第1章 绪论

1.1 单片机技术发展趋势

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。单片微型计算机（Single Chip Microcomputer，SCM）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。“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。微控制器（Micro Controller Unit，MCU）阶段，主要技术发展方向是不断扩展满足嵌入式应用的同时，对系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对系统的智能化控制能力。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化趋势，详细的发展阶段如下：

1974年12月，美国仙童（Fairchild）公司推出了世界上第一台8位单片机F8。单片机的发展过程分为以下几个发展阶段。

第一代单片机（1974～1976年）：

单片机发展的起步阶段。集成度也较低，并且采用了双片形式。代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek公司的3870等。

第二代单片机（1976～1978年）：

这是单片机的发展阶段。最典型的产品有Intel公司的MCS-48系列单片机。

第三代单片机（1979～1982年）：

这是8位单片机的成熟阶段。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机、Motorola公司的MC6801系列机、Zilog公司的Z8系列机等。

第四代单片机（1983年以后）：

1983年以后是16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。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。

目前，单片机正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能以及结构兼容方向发展，单片机的发展趋势具体体现在以下4个方面：

（1）多功能 在单片机中尽可能多的将应用系统中所需要的存储器、各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，即外围器件内装化，如把LED、LCD和VFD显示驱动器集成在单片机中，如把A-D、D-A以及多路模拟开关和采样/保持器也集成在单片机中。

（2）高性能 精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）是计算机中央处理器的一种设计模式。使用RISC体系结构、并行流水线操作和DSP等设计技术，使单片机的指令运行速度得到大大提高，其电磁兼容等性能明显优于同类型的微处理器。

（3）全盘CMOS化 单片机采用两种半导体工艺生产，HMOS工艺即高密度短沟道MOS工艺；CHMOS工艺即互补金属氧化物的HMOS工艺，如8051的功耗为630mW，而80C51的功耗仅为120mW。从第三代单片机起开始淘汰非CMOS工艺。

（4）推行串行扩展总线 显著减少引脚数量，简化系统结构。随着外围器件串行接口的发展，单片机串行接口的普遍化、高速化使得并行扩展接口技术日渐衰退。推出了删去并行总线的非总线单片机，需要外扩器件（存储器、I/O等），采用串行扩展总线，甚至用软件虚拟串行总线来实现。

另外单片机具体的功能体现在如下几个方面：

（1）4位、8位、16位、32位单片机共存，并各有自己的生存空间。

（2）CPU功能不断增强、运行速度不断提高。

（3）内部资源增多，增加存储器容量、片内外设如A-D、D-A、LED/LCD驱动、PWM等。

（4）引脚的多功能化。

（5）低电压和低功耗。

（6）结合ASIC和RISC技术，使单片机的应用范围进一步扩大。

1.2 单片机技术定义以及应用

1.2.1 单片机技术定义

单片机的定义：采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、多种I/O口、中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A-D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机的类型和型号比较多，目前使用比较广的单片机有MCS-51系列、AVR、PIC、MSP430等。而51系列是应用最广泛的，也是最容易入门的、最有代表性的，常用的型号有STC89XXX、AT89XXX、P89XXX等。51系列都采用8051内核，因此不同厂家的51单片机几乎互相兼容。由于STC单片机具备诸多优点，因此市场份额最大，用得最广。AVR单片机的速度比较快，性能比51单片机高，但价格也较高。各种类型单片机都是相通的，只要学好任何一种类型单片机，其他单片机的学习通过芯片使用手册可以做到举一反三，掌握速度也是非常快的。

1.2.2 单片机应用

随着近几年IT技术的迅猛发展，使得IT产业在工业、农业、国防科研及日常生活各个领域均显示了日益旺盛的生命力。在国内，20多年来，微型机不断地更新换代，新的产品层出不穷。在微机的大家族中，近年来单片微型计算机以其低价位、高性能的特点异军突起，发展极为迅速，应用十分广泛。目前，单片机技术已经普及到我们生活、工作、科研等各个领域，已经发展成为一种比较成熟的技术。而单片机的应用提高了机电设备的技术水平和自动化程度，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。

1.单片机特别适用于机、电、仪一体的智能化产品

在各类仪器仪表中（包括医疗器械、色谱仪、温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、长度、硬度、元素测定等）引入单片机，使仪器仪表数字化、智能化、微型化等功能大大提高。

2.单片机在工业控制中的应用

3.单片机在通信方面的应用

单片机成功地应用于玩具、游戏机、充电器、按摩器、IC卡电话、IC卡水表、IC卡煤气表、IC卡电能表、流量温控仪表、家庭自动化、电子锁、电子秤、步进电机、防盗报警、电子日历时钟等日常生活的产品中。

4.计算机外部连接设备

图形终端、彩色黑白复印机、软盘及硬盘驱动器、磁带机、打印机的内部都采用单片机进行控制。

不难发现单片机是一个万能器件，它可以完成很多设备的控制工作，尤其对于初学者很想以最快的速度学会单片机并设计一块由单片机控制的电子系统，这里给读者展示一些由单片机完成的一些简单的电子系统供初学者对单片机后续的学习有个基础的认识。

