بررسی میکروکنترلرها

بخشی از فهرست مطالب پروژه بررسی میکروکنترلرها

فصل اول: مطالب تئوری و توضیح المانهای مدار 
بخش اول: آی سی های جبران ساز دما 
۱-    آدرس های مبدل دما به کمیت الکتریکی 
۲-    مبدل دما به ولتاژ 
۳-    ترموکوپل 
۴-    قوانین ترموکوپل ها 
۵-    مدار داخلی جبران ساز دما (AD595) , (AD594)
بخش دوم: LCD
۱-    مقایسه LCD با LED های هفت قسمتی 
۲-    شرح پایه های LCD
۳-    عملکرد LCD
۴-    فرستادن اطلاعات به LCD
۵-    نحوه اتصال به LCD به میکروکنترلر 
بخش سوم: میکروکنترلر 
۱-    اجزاء یک سیستم میکروکامپیوترها 
۲-    واحد پردازش مرکزی (cpu)
۳-    حافظه RAM و ROM و گذرگاه ها 
۴-    خانواده MCS – 51Tm
۵-    بررسی پایه های ۸۰۵۱ 
۶-    پورت های ورودی و خروجی میکرو 
بخش چهارم: مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC 804)
۱-    اتصال ADC و سنسورها به ۸۰۵۱
۲-    پایه های ADC 804
۳-    خروجی های ADC 804
۴-    زمین آنالوگ و زمین دیجیتال ADC 804 
۵-    تست ADC 804
۶-    اتصال سنسور حرارت به ۸۰۵۱

مقدمه:
یکی از کمیتهایی که در صنایع دانستن مقدار آن اهمیت زیادی دارد دما می باشد. به خصوص در کوره ها و جاهایی که امکان دمای بالا وجود دارد داشتن مقدار دقیق دما بسیار حائز اهمیت است. پروژه ای هم که اینجانب به عنوان پروژه پایان دوره تحصیلات کارشناسی خود انتخاب نموده ام نمایش دمای از ۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد می باشد که سنسور دما از نوع ترموکوپل، میکروکنترلر مورد استفاده از خانواد ۸۰۵۱ و نمایش گر هم از نوع LCD می باشد.
امروزه اهمیت استفاده از میکروکنترلرها بر کسی پوشیده نیست. میکروکنترلر دارای یک CPU به همراه مقدار ثابتی ROM , RAM و پورتهای I/O ، تایمر درون خود می باشد و این امر باعث می شود که میکروکنترلر فضای بسیار کم و قیمتی مناسب و ارزان را دارا می باشد و در کاربردهای نه چندان پیچیده و تک منظوره از آنها استفاده می شود. در حال حاضر تقریباً در تمام وسایلی که روزانه با آنها سروکار داریم. مانند لوازم خانگی، لوازم اداری، لوازم خودرو و … وجود آنها را احساس می کنیم.
در این پروژه هم به عنوان بخش مهم و اصلی سیستم از یک نوع این میکروکنترلرها استفاده کرده ایم. میکروکنترلرها برحسب کارخانه سازنده آنها انواع و مدلهای مختلفی دارند که انواع میکروکنترلرها همراه با کارخانه سازنده آن و زبانهای برنامه نویسی در زیر لیست می شود.

و خانواده MCS51 شامل انواع IC ها به شرح زیر می باشد.

در پروژه ای که شرح آن می رود از میکروکنترلر ۸۹C51 از خانواده MCS-51Tm استفاده شده است و سخت افزار مدار پایه های آن و قابلیت های موجود در آن در بخش های بعدی پروژه توضیح داده می شود.

