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硬件开发1-51单片机1

news 2025/9/8 4:02:18

一、嵌入式

1、概念：

以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪的专用计算机系统

以应用为中心：
- 系统设计的起点是 “具体应用场景”，按照应用需求出发
以计算机技术为基础：
- 硬件技术：嵌入式处理器（如 ARM 芯片）、存储器、传感器、执行器
  - 相当于 “系统的身体”，负责数据计算、存储、与物理世界交互
- 软件技术：嵌入式操作系统（如 Linux 嵌入式版、RTOS）、驱动程序、应用程序
  - 相当于 “系统的大脑”，管理硬件资源、执行核心逻辑
- 软硬件协同技术硬件驱动适配、资源调度优化确保软硬件高效配合，避免资源浪费
软硬件可裁剪的专用计算机系统：
- “可裁剪” 是该系统实现 “高效、低成本、低功耗” 的核心手段，指硬件模块和软件功能可根据应用需求 “增删”，不保留冗余组件
  - 降低成本、降低功耗、缩小体积、提高稳定性
- 专用计算机系统：该系统是为某一类或某一个特定应用场景设计的 “定制化计算机”，不具备通用计算机的 “多场景兼容能力”

以具体应用需求为出发点，依托计算机软硬件技术，通过裁剪冗余组件，为特定场景（如智能设备、工业控制、汽车电子）打造的‘专机专用、高效精简’的定制化计算机系统”，其本质是 “用最小的资源（成本、功耗、体积）满足特定应用的核心需求”，这也是嵌入式系统区别于通用计算机的核心特征

二、51单片机

1、起源与发展

基于冯・诺依曼架构，通过执行存储在内部程序存储器中的指令，实现对数据的处理和外部设备的控制

1980年，由Intel公司MCS-51系列：8051型号单片机（工业控制领域），由MCU转型到CPU
Atmel（AT89C51）、Philip(P89V51系列单片机，增强型单片机 ISP在线编程)、STC 宏晶半导体（STC89C51 STC89C52 STC89C52RC）

2、相关概念

CPU：Central Processing Unit（中央处理器）数据运算、指令处理，CPU性能越高，完成指令处理和数据运算的速度越快

MCU：Micro Ctronller Unit（微控制器），集成度比较高，将所有功能集成到芯片中（CPU、RAM、ROM、定时器、UART、IO），简单控制，成本低

MPU：Micro Processing Unit（微处理器），集成度低，只有一块单独的CPU，需外接外设、存储模块，复杂应用领域，跑Linux操作系统，成本高

GPU：Graphics Processing Unit（图形处理器），图形处理、图形渲染（GPU性能越好，图形显示的质量越好）

NPU：Neural Processing Unit（神经网络处理器），AI推理、硬件加速，神经网络处理（卷积运算）-> 华为Mate60 达芬奇NPU AI自动优化照片

FPU：Floating Point Unit（浮点数运算单元），完成浮点数的运算和处理（完全遵循IEEE 754），大部分集成在CPU内部

SOC：System On Chip（片上系统），集成度比较高，将多个芯片集成到一块芯片上（存储芯片、外设芯片）

3、RAM和ROM

        外存：主要存放程序、代码、指令，掉电数据不丢失，读写速度慢，价格便宜（移动硬盘 1T 300）

内存：主要存放程序运行过程中的临时变量、掉电数据丢失，读写速度快，价格昂贵（内存条  16G  300）

ROM：Read-Only Memory，只读存储器，存放单片机程序，指令，掉电数据不丢失

RAM：Random  Access Memory，随机访问存储器，存放临时变量、临时数据，掉电数据丢失

4、单片机芯片内部结构：

CPU、RAM、ROM、Timer、PWM、IO、中断、UART

CPU（中央处理器）
单片机的核心运算和控制单元，负责指令的读取、译码和执行，处理算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非等），并协调内部各模块的工作。51 单片机的 CPU 为 8 位，一次可处理 8 位二进制数据。

