系列单片机.ppt

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1、第1章 51系列单片机概述,单片机以其价格低廉、功能强大、体积小、性能稳定等优点，深受广大电子设计爱好者喜爱。目前，各类产品中都能看到单片机的身影，如门铃、报警器、玩具，以及各类数据采集系统和控制终端等。单片机是现代电子设计中使用最广泛的电子元件。而其中的51系列单片机是最早兴起的一类。51系列单片机功能完备、指令系统丰富，发展的最为成熟。本章主要介绍单片机的产生及几十年的发展演化、51系列单片机的简介和应用领域。另外还包括最新主流51内核单片机介绍以及单片机的开发概述。本章内容包括：单片机的产生与发展51系列单片机介绍最新主流51内核单片机介绍51系列单片机开发概述,1.1 单片机的产生与发

2、展,1946年，由美国宾夕法尼亚大学研制成功世界上第一台电子数字计算机ENIAC。该计算机运算速度为5000次/s，内部使用了18000多个电子管和1500多个继电器，占地150m2，重30吨。它的诞生引发了20世纪电子工业的革命，如今电子计算机以令人难以想象的速度发展，产品线不断更新换代，成为发展最快的行业。近年来，为了满足小型设备或者便携式设备的需求，在计算机的大家族中，单片微型计算机异军突起，发展十分迅速，其基本渗透到了电子设计的方方面面。单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）是在一块芯片上集成了中央处理器（Central Processing Unit，C

3、PU）、只读存储器（Read Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）接口等部件，这些部件构成了一个完整的微型计算机。单片微型计算机也简称为单片机。单片机从产生到现在的短短三十几年历史中，产品不断更新，其大致经历了四个阶段。14位单片机时代 2低中档8位单片机时代 3高档8位单片机时代 4增强型单片机时代,1.2 51系列单片机介绍,目前8位单片机仍然是电子设计领域最为广泛使用的产品，这里详细介绍使用最多的51系列8位单片机。,1.2.1 51系列单片机简介,51系列单片机是指In

4、tel的MCS-51系列以及和其具有兼容内核的单片机。MCS-51系列单片机是最早、最基本的单片机，功能也最简单。Intel公司生产的MCS-51系列单片机包括8031、8051、8032、8052、8751、8752等。现在集成电路的飞速发展，各大芯片厂商提供了很多与其兼容的单片机。比如Atmel公司的AT89C系列、AT89S系列，Silicon Laboratories公司的C8051F系列，还有Philips公司的8XC552系列等。这些单片机采用兼容的MCS-51的结构和指令系统，只是对其功能和内部资源等方面进行了不同程度的扩展。,1.2.2 51系列单片机的应用领域,51系列单片机

5、以其高性能、高速度、体积小、价格低廉、可重复编程和方便功能扩展等优点，在市场上得到广泛的应用。其主要应用于如下几个领域。家电产品及玩具。由于51系列单片机价格低、体积小、控制能力强、功能扩展方便等优点，使其广泛应用于电视、冰箱、洗衣机、玩具、家用防盗报警器等方面。机电一体化设备。机电一体化设备是指将机械技术、微电子技术和计算机技术结合在一起，从而产生具有智能化特性的产品，它是现代机械及电子工业的主要发展方向。单片机可以作为机电一体化产品的控制器，从而简化原机械产品的结构，扩展其功能。智能测量设备。以前的测量仪表体积大、功能单一，限制了测量仪表的发展。采用单片机改造各种测量控制仪表，可以使其体积

6、减少、功能扩展，从而产生新一代的智能化仪表，如各种数字万用表、示波器等。自动测控系统。采用单片机可以设计各种数据采集系统、自适应控制系统等。例如温度的自动控制、电压电流的数据采集。计算机控制及通信技术。51系列单片机都集成有串行通信接口，可以通过该接口和计算机的串行接口进行通信，实现计算机的程序控制和通信等。,1.3 最新51内核单片机介绍,自世界上第一片单片机诞生以来，51系列单片机不断推陈出新，目前已有几十个系列、上百种型号。这些新产品都基于51内核，各个型号基本都兼容。以下是一些典型的51系列单片机。美国Intel公司的MCS48系列、MCS51系列、MCS96系列单片机；美国Atmel