مبدل دما به کمیت الکتریکی
عناصر نیمه هادی وابستگی زیادی به حرارت دارند. از این خاصیت جهت ساخت مدارات مجتمع که سنسور دما می باشند استفاده می شود. در این مدارات مجتمع ولتاژ با جریانی متناسب با دمای مطلق (درجه کلوین) ایجاد می شود. وابستگی عناصر نیمه هادی به دما به سه صورت ظاهر می شود.
۱-    صورت اول ایجاد زوج الکترون – حفره ناشی از حرارت می باشد الکترونهای باند والانس با گرفتن انرژی حرارتی لازم به باند هدایت می روند. نرخ ایجاد زوج الکترون – حفره در این فرایند به طور نمایی با حرارت افزایش می یابد.
۲-    در یک پیوند P–N زوج الکترون – حفره های ایجاد شده در نزدیکی ناحیه تخلیه در جهت میدان الکتریکی پیوند حرکت کرده و باعث ایجاد جریان اشباع معکوس می شوند. پارامترهای بسیاری در وابستگی این جریان به حرارت نقش دارند. ولی بطور ساده می توان دید که بازای C100 افزایش حرارت مقدار جریان حدوداً دو برابر می شود از تغییر جریان اشباع معکوس با دما می توان به عنوان اندازه گیری دما استفاده کرد ولی متأسفانه این پارامتر در دو عنصر مشابه یکسان نبوده و علاوه به این شدت غیر خطی است.
۳-    اثر دیگر دما روی پیوند P-N تغییر ولتاژ دو سر پیوند در بایاس مستقیم و در یک جریان ثابت است.
مبدلهای دما به ولتاژ:
شکل شماره ۱-۱ زیر یک مبدل دما به ولتاژ را نشان می دهد مجموعه ترانزیستورهای Q3 الی Q5 تشکیل منبع جریان را می دهند. سطح مقطع امیترترانزیستور Q5 8 برابر Q3 و Q4 می باشد.
ولتاژ   تقویت شده   می باشد. گین تقویت کننده فوق R3/R2 بوده و لذا ولتاژ خروجی به صورت زیر است که تابعی خطی از دمای مطلق می باشد باید توجه داشت که ساخت چنین مداری بصورت گسسته نیاز به مقاومتهای دقیق با ضریب حرارتی یکسان دارد. مداری که شرح آن رفت. جزو مبدلهای سه پایه می باشد که پایه های آن عبارتند از V+ و زمین و   از نمونه های عملی چنین مبدلی می توان به مدار مجتمع LM35 اشاره کرد.

مبدل دما به ولتاژ با دو پایه:
عملکرد این نوع از مدارات مجتمع مانند یک دیودزنر بوده که ولتاژ شکست آن با دما به طور خطی تغییر می کند مانند شکل زیر نمونه ای از مدار داخلی این نوع مبدل را نشان می دهد در اینجا نیز اساس کار مانند قبل آشکار نمودن اختلاف ولتاژ بیس دو ترانزیستور با جریان متفاوت است. در این شکل ۲-۱ اگر گین A2 بزرگ باشد، به اجبار ولتاژ کلکتورهای Q1 و Q2 نیز مساوی خواهد بود. این مطلب بخاطر وجود فیدبک منفی شدید می باشد. فرض کنید که بنا به دلیلی ولتاژ کلکتور Q1 بالا رود. این حالت باعث می شود تا خروجی تقویت A2 مثبت باشد و جریان Q3 و Q4 افزایش یابد. این افزایش جریان کاهش ولتاژ   را بدنبال داشته و لذا ولتاژ دو سر مقاومت R4 نیز کاهش می یابد این به معنی کم شدن Vbe می باشد که در نتیجه افزایش جریان Q1 و کاهش ولتاژ کلکتور آن را در پی خواهد داشت.

در صورتیکه فاصله منبع حرارت از دستگاه اندازه گیری خیلی زیاد باشد همچنین می توان ICAD590 که یک منبع جریان وابسته به حرارت، حساسیت   استفاده نمود.
ترموکوپل:
در سال ۱۸۲۱ توماس سی بک موفق به کشف ولتاژ ترموالکتریک (یک ولتاژ سی بک) گردید که امروزه به عنوان یکی از ابزار مهم در اندازه گیری حرارت بحساب می آید.
اگر در فلز مختلف A و B که در یک نقطه به یکدیگر متصل شوند در محل اتصال آنها یک اختلاف پتانسیل الکتریکی که به آن پتانسیل تماس، ولتاژ ترمو الکتریک یا emf می گویند، بوجود می آید.
میزان پتانسیل تماس بستگی به جنس دو فلز A و B و نیز دمای محل تماس (T) دارد و از نظر ریاضی توسط یک چند جمله ای قابل بیان می باشد.
 
مقادیر   و   و … بستگی به جنس دو فلز A و B دارند. به عنوان مثال مقادیر فوق برای دو فلز آهن – کنستانتان که در طبقه بندی ترموکوپلها نوع J را تشکیل می دهند بصورت زیر می باشد.
 
شکل ۳-۱ چند نمونه منحنی مشخصه ترموکوپلهای صنعتی را نشان می دهد.

همانطور که در شکل پیداست ترموکوپل یک مدار بسته متشکل از محل اتصال با دماهای T1 و T2 می باشد اگر یک ولتمتر با امپدانس ورودی خیلی بالا را در مدار قرار دهیم بطوریکه بتوان از جریان حلقه صرفنظر نمود، در این صورت ولتاژ اندازه گیری شده عبارت خواهد بود از تفاوت پتانسیل تماس در نقاط اتصال.
 
