第一部分 单片机与物联网基础知识篇
第1章 绪论
1.1 单片机技术概论
1.1.1 单片机技术发展趋势
自1946年，世界上第一台公认的计算机诞生至今，已有70余年。70多年来，计算机大致经历电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路4个阶段，并继续向第五代计算机——人工智能计算机和第六代计算机——神经网络计算机发展。微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物。近年来，单片微型计算机发展极为迅速。
单片微型计算机简称单片机。单片机的发展历史并不长，它的产生和发展与计算机的产生和发展大致是同步的，单片机的发展过程分为以下4个阶段。
第一代单片机（1974—1976年）：单片机的起步阶段。1974年，美国Fairchild公司研制出世界上第一台微型计算机F8和Mostek公司的3870，拉开了研制单片机的序幕。
第二代单片机（1976—1978年）：单片机的发展阶段。单片机性能低，主要是低中档8位单片机阶段。最典型的Intel公司的MCS48系列单片机为8位机的早期产品。
第三代单片机（1978—1982年）：8位单片机的成熟阶段。其代表产品有Intel公司的MCS51系列机、Motoroal公司的MC6801系列机、Zilog公司的Z8系列机等，是目前应用数量最多的单片机。
第四代单片机（1983年以后）：8位单片机的发展阶段，以及16位单片机、32位单片机并行发展。一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同用户的需要，例如，从1982年16位单片机诞生以来，已有Intel公司的MCS96/196系列、Motorola公司的M68HC16系列、NS公司的HPC16040系列；另一方面发展16位单片机、32位单片机及专用型单片机。16位单片机除了有16位的CPU之外，片内带有高速输入、输出部件，中断处理能力提高，有的还集成高速输入/输出接口（HIS/HSO）、脉冲宽度调制（PWM）输出、支持高级语言，实时处理能力更强，近年来主要应用于高速复杂的控制系统，如家用电子系统、多媒体技术和Internet技术。
近年来，单片机发展非常快，其发展趋势正朝着大容量高性能化、小容量价格化、外围电路内装化、I/O接口功能增强、功耗降低等方向发展。单片机的发展趋势体现为以下4个方面：
1）单片机大容量化、内部资源增多 单片机内存储器容量进一步扩大，新型单片机片内ROM容量一般可达4～8KB，片内RAM容量为256KB。有的单片机ROM容量可达128KB。许多高性能的单片机不但存储器容量扩大，而且还增加了寻址范围，提高了系统的扩展功能。
2）单片机外围电路内装化 单片机外围电路内装化是指将一些常用的I/O接口电路集成到单片机内部，包括并行口和串行口、多路A-D转换器、D-A输出电路、定时器/计数器、DMA通道、PWM、LED和LCD驱动器，可以大大减少单片机的外接电路，减小控制系统的体积。
3）推行串行扩展总线 简化系统的结构，减少引脚数量。随着单片机内部资源的增多，所需的引脚也相应增多，为了减少引脚数量，提高应用的灵活性，串行接口和并行接口不断发展，如I2C总线、CAN总线、USB总线接口等，采用高集成的3条数据总线代替现行的8位数据总线。甚至推出软件虚拟串行总线来实现。
4）低功耗 单片机采用HMOS和CHMOS两种半导体工艺，即HMOS工艺为高密度短沟道MOS工艺，CHMOS工艺为互补金属氢氧化物的HMOS工艺。现在基本上普遍采用CMOS制造工艺，非CMOS工艺单片机逐步被淘汰，增加软件激发的空闲（等待）方式和掉电（停机）方式，极大地降低了单片机的功耗。此类单片机可以用电池供电，而不需要外部电源来操作整个控制系统，使用比较方便。如8051的功耗为630mW，而80C51的功耗仅为120mW。功耗大大降低。
1.1.2 单片机技术定义及应用
1.单片机的定义
采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、多种I/O口、中断系统、定时器/计数器等功能（还包括显示驱动电路、脉冲调制电路、模拟多路转换电路、A-D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机的类型比较多，目前使用比较广的单片机有MCS51系列、AVR、PIC、MSP430等。其中，MCS51系列是应用最广泛的，也是最容易入门的、最具有代表性的，常用的型号有AT89XXX、STC89XXX等。MCS51系列都采用8051内核，所以兼容性比较强，占据的市场份额也是最大的。而AVR单片机的速度比较快，性能比MCS51单片机高，但价格比较高。其实各种单片机的使用方法都是相同的，只要学好任意一种类型的单片机，其他单片机的学习就通过芯片使用手册，做到举一反三、触类旁通。
目前，4位、8位、16位单片机仍各有其应用领域，且应用范围日益扩大。原来很多用模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能，现在都能用单片机应用软件来实现。
2.单片机的应用
提起单片机的应用，大家不约而同地联想起它的控制功能，可以说控制是单片机的重要应用。单片机的主要功能就在于计算机控制，可以概括为以下两个方面：
（1）计算机在控制系统中的离线应用
即计算机实现对控制系统的分析、设计、仿真、建模，给定控制，事物在不加以人工干涉的条件下，自我执行指令，简要地说即脱机工作。离线控制应用，对计算机性能要求较高，所需要计算机的硬件资源较多，常使用微型机或者小型机实现。
（2）计算机在控制系统中的在线应用
即计算机代替常规的模拟或数字电路，使计算机成为控制系统中的一部分，计算机能够时刻参与控制，即为由计算机给出一条或者多条指令，然后相应元件或者物体给出执行下相应动作，计算机身处控制环节当中。在线控制应用，对于计算机有体积小、功耗低、控制功能强等要求。对于体积小、多功能、低功耗的单片机都能满足这些要求。
此外，单片机在工业、农业、国防科技及日常生活各个领域均显示了日益旺盛的生命力。目前，单片机技术已经发展成为一种比较成熟的技术。
1）单片机特别适用于机、电一体化产品。在各类仪器仪表中（包括医疗器械、色谱仪、温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、长度、硬度、元素测定等）引入单片机，使仪器仪表数字化、智能化和微型化等功能大大提高。
2）单片机在测控系统方面的应用。用单片机可以构成各种工业控制、自适应控制系统和数据采集系统等。例如，温度、湿度的自动控制、厂间操作灯的自动控制、电缆生产线的自动控制和包装生产线的自动控制等。
3）单片机网络及通信技术方面的应用。单片机成功地应用于玩具、游戏机、充电器、按摩器、IC卡电话、IC卡水表、IC卡煤气表、IC卡电能表、流量温控仪表、家庭自动化、电子锁、电子秤、步进电动机、防盗报警和电子日历时钟等。例如，用MCS51系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统、列车无线通信系统和无线遥控等。
4）计算机外部连接设备。图形终端、彩色黑白复印机、软盘及硬盘驱动器、磁带机、打印机的内部都采用单片机进行控制。
1.1.3 单片机开发板简介
对于单片机初学者来说，最好有一块单片机开发板（价格不高，以两三百元的单片机开发板为宜），将学习到的单片机知识与实际结合起来，才能融会贯通。只要单片机开发板功能足够强大，可以帮助初学者学习单片机的外围电路，熟悉和应用单片机各种硬件电路和软件电路设计编程。另外，单片机开发板附带的文件资料是很好的学习工具，附带的案例对初学者可以加快入门速度。