图1-1是一个用单片机控制GSM TC35i实现远程空气和土壤温湿度监测系统，针对传统果苗生长环境信息获取科学度低、时效性差等不足，将物联感知与GSM技术应用到果苗生长环境监测系统中。通过对果苗生长所需的空气和土壤温湿度信息进行采集，利用GSM TC35i模块，以短消息的方式实现数据远程传输，实时将采集的信息发送到果农手机端，有利于减轻果农劳动强度、提高果苗生长品质，这是一个应用于农业生产的案例。

图1-1 无线温湿度采集终端

图1-2是一个利用单片机技术采用语音芯片ISD1420实现温湿采集播报系统，系统硬件电路主要由单片机最小系统模块、液晶显示模块、温度传感器模块、语音芯片模块构成；软件设计在keil仿真环境下采用C语言编程。设计的温湿播报系统能够在液晶屏上显示测量的温度和湿度，同时可以语音播报，实用性和可靠性强。这是一个应用日常生活或者环境监测方面的案例。

图1-2 家用温湿测量播报系统实物图

图1-3是一个采用单片机利用无线通信技术设计的一款两通道无线遥控开关系统，系统硬件由发射模块和接收模块两部分构成，其中发射模块采用PT2262进行编码发射，接收模块由PT2272解码电路、电源电路、数码显示电路和继电器控制电路构成；软件系统采用C语言编程，实现两通道遥控开关系统，这是一个应用于无线通信方面的案例。

图1-4是一个利用单片机采用MAX1898充电芯片的一款智能充电器系统。系统硬件电路主要有单片机最小系统、充电控制模块、供电电压模块和报警模块构成；软件系统利用单片机T0定时器，采用C语言编程。系统具有预充、充电保护、自动断电和充电完成报警提示功能，避免了由于过电压充电对电池造成的损害，保护电池。这是一个应用于智能化仪器方面的案例。

图1-3 无线遥控开关系统设计

图1-4 智能充电器的实物图

从上述4个简单的案例介绍中看出，单片机的应用非常广泛，同时学好单片机可以解决很多电子系统的控制问题，所以要求读者只要静下心来慢慢地将整本书仔细阅读，你就会发现单片机技术一点都不难，你一定可以设计出一套符合设计要求的单片机控制系统。

1.3 单片机开发板简介

单片机初学者手上最好有一块单片机开发板，这样才能将学到的单片机知识理论与实践相结合，才能真正学好单片机。一般单片机的开发板价格不是很贵，以200～300元的单片机开发板最为适宜，只要单片机开发板功能强大，可以帮助初学者学习单片机的外围电路，熟悉单片机各种硬件电路和锻炼单片机软件编程。另外，开发板所附带的文件资料非常重要，开发板附赠资料至少包括整块开发板的电路原理图（原理图方便设计者读懂电路并进行二次开发和程序设计使用），还需有丰富的实例程序和各种开发软件，这样对于初学者入门单片机学习速度会加快。本书第二部分单片机基础案例实践篇中，单片机案例调试均在广州研展电子科技有限公司的YZ200单片机开发板和杭州晶控电子有限公司的51单片机综合开发板上进行调试。这里介绍一般51开发板系统的需求和系统主要特点如下：

1.单片机学习系统需求

系统软硬件需求：

计算机一台（奔腾级以上的家用电脑即可，要求不苛刻）；51单片机开发板一套

Windows98/ME/XP/2003/7操作系统，最小硬盘空间为80MB。

主要硬件接口功能说明：

RS232串口：用于仿真操作（如无串口，可以用USB转RS232串口线）。

USB口：提供51单片机系统电源。

2.51单片机开发板系统特点

1）编程、实验、仿真功能，具有40引脚和20引脚外扩仿真接口。

2）串口通信，支持USB转RS232串口线，可以直接用于只有USB口的便捷式计算机或台式计算机。

3）配有40Pin外接仿真头，可以作为一台独立的51单片机硬件仿真器使用，通过Keil软件配合，即可对外部硬件以及板上资源实现单步调试，设置断点，全速执行等功能。

4）开放性设计，可扩接任意功能的外围模块，如温度传感模块、语音录音芯片模块等。

1.4 单片机学习方法

学好单片机最有效的方法与途径关键在于是否将理论与实践相结合，多看书，多动手，多实践，这样才能将学到的理论知识进行深刻地理解与掌握。

（1）多看书：学好单片机的基本理论，对硬件系统和体系结构要有一定的了解。

（2）多动手、多实践：单片机是一门非常实用的课程，只看书是绝不能学好单片机的，要做到理论与实践并重。最好有一块功能比较全的开发板，通过在开发板上多编程，多做实验，只有不断训练，才能深入学习好单片机。

本书突破传统教科书“教条式”的学习模式，通过案例驱动采用理论与实践结合方式的学习模式，遵循由浅入深、删繁就简、理论联系实际的原则，使初学者可以在很短的学习周期内对单片机基础知识及应用快速掌握，快速进入单片机世界的大门。

1.5 本章小结

本章主要对单片机技术进行概述，主要从单片机技术的发展状况及应用两个方面进行阐述，读者通过阅读一些单片机开发案例了解单片机，最后针对初学者如何在较短的学习周期内掌握单片机给出一些学习意见，为后续单片机知识的学习打好基础。