بنابراین emf اندازه گیری شده بستگی به دماهای T1 و T2 در هر دو محل اتصال دارد. در ادامه بحث T1 دمای مورد اندازه گیری که به آن دمای اتصال گرم (Hot junction) نیز می گویند خواهد بود و همچنین T2 درجه حرارت اتصال مرجع که به آن اتصال سرد (cold junction) یا (Reference junction) نیز می گویند خواهد بود بدیهی است که جهت پی بردن به مقدار دقیق T1 از روی ولتاژ ترموالکتریک اندازه گیری شده مقدار حرارت اتصال مرجع T2 می بایست معلوم باشد در زیر به پنج قانون مربوط به رفتار ترموکوپل را که در اندازه گیری درجه حرارت بسیار مهم می باشند را خلاصه کرده است.
قانون اول: ولت ترموالکتریکی مستقل از دمای سیمهای رابطه بوده و فقط به دمای محل اتصالات بستگی دارد.
این قانون از این نظر مهم است که در نصب ترموکوپل در محیطهای صنعتی، سیم های رابط و نیز اتصال مرجع ممکن است. متأثر از تغییرات شدید دمای محیط خود باشند. مانند Law1 از شکل ۴-۱.
قانون دوم: در صورتیکه یک فلز سوم C به مدار A یا B اضافه شود. بشرطی که اتصالات جدید دارای دمای یکسانی باشد، emf تغییری نخواهد کرد. این قانون بدین معنی است که مثلاً یک ولتمتر بدون آن که در ولتاژ مدار تأثیر بگذارد می تواند وارد مدار شود. مانند Law2 از شکل ۴-۱
قانون سوم: اگر فلز سوم، C بین A و B در هر اتصال قرار گیرد در صورتیکه در محل اتصالات AC و CB دارای دمای یکسانی باشند باز هم emf تغییری نمی کند. کاربرد عملی این قانون این است که سیمهای A و B می توانند توسط یک فلز سوم در محل های اتصالات به هم جوش داده شوند. به علاوه می توان ولتمتر را در محل اتصال مرجع در مدار قرار داد. مانند Law3 از شکل ۴-۱.
قانون چهارم: این قانون به نام قانون فلزات میانی معروف می باشد بر طبق این قانون می توان emf دو فلز، مثلاً مس – آهن (AB) را از emf های مس – کنستانتان (AC) و کنستانتان – آهن (CB) استنتاج نمود. مانند Law4 از شکل ۴-۱.
 
قانون پنجم: این قانون به نام قانون دمای میانی معروف است. مطابق این قانون: بطوریکه T3 حرارت میانی می باشد. اگر   باشد. مانند Law5 از شکل ۴-۱.
 
در شکل ۵-۱ اهمیت نصب صحیح ترموکوپلها را نشان می دهد در این حالت هدف اندازه گیری حرارت در داخل یک لوله حاوی بخار با فشار بالا می باشد. حرارت مذکور که حدود C2000 می باشد. توسط ترموکوپل کرومل – آلومل با   اندازه گیری می نماییم. حال به بررسی هر یک از حالتهای a تا d می پردازیم.

(a در حالت a برای اندازه گیری دما در کنار لوله کار بی ارزش و بیهوده ای است چون درجه حرارت اتصال مرجع می تواند دارای تغییرات شدید از یر صفر در هوا خیلی سرد تا احتمال C500+ در صورت نشت بخار باشد.
(b در این حالت قرار دادن ولتمتر در اتاق کنترل توسط سیم های مسی به ترموکوپل متصل شده به همان اندازه حالت (a) بی فایده است و emf اندازه گیری شده خطا و بی مفهوم است.
(c در این حالت ترموکوپل توسط سیم های از جنس خودش و یا احتمالاً سیم های جبرانی به اتاق کنترل برای اندازه گیری رفته است. در این حالت دیگر اتصال مرجع به اتاق کنترل که دارای نوسانات حرارتی خیلی کمتری (حداکثر C100) می باشد، منتقل شده است.
البته این روش هنوز برای یک اندازه گیری دقیق غیر قابل قبول بوده و بهتر است که اتصال مرجع در یک دمای ثابت کنترل شود مثلاً در یک یخچال با دمای صفر درجه قرار داده شود.
(d یک راه حل دیگر جبران کننده تغییرات دمای اتاق کنترل، استفاده از قانون حرارت های میانی می باشد که در این حالت با اضافه کردن یک منبع ولتاژ وابسته که خروجی آن برابر   می باشد، خروجی اندازه گیری شده برابر با   می گردد همانطوریکه دیده می شود منبع ولتاژ وابسته، متناسب با توان اول T2 است. چون دمای T2 پایین می باشد. (حدود C300-20) درجات بالاتر T2 چندان تأثیر در emf تولیدی ندارند. منبع وابسته توسط یک پل انحرافی که یک شاخه آن را یک مقاومت حرارتی از جنس پلاتین تشکیل می دهد، قابل ساخت است. شکل زیر یک مدار عملی جهت جبران حرارت اتصال سرد می باشد.

