第1章 单片机快速入门

1.1 单片机简介

1.1.1 什么是单片机

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单片机是一种内部集成了很多电路的IC芯片（又称集成电路、集成块），图1-1列出了几种常见的单片机，有的单片机引脚较多，有的引脚少，同种型号的单片机，可以采用直插式引脚封装，也可以采用贴片式引脚封装。

单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称，由于单片机主要用于控制领域，所以又称作微型控制器（Microcontroller Unit,MCU）。单片机与微型计算机都是由CPU、存储器和输入/输出接口电路（I/O接口电路）等组成的，但两者又有所不同，微型计算机（PC）和单片机（MCU）的基本结构分别如图1-2（a）、（b）所示。

从图1-2可以看出，微型计算机是将CPU、存储器和输入/输出接口电路等安装在电路板（又称电脑主板）上，外部的输入/输出设备（I/O 设备）通过接插件与电路板上的输入/输出接口电路连接起来。单片机则是将CPU、存储器和输入/输出接口电路等集成在半导体硅片上，再接出引脚并封装起来构成集成电路，外部的输入/输出设备通过单片机的外部引脚与内部输入/输出接口电路连接起来。

与单片机相比，微型计算机具有性能高、功能强的特点，但其价格昂贵，并且体积大，所以在一些不是很复杂的控制方面，完全可以采用价格低廉的单片机进行控制，如电动玩具、缤纷闪烁的霓虹灯和家用电器等设备中应用。

1.1.2 单片机应用系统的组成

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1.组成

单片机是一块内部包含有 CPU、存储器和输入/输出接口等电路的IC芯片，但单独一块单片机芯片是无法工作的，必须给它增加一些有关的外围电路来组成单片机应用系统，才能完成指定的任务。典型的单片机应用系统的组成如图1-3所示，即单片机应用系统主要由单片机芯片、输入部件、输入电路、输出部件和输出电路组成。

2.工作过程举例说明

图1-4是一种采用单片机控制的 DVD 影碟机托盘检测及驱动电路，下面以该电路来说明单片机应用系统的一般工作过程。

当按下“OPEN/CLOSE”键时，单片机a脚的高电平（一般为3V以上的电压，常用1或H表示）经二极管VD和闭合的按键S2送入b脚，触发单片机内部相应的程序运行，程序运行后从e脚输出低电平（一般为0.3V以下的电压，常用0或L表示），低电平经电阻R3送到PNP型三极管VT2的基极，VT2导通，+5V电压经R1、导通的VT2和R4送到NPN型三极管VT3的基极，VT3导通，于是有电流流过托盘电机（电流途径是：+5V→R1→VT2的发射极→VT2的集电极→接插件的3脚→托盘电机→接插件的4脚→VT3的集电极→VT3的发射极→地），托盘电机运转，通过传动机构将托盘推出机器，当托盘出仓到位后，托盘检测开关S1断开，单片机的c脚变为高电平（出仓过程中S1一直是闭合的，c脚为低电平），内部程序运行，使单片机的e脚变为高电平，三极管VT2、VT3均由导通转为截止，无电流流过托盘电机，电机停转，托盘出仓完成。

在托盘上放好碟片后，再按压一次“OPEN/CLOSE”键，单片机b脚再一次接收到a脚送来的高电平，又触发单片机内部相应的程序运行，程序运行后从d脚输出低电平，低电平经电阻R2送到PNP型三极管VT1的基极，VT1导通，+5V电压经R1、VT1和R5送到NPN型三极管VT4的基极，VT4导通，马上有电流流过托盘电机（电流途径是：+5V→R1→VT1的发射极→VT1的集电极→接插件的4脚→托盘电机→接插件的3脚→VT4的集电极→VT4的发射极→地），由于流过托盘电机的电流反向，故电机反向运转，通过传动机构将托盘收回机器，当托盘入仓到位后，托盘检测开关 S1断开，单片机的 c 脚变为高电平（入仓过程中S1一直是闭合的，c脚为低电平），内部程序运行，使单片机的d脚变为高电平，三极管VT1、VT4均由导通转为截止，无电流流过托盘电机，电机停转，托盘入仓完成。

在图1-4中，检测开关S1和按键S2均为输入部件，与之连接的电路称为输入电路，托盘电机为输出部件，与之连接的电路称为输出电路。

1.1.3 单片机的分类

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设计生产单片机的公司很多，较常见的有Intel公司生产的MCS-51系列单片机、Atmel公司生产的AVR系列单片机、MicroChip公司生产的PIC系列单片机和美国德州仪器（TI）公司生产的MSP430系列单片机等。

8051单片机是Intel公司推出的最成功的单片机产品，后来由于Intel公司将重点放在PC机芯片（如8086、80286、80486和奔腾CPU等）开发上，故将8051单片机内核使用权以专利出让或互换的形式转给世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、Dallas、Siemens、Fujitsu、OKI、华邦和LG等，这些公司在保持与8051单片机兼容基础上改善和扩展了许多功能，设计生产出与8051单片机兼容的一系列单片机。这种具有8051硬件内核且兼容8051指令的单片机称为MCS-51系列单片机，简称51单片机。新型51单片机可以运行8051单片机的程序，而8051单片机可能无法正常运行新型51单片机为新增功能编写的程序。

51单片机是目前应用最为广泛的单片机，由于生产51单片机的公司很多，故型号众多，但不同公司各型号的51单片机之间也有一定的对应关系。表1-1是部分公司的51单片机常见型号及对应表，对应型号的单片机功能基本相似。

1.1.4 单片机的应用领域

单片机的应用非常广泛，已深入到工业、农业、商业、教育、国防及日常生活等各个领域。下面简单介绍一下单片机在一些领域的应用。

（1）单片机在家电方面的应用

单片机在家电方面的应用主要有：彩色电视机、影碟机内部的控制系统；数码相机、数码摄像机中的控制系统；中高档电冰箱、空调器、电风扇、洗衣机、加湿器和消毒柜中的控制系统；中高档微波炉、电磁灶和电饭煲中的控制系统等。

（2）单片机在通信方面的应用

单片机在通信方面的应用主要有：移动电话、传真机、调制解调器和程控交换机中的控制系统；智能电缆监控系统、智能线路运行控制系统和智能电缆故障检测仪等。

（3）单片机在商业方面的应用

单片机在商业方面的应用主要有：自动售货机、无人值守系统、防盗报警系统、灯光音响设备、IC卡等。

（4）单片机在工业方面的应用

单片机在工业方面的应用主要有：数控机床、数控加工中心、无人操作、机械手操作、工业过程控制、生产自动化、远程监控、设备管理、智能控制和智能仪表等。

（5）单片机在航空、航天和军事方面的应用

单片机在航空、航天和军事方面的应用主要有：航天测控系统、航天制导系统、卫星遥控遥测系统、载人航天系统、导弹制导系统和电子对抗系统等。

（6）单片机在汽车方面的应用

单片机在汽车方面的应用主要有：汽车娱乐系统、汽车防盗报警系统、汽车信息系统、汽车智能驾驶系统、汽车全球卫星定位导航系统、汽车智能化检验系统、汽车自动诊断系统和交通信息接收系统等。