第三章 系统结构组成及硬件设计
仪器仪表、家用电器等中得到了广泛的应用。它体积小、个性突出、物美价廉的特点，使其应用领域得到不断的扩展，内部功能也得到了不断的改进和完善。单片机除了在以上领域表现抢眼外，还在自动化高级电子玩具产品中也不断作为核心控制器件出现。
3.2.2 单片机的特点及应用
1.单片机的特点：
单片机芯片作为系统控制的核心部件，除了能够完成通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便对系统的输入量、输出量进行实时检测并控制，实现自动控制功能。由于单片机主要用于工业控制，经常工作在高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体等恶劣环境之下，另外在太空中应用的单片机系统还必须具有抗辐射功能，这就决定了单片机CPU与通用CPU的不同适应特点，因为单片机CPU更能很好的适应恶劣环境，完成人类因自身原因无法完成的工作，实现技术上的突破。
（1）单片机CPU对抗干扰性和工作温度范围都要求比较高，一般能够抵抗外界电磁干扰或者对干扰能作出反应来调整自身属性，而通用微机CPU一般要求在室温下工作，抗干扰能力较弱；
（2）单片机CPU可靠性强。在工业控制中，要求的就是高精度，不允许任何差错，高精度产品很多都是差之毫厘，谬之千里；
（3）单片机CPU指令系统比通用微机系统简单易懂。单片机的程序一般采用C语言进行编译，利用Keil等软件生成机器语言后烧入单片机；
（4）单片机CPU更新换代速度比通用微机处理器慢很多，Intel公司1980年推出标准MCS-51内核8051(HMOS工艺)、80C51(CHMOS工艺)单片机芯片后，持续生产、使用10年，直到1996年3月才被增强型MCS-51内核8xC5x系列芯片取代。由于增强型MCS-51单片机芯片均采用CHMOS工艺，因此Philips公司将“增强型MCS-51”内核称为“增强型80C51”内核。
2.单片机的应用
目前单片机已广泛应用到国民经济的很多领域。强大的单片机对工业行业
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第三章 系统结构组成及硬件设计
的技术改造和产品更新换代起到了很重要的带动作用。单片机的高精小特点决定了单片机在智能仪器仪表、机电一体化、实时监测系统、民用电子产品等方面表现突出。下面就根据搜集的资料注重介绍一下单片机在各个领域内的强大具体表现：
（1）单片机在智能仪表中的应用
单片机在实验室、交通运输监测、计数计量等各种仪器仪表之中经常出现，其主要作用是使仪器仪表更加智能化，提高了它们的测量精度，并且强化了器件的功能，简化了仪器仪表的结构要求，在设备的应用、维护和更新中更加简单易行，如船舶航行状态记录仪，家电操控，电度表水表，电容、电阻、电感测量仪，烟草水分测试器，智能超声波测距仪等。单片机在该领域的应用，给传统的仪器仪表带来了根本性的变革。
（2）单片机在机电一体化中的应用
机电一体化是机械工业发展的重要方向。机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。单片机的出现促进了机电一体化的进程，对发展机器的自动化、智能化提供了可能性。
（3）单片机在实时控制系统中的应用
单片机也广泛的应用于各种实时控制系统中，如对工业上能源提炼时的温酸度、化学成分的测量和控制，使工作人员更加轻松安全的操作设备，使系统工作于最佳的状态，从而促进了系统的生产效率，提高了产品的质量。在航空航天、通信、工业机器人控制等各种实时控制系统中都将单片机作为中心控制器。
3.2.3 单片机的管脚及最小系统
1.MCS-51单片机的管脚功能
采用HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40管脚双列直插式封装；而采用CHMOS制造工艺的89C51/89C31,除采用40脚双列直插式封装外，还有用方形封装方式。如下图3-1所示为Atmel公司生产的双列直插式封装单片机管脚
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图。
图3-1 单片机管脚图
各管脚功能说明如下： (1)主电源管脚
VCC(40脚)：接+5V；VSS(20脚)：接地。 (2)时钟引脚
①XTAL1(18脚)：片内振荡电路输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。
②XTAL2(19脚)：片内振荡器电路的输出端，是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
(3)输入/输出引脚
输入/输出引脚(I/O)口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。 4个8位端口的特性：
①不能都用作用户的I/O扣，出8051、8751外真正可归用户使用的I/O口只有P1口以及作为第一功能使用时得P3口；
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②I/O的负载驱动能力：P0口的每条口线能以吸收电流方式驱动8个TTL电路。P1、P2、P3口均只能驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL电路；
③P3口具有双重功能，其第二功能如表3-1所示。
表3-1 P3口的第二功能 引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RXD 串行口输入端 TXD 串行口输出端 INT0 外部中断0请求输入端，低电平有效 INT1 外部中断1请求输入端，低电平有效 T0 定时器/计数器0计数脉冲输入端 T1 定时器/计数器1计数脉冲输入端 WR 外部数据存储器及I/O口写选通信号输出端，低电平有效 RD 外部数据存储器及I/O口读选通信号输出端，低电平有效 第二功能 (4)控制引脚
这部分包括RESET(即RST)，ALE，PSEN、EA等，此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复选功能。
①RST/VPD(9脚)：RST即为RESET,VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护段。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），使单片机复位。
当VCC掉电时，该引脚可接上备用电源VPD，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM中的数据不会丢失。
②ALE/PROG(30脚)：正常工作时为ALE（允许地址锁存）功能，提供把低字节地址锁存到外部锁存器的信号。ALE引脚以不变的频率周期性地发出正脉冲信号。因此，它还可对外输出时钟信号，或用于定时目的。但是，每当单片机需要访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收
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或输出电流）8个TTL电路。
对于片内具有EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲PROG。
③PSEN(29脚)：这个管脚作为片外程序存储器读信号选通的输出端，低电平有效。在从外部程序存储器取指令期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在此期间，单片机每次访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不会出现。同样PSEN就可以驱动8个TTL负载。
④EA/VPP(31脚)：EA为片外程序存储器选用端。当EA端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存储器，但当PC(程序计数器)值超过某值时，单片机将自动转向执行外部程序存储器储存的内容。当EA端保持低电平时，则不论是否有内部程序存储器，单片机只会访问外部存储器。在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源VPP。
综上所述，MCS-51系列单片机的引脚可归纳为以下两点： (1)单片机功能多，引脚数少，因为许多引脚都具有第二功能；
(2)单片机对外呈现总线形式，由P2，P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用为数据总线；由PSEN与P3口中的WR,RD构成对外部存储器及I/O的读/写控制，由P3口的其他引脚构成串行口、外部中断输入、计数器的计数脉冲输入。
2.单片机最小系统构成
单片机加晶振电路、复位电路、外部程序存储器、数据存储器、按键以及数码显示管等构成了单片机的最小系统。这些电路是保证单片机正常工作的必备电路。下面介绍最小系统的典型模块。
(1)单片机晶振电路
MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其中管脚XTAL1和XTAL2就是该反相放大器的输入端和输出端，由一个起到反馈作用的片外晶体谐振器和单片机内部的放大器一起构成一个自激振荡器，这种方式形成
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