7、公司的AT89系列单片机；美国Motorola公司的6801、6802、6803、6805和68HC11系列单片机；美国Zilog公司的Z8、Super8系列单片机；美国Fairchild公司的F8和3870系列单片机；美国TI公司的TMS7000系列单片机；美国NS公司的NS8070系列单片机；日本NEC公司的PD7800系列单片机；日本Hitachi公司的HD6301、HD6305系列单片机；,1.3.1 ATMEL单片机介绍,Atmel公司的产品非常丰富，除了基本的51系列单片机外，还包括针对不同设计领域的专用51内核单片机。Atmel公司的51内核单片机有如下几类。单周期8051内核单

8、片机。这类单片机具有单周期8051内核，Flash ISP在系统编程调试，片内集成了SPI、UART、模拟比较器、PWM以及内部RC振荡器等资源。主要有AT89LP213、AT89LP214、AT89LP216、AT89LP2052、AT89LP4052等。Flash ISP在系统编程单片机。这类单片机主要特点是内部集成Flash，可以实现ISP在系统编程，使用方便。包括AT89C5115、AT89C51AC2、AT89C51AC3、AT89C51ED2、AT89C51IC2、AT89C51ID2、AT89C51RB2、AT89C51RC2、AT89C51RD2、AT89C51RE2、AT89

9、LS51、AT89LS52 AT89S2051、AT89S4051、AT89S51、AT89S52、AT89S8253等。USB接口单片机。这类单片机片内集成USB接口，基于C51微处理器，另外还具备TWI、SPI、UART、PCA、ADC等资源。包括AT83C5134、AT83C5135、AT83C5136、AT89C5130A-M、AT89C5131A-L、AT89C5131A-M、AT89C5132等。智能卡接口单片机。这类单片机基于C51微处理器，带有串行接口和智能卡接口、DC/DC转换、以及EEPROM等资源。包括AT83C5121、T83C5121、AT83C5122、AT83C5

10、123、AT83C5127、AT83EC5123、AT85C5121、T85C5121、AT85C5122、AT85EC5122、AT89C5121、T89C5121等。MP3专用单片机。这类单片机基于C51内核，具备USB、多媒体卡接口、ADC、DAC、TWI、UART、SPI，MP3、WMA、JPEG以及MPEG的编解码电路等。包括AT85C51SND3、AT89C51SND2C、AT83SND2C、AT89C51SND1C、AT83SND1C、AT80C51SND1C等。,1.3.2 CYPRESS单片机介绍,Cypress公司的51内核单片机主要集中在USB接口上，有如下几类。USB嵌

11、入式主机。包括CY7C67200、CY7C67300、SL811HST等。USB全速设备。包括AN21xx系列、CY7C64013C、CY7C64215、CY7C6431x系列、CY7C64345、CY7C6435x系列、CY7C64713等。USB高速设备。包括CY7C68001、CY7C68013A、CY7C68014A、CY7C68015A、CY7C68016A、CY7C68023、CY7C68024、CY7C68033、CY7C68034等。USB低速设。包括CY7C630 xx、CY7C631xx、CY7C632xx、CY7C633xx、CY7C63413C、CY7C63513C、C

12、Y7C63613C、CY7C637xx、CY7C638xx等。,1.3.3 Infineon单片机介绍,Infineon公司的产品包括标准的8051内核以及符合工业标准的8051单片机。主要有如下几类。XC800系列单片机。新型高级XC800家族8位微控制器采用高性能8051内核、片上集成闪存和ROM存储器以及功能强大的外设组，如增强型CAPCOM6(CC6)、CAN、LIN和10位ADC，具有多种产品型号可供选择。如XC886/888CLM、XC886/888LM、XC866等。C500/C800系列单片机。这类单片机是基于工业标准8051架构的微处理器，具有CAN、SPI等资源。包括C51