گرچه جبران حرارتی اتصال سرد توسط مدار شکل بالا و با مدارهای مشابه قابل طراحی است ولی کارخانه Analog Device کلیه مدارات لازم شامل منبع ولتاژ وابسته به دما و تقویت کننده تفاضلی را در داخل یک مدار مجتمع به نام های AD594/AD595 قرار داد، مانند شکل ۷-۱ زیر ساختمان داخلی این آی سی را نشان می دهد. که AD594 جهت جبران سازی ترموکوپلهای نوع (j) و AD595 برای نوع (K) طراحی و ساخته شده است. ضمن آنکه با اضافه کردن ۲ یا ۳ مقاومت امکان تنظیم دستی برای انواع دیگر ترموکوپل نیز وجود دارد.

این آی سی همچنین یک خروجی اعلام خطر (Alarm) دارد که در صورت قطع شدن هر یک از سیم های ترموکوپل در مسیر، فعال می گردد. خروجی این آی سی ولتاژ را با حساسیت حدود   می باشد که چون از معادله ترموکوپل تبعیت می کند دارای رابطه غیر خطی نسبت به T1 بوده که می توان با معرفی جدول در حافظه یک سیستم دیجیتال و یا حل معادله چند جمله ای به مقدار T1 دست یافت.
جهت جلوگیری از ترکیب ترموکوپل با محیط، معمولاً آنها را در محفظه هایی قرار می دهند و این موضوع باعث زیاد شدن ثابت زمانی آنها می شود. البته میزان ثابت زمانی به قطر سیم ها و جنس ماده پوشاننده آن دارد. قطر سیم های ترموکوپل معمولاً بین ۴/۰ تا ۲ میلی متر است. در صورتیکه ثابت زمانی خیلی مورد نظر است. سیم هایی به قطر  1/0 هم ساخته می شود.
جهت بالا بردن حساسیت معمولاً تعداد زیادی از ترموکوپلها را سری می کنند، بطوریکه تمام اتصالات مرجع دارای حرارت یکسان و اتصالات اندازه گیری در کنار یکدیگر برای اندازه گیری حرارت مورد نظر بکار می رود. به این ترکیب اصطلاحاً ترموپیل می گویند مانند شکل ۸-۱ زیر مثلاً با اتصال ۲۵ ترموکوپل از جنس کرومل – کنستانتان، امکان اندازه گیری با دقت C0010/0 می باشد.

(Liquid crystal display) LCD : در این قسمت مقدمه ای درباره LCD و فوق آن با LED های هفت قسمتی، شرح پایه های LCD ، نحوه اتصال LCD به میکروکنترلر و نحوه درایو کردن LCD آمده است.
LCD و LED های هفت قسمتی: LCD ها انواع مختلفی دارند که بر حسب نوع LCD پایه ها و نحوه قرار گرفتن آنها با هم فرق می کند که نمای چند نوع LCD همراه با شکل پین ها در انتهای این بخش می آید. LCD یا همان صفحه نمایش کریستال مایع در سالهای اخیر به طور گسترده ای کاربرد پیدا کرده و در موارد زیادی جایگزینی LED های هفت قسمتی شده است از جمله علل استفاده روزافزون از LCD ها به جای LED های هفت قسمتی می توان به موارد زیر اشاره کرد.
۱)    پایین بودن قیمت LCD ها
۲)    توانایی LCD ها در به نمایش درآوردن اعداد و حروف و گرافیک برخلاف LED های هفت قسمتی که تنها می توانند اعداد و چند حرف را نمایش دهند.
۳)    در LED ها کار تازه سازی (refresh) را cpu انجام می دهد که مدتی از زمان cpu صرف این کار می شود ولی در LCD ها به دلیل وجود کنترل کننده تازه سازی در خود LCD انجام می شود و به این طریق cpu آزاد می شود.
۴)    سادگی برنامه ریزی کارکترها و گرافیک که در LCD های TEXT یک سری که برای کارکترها تعریف شده است که ما از آنها طبق کاتالوگ LCD استفاده می کنیم و در LCD های گرافیک بسته به متن مورد نمایش و یا حتی اشکال مختلفی که می خواهیم به نمایش درآوریم کدهای مختلفی می بایست درست کنیم.

شرح پایه های LCD استفاده شده در این پروژه:
LCD استفاده شده در این پروژه دارای ۱۶ پایه به مدار زیر است.

