1.1 单片机的基本概念

1.1.1 初步了解单片机

单片机的全称是单片微型计算机，它是将中央处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、中断系统、定时器/计数器和输入/输出端口（简称I/O口）等集成在一起的集成电路，是简化了的微型计算机。

单片机常用作智能系统的核心控制器件，因为单片机体积小，可以方便地移植（嵌入）到智能系统，所以它又被称为嵌入式控制器，也称微控制器（MCU）。人们希望单片机实现什么功能，就可以将单片机和一定的硬件结合成一个完整的系统，再编写相应的程序，输入（烧入）到单片机中，单片机就可以按人们的愿望去工作（实现控制功能）。单片机现已广泛应用于家电、通信、机电一体化、测控等领域，几乎是无处不在。

单片机的种类很多，它们具有各自的优缺点。下面简要介绍几种。

1.8051系列单片机

8051系列单片机是以Intel公司生产的8051系列单片机为内部核心的一系列单片机的总称，属于集中指令集（CISC）的单片机。由于8051系列单片机是Intel公司最早推出的单片机，市面上硬件支持和软件应用都非常丰富、方便，所以有多家公司购买了8051的内核推出了与之兼容的新一代51单片机，如AT89S51、AT89S52、STC89C52（见图1-1）等。新一代51单片机在内部集成了更多的功能部件，功能更丰富。虽然不同厂家、不同型号的51系列单片机各有特点，但内核和指令系统相同，是历史最悠久并且应用较为广泛的一种单片机。51系列单片机都是8位单片机（注：单片机的位数指内部能一次并行处理的二进制数的位数）。51单片机易学易用，学会51单片机，可以为学会其他功能更为强大的新型微控制器打下坚实的基础。本书以STC89C52（或AT89S52）为例详细介绍了单片机控制系统硬件电路的搭建和程序的编写。

图1-1 新一代51单片机实物示例

2.AVR单片机

AVR单片机是Atmel公司推出的，属于增强精简指令集（RJSC），在吸取8051系列单片机优点的基础上做了大量改进，与51单片机相比具有运行速度更快、存储容量更大、片内资源更丰富、保密性强、电源电压范围宽（2.7～6.0V）、抗干扰能力强等优点，而且使用ISP（在线编程）下载方式编程使其开发成本低廉，广泛应用于高灵活性的场合。

AVR单片机有8位、16位、32位，常见型号有ATMEGA48、ATMEGA8、ATMEGA16、ATMEGA169P、AVR32等。实物外形示例如图1-2所示。

图1-2 AVR单片机实物示例

3.PIC单片机

PIC单片机也是采用精简指令集的单片机，到目前为止，有8位、16位、32位。具有指令运行速度快、效率高、体积小、功耗低、价格低、驱动能力强、保密性好等优点。

1.1.2 熟悉51单片机的引脚功能

初学单片机编程，首先要着重掌握单片机各引脚的功能，特别是要掌握4组输入、输出端口，因为这是单片机接收外界信号、输出控制指令的端口。至于单片机部分引脚的第二功能[即图1-3中（）内的内容]，暂不介绍，将在本书后续章节结合具体应用实例进行讲解。下面以Atmel公司的AT89S52单片机为例进行介绍，其封装有40脚PDIP，44脚贴片式（PLCC）封装等。在学习、训练和实验中采用PDIP封装的单片机有利于拆装和烧写程序。PDIP的AT89S52单片机的引脚名称和功能如图1-3所示。

图1-3 AT89S52单片机的引脚基本功能

图1-3所示的AT89S52单片机各引脚的基本功能详见表1-1。

表1-1 AT89S52单片机各引脚的基本功能（29、30、31脚暂时不需深入了解）

（续）

注：1.TTL电平。用+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称为TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。在数字电路中，TTL电平就是由TTL电子元器件组成的电路使用的电平。电平是个电压范围，规定输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出的高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。

2.COMS电平。CMOS集成电路使用场效应晶体管（MOS管），其功耗小，工作电压范围很大，速度相对于TTL电路来说较低。但随着技术的发展，速度在不断提高。CMOS电平的高电平（1逻辑电平）电压接近于电源电压，低电平（0逻辑电平）电压接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。

TTL电路和CMOS电路相连接时，由于电平的数值不同，所以需要设置电平转换电路。

1.1.3 理解单片机的最小系统

单片机的最小系统包括直流供电、时钟电路、复位电路。这些电路处于正常状态是单片机正常工作的必需条件。最小系统的电路如图1-4所示。

1.直流供电

直流供电不正常，单片机肯定不能正常工作。AT89S52单片机的工作电压为4～5.5V，推荐电压为5V，额定电流为0.5A或1A。5V的直流电压可由专用的5V直流电源（见图1-5）提供。也可以将220V交流电降压、整流，再用三端稳压器7805稳压后得到5V直流电压。

由于一般的应用中，单片机使用内部程序，所以EA（即单片机的引脚）要接电源（高电平），若接地，则单片机访问外部程序（使用外部程序存储器）。

图1-4 单片机的最小系统

注：I/O口没有画出。

图1-5 5V直流电源

2.时钟电路

时钟电路的作用是产生时钟信号（为脉冲信号）。时钟信号的作用是使单片机按一定的时间规律来工作（执行指令）。时钟电路由图1-4中单片机18、19、20引脚外接的两个瓷片或贴片电容（C2、C3）和一个晶振和单片机的部分内部电路组成。常用晶振的频率有6MHz、11.0592MHz、12MHz、24MHz。晶振的频率越高，时钟信号的周期就越小，单片机运行也就越快。瓷片电容的值为10～30pF，电容对时钟信号的频率有一定的影响，做高精度电子钟时需注意。

3.复位

复位是单片机的初始化操作。单片机启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。

复位，实质上是在单片机上电后，使单片机的复位引脚（9引脚）保持一定时间（很短，一般为几个机器周期）的高电平，然后再变为低电平。复位的方法有以下两种：

（1）上电复位。由9引脚外接的电解电容器C1（容量可取1～20μF）和电阻R1（阻值可取1～10kΩ）组成。

（2）手动复位。由按钮SB、限流电阻R2和虚线组成。系统上电后，手动点按一下按键，可使单片机重新复位。若自动复位出现故障后，按下按键，也可以使单片机复位。

图1-4所示的这个最小系统是单片机正常工作所必需的，但是该电路不能实现任何控制功能，因为没有使用I/O口。单片机要实现自动控制，就需要接收、输出信息，必须通过I/O口来实现。在后续章节介绍的实例电路中，都使用了一些I/O口。至于电源、时钟、复位电路，就不再画出（读者自己要明白，该电路是必须掌握的内容）。

在某单片机实训开发板上，时钟电路和复位电路元件的实物外形如图1-6所示。

图1-6 某单片机实训开发板上的时钟电路、复位电路元件的实物外形