单片机

1、 单片机概述

1.1 什么是单片机：

单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器及各种输入\\输出接口的芯片，因其具有了计算机的属性，而被称为单片微型计算机，简称单片机。

1.2 单片机的标号信息及封装类型：

首先，我们先对单片机芯片名称及其文字标识做一下了解。以目前使用较多的51单片机为例： 公司 AT（Atmel） 产品 AT89C51，AT89C52，AT89LV52，AT89S51,，AT89LS53等 Philips（飞利浦） P80C54，P80C58，P87C54，P87C58，P87C528等 Winbond（华邦） Intel（英特尔） W78C54，W78C58，W78E54，W78E58等 C501-1R，C501-1E，C513A-H，C503-1R，C504-2R等 Siemens（西门子） i87C54，i87C58，i87L54，i87L58，i87C51FB，i87C5FC等 STC

STC89C51RC，STC89C52RC，STC89C53RC，STC89LE51RC等 图片1.2.1：STC89C58RD+ 图片1.2.2：AT89C51ED2-1M 以图片1.2.1为例：

STC89C58RD+

STC：前缀，表示芯片为STC公司生产的产品。其他前缀如：AT，i，Winbond等 8：表示该芯片为8051内核芯片。

9：表示内部含Flash EEPROM存储器。还有如80C51中0表示内部含Mask ROM（掩模ROM）存储器：如87C51中7表示内部含EPROM（紫外线可擦除ROM）存储器。

C：表示该器件为COMS产品。还有如89LV52和89LE58中的LV和LE都表示该芯片为低电压产品（通常为3.3V电压供电）：而89S52中的S表示该芯片患有可串行下载功能的Flash存储器，既具有ISP可在线编程功能。 5：固定不变。

1：表示芯片内程序存储空间的大小，1为4KB，2为8KB，3为12KB,以此类推。 RD+：STC单片机RAM为1280B。还有如RC表示内部RAM为512B。

40：表示芯片外部晶振最高可接入40MHz。对AT单片机数值一般为24，表示其外部晶振最高为24MHz。

C：产品级别，表示芯片使用温度范围。C表示商业级温度范围为0摄氏度—70摄氏度；I：表示工业级，温度范围-40摄氏度—85度；A：表示汽车用，温度范围-40摄氏度—125摄氏度；M：表示军用，温度范围为-55摄氏度—150摄氏度。

PDIP：产品封装型号，表示双列直插式。

0929：表示本批新品生产日期为07年第7周。

知识点小结：

芯片封装简介

1、DIP—双列直插式封装；绝大多数的芯片封装形式，引脚不超过100个。

2、PLCC—带引线的塑料芯片封装；外形尺寸比DIP小得多，具有外形尺寸小，可靠性高的优点。

3、QFP—塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装；引脚之间距离很小，引脚很细，大规模集成电路采用的封装形式，引脚数在100个以上。 4、PGA—插针网格阵列封装；

5、BGA—球栅阵列封装；该封装技术克服了当IC的引脚数大于208Pin时，传统的封装技术有困难的问题。

2、51单片机外部引脚介绍

如图示：

图1.2.3 PDIP封装引脚图 图1.2.4AT89S52实物图

基于8051内核的单片机，若引脚数相同，或封装相同，则其引脚功能是相通的。 知识点：区分芯片引脚序号 任何一种芯片，大都会在其表面找到一个凹进去的小坑或是有颜色标记的一个小标记（圆点或三角或其他图案）这就是芯片的第一个引脚，逆时针书即2，3，4，……。 以PDIP封装引脚图（40脚）为例介绍各个引脚的功能 ：

1、 电源引脚：VCC（40脚）接+5V电源、VSS（20脚）接地。单片机电源电压范围是4 —5.5V，最高电源电压为6.6V。任何引脚对地的电压范围是 -1—7V 。 2、 时钟引脚：XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚）——外接时钟引脚。XTAL1为片内震荡电路的输入端，XTAL2为片内震荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟震荡方式，需在这两个脚外接石英晶体和震荡电容，震荡电容的值一般取10p-30p；另一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部信号从XTAL2脚输入。 3、 编程控制引脚。RST、PSEN、ALE/PROG、EA/VPP 复位引脚：RST（9脚），当连续输入两个机器周期以上高电平时有效，用来完成单片机的复位初始化操作。

复位引脚有双向功能：当上电时 ，外加电容与单片机内部下拉电阻形成复位电路使单片机复位；当单片机内部的看门狗(WDT)溢出时，该引脚输出高电平不仅复位单片机，也复位外部需要复位的芯片，以保持个芯片之间复位动作的一致性。如需要RST引脚输出复位信号，则需要1—10kΩ的外部复位电阻。

PSEN（29脚）—程序存储器允许输出控制端。在读外部存储器时PSEN低电平有效，以实现外部存储器单元的读操作。

ALE/PROG（30脚）——在单片机扩展外部RAM时，ALE用于控制把P0端口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。PROG为编程脉冲的输入端，单片机内部有程序存储器，它的作用是用来存放用户需要执行的程序（现有的许多单片机已不需要编程脉冲向内部写程序，直接通过串口即可实现）。

