单片机硬件特性 - 单片机各大分类与详解

　　硬件特性

　　1、主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

　　

　　芯片

　　2、系统结构简单，使用方便，实现模块化;

　　3、单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障;

　　4、处理功能强，速度快。

　　5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品

　　6、控制功能强

　　7、环境适应能力强。

　　应用范围

　　目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

　　单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

　　智能仪器

　　单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

　　例如精密的测量设备（电压表、功率计，示波器，各种分析仪）。

　　工业控制

　　单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

　　家用电器

　　现在的家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。

　　网络和通信

　　现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

　　医用设备领域

　　单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

　　模块化系统

　　某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。

　　在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

　　汽车电子

　　单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统、胎压检测等。

　　此外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

　　学习方法

　　基础理论

　　基础理论知识包括模拟电路、数字电路和C语言知识。模拟电路和数字电路属于抽象学科，要把它学好还得费点精神。在你学习单片机之前，觉得模拟电路和数字电路基础不好的话，不要急着学习单片机，应该先回顾所学过的模拟电路和数字电路知识，为学习单片机加强基础。否则，你的单片机学习之路不仅会很艰难和漫长，还可能半途而废。笔者始终认为，扎实的电子技术基础是学好单片机的关键，直接影响单片机学习入门的快慢。有些同学觉得单片机很难，越学越复杂，最后学不下去了。有的同学看书时似乎明白了，可是动起手来却一塌糊涂，究其原因就是电子技术基础没有打好，首先被表面知识给困惑了。

　　单片机属于数字电路，其概念、术语、硬件结构和原理都源自数字电路，如果数字电路基础扎实，对复杂的单片机硬件结构和原理就能容易理解，就能轻松地迈开学习的第一步，自信心也会树立起来。相反，基础不好，这个看不懂那个也弄不明白，越学问题越多，越学越没有信心。如果你觉得单片机很难，那就应该先放下单片机教材，去重温数字电路，搞清楚触发器、寄存器、门电路、COMS电路、时序逻辑和时序图、进制转换等理论知识。理解了这些知识之后再去看看单片机的结构和原理，我想你会大彻大悟，信心倍增。

　　模拟电路是电子技术最基础的学科，她让你知道什么是电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、放大器等等以及它们的工作原理和在电路中的作用，这是学习电子技术必须掌握的基础知识。一般是先学习模拟电路再去学习数字电路。扎实的模拟电路基础不仅让你容易看懂别人设计的电路，而且让你的设计的电路更可靠，提高产品质量。

　　C语言知识并不难，没有任何编程基础的人都可以学，在我看来，初中生、高中生、中专生、大学生都能学会。当然，数学基础好、逻辑思维好的人学起来相对轻松一些。C语言需要掌握的知识就那么3个条件判断语句、3个循环语句、3个跳转语句和1个开关语句。别小看这10个语句，用他们组合形成的逻辑要多复杂有多复杂。学习时要一条语句一条语句的学，学一条活用一条，全部学过用过这些关键语句后，相信你的C基础建立了。

　　当基础打好以后，你会感觉到单片机不再难学了，而且越学越起劲。当单片机乖乖的依照你的逻辑思维和算法去执行指令，实现预期控制效果的时候，成就感会让你信心十足、夜以续日、废寝忘食的投入到单片机的世界里。可以这么说，扎实的电子技术基础和C语言基础能增强学习单片机信心，较快掌握单片机技术。

　　实验实践

　　这是真正学习单片机的过程，既让人兴奋又让人疲惫，既让人无奈又让人不服，既让人孤独又让人充实，既让人气愤又让人欣慰，既有失落感又有成就感。其中的酸甜苦辣只有学过的人深有体会。思想上要有刻苦学习的决心，硬件上要有一套完整的学习开发工具，软件上要注重理论和实践相结合。

　　1.有刻苦学习的决心

　　首先，明确学习目的。先认真回答两个问题：我学单片机来做什么？需要多长时间把它学会？这是你学单片机的动力。没有动力，我想你坚持不了多久。其次，端正学习心态。单片机学习过程是枯燥乏味、孤独寂寞的过程。要知道，学习知识没有捷径，只有循序渐进，脚踏实地，一步一个脚印，才能学到真功夫。再次，要多动脑勤动手。单片机的学习具有很强的实践性，是一门很注重实际动手操作的技术学科。不动手实践你是学不会单片机的。最后，虚心交流。在单片机学习过程中每个人都会遇到无数不能解决的问题，需要你向有经验的过来人虚心求教，否则，一味的自己埋头摸索会走许多弯路，浪费很多时间。

　　2.有一套完整的学习开发工具

　　学习单片机是需要成本的。必须有一台电脑、一块单片机开发板（如果开发板不能直接下载程序代码的话还得需要一个编程器）、一套视频教程、一本单片机教材和一本C语言教材。电脑是用来编写和编译程序，并将程序代码下载到单片机上;开发板用来运行单片机程序，验证实际效果;视频教程就是手把手教你单片机开发环境的使用、单片机编程和调试。对于单片机初学者来说，视频教程必须看，要不然，哪怕把教材看了几遍，还是不知道如何下手，尤其是院校里的单片机教材，学了之后，面对真正的单片机时可能还是束手无策;单片机教材和C语言教材是理论学习资料，备忘备查。不要为了节约成本不用开发板而光用Protur软件仿真调试，这和纸上谈兵没什么区别。