VSS , VDD : به ترتیب ولتاژ ۵V و زمین را فراهم می سازند.
V0 : برای کنترل درخشندگی LCD به کار می رود.
(register select) RS : در داخل LCD دو تا رجیستر وجود دارد که پایه RS برای انتخاب آنها به ترتیب زیر به کار می رود اگر RS = 0 باشد ثبات دستورالعمل انتخاب می شود و اجازه می دهد دستوراتی نظیر پاک کردن صفحه و برگرداندن کرسر: اول خط و غیره را بفرستد. اگر rs=1 باشد رجیستر اطلاعات انتخاب می شود و به کاربر اجازه می دهد که اطلاعات بر روی LCD نمایش داده شود.
(read/write) R/W : این پایه به کاربر اجازه می دهد که اطلاعات بر روی صفحه نمایش نوشته و یا از آن خوانده شود وقتی R/W = 1 باشد LCD در حال خواندن است و اگر R/W=0 باشد LCD آماده نوشتن است.
(Enable) E : پین enable برای لچ کردن اطلاعات ظاهر شده در پایه های اطلاعات استفاده می شود وقتی اطلاعات به پایه های اطلاعات فرستاده می شود یک پاس پایین رونده باید به این پایه اعمال شود تا اطلاعات ظاهر شده در پین های اطلاعات به داخل LCD لچ شود این پالس باید دارای حداقل ns450 عرض باشد.
(data) D0-D7 : این هشت پایه هشت بین اطلاعات هستند که برای فرستادن اطلاعات به LCD یا خواندن محتویات رجیسترهای داخلی LCD بکار می روند.
(Backlight) BL : برای روشنایی پشت صفحه LCD بکار می رود که بعضی از LCD ها این دو پایه را ندارند.
عملکرد LCD :
فرستادن دستورات: برای فرستادن دستورات به LCD از جدول زیر که دستورات LCD در آن آمده است استفاده می کنیم. ابتدا r/s را صفر می کنیم و یک پالس پایین رونده در پایه e برای فعال کردن لچ داخلی LCD درست می کنیم. لازم به یادآوری است که این جدول از جدول کاملی که در انتهای این بخش آورده شده استخراج شده است.
کد شانزده
شانزدهی    فرمان به ثبات دستورالعمل LCD
۱    پاک کردن صفحه نمایش
۲    بازگشت به مکان اول (شروع)
۴    کاهش مکان نما (جابه جایی مکان نما به چپ)
۶    افزایش مکان نما (جابه جایی مکان نما به راست)
۵    جابجایی نمایش به راست
۷    جابجایی نمایش به چپ
۸    نمایش خاموش، مکان نما خاموش
A    نمایش خاموش، مکان نما روشن
C    نمایش روشن مکان نما خاموش
E    نمایش روشن مکان نما روشن
F    نمایش روشن، مکان نما چشمک بزند
۱۰    جابجایی محل مکان نما به چپ
۱۴    جابجایی محل مکان نما به راست
۱۸    کل صفحه نمایش به چپ جابجا شود
۱C    کل صفحه نمایش به راست است جابجا شود
CO    مکان نما به آغاز خط دوم برود
۳۸    سازمان دهی ۲ خط و ماتریس ۵X7
لازم به ذکر است که ما از RS = 0 برای چک کردن Busy flag استفاده می کنیم برای اینکه ببینیم آیا LCD برای دریافت اطلاعات آماده است یا خیر Busy flag در D7 است و می تواند وقتی rs = 0 و R/W = 1 است خوانده شود. وقتی busy flag = 1 است LCD مشغول انجام دادن اعمال داخلی است و هیچ اطلاعات جدیدی را نمی پذیرد و وقتی d7 = 0 شد LCD آماده دریافت اطلاعات جدید می شود.
توجه:‌ برای نوشتن اطلاعات نیز توصیه می شود که busy flag را چک کنیم. نیز می توانیم از تأخیر زمانی استفاده کنیم.

فرستادن اطلاعات: (sending data)
برای فرستادن اطلاعات به LCD جهت نمایش باید پین R/S = 1 کنیم. و یک لبه پایین رونده در پایه (enable) E برای لچ کردن LCD استفاده کنیم اطلاعات مربوط به کدهای اعداد و حروف در ضمیمه جزوه آورده شده است.
برای فرستادن اطلاعات روی LCD می بایست آدرس های محل مکان نما را برای اندازه های مختلف LCD مشخص کرد و بعد اطلاعات را فرستاد تا در مکانی که مشخص کرده ایم بنشیند آدرس محل مکان نما برای انواع LCD ها در زیر آورده شده است.

