单片机技术

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单片机技术
一单片机概述
随着大规模集成电路的出现及其发展,将计算机的CPU 、RAM 、ROM 、定时/数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,因此单片机早期的含义称为单片微型计算机,直译为单片机。

单片微型计算机简称单片机,它因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名,就是把中央处理器CPU(Central processing unit)、随机存储器RAM(Random access memory)、只读存储器ROM(Read only memory)、中断系统、定时器/计数器以及I\O(Input/output)接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。

虽然单片机只是一个芯片,但从组成和功能上看,它已具有了计算机系统的属性。

1、单片机主要应用与控制领域,用以实现各种测试和控制功能,为了强调起控制属性,也可以把单片机称为微控制器MCU(Micro controller unit)。

在国际上,“微控制器”的叫法似乎更通用一些,而在我国则比较习惯与“单片机”这一名称。

单片机在应用时,通常是处于控制系统的核心地位并融入其中,即以嵌入的方式进行使用,为了强调其“嵌入”的特点,也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU(Embedded micro controller unit)。

单片机根据控制应用的需要分为通用单片机和专用单片机。

其中通用单片机是一种基本芯片,内部资源丰富、性能全面、适用性较强,用户可根据自己的需要,以其为控制核心,配以不同的外围电路设计成不同的单片机应用系统;专用单片机是针对性特别强,具有结构的最简化、资源利用的最优化、可靠性和成本的最佳化的特点。

2、单片机与单片机系统
单片机通常是指芯片本身,它是有芯片制造商生产的,在它上面集成的是一些作为基本组成部分的运算器电路、控制器电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等。

但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中,例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体、电阻、电容等,这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。

此外,在实际的控制应用中,常常需要扩展外围电路和外围芯片。

从中可以看到单片机和单片机系统的差别:单片机只是一块芯片,而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。

通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的,是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。

在单片机系统中,单片机处于核心地位,是构成单片机系统的硬件和软件基础。

二.单片机的特点:
1 、具有优异的性能价格比
2 、集成度高、体积小、可靠性高
3 、控制功能强
4 、低电压、低功耗
三、单片机的基本组成:
它由CPU 、存储器(包括RAM 和ROM )、I/O 接口、定时/ 计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上,片内各功能通过内部总线相互连接起来。

AT89C51简介
A T89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗
称单片机。

A T89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用A TMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,A TMEL的A T89C51是一种高效微控制器,A T89C2051是它的一种精简版本。

A T89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图所示
主要特性:
·与MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命:1000写/擦循环
·数据保留时间:10年
·全静态工作:0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2.管脚说明:
VCC:供电电压。

GND:接地。

P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。

P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。

P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,
将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。

P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL 门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。

并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。

作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为A T89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能
P3.0 RXD(串行输入口)
P3.1 TXD(串行输出口)
P3.2 /INT0(外部中断0)
P3.3 /INT1(外部中断1)
P3.4 T0(记时器0外部输入)
P3.5 T1(记时器1外部输入)
P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)
P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST:复位输入。

当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。

在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。

另外,该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。

/PSEN:外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。

XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2:来自反向振荡器的输出。

3.振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

4.芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。

在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被
重复编程以前,该操作必须被执行。

此外,A T89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下,CPU停止工作。

但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。

四、单片机的由来与发展
(1)、单片机的产生
电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、集成电路到大(超大)规模集成电路共四个阶段,即常说的第一代、第二代、第三和第四代计算机。

现在广泛使用的微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物,因此它属于第四代计算机,而单片机则是微型计算机的一个分支。

从1971年微型计算机问世以来,由于实际应用的需要,微型计算机向着两个不同的方向发展:一个是向高速度,大容量,高性能的高档微机方向发展;而另一个则是向稳定可靠、体积小和价格廉价的单片机方向发展。

但是两者在原理和技术上是紧密联系的。

纵观单片机近30 年的发展历程,单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路简单化以及片内存储器容量增加的方向发展。

但其位数不一定会继续增加,尽管现在已经有了32 位单片机,但使用的并不多。

所以今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低、以及使用更方便等特点[2]。

此外,专用化也是单片机的一个发展方向,针对单一用途的专用单片机将会越来越多。

五、单片机应用领域
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等多个领域,为各个领域的快速发展做出了巨贡献。

大致可分为如下几个范畴:
1、在智能仪器仪表的应用
单片机具有体积小、功耗低、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。

2、在家用电器中的应用
当前,家用电器产品的一个重要发展趋势就是不断提高其智能化程度,而家电智能化的进一步提高就需要有单片机的参与,例如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电视机和音像视频设备等。

通过单片机控制的智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便,进一步改善我们的生活质量,把我们的生活变的更加丰富多彩。

3、在工业控制中的应用
工业技术中,无论是过程控制技术,数据采集和测控技术,还是生产线上的机器人技术,都需要要有单片机的参与。

例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统等。

在工业自动化的领域中,机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用,在这种集机械、微电子和计算机技术于一体的综合技术中,单片机将发挥越来越大的作用。

4、在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。

5、单片机在医用设备、军用领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

军事装备方面科技强军、国防现代化离不开计算机,在现代化的飞机、军舰、坦克、大炮、导弹火箭和雷达等各种军用装备上,都有单片机深入其中。

6、单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛,例如汽车中的发动机控制器,基于CAN 总线的汽车发动机智能电子控制器,GPS导航系统等等。

此外,单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。

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