13、5C、C505CA、C868等。,1.3.4 Silicon单片机介绍,Silicon Laboratories公司的C8051F系列单片机，集成了世界一流的模拟功能、Flash以及基于 JTAG 的调试功能。另外还具有可配置的高性能模拟、高达 100 MIPS 的 8051 CPU 以及系统内现场可编程性。这些特性为用户提供了充分的设计灵活性以及卓越的系统性能。C8051F系列单片机主要有如下几类。USB混合信号微处理器。这类微处理器内部集成了USB接口，以及ADC、DAC、温度传感器、SMbus、UART等资源。精密混合信号微处理器。这类微处理器内部集成了Flash、ADC、DAC、温度传

14、感器、SMbus、UART、比较器、VREF等资源。CAN总线接口混合信号微处理器。这类微处理器内部集成了CAN总线接口、Flash、ADC、DAC、温度传感器、SMbus、UART、比较器、VREF等资源。小型化微处理器。这类微处理器将高速8051 CPU、闪存及高性能模拟电路集成到一个超小微型导线框封装(MLP)中，可以让系统设计者在提高系统性能的同时，减少元件数量和整体尺寸。,1.3.5 Maxim单片机介绍,Maxim公司的产品线很丰富，其推出的8051兼容微控制器在保持指令集、目标代码与早期8051设计兼容的同时，使性能指标提高33倍。主要有如下几类。高速微处理器。这类微处理器具有闪

15、存、EPROM、ROM等，每机器周期使用一个时钟，速度是标准8051的33倍。包括DS89C450、DS89C430、DS87C530、DS87C520、DS83C530、DS83C520、DS80CH11、DS80C323、DS80C320、DS80C310等。安全微控制器。这是具有防篡改能力的微控制器，其能够对程序和数据存储器进行加密，以防未经授权的系统介入。系统的电池备份架构一旦检测到篡改事件将立即清零内部SRAM，并且DES/3DES加密技术可以防止外部总线窃听。包括DS5250、DS5000T、DS5000、DS2250T、DS2250、DS5002FP、DS2252T、DS907X

16、、DS5001FP、DS5000FP、DS2251T等。网络微控制器。Maxim的微型互联网接口(TINI)网络微控制器能够为嵌入式系统增添网络功能，适用于以太网或各种低级网络系统。片内集成具有IPv4/IPv6的TCP/IP网络栈，以及10/100以太网MAC，符合IEEE 802.3 MII标准。包括DS80C411、DS80C410、DS80C400、DS80C390等。,1.3.6 NXP单片机介绍,NXP半导体公司的前身是Philips，其推出了多种单片机微控制器。主要有如下几类。LPC7000系列。主要有P87LPC760、P87LPC761、P87LPC762、P87LPC764

17、、P87LPC767、P87LPC768、P87LPC769、P87LPC778、P87LPC779等。LPC9000系列。这是一种增强型多用途Flash单片机。主要有P89LPC9401、P89LPC9402、P89LPC9403、P89LPC9408、P89LPC9102、P89LPC9103、P89LPC9107、P89LPC912、P89LPC913、P89LPC914、P89LPC915以及P89LPC92x系列、P89LPC93x系列等。80C51系列。包括P87C5xX2、P87CL5xX2、P89C5xX2、P89C66x、P8xC591、P87C552、P87C5x、P89C

18、5xBx、P87C51Rx等。,1.3.7 Winbond单片机介绍,Winbond系列单片机是中国台湾的华邦电子推出的，其产品线丰富。主要有如下几类：标准51单片机。这类单片机具有高达40MHz的工作频率，包含多个定时/计数器以及在系统编程等特性。包括W78C32、W78E51B、W78E52B、W78E54B、W78E58B、W78E516、W78E858、W78C51D、W78C52D、W78C54、W78C801、W78C438C、W78C58等。宽电压单片机。这类单片机工作电压可以低至2.4V以及1.8V，非常适合于电池供电的手持式设备。包括W78L32、W78L51、W78L52、