　　3. 要注重理论和实践相结合

　　单片机C语言编程理论知识并不深奥，光看书不动手也能明白。但在实际编程的时候就没那么简单了。一个程序的形成不仅需要有C语言知识，更多需要融入你个人的编程思路和算法。编程思路和算法决定一个程序的优劣，是单片机编程的大问题，只有在实际动手编写的时候才会有深切的感悟。一个程序能否按照你的意愿正常运行就要看你的思路和算法是否正确、合理。如果程序不正常则要反复调试（检查、修改思路和算法），直到成功。这个过程耗时、费脑、疲精神，意志不坚强者往往被绊倒在这里半途而废。

　　学习编写程序应该按照以下过程学习，效果会更好。看到例程题目先试着构思自己的编程思路，然后再看教材或视频教程里的代码，研究人家的编程思路，注意与自己思路的差异;接下来就照搬人家的思路亲自动手编写这个程序，领会其中每一条语句的作用;对有疑问的地方试着按照自己的思路修改程序，比较程序运行效果，领会其中的奥妙。每一个例程都坚持按照这个过程学习，你很快会找到编程的感觉，取其精华去其糟粕，久而久之会形成你独特的编程思想。当然，刚开始，看别人的程序源代码就像看天书一样，只要硬着头皮看，看到不懂的关键字和语句就翻书查阅、对照。只要能坚持下来，学习收获会事半功倍。在实践过程中不仅要学会别人的例程，还要在别人的程序上改进和拓展，让程序产生更强大的功能。同时，还要懂得通过查阅芯片数据手册（DATASHEET）里有关芯片命令和数据的读写时序来核对别人例程的可靠性，如果你觉得例程不可靠就把它修改过来，成为是你自己的程序。不仅如此，自己应该经常找些项目来做，以巩固所学的知识和积累更多的经验。

　　硬件设计

　　当编写自己的程序信手拈来、阅读别人的程序能够发现问题的时候，说明你的单片机编程水平相当不错了。接下来就应该研究的硬件了。硬件设计包括电路原理设计和PCB板设计。学习做硬件要比学习做软件麻烦，成本更高，周期更长。但是，学习单片机的最终目的是做产品开发----软件和硬件相结合形成完整的控制系统。所以，做硬件也是学习单片机技术的一个必学内容。

　　电路原理设计涉及到各种芯片的应用，而这些芯片外围电路的设计、典型应用电路和与单片机的连接等在芯片数据手册（DATASHEET）都能找到答案，前提是要看得懂全英文的数据手册。否则，照搬别人的设计永远落在别人的后面，你做的产品就没有创意。电子技术领域的第一手资料（DATASHEET）都是英文，从第一手资料里你所获得的知识可能是在教科书、网络文档和课外读物等所没有的知识。虽然有些资料也都是在DATASHEET的基础上撰写的，但内容不全面，甚至存在翻译上的遗漏和错误。当然，阅读DATASHEET需要具备一定的英文阅读能力，这也是阻碍单片机学习者晋级的绊脚石。良好的英文阅读能力能让你在单片机技术知识的海洋里自由遨游。

　　做PCB板就比较简单了。只要懂得使用Protel软件或 AltimDesigner软件就没问题了。但要想做的板子布局美观、布线合理还得费一番功夫了。

　　娴熟的单片机C语言编程、会使用Protel软件或 AltimDesigner软件设计PCB板和具备一定的英文阅读能力，你就是一个遇强则强的单片机高手了。［1］

　　抗干扰设计

　　在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视。下面以MCS-51单片机系统为例，对微机系统软件抗干扰方法进行研究。

　　软件抗干扰设计

　　在工程实践中，软件抗干扰研究的内容主要是：一、消除模拟输入信号的噪声（如数字滤波技术）;二、程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。本文针对后者提出了几种有效的软件抗干扰方法。

　　指令冗余

　　CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞” 到了三字节指令，出错机率更大。

　　在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。

　　此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。

　　拦截技术

　　所谓拦截，是指将乱飞的程序引向指定位置，再进行出错处理。通常用软件陷阱来拦截乱飞的程序。因此先要合理设计陷阱，其次要将陷阱安排在适当的位置。

　　（1 ）软件陷阱的设计

　　当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序区填入以下指令作为软件陷阱：

　　NOPNOPLJMP 0000H其机器码为0000020000。

　　（2 ） 陷阱的安排

　　通常在程序中未使用的EPROM空间填0000020000。最后一条应填入020000，当乱飞程序落到此区，即可自动入轨。在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽未用到外部中断1，外部中断1的中断服务程序可为如下形式：

　　NOPNOPRETI返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、 完善，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接进入故障诊断程序，尽早地处理故障并恢复程序的运行。

　　考虑到程序存贮器的容量，软件陷阱一般1K空间有2-3个就可以进行有效拦截。