第1章 單片機入門與C語言基礎

1.1 單片機簡介

1.1.1 什么是單片機

單片機是單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）的簡稱，由于單片機主要用于控制領域，所以又稱作微型控制器（Microcontroller Unit，MCU）。單片機與微型計算機都是由CPU、存儲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，微型計算機（PC）和單片機（MCU）的基本結構分別如圖1-1（a）、（b）所示。

從圖1-1可以看出，微型計算機是將CPU、存儲器和輸入/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/輸出設備（I/O設備）通過接插件與電路板上的輸入/輸出接口電路連接起來。單片機則是將CPU、存儲器和輸入/輸出接口電路等做在半導體硅片上，再接出引腳并封裝起來構成集成電路，外部的輸入/輸出設備通過單片機的外部引腳與內部輸入/輸出接口電路連接起來。

單片機是一種內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，有的單片機引腳較多，有的引腳少，同種型號的單片機，可以采用直插式引腳封裝，也可以采用貼片式引腳封裝。

與單片機相比，微型計算機具有性能高、功能強的特點，但其價格昂貴，并且體積大，所以在一些不是很復雜的控制場合，如電動玩具、繽紛閃爍的霓虹燈、家用電器等設備中，完全可以采用價格低廉的單片機進行控制。

1.1.2 單片機應用系統的組成及舉例說明

1. 組成

單片機是一塊內部包含有CPU、存儲器和輸入/輸出接口等電路的IC芯片，但單獨一塊

單片機芯片是無法工作的，必須給它增加一些有關的外圍電路來組成單片機應用系統，才能完成指定的任務。典型的單片機應用系統的組成如圖1-3所示，即單片機應用系統主要由單片機芯片、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是一種采用單片機控制的DVD影碟機托盤檢測及驅動電路，下面以該電路來說明單片機應用系統的一般工作過程。

當按下“OPEN/CLOSE”鍵時，單片機a腳的高電平（一般為3V以上的電壓，常用1或H表示）經二極管VD和閉合的按鍵S2送入b腳，觸發單片機內部相應的程序運行，程序運行后從e腳輸出低電平（一般為0.3V以下的電壓，常用0或L表示），低電平經電阻R3送到PNP型三極管VT2的基極，VT2導通，+5V電壓經R1、導通的VT2和R4送到NPN型三極管VT3的基極，VT3導通，于是有電流流過托盤電機（電流途徑是：+5V→R1→VT2的發射極→VT2的集電極→接插件的3腳→托盤電機→接插件的4腳→VT3的集電極→VT3的發射極→地），托盤電機運轉，通過傳動機構將托盤推出機器，當托盤出倉到位后，托盤檢測開關S1斷開，單片機的c腳變為高電平（出倉過程中S1一直是閉合的，c腳為低電平），內部程序運行，使單片機的e腳變為高電平，三極管VT2、VT3均由導通轉為截止，無電流流過托盤電機，電機停轉，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b腳再一次接收到a腳送來的高電平，又觸發單片機內部相應的程序運行，程序運行后從d腳輸出低電平，低電平經電阻R2送到PNP型三極管VT1的基極，VT1導通，+5V電壓經R1、VT1和R5送到NPN型三極管VT4的基極，VT4導通，馬上有電流流過托盤電機（電流途徑是：+5V→R1→VT1的發射極→VT1的集電極→接插件的4腳→托盤電機→接插件的3腳→VT4的集電極→VT4的發射極→地），由于流過托盤電機的電流反向，故電機反向運轉，通過傳動機構將托盤收回機器，當托盤入倉到位后，托盤檢則開關S1斷開，單片機的c腳變為高電平（入倉過程中S1一直是閉合的，c腳為低電平），內部程序運行，使單片機的d腳變為高電平，三極管VT1、VT4均由導通轉為截止，無電流流過托盤電機，電機停轉，托盤入倉完成。

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

1.1.3 單片機的分類

設計生產單片機的公司很多，較常見的有Intel公司生產的MCS-51系列單片機、Atmel公司生產的AVR系列單片機、MicroChip公司生產的PIC系列單片機和美國德州儀器（TI）公司生產的MSP430系列單片機等。

8051單片機是Intel公司推出的最成功的單片機產品，后來由于Intel公司將重點放在PC機芯片（如8086、80286、80486和奔騰CPU等）開發上，故將8051單片機內核使用權以專利出讓或互換的形式轉給世界許多著名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單片機兼容的基礎上改善和擴展了許多功能，設計生產出與8051單片機兼容的一系列單片機。這種具有8051硬件內核且兼容8051指令的單片機稱為MCS-51系列單片機，簡稱51單片機。新型51單片機可以運行8051單片機的程序，而8051單片機可能無法正常運行新型51單片機新增功能編寫的程序。

51單片機是目前應用最為廣泛的單片機，生產51單片機的公司很多，且型號眾多，但不同公司各型號的51單片機之間也有一定的對應關系。表1-1是部分公司的51單片機常見型號及對應表，對應型號的單片機功能基本相似。

1.1.4 單片機的應用領域

單片機的應用非常廣泛，已深入到工業、農業、商業、教育、國防、日常生活等各個領域。下面簡單介紹一下單片機在一些領域的應用。

（1）單片機在家電方面的應用

單片機在家電方面的應用主要有：彩色電視機、影碟機內部的控制系統；數碼相機、數碼攝像機中的控制系統；中高檔電冰箱、空調器、電風扇、洗衣機、加濕機和消毒柜中的控制系統；中高檔微波爐、電磁灶和電飯煲中的控制系統等。

（2）單片機在通信方面的應用

單片機在通信方面的應用主要有：移動電話、傳真機、調制解調器和程控交換機中的控制系統、智能電纜監控系統、智能線路運行控制系統、智能電纜故障檢測儀等。

（3）單片機在商業方面的應用

單片機在商業方面的應用主要有：自動售貨機、無人值守系統、防盜報警系統、燈光音響設備、IC卡等。

（4）單片機在工業方面的應用

單片機在工業方面的應用主要有：數控機床、數控加工中心、自動操作、機械手操作、工業過程控制、生產自動化、遠程監控、設備管理、智能控制、智能儀表等。

（5）單片機在航空、航天和軍事方面的應用

單片機在航空、航天和軍事方面的應用主要有：航天測控系統、航天制導系統、衛星遙控遙測系統、載人航天系統、導彈制導系統、電子對抗系統等。

（6）單片機在汽車方面的應用

單片機在汽車方面的應用主要有：汽車娛樂系統、汽車防盜報警系統、汽車信息系統、汽車智能駕駛系統、汽車全球衛星定位導航系統、汽車智能化檢驗系統、汽車自動診斷系統、交通信息接收系統等。