19、W78L54、W78L801、W78LE51、W78LE52、W78LE54、W78LE58、W78LE516、W78LE812等。增强C51单片机。这类单片机工作电压可以低至2.7V，具有高达40MHz的工作频率、多个定时/计数器、12个中断源、内置SRAM、以及双UART等资源。主要包括W77C32、W77L32、W77E58、W77LE58等。工业温度级单片机。这类单片机具有符合工业应用的温度范围以及低至2.4V的工作电压。包括W78IE52、W78IE54、W77IC32、W77IE58等。,1.3.8 Analog Devices单片机介绍,美国ADI公司（Analog Device

20、 Inc）公司生产各种高性能的模拟器件，其推出的8051内核的ADuC800系列单片机集成了多种精密模拟资源，包括多通道的高分辨率模数转换器ADC和数模转换器DAC、基准电压源和温度传感器等。ADuC800系列单片机具有符合工业标准的8052 MCU内核，包括ADuC812、ADuC814、ADuC816、ADuC824、ADuC831、ADuC832、ADuC834、ADuC836、ADuC841、ADuC842、ADuC843、ADuC845、ADuC847、ADuC848等。,1.3.9 TI单片机介绍,美国德州仪器(TI)提供两类具有嵌入式 8051/8052 微控制器的产品系列。其中

21、MicroSystems(MSC)产品系列包括嵌入式数据获取解决方案。TUSB 产品系列包括 USB 嵌入式连接解决方案。MicroSystems 系列单片机。这类单片机是完全集成混合信号器件。该系列的产品包括整合了以下组件的 8051 CPU：高精度 delta 型 ADC、高精度 DAC、8 通道复用器、烧坏检测、可选缓冲输入、失调 DAC（数模转换器）、可编程增益放大器(PGA)、温度传感器、精密电压参考、闪速程序存储器、闪速数据存储器和数据 SRAM。该产品系列的器件都是引脚兼容的，大大简化了器件迁移过程。包括MSC1200、MSC1201、MSC1202、MSC1210、MSC121

22、1、MSC1212、MSC1213、MSC1214等。USB 接口系列单片机。这类微控制器系列使用标准的 805x 微控制器并将各种外围接口集成到一起，以满足各种 USB 外设需求。所有这些产品都遵从 USB 2.0 规范。其中TUSB3xxx 器件是 USB 全速适配外围设备。TUSB2136 和 TUSB5052 是将 8052 微控制器和全速 USB 集线器集成到一起的组合 USB 设备。TUSB6xxx 产品是 USB 2.0 高速适配设备。,1.3.10 其他单片机介绍,除了上述的几家半导体公司的单片机外，还有很多其他的半导体厂商也提供了多种型号的51内核单片机。例如美国的飞思卡尔F

23、reescale、摩托罗拉Motorola、Microchip等，日本的NEC、日立Hitachi、瑞萨Renesas等。这些厂商的单片机同样具有不错的性能。另外，近些年国内的半导体厂商异军突起，也提供了很多有特色的单片机。例如上海普芯达电子有限公司的CW89F系列单片机。上海普芯达电子有限公司总部位于上海张江高科技园区。该公司提供多种半导体器件，包括单片机、电源管理器件、系统监管器件、通信接口器件、信号调理器件、功率驱动器件、数字逻辑器件、存储器、专用标准器件和系统级封装芯片等。其推出的单片机型号有如下两类。1.CW89F系列单片机。2.CW89FE系列单片机。,1.4 51系列单片机开发概

24、述,单片机应用系统的开发是以单片机为核心，配合一定的外部电路及程序，从而实现特定测量及控制功能的应用系统。其中单片机的选型、资源分配以及程序设计是整个系统设计的关键。一般来说，一个完整的单片机应用系统设计包括分析测控系统、单片机选型、硬件资源分配、单片机程序设计、仿真测试并最终下载到实际硬件电路中执行。单片机开发的整个流程，如图所示。,1.4.1 分析测控系统,用户在进行单片机应用系统开发时，首先要对该测控系统进行可行性分析以及系统总统方案设计。1可行性分析可行性分析主要是分析整个设计任务的可能性。2系统总体方案设计当完成可行性分析后，便进入系统整体方案设计阶段。这里，主要结合国内外相关产品的

