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武汉工程大学 毕业设计（论文）
第三章 系统硬件设计
3.1 单片机概述
单片微型计算机(简称单片机，又称微控制器)作为微型计算机家族中的一员—发展中的一个分支。它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是将微处理器（计算机的中央处理单元CPU—CentralproeessingUnit）、一定容量的RAM和ROM以及I/O接口、定时等电路集成在一片芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格低廉、为学习、应用和开发提供了便利条件。
单片机诞生于20世纪70年代末，经历SCM(Single Chip Microcomputer)， MCU(Microprogrammed Control Unit), SOC(System on a Chip)三大阶段。
（1）SCM即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构[4]。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
（2）MCU即微控制器(Micro Controller Unit)阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
（3）单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此，专用单片机的发展自然形成了SOC (System on a Chip)化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
单片机按应用领域可分为：家电类、工控类、通信类和个人信息终端类等；按总线结构可分为：总线型和非总线型；按指令运行的振荡周期可分为：标准型和改进型；按通用性可分为：通用型和专用型[5]。通用型单片机，它的内部资源比较丰富、性能全面、可覆盖多种应用需求。如Intel公司的MCS-51系列产品8031，C51等通过不同的外围扩展就可以用在不同的设备中。专用型单片机是针对某一种产品或控制应用而专门设计的特定型号的单片机，设计时已使其机构最简、软硬件应用最优、可靠性及应用成本最佳。如电子体温计、计费电度表等。单片机有很多品牌也有很多种类其中8031，T89S52，RSS1LF3074，8051F020，TP801B等应用到LED显示屏设计中。单片机的应用“面向实时测控”，特别适用于开发机电一体化的自动化、智能化产品。目前已广泛应用于各个领域。它以一台独立的高性能的单片微型计算机嵌入到各个应用领域中，成为系统的控制和指挥中心，从而实现系统的高度自动化、智能化。单片机主要在智能仪器、家用电器、工业测控领域、通信技术以及军事装备中得到应用。
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单片机的种类繁多，但每一类单片机既有相似处也有不同点，在选择单片机的时候需要根据控制能力、系统需求、单片机的性能、成本、集成度、资源利用率、开发的难易程度以及功耗等因素进行综合考虑。单片机按通用性可分为：通用型和专用型。通用型单片机，它的内部资源比较丰富、性能全面、可覆盖多种应用需求。如Intel公司的MCS51系列产品8031，80C51等通过不同的外围扩展就可以用在不同的设备中。专用型单片机是针对某一种产品或控制应用而专门设计的特定型号的单片机，设计时已使其机构最简、软硬件应用最优、可靠性及应用成本最佳。如电子体温计、计费电度表等。但是此类产品是有针对性的设计，不适合于广泛应用控制其他外围设备。单片机还有很多种分类，不同的单片机有不同的特点，在实际设计时应该根据具体的应用选择合适的单片机。
3.1.1 单片机的特点与结构原理
MCS-51是Intel公司最早推出的51单片机，其代表产品就是8051系列单片机，其代表芯片包括8051，8031，8052，8032，8751和8752。以后的单片机多兼容8051，例如STC89C51，它的内部结构和8051相似。其主要有微处理器、RAM、I/0口、串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器组成，在设计时可以满足控制要求。
单片一机属于集成芯片，它除了具有集成芯片的特点外还有许多特点。
（1）高度集成，体积小、制作方便。单片机内部集成CUP、内存、I/0口，保证控制功能的实现，双列直插40引脚的单片机尺寸大约只l .5mm x 5mm，贴片式单片机的尺寸大约有小纽扣大小，给设计制作电路带来了方便。
（2）灵活性好、可靠性高。在设计电路时，单片机的最小系统就可以提供电路工作需的时序，因此在设计电路的时候，只要根据具体要求扩展外围电路就可以达到要求。单片机的工作电压是5V，在单片机内固化不同的程序，实现的功能，它的误差就会控制在可控范围内。
（3）易于扩展ROM、RAM等资源，用途广、价格低。单片机的资源一般可以满足小系统的应用，若系统较大，单片机可以扩展资源，它有便于扩展的结构及控制引脚，利用它们容易构成各种规模的单片机系统和单片机应用系统。每片ATM89C52单片机的价格大致在8元左右，对于学生和大多数研究开发人员可以承担其开发经费。
下面将介绍单片机的主要结构原理： 内部结构框图和主要部件：
89C51系列的各单片机的生产厂商和型号的不同，导致其ROM、RAM、中断系统、外围功能模块以及处理器速度等方面有一定的不同，但是其基本结构相同，均包括算术逻辑单元ALU、片内RAM、I/0端口、定时器、中断系统等基本的功能单元。89C51单片机的内部结构如图3.1所示：
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图3.1 89C51单片机内部结构图
（1）算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logic Unit )。运算器是进行算术/逻辑运算的部件，包括存放操作数和运算结果的累加器和寄存器等。51单片机包含一个8位的算术逻辑单元ALU，它为用户提供了指令系统，在外部时钟频率为12MHz的情况下，多数指令的执行时间仅为1 us，乘法指令为4us。它包括运算器、布尔处理器、累加器A、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW寄存器等。
（2）片内存储器。片内存储器包括数据存储器和程序存储器，即RAM，ROM。51单片机提供了128B片内RAM存储器，提供了4KB的片内ROM存储器。用于存储控制单片机执行操作的代码，或者进行运算的数据。
（3）并行I/0口。单片机共有4个8位并行I/0口P0，P1，P2和P3共32根引脚，每个I/O口都有自己寄存器、驱动器和锁存器，保证数据的双向传输的稳定运行。其中P3口具有第二功能，P3口的每位引脚具有特殊功能，其中具体功能如表3.2所示。
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表3.2 P3口特殊功能表
I/O口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 说明 RXD—串行数据接收端 TXD—串行数据发送端 INT0 —外部中断0请求端 INT1 —外部中断1请求端 T0—定时/计数器0 T1—定时/计数器1 WR —外部数据存储器写选通信号 RD —外部数据存储器读选通信号 （4）定时/计数系统和中断系统。51单片机内部有两个16位的定时/计数器，通过设置寄存器，实现4种工作模式。中断系统包含5个中断源，即外部中断0、外部中断1、定时器/计数器0溢出中断、定时器/计数器1溢出中断和串口中断。计算机响应中断的先后顺序即中断优先级，系统有默认的级别定义，同时也可以人为设定。
具体的89C51 /89C52系列单片机主要包括的功能部件如下： （1）个8位的CPU；
（2）片内128/256字节数据存储器RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等；
（3）片内4KB/8KB程序存储器ROM/EPROM，用以存放程序、一些原始数据和表格；
（4）个8位双向I/O口，每个端口既可以用作输入，也可以用作输出；
（5）2或3个16位定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；
（6）具有5个或6个中断源、2个中断优先级的中断控制系统；
（7） 1个全双工异步串行口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信；
（8）片内振荡器和时钟电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为24MHz ；
（9）可寻址外部程序存储器和数据存储器，最大范围均为64KB ； （10）具有位寻址能力；
从以上介绍的单片机的功能部件可以看出单片机可以实现基本的处理器功能，是计算机的微型化，但是单片机的体积小，集成化高，给设计电路带来了方便。
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