RAM（随机存取存储器）
用于临时存储程序运行过程中的变量、中间结果和堆栈数据，特点是读写速度快，但断电后数据会丢失。

ROM（只读存储器）
用于存储用户编写的程序代码和固定数据，断电后数据不会丢失。

Timer（定时器 / 计数器）
兼具定时和计数功能：

定时模式：通过内部时钟脉冲计数，实现精确延时（如毫秒级、秒级定时），用于控制 LED 闪烁频率、周期性采样等。

计数模式：对外部输入引脚的脉冲信号计数，可用于测量频率、统计脉冲个数等。
51 单片机通常包含 2 个 16 位定时器 / 计数器（T0、T1），增强型可能增加更多。

PWM（脉冲宽度调制）
部分单片机集成 PWM 模块（或可通过定时器模拟），通过输出占空比可调的方波信号，实现对外部设备的无级调速或调压（如控制电机转速、LED 亮度）。占空比越大，输出平均电压越高。

IO（输入 / 输出端口）
单片机与外部设备交互的接口，通常为并行端口（如 51 单片机的 P0~P3 口），可配置为输入或输出模式：

输出：通过控制引脚电平（高电平 / 低电平）驱动 LED、继电器等。

输入：读取外部信号（如按键状态、传感器数据）。
部分 IO 口还可复用为其他功能（如串口、定时器引脚）。

中断系统
用于响应外部或内部紧急事件的机制，可暂停当前程序，优先执行中断服务程序，处理完毕后返回原程序。常见中断源包括：外部引脚触发（如按键中断）、定时器溢出、串口数据收发等。51 单片机支持 5 个中断源（基础型号），增强型可扩展更多。

UART（通用异步收发传输器）
用于串行通信的接口，通过一根发送线（TXD）和一根接收线（RXD）实现单片机与其他设备（如电脑、传感器、另一块单片机）的异步数据传输，无需时钟线同步，广泛应用于数据监控、指令交互等场景

5、原理图

HC6800-MS原理图

MCU单片机芯片：

STC89C52RC、DIP40 封装：双列直插式，40个引脚，划分成4组（端口寄存器 unsigned char P2；）

网络编号：在实际电路中的一个编号，避免物理连线，相同网络的编号的引脚在实际电路中是彼此互通

LED模块：

发光二极管：具有单向导通性，分为共阳极和共阴极二极管

共阳极发光二极管的特性：

将所有发光二极管的阳极接到电源正极(VCC),阴极接到单片机的引脚。此时发光二级管阳极会输出高电平（VCC 5V），如果发光二级阴极输出一个低电平(0V), 阳极和阴极之间会形成一个正向的电压差，满足发光二极管的单向导通性，所以电流就会从阳极流向阴极，发光二级就被点亮

6、位运算

1、|：将二进制中的对应位的bit进行比较，如果有一个bit为1，结果为1；如果都为0，结果为0;
应用场景：指定位置1
unsigned char t = 0x64;

将bit0和bit7置1：
t |= (1 << 0) | (1 << 7);

2、 &：将二进制中的对应位的bit进行比较，如果全为1，结果为1；如果有一个0，结果为0；

应用场景：指定位清0
unsigned char t = 0xFF;

将bit 0 和 bit7 清0：
t &= ~（1 << 0）;
t &= ~ (1 << 7);

7、单片机程序创建、编写、编译、下载流程：

（1）安装Keil4软件
（2）点击"Project" -> "New Project" -> 选择路径 (为工程起一个名字)
（3）选择单片机芯片型号：Atmel->AT89C51,点击"否"，不拷贝启动代码
（4）向Group中添加C语言文件: 点击左上方text按钮，ctrl + S将文件保存到工程对应的目录（为文件起一个名字，如 main.c），双击左侧Grpup，点击Add 将文件加入到对应的Group下
（5）编写单片机程序：
#include <reg51.h>，加入51单片机头文件
需要加入while(1)避免程序跑飞
（6）编译单片机程序：
点击"Target Options"按钮，点击"Output"选项中的"Create HEX FILE"选项，生成hex文件
点击左上方"Build"编译单片机工程
会在对应目录下生成xxx.hex十六进制文件
（7）下载单片机程序：
打开ISP软件，连接串口线
选择单片机芯片型号：STC89C52/C51/C52RC