نحوه اتصال LCD به میکروکنتر:
شکل ۲-۲ زیر اتصال نمونه ای LCD به میکروکنتر را نشان می دهد که برای درایو کردن LCD باید انجام دهیم.

لازم به ذکر است که اتصال LCD به میکروکنترلر و کلیه سخت افزار مدار به همراه نرم افزار مربوط به آن آمده است.
میکروکنترلر
ما کامپیوتر را به عنوان جزء‌ مرکزی بسیاری از فرآورده های صنعتی و مصرفی از جمله، در سوپرمارکت ها داخل صندوق های پول و ترازوها، در خانه، ماشین لباسشویی، در اجاق ها، ساعت های دارای سیستم خبر دهنده و ترموستات ها؟؟؟ وسایل سرگرمی مانند اسباب بازی ها و در وسایل صوتی و در محل کار در ماشین های تایپ و فتوکپی یا مته های فشاری و دستگاه های حروفچینی نوری می یابیم. در این مجموعه کامپیوترها وظیفه «کنترل» را در ارتباط با «دنیای واقعی»، برای روشن و خاموش کردن وسایل و نظارت بر وضعیت آنها انجام می دهند.
میکروکنترلرها (برخلاف میکروکامپیوترها و ریزپردازنده ها) اغلب در چنین کاربردهایی یافت می شوند. با توجه که بیش از ۲۰ سال از تولد ریزپردازنده نمی گذرد، تصویر وسایل الکترونیکی و اسباب بازیهای امروزی بدون آن کار مشکلی است در ۱۹۷۱ شرکت اینتل، ۸۰۸۰ را به عنوان اولین ریزپردازنده موفق عرضه کرد. مدت کوتاهی پس از آن، موتورولا، RCA سپس MOS و Zilog انواع مشابهی را به ترتیب به نامهای z80 , 502 , 1801 , 800 عرضه کردند. گرچه این مدارهای مجتمع (IC ها) به خودی خود فایده چندانی نداشتند اما به عنوان بخشی از یک کامپیوتر تک بورد (SBC) ، به جزء مرکزی فرآورده های مفیدی برای آموزش طراحی با ریزپردازنده ها تبدیل شدند از این SBC ها که به سرعت به آزمایشگاههای طراحی در دانشگاه ها و شرکت های الکترونیک راه پیدا کردند می توان برای نمونه از DZ موتورلا KIM-1 ساخت MOS Technology , SAK – 85 متعلق به شرکت اینتل نام بود.
میکروکنترلر قطعه ای شبیه به ریزپردازنده است. توان، ابعاد و پیچیدگی میکروکنترلر با اعلام ساخت ۸۰۵۱ ، یعنی اولین عضو خانواده میکروکنترلرهای MCS-51TM در ۱۹۸۰ توسط اینتل پیشرفت چشمگیری کرد. در مقایسه با ۸۰۴۸ این قطعه شامل K4 بابت Rom و ۱۲۸ بابت RAM و ۳۲ خط I/O یک درگاه سریال و دو تایمر ۱۶ بیتی است. که از لحاظ مدارات داخلی برای یک IC بسیار قابل ملاحظه است که بیش از ۶۰۰۰۰ ترانزیستور می باشد.
امروزه انواع گوناگونی از این IC وجود دارند که به صورت مجازی این مشخصات را دو برابر کرده اند. شرکت زیمنس که دومین تولید کننده قطعات MCS-51TM است SAB80515 را به عنوان یک ۸۰۵۱ توسعه یافته در یک بسته ۶۸ پایه با شش درگاه I/O 8 بیتی، ۱۳ منبع وقفه و یک مبدل آنالوگ به دیجیتال با ۸ کانال ورودی عرضه کرده است. خانواده ۸۰۵۱ به عنوان یکی از جامع ترین و قدرتمندترین میکروکنترلرهای ۸ بیتی شناخت شده و جایگاهش را به عنوان یک میکروکنترلر مهم شناخته شده.
اجزاء یک سیستم میکروکامپیوتری:
یک سیستم کامپیوتری شامل یک واحد پردازش مرکزی cpu است که از طریق گذرگاه آدرس (address bus) و گذرگاه داده (data bus) و گذرگاه کنترل (control bus) به حافظه قابل دستیابی تصادفی (random access memory) و حافظه فقط خواندنی (read – only memory) (Rom)  متصل می باشد.
واحد پردازش مرکزی (cpu) : که به عنوان مغز سیستم کامپیوتری، که تمامی فعالیت های سیستم را اداره کرده و همه عملیات روی داده را انجام می دهد. در شکل ۱-۳ واحد پردازش مرکزی (cpu) بطور ساده از داخل یک cpu است. این شکل مجموعه ای از ثبات ها (registers) را برای ذخیره سازی موقت اطلاعات، یک واحد عملیات حسابی و منطقی (Alu) که (arithmetic and logic unit) برای انجام عملیات روی این اطلاعات یک واحد کنترل و رمزگشایی دستورالعمل (که عملیاتی را که باید انجام شود تعیین می کند و اعمال لازم را برای انجام آنها شروع می نماید) و در ثبات اضافی را نشان می دهد ثبات دستورالعمل (IR) کد دودویی هر دستورالعمل را در حال اجرا نگه می دارد. و شمارنده برنامه (PC) آدرس حافظه دستورالعمل بعدی را که باید اجرا شود نشان می دهد. در cpu واکشی یک دستورالعمل از RAM سیستم یکی از اساسی ترین اعمالی است که توسط cpu انجام می شود و شامل این مراحل است.
۱-    محتویات شمارنده برنامه در گذرگاه آدرس قرار می گیرد
۲-    یک سیگنال کنترل READ فعال می شود
۳-    داده (کد عملیاتی دستورالعمل) از RAM خوانده می شود و روی گذرگاه داده قرار می گیرد
۴-    کد عملیاتی در ثبات داخلی دستورالعمل cpu ذخیره می شود
۵-    شمارنده برنامه یک واحد افزایش می یابد تا برای واکشی بعدی از حافظه آماده شود.

