）：RISC是和CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂 指令集计算机）相对的一种CPU架构，它把较长的指令分拆成若 干条长度相同的单一指令，可使CPU的工作变得单纯、速度更快 ，设计和开发也更简单。 11 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 4Microchip公司 Microchip公司推出的8位PIC系列单片机采用RISC结构，PIC16C5X属于其 中的低端产品，价位低，适用于家电产品。PIC12C6XX是PIC系列的中级产品 ，产品性能相对较高，内部带有EEPROM数据存储器（电擦写数据存储器 ）、A/D转换器、PWM输出等。PIC17CXX属于这一系列的高端产品，运算速 度非常快，可以外接扩展存储RAM或者EPROM，并且具有丰富的I/O控制功能 ，适用于偏高档的设备。 5EMC公司 台湾义隆电子（EMC公司）制造的大部分单片机产品与Microchip公司的 PIC系列单片机兼容。其中，8位EM78系列单片机因采用数据总线和指令总线 分离的设计结构，故以其优良的性能得到广泛应用。 12 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 另外，还有很多企业在单片机生产和发展中扮演着重要的角色，如ARMARM （Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines）公司是）公司是RISCRISC处理器方面的知名企业处理器方面的知名企业，美国德州仪美国德州仪 器公司（器公司（TI TI）在生产数字信号处理器（）在生产数字信号处理器（DSPDSP）方面拥有领先技术）方面拥有领先技术。 如图所示显示了单片机发展过程中几种典型的单片机。今天，单片机的 世界玲琅满目，给用户提供了很大的选择空间，我们在工作中可以根据实际 需要进行选择。 （a）Intel公司的 4004（左）和8008（右）（b）ATMEL公司AT系列（c）Microchip公司的PIC系列 13 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 工业控制 这是单片机最早应用的领域之 一。单片机可以满足各种控制系 统的需要，例如，可以对生产过 程中的温度、压力、流量等参数 进行精确控制，实现流水线的智 能化管理。 仪表测控 单片机与传统仪表相结合后，使 得传统仪表不仅硬件结构得到简 化，并且在精度控制上实现了数 字化，使测量更加精确。另外， 单片机在机器人、航空航天等尖 端领域的应用更加突出。 单片机的众多优点，使得它的应用领域十分广 泛。从家用设备的控制部件到航空航天的智能化芯 片，它都扮演着重要角色。归纳起来，单片机主要 有以下几个领域： 单片机的应用领域与未来发展趋势 three 14 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 机电一体化产品 在医疗设备、数控机床、工业机器 人、高级轿车等机电一体化产品中 ，单片机在其智能化发展方面起到 了很重要的作用。 计算机外部设备 单片机在计算机大多数外部设备中 都得到了应用，如图形终端机、打 印机、复印机、扫描仪、磁盘驱动 器等。 智能化家电 单片机嵌入传统家电实现智能化控 制已经成为家电产业发展的趋势， 如全自动洗衣机、智能化电饭煲、 冰箱、电视等。随着单片机在这一 领域的进一步深入应用，相信我们 的生活将越来越便捷。 15 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 从单片机结构上看，整体的发展趋势是朝着小容量、低价格和大容量、高整体的发展趋势是朝着小容量、低价格和大容量、高 性能两个方向发展。性能两个方向发展。另外，将需要的外围电路纳入芯片之中，形成系统级芯片系统级芯片 （System on a ChipSystem on a Chip，SoCSoC）是单片机发展的一个热点。 与计算机的CPU芯片的飞速发展不同，单片机的发展并不是完全推陈出新，单片机的发展并不是完全推陈出新， 低、中、高不同档次的单片机都有自己的应用市场低、中、高不同档次的单片机都有自己的应用市场。4位单片机在未来一段时间内 不会退出历史舞台，对于简单的电子小商品来说，4位单片机完全满足需求并且价 格低廉；8位单片机仍将是单片机市场的主流产品；16位和32位单片机随着技术发 展和开发成本的下降，会在更多科技产品中大显身手。 16 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 MCS-51系列单片机的特点 four 在对Intel公司的介绍中，我们已经知道MCS-51系列单片机包含的系列芯片，下面我们来具体了 解这些芯片的功能特性芯片的功能特性，如表所示。 系列典型芯片片内RAM片内ROMI/O口定时/计数器中断源串行通信口 51 80C31128字节无4x8位2x16位51 80C51128字节4kB ROM4x8位2x16位51 87C51128字节 4kB EPROM 4x8位2x16位51 89C51128字节 4kB EEPROM 4x8位2x16位51 17 项目一 单片机入门信号灯闪烁系统设计 任务一 单片机简介 系列典型芯片片内RAM片内ROMI/O口定时/计数器中断源串行通信口 52 80C32256字节无4x8位2x16位61 80C52256字节8kB ROM4x8位2x16位61 87C52256字节4kB EPROM4x8位2x16位6