第1章 單片機(jī)入門與C語言基礎(chǔ)

1.1 單片機(jī)簡介

1.1.1 什么是單片機(jī)

單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）的簡稱，由于單片機(jī)主要用于控制領(lǐng)域，所以又稱作微型控制器（Microcontroller Unit，MCU）。單片機(jī)與微型計(jì)算機(jī)都是由CPU、存儲(chǔ)器和輸入輸出接口電路（I/O接口電路）等組成的，但兩者又有所不同，微型計(jì)算機(jī)（PC）和單片機(jī)（MCU）的基本結(jié)構(gòu)分別如圖1-1（a）、（b）所示。

從圖1-1可以看出，微型計(jì)算機(jī)是將CPU、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口電路等安裝在電路板（又稱電腦主板）上，外部的輸入/輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）通過接插件與電路板上的輸入/輸出接口電路連接起來。單片機(jī)則是將CPU、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口電路等做在半導(dǎo)體硅片上，再接出引腳并封裝起來構(gòu)成集成電路，外部的輸入/輸出設(shè)備通過單片機(jī)的外部引腳與內(nèi)部輸入/輸出接口電路連接起來。

單片機(jī)是一種內(nèi)部集成了很多電路的IC芯片（又稱集成電路、集成塊），圖1-2列出了幾種常見的單片機(jī)，有的單片機(jī)引腳較多，有的引腳少，同種型號(hào)的單片機(jī)，可以采用直插式引腳封裝，也可以采用貼片式引腳封裝。

與單片機(jī)相比，微型計(jì)算機(jī)具有性能高、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，但其價(jià)格昂貴，并且體積大，所以在一些不是很復(fù)雜的控制場合，如電動(dòng)玩具、繽紛閃爍的霓虹燈、家用電器等設(shè)備中，完全可以采用價(jià)格低廉的單片機(jī)進(jìn)行控制。

1.1.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成及舉例說明

1. 組成

單片機(jī)是一塊內(nèi)部包含有CPU、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口等電路的IC芯片，但單獨(dú)一塊

單片機(jī)芯片是無法工作的，必須給它增加一些有關(guān)的外圍電路來組成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，才能完成指定的任務(wù)。典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成如圖1-3所示，即單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主要由單片機(jī)芯片、輸入部件、輸入電路、輸出部件和輸出電路組成。

2. 工作過程舉例說明

圖1-4是一種采用單片機(jī)控制的DVD影碟機(jī)托盤檢測及驅(qū)動(dòng)電路，下面以該電路來說明單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般工作過程。

當(dāng)按下“OPEN/CLOSE”鍵時(shí)，單片機(jī)a腳的高電平（一般為3V以上的電壓，常用1或H表示）經(jīng)二極管VD和閉合的按鍵S2送入b腳，觸發(fā)單片機(jī)內(nèi)部相應(yīng)的程序運(yùn)行，程序運(yùn)行后從e腳輸出低電平（一般為0.3V以下的電壓，常用0或L表示），低電平經(jīng)電阻R3送到PNP型三極管VT2的基極，VT2導(dǎo)通，+5V電壓經(jīng)R1、導(dǎo)通的VT2和R4送到NPN型三極管VT3的基極，VT3導(dǎo)通，于是有電流流過托盤電機(jī)（電流途徑是：+5V→R1→VT2的發(fā)射極→VT2的集電極→接插件的3腳→托盤電機(jī)→接插件的4腳→VT3的集電極→VT3的發(fā)射極→地），托盤電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將托盤推出機(jī)器，當(dāng)托盤出倉到位后，托盤檢測開關(guān)S1斷開，單片機(jī)的c腳變?yōu)楦唠娖剑ǔ鰝}過程中S1一直是閉合的，c腳為低電平），內(nèi)部程序運(yùn)行，使單片機(jī)的e腳變?yōu)楦唠娖剑龢O管VT2、VT3均由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，無電流流過托盤電機(jī)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，托盤出倉完成。

在托盤上放好碟片后，再按壓一次“OPEN/CLOSE”鍵，單片機(jī)b腳再一次接收到a腳送來的高電平，又觸發(fā)單片機(jī)內(nèi)部相應(yīng)的程序運(yùn)行，程序運(yùn)行后從d腳輸出低電平，低電平經(jīng)電阻R2送到PNP型三極管VT1的基極，VT1導(dǎo)通，+5V電壓經(jīng)R1、VT1和R5送到NPN型三極管VT4的基極，VT4導(dǎo)通，馬上有電流流過托盤電機(jī)（電流途徑是：+5V→R1→VT1的發(fā)射極→VT1的集電極→接插件的4腳→托盤電機(jī)→接插件的3腳→VT4的集電極→VT4的發(fā)射極→地），由于流過托盤電機(jī)的電流反向，故電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將托盤收回機(jī)器，當(dāng)托盤入倉到位后，托盤檢則開關(guān)S1斷開，單片機(jī)的c腳變?yōu)楦唠娖剑ㄈ雮}過程中S1一直是閉合的，c腳為低電平），內(nèi)部程序運(yùn)行，使單片機(jī)的d腳變?yōu)楦唠娖剑龢O管VT1、VT4均由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，無電流流過托盤電機(jī)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，托盤入倉完成。