25、技术参数和功能特性、本系统的应用要求以及现有条件，来决定本设计所要实现的功能和技术指标。接着，制定合理的计划，编写设计任务书，从而完成该单片机应用系统的总体方案设计。,1.4.2 单片机选型,在51系列单片机应用系统开发过程中，单片机是整个设计的核心，因此选择合适的单片机型号很重要。目前，市场上的单片机种类很多，不同厂商均推出很多不同侧重功能的单片机类型。在进行正式的单片机应用系统开发之前，需要了解各个不同单片机的特性，从中作出合理的选择。在单片机选型时，主要需要注意以下几点。根据应用系统的硬件资源要求，在性能指标满足的情况下，尽量选择硬件资源集成在单片机内的型号，例如ADC、DAC、I2C以

26、及SPI等。这样便于整个系统的软件管理，可以减少外部硬件的投入，缩小电路板的面积，从而减少投资等。,1.4.3 硬件资源分配,当总体方案以及单片机型号确定下来后，需要仔细规划整个硬件电路的资源分配。一般来说，一个单片机应用系统由紧密联系的硬件及软件构成。因此，在进行设计前，需要规划哪部分的功能用硬件来实现以及用什么硬件来实现，哪部分的功能用软件来实现等。这里需要注意以下几点。如果单片机的硬件资源丰富，尽量选择使用单片机内部集成的硬件资源来实现，这样可以减少硬件投资，提高集成度。对于一些常用的功能部件，尽量选择标准化、模块化的典型电路，这样可以提高设计的灵活性，确保成功率等。合理规划单片机的硬件

27、及软件资源，充分发挥单片机的最大功能。硬件上最好留有扩展的接口，以方便后期的维护及升级。要仔细考虑各部分硬件的功率消耗以及驱动能力，驱动能力不够将导致系统无法正确运行。,1.4.4 程序设计,在整个单片机应用系统的总体方案及硬件分配定型后，便可以着手进入具体的设计阶段。这里，单片机的程序设计是关键，可以根据实际的需要来选择单片机设计语言及开发环境。在单片机程序设计时，主要需要从以下几点来考虑。采用结构化的程序设计，将各个功能部件模块化，用子程序来实现，这样便于调试以及后续的移植修改等。合理使用单片机的资源，包括RAM、ROM、定时器/计数器、中断等。尽量采用执行速度快的指令，以充分发挥单片机的

28、性能优势。充分考虑软件运行时的状态，避免未处理的运行状态，否则程序运行时易出错，不受控制。合理安排各个功能部件的时序，确保程序能正确执行。尽量选择使用单片机C语言来进行设计，避免使用汇编语言，除非有特殊要求。这样可以使程序易懂，便于交流和后期维护。程序中要尽量添加注释，提高程序的可读性。,1.4.5 仿真测试,单片机仿真测试和程序设计是紧密相关的。在实际设计过程中，需要经常对各个功能部件进行仿真测试，这样可以及时发现问题，确保模块的正确性。对于整个系统的设计，仿真测试则可以模拟实际的程序运行，观察整个时序以及运行状态是否合理。当发现问题时，需要返回程序设计阶段修改设计，进而重新仿真测试，直到程

29、序运行通过。用户在进行程序设计时，需要选择一个好的编译仿真环境，例如Keil公司的Vision系列、英国Labcenter electronics公司的PROTEUS等。如果条件允许，可以选择一款和单片机型号匹配的硬件仿真器。硬件仿真器一般支持在线仿真调试，可以实时观察程序中的各个变量，最大程度上对程序进行测试。,1.4.6 实际硬件测试,当程序设计通过后，便可以将其下载到单片机中结合整个硬件电路来测试。在实际硬件电路测试阶段，主要看单片机程序和外部硬件接口是否正常，单片机的驱动能力是否够用，以及整个硬件电路的逻辑时序配合是否正确等。如果发现问题，则要返回设计阶段，逐个解决问题。硬件测试通过后，便可以投入使用或者生产。,1.5 小结,本章主要介绍了单片机的发展历程，51系列单片机的简介和51系列单片机的应用领域。接着介绍了一下实际常用的一些主流半导体厂商的单片机型号，以供参考。最后，详细介绍了开发51系列单片机应用系统的整个流程及其主要注意事项。,