1.2 单片机家族
1.2.1 单片机应用系统
1.单片机应用系统的组成
单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示等外围接口电路和控制程序，能实现一种或多种功能的实用系统。如图1-4所示，该系统由硬件系统和软件系统组成，硬件是应用系统的基础，软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可。
图1-4 单片机应用系统的组成
2.单片机应用系统的设计步骤
单片机应用系统的设计经历4个主要步骤：总体设计阶段、硬件设计、软件设计及系统调试和维护，如图1-5所示。
（1）总体设计主要步骤有需求分析和方案论证。
需求分析：被测控参数的形式（电量、非电量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。
图1-5 单片机应用系统设计主要步骤
方案论证：根据要求设计出符合现场条件的软硬件方案，且要使系统简单、经济、可靠，这是进行方案论证与总体设计一贯坚持的原则。
（2）硬件设计：选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。
（3）软件设计：软件流程设计、编程和调试。
（4）系统调试与性能测定：硬件软件联调与优化。
（5）文件编制：设计思想及设计方案论证、硬件电路图及元器件清单、软件流程图及程序清单、调试记录、性能测定及现场试用报告、使用说明等。
1.2.2 单片机主要类型和应用领域
1.51系列单片机
目前单片机的品种很多，其中最具代表性的当属Intel公司的MCS-51单片机系列。本书就以目前使用最为广泛的MCS-51系列8位单片机为研究对象，介绍单片机的硬件结构、工作原理及应用系统设计。
自1976年9月Intel公司推出MCS-48系列单片机以来，单片机就受到了广大用户的欢迎。1980年，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上又推出了高性能的MCS-51系列单片机，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，为单片机的发展奠定了良好的基础。该系列单片机的硬件结构相似，指令系统兼容，包括8031、8051、8751、8052、8752等基本型。其中，8051单片机是MCS-51系列单片机中的一个基本型，是MCS-51系列中最早期、最典型、应用最广泛的产品，所以8051单片机也就成了MCS-51系列单片机的典型代表。
MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称一代“名机”。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了MCS-51单片机，包括PHILIPS、Dallas、Atmel等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-51的单片机产品。这些公司生产的单片机都普遍使用MCS-51内核，并在8051这个基本型单片机基础上增加资源和功能改进，使其速度越来越快，功能越来越强大，片上资源越来越丰富，即所谓的“增强型51单片机”。(https://www.daowen.com)
最典型的是PHILIPS和Atmel公司，PHILIPS公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展了高速I/O口、A/D转换器、PWM（脉宽调制）、WDT等增强功能，并在低电压、微功耗、扩展串行总线（I2C）和控制网络总线（CAN）等功能方面加以完善。Atmel公司推出的AT89Cxx系列兼容C51的单片机，完美地将Flash（非易失闪存技术）EEPROM与80C51内核结合起来，仍采用C51的总体结构和指令系统，Flash的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使用。
51单片机是对目前所有兼容MCS-51指令系统的单片机的统称，包括Intel MCS-51系列单片机以及其他厂商生产的兼容MCS-51内核的增强型8051单片机。只要和MCS-51内核兼容的单片机都叫作51单片机。
目前，单片机正朝着低功耗、高性能、多品种方向发展。近年来32位单片机已进入了实用阶段，但是由于8位单片机在性能价格上占有优势，且8位增强型单片机在速度和功能上可以挑战16位单片机，所以一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。
2.单片机的应用领域
单片机的特点是集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便及价格低廉。单片机的应用几乎是无处不在，已经渗透到我们生活中的各个领域。目前单片机已经在工业控制、仪器仪表、家用电器、办公自动化、医用设备、信息和通信产品、航空航天、专用设备的智能化管理等领域中得到了广泛的应用，其应用形式体现如下。
（1）在智能仪器仪表上的应用。
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、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（功率计、示波器、各种分析仪）。
（2）在工业控制中的应用。
工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一，在测控系统、过程控制、机电一体化设备中主要利用单片机实现逻辑控制、数据采集、运算处理、数据通信等用途。单独使用单片机可以实现一些小规模的控制功能，作为底层检测、控制单元与上位计算机结合可以组成大规模工业自动化控制系统。特别在机电一体化技术中，单片机的结构特点使其更容易发挥其集机械、微电子和计算机技术于一体的优势。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。
（3）在家用电器中的应用。
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材，再到电子秤设备，五花八门，无所不在。
（4）在计算机网络和通信领域中的应用。
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。
（5）在医用设备领域中的应用。
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如在医用呼吸机、各种分析仪、医疗监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统中都得到了实际应用。
（6）在办公自动化设备中的应用。
现代办公自动化设备中大多数嵌入了单片机控制核心，如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机及电话等。通过单片机控制不但可以完成设备的基本功能，还可以实现与计算机之间的数据通信。
（7）在商业营销设备中的应用。
在商业营销系统中单片机已广泛应用于电子秤、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等。
（8）在汽车电子产品中的应用。
现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器等装置中都离不开单片机。特别是采用现场总线的汽车控制系统中，以单片机担当核心的节点，通过协调、高效的数据传送不仅完成了复杂的控制功能，而且简化了系统结构。