在圖1-4中，檢測開關(guān)S1和按鍵S2均為輸入部件，與之連接的電路稱為輸入電路；托盤電機(jī)為輸出部件，與之連接的電路稱為輸出電路。

1.1.3 單片機(jī)的分類

設(shè)計(jì)生產(chǎn)單片機(jī)的公司很多，較常見的有Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)、Atmel公司生產(chǎn)的AVR系列單片機(jī)、MicroChip公司生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)和美國德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的MSP430系列單片機(jī)等。

8051單片機(jī)是Intel公司推出的最成功的單片機(jī)產(chǎn)品，后來由于Intel公司將重點(diǎn)放在PC機(jī)芯片（如8086、80286、80486和奔騰CPU等）開發(fā)上，故將8051單片機(jī)內(nèi)核使用權(quán)以專利出讓或互換的形式轉(zhuǎn)給世界許多著名IC制造廠商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、Dallas、siemens、Fujutsu、OKI、華邦、LG等，這些公司在保持與8051單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善和擴(kuò)展了許多功能，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出與8051單片機(jī)兼容的一系列單片機(jī)。這種具有8051硬件內(nèi)核且兼容8051指令的單片機(jī)稱為MCS-51系列單片機(jī)，簡稱51單片機(jī)。新型51單片機(jī)可以運(yùn)行8051單片機(jī)的程序，而8051單片機(jī)可能無法正常運(yùn)行新型51單片機(jī)新增功能編寫的程序。

51單片機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)，生產(chǎn)51單片機(jī)的公司很多，且型號(hào)眾多，但不同公司各型號(hào)的51單片機(jī)之間也有一定的對應(yīng)關(guān)系。表1-1是部分公司的51單片機(jī)常見型號(hào)及對應(yīng)表，對應(yīng)型號(hào)的單片機(jī)功能基本相似。

1.1.4 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、教育、國防、日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。下面簡單介紹一下單片機(jī)在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。

（1）單片機(jī)在家電方面的應(yīng)用

單片機(jī)在家電方面的應(yīng)用主要有：彩色電視機(jī)、影碟機(jī)內(nèi)部的控制系統(tǒng)；數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)中的控制系統(tǒng)；中高檔電冰箱、空調(diào)器、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、加濕機(jī)和消毒柜中的控制系統(tǒng)；中高檔微波爐、電磁灶和電飯煲中的控制系統(tǒng)等。

（2）單片機(jī)在通信方面的應(yīng)用

單片機(jī)在通信方面的應(yīng)用主要有：移動(dòng)電話、傳真機(jī)、調(diào)制解調(diào)器和程控交換機(jī)中的控制系統(tǒng)、智能電纜監(jiān)控系統(tǒng)、智能線路運(yùn)行控制系統(tǒng)、智能電纜故障檢測儀等。

（3）單片機(jī)在商業(yè)方面的應(yīng)用

單片機(jī)在商業(yè)方面的應(yīng)用主要有：自動(dòng)售貨機(jī)、無人值守系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)、燈光音響設(shè)備、IC卡等。

（4）單片機(jī)在工業(yè)方面的應(yīng)用

單片機(jī)在工業(yè)方面的應(yīng)用主要有：數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心、自動(dòng)操作、機(jī)械手操作、工業(yè)過程控制、生產(chǎn)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)備管理、智能控制、智能儀表等。

（5）單片機(jī)在航空、航天和軍事方面的應(yīng)用

單片機(jī)在航空、航天和軍事方面的應(yīng)用主要有：航天測控系統(tǒng)、航天制導(dǎo)系統(tǒng)、衛(wèi)星遙控遙測系統(tǒng)、載人航天系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)等。

（6）單片機(jī)在汽車方面的應(yīng)用

單片機(jī)在汽車方面的應(yīng)用主要有：汽車娛樂系統(tǒng)、汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)、汽車信息系統(tǒng)、汽車智能駕駛系統(tǒng)、汽車全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車智能化檢驗(yàn)系統(tǒng)、汽車自動(dòng)診斷系統(tǒng)、交通信息接收系統(tǒng)等。