حافظه RAM و ROM :
برنامه ها و داده در حافظه ذخیره می شوند. حافظه هایی که به طور مستقیم توسط cpu قابل دستیابی می باشد. IC های (مدارهای مجتمع) نیم رسانایی هستند که ROM , RAM نامیده می شوند. دو ویژگی RAM و ROM را از هم متمایز می سازد: اول آن که RAM حافظه خواندنی و نوشتنی است. در حالی که ROM حافظه فقط خواندنی است و دوم آن که RAM فرار است (یعنی محتویات آن هنگام نبودن ولتاژ تغذیه پاک می شود) ولی در ROM به این صورت نیست غیر فرار است.
گذرگاه های داده – آدرس – کنترل:
گذرگاه یعنی مجموعه ای از سیم ها که اطلاعات را با یک هدف مشترک عمل می کنند امکان دستیابی به مدارات اطراف cpu توسط سه گذرگاه فراهم می شود:
۱-    گذرگاه آدرس
۲-    گذرگاه داده
۳-    گذرگاه کنترل
برای هر عمل خواندن و یا نوشتن cpu موقعیت داده (یا دستورالعمل) را با قرار دادن یک آدرس روی گذرگاه آدرس مشخص می کند و سپس سیگنالی را روی گذرگاه کنترل فعال می نماید تا نشان دهد که عمل مورد نظر خواندن است یا نوشتن عمل خواندن یک بایت داده را از مکان مشخص شده در حافظه برمی دارد و روی گذرگاه داده قرار می دهد cpu داده را می خواند و در یکی از ثبات های داخلی خود قرار می دهد. برای عمل نوشتن cpu داده را روی گذرگاه داده می گذارد. حافظه تحت تأثیر سیگنال کنترل، عملیات را به عنوان یک سیکل نوشتن، تشخیص می دهد و داده را در مکان مشخص شده ذخیره می کند.
گذرگاه داده: گذرگاه داده اطلاعات را بین cpu و حافظه یا بین cpu و قطعات I/O منتقل می کند. کامپیوتر دوسوم وقتشان داخلی را خیلی ساده صرف جابجایی داده می کنند. اغلب کامپیوترها در طبقه بندی ۴ بیت، ۸ بیت، ۱۶ بیت یا ۳۲ بیت قرار می گیرند و توان محاسباتی کلی آنها با افزایش پهنای گذرگاه داده افزایش می یابد.
گذرگاه داده یک گذرگاه دو طرفه و گذرگاه آدرس، یک گذرگاه یک طرفه می باشد. اطلاعات آدرس همیشه توسط cpu فراهم می شود در حالی که داده ممکن است در هر جهت، بسته به اینکه عملیات خواندن مورد نظر باشد یا نوشتن، جابجا شود. عبارت “داده” در مفهوم کلی بکار رفته است یعنی اطلاعات که روی گذرگاه داده جابجا می شود.
گذرگاه کنترل:‌ گذرگاه کنترل ترکیب درهمی از سیگنال ها است که هر یک نقش خاصی در کنترل منظم فعالیت های سیستم دارند. به عنوان یک قاعده کلی، سیگنال های کنترل سیگنال های زمان بندی هستند که توسط cpu برای همزمان کردن جابجایی اطلاعات روی گذرگاه آدرس و داده ایجاد می شوند. اگر چه معمولاً سه سیگنال مثل WRITE , READ Clock وجود دارد. برای انتقال اساسی داده بین cpu و حافظه، نام و عملکرد این سیگنال ها به طور کامل بستگی به نوع cpu دارد.