EA/VPP（31脚）——EA接高电平时，单片机读取内部程序存储器，当扩展有外部ROM时，读取完内部ROM时，自动读取外部ROM。

注：由于现有的单片机已经有丰富的内部存储，所以PSEN、ALE/PROG、EA/VPP用到的情况比较少，了解即可。

4、 I/O口引脚：P0、P1、P3，四组8位I/O口。

P0口（39-32脚）—双向8位三态I/O口，每个口可独立控制。51单片机内部没有上拉电阻为高阻态，所以不能正常的输出高/低电平，使用时务必加外接上拉电阻，一般选择接入10kΩ上拉电阻。

P1口（1—8脚）——准双向8位三态电阻I/O接口，每个口可独立控制。内带上拉电阻，不存在高阻态，也不能锁存，故不是真正的双向I/O口，之所以称之为“准双向”是因为该口在作为输入使用前，要先向该口写1操作，然后单片机内部才能正确读出外部信号。

P2口（21脚—28脚）—准双向8位I/O口，与p1口相似。

P3口（10脚—17脚）—准双向8位I/O口，作为第一功能你如果使用时同p1口，各引脚定义如下表，值得注意的是，p3口的每一个引脚可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。

表：p3口个引脚第二功能定义

标号 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

引脚 10 11 12 13 14 15 16 17 第二功能 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 说明 串行输入口 串行输出口 外部中断0 外部中断1 定时器/计数器0外部输入端 定时器/计数器1外部输入端 外部数据存储器写脉冲 外部存储器读脉冲 1.3 1.3单片机的电平特性

数字电路中存在两种电平：高/低电平。这里我们暂且定义单片机输入与输出为TTL 电平，高：+5V、低：0V。此外需要注意的是，计算机的串口为负逻辑电平，高-12V、低+12V。因此当计算机与单片机之间需要通讯时需加电平转换芯片。

常用逻辑电平：

常用的逻辑电平有TTL、COMS、LVTTL、ECL、PECL、GTL、RS-232、RS-422、RS-485、LVDS等，其中TTL和COMS的逻辑电平按典型电压可分为四类：5V系列（5V TTL和5V COMS）、3.3V系列、2.5V系列、1.8V系列。

5V TTL和5V COMS是通用的逻辑电平。3.3V及以下的逻辑电平被称为低电压逻辑电平，常用的为LVTTL电平。

TTL电平信号用的最多，这是因为数据表示通常采用二进制，+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，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。

COMS电平Vcc可达12V，电路输出的高电平约为0.9Vcc，而输出低电平约为0.1Vcc。COMS电路中输入端不能悬空，否则会造成逻辑混乱。

TTL电路和COMS电路的逻辑电平关系如下： 1、 VOH——逻辑电平1的输出电压。 2、 VOL——逻辑电平0的输出电压 3、 VIH——逻辑电平1的输入电压。 4、

VIL——逻辑电平0的输入电压.

TTL电平临界值：

VOHmin=2.4V, VOLmax=0.4V， VIHmin=2.0V， VILmax=0.8V。 COMS电平临界值：

VOHmin=4.99V, VOLmax=0.01V， VIHmin=3.5V， VILmax=1.5V。 TTL和COMS逻辑电平转换：

COMS电平能驱动TTL电平，但是TTL电平不能驱动COMS电平，需加上拉电阻。

74LS系列: TTL电平 输入：TTL电平信号 输出：TTL电平信号 74HC系列： COMS 输入：COMS 输出：COMS 74CHT系列： COMS 输入：TTL 输出：COMS CD4000系列： COMS 输入：COMS 输出：COMS

1.4 1.4二进制及其逻辑运算

前面已经学过，此处不讲！

其信号输入与输出之间的关系如下

Uout??RfUinR?R//R，21f R1第一个式子中负号是指相位取反，当输入信号是关于0电位对称的三角波或正弦波

时，在运放加入双电源并且能够正常工作的前提下，负号方可起作用。

R2为平衡电阻，用来减小输入偏置电流所带来的失调电压，通常取R1和Rf并联后的值（输出失调电压=输入失调电压*闭环增益）在高输入阻抗的情况下，失调电压可以采用R2的阻值来调整，利用输入偏置电流在其上的压降来对输入失调电压做出补偿，也就是用这个的压降来抵消输入失调电压。

在交流耦合的时候，失调电压显得并不是很重要，这时的主要问题是：失调电压减小了输出电压峰值的线性动态范围。

双电源运放反向放大器电路如下图示

同相放大器

双电源同相放大器如图示

同相放大器信号输入与输出之间关系如下：

Uout?R1?RfR1Uin

R1?RfR1。和反

上图给出了一个较高输入阻抗同相放大器电路，其闭环放大倍数为

相放大器相比，其最大的不同点在于，其输出信号和输入信号是同相的，其输入阻抗也是相当高的，为运放差模输入阻抗与环路增益的乘积(环路增益=开环增益 /闭环增益)。

电压跟随器 电路图如下：

其信号输入与输出之间的关系如下：

Uout?Uin

电压跟随器又叫单位增益放大器、缓冲器、射随等。之所以叫电压跟随器是因为这个电路的输出与输入端电压始终是一样的，它在电路中起到缓冲隔离，提高带载能力的作用，该电路所在的放大器组态电路中具有较高的输出阻抗（其输出阻抗为开环增益与差模输入阻抗之积和共模输入阻抗相并联）。运放有一个特点就是输入高阻抗，输出低阻抗，这就使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用

其余运放如加法器，差分放大器等已学过。

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