گذرگاه آدرس: در اغلب کامپیوترهای کوچک ۱۶ یا ۲۰ آدرس دارند با داشتن n خط آدرس که هر یک می توانند در وضعیت بالا (۱) یا پایین (۰) باشند.   n2 مکان قابل دستیابی است. بنابراین یک گذرگاه آدرس ۱۶ بیتی می تواند به ۶۵۵۳۶ = ۲۱۶ مکان دسترسی داشته باشد و برای یک آدرس ۲۰ بیتی ۱۰۴۸۵۷۶ = ۲۲۰ مکان قابل دستیابی است. علامت اختصاری k برای (کیلو) نماینده ۱۰۲۴ = ۲۰۱۰ می باشد، بنابراین ۱۶ بیت می توان k64 = 2010 × 206 مکان را آدرس دهی کند در حالی که ۲۰ بیت می تواند k1024 = 210 × 210 یا Meg1 را آدرس دهی نماید.
خانواده MCS – 51TM :
۸۰۵۱ یک IC نوعی و اولین عضو این خانواده است که به صورت تجاری مطرح شد. خلاصه مشخصات این IC از قرار زیر می باشد:
۱-    k4 بایت Rom
۲-     128 بایت RAM
۳-     چهار درگاه I/O (ورودی و خروجی) هشت بیتی
۴-     دو تایمر / شمارنده ۱۶ بیتی
۵-    رابط سریال
۶-    k 64 بایت فضای حافظه خارجی برای کد
۷-    k 64 بایت فضای حافظه خارجی برای داده
۸-    پردازنده بولی (که عملیات روی بیت ها را انجام می دهد)
۹-    210 مکان بیتی آدرس پذیر
۱۰-    انجام عملیات ضرب و تقسیم در ۴ میکروثانیه
دیگر اعضای خانواده MCS-31TM هر یک امکانات دیگری از قبیل Rom روی تراشه RAM EPRom روی تراشه و یا یک تایمر سوم را دارا هستند.
“8051” از روی تسامح به کل خانواده میکروکنترلرهای MCS-51TM اطلاق می شود. هر گاه بحث روی IC خاصی از این خانواده متمرکز شود. شماره قطعه مورد نظر ذکر خواهد شد. در جدول زیر مشخصات که ذکر شده نشان داده شده است.
تعداد تایمرها     حافظه داده روی تراشه     حافظه کد روی تراشه     شماره قطعه
۲    128 بایت     4 Rom 
۸۰۵۱
۲    128 بایت     ــــ    8031
۲    128 بایت     4Keprom    8751
۳    256 بایت     8Krom    8052
۳    256 بایت     ــــ    8032
۳    256 بایت     8KEPRom    8752
بررسی پایه های ۸۰۵۱ :
معماری سخت افزار خانواده (DS5000-89c51) در بسته های متفاوتی مثل DIP . LCC,QFP عرضه شده اند همه آنها برای انواع توابع مانند I/O ،   و   ، آدرس، داده و وقفه تدارک دیده شده اند با توجه به شکل زیر دیده می شود که از ۴۰ پایه ۳۲ پایه برای چهار پورت P3 , P2 , P1 , P0 کنار گذاشته شده اند و بقیه پایه ها به Vcc ، GND ، XTAL1 ، XTAL2 ، RST ،   ،   ، ALE اختصاص یافته اند. شش پایه بجز   و ALE پایه های فوق به وسیله همه اعضاء خانواده ۸۰۵۱ ، ۸۰۳۱ بکار رفته اند به بیان دیگر بدون توجه به اینکه از خانواده ۸۰۵۱ و ۸۰۳۱ بکار رفته اند به بیان دیگر بدون توجه به اینکه از خانواده ۸۰۵۱ و ۸۰۳۱ هستند. آنها باید برای بکاراندازی سیستم وصل شوند. دو پایه دیگر   و ALE در اصل در سیستم های مبتنی بر ۸۰۳۱ بکار می روند.

ابتدا وظیفه هر پایه را بیان می کنیم.
–    پایه Vcc که پایه ۴۰ می باشد ولتاژ تغذیه +۵ می باشد.
–    پایه GND پایه شماره ۲۰ می باشد.
–    پایه های XTAL1 و XTAL2 در ۸۰۵۱ دارای یک اسیلاتور (نوسان ساز) درون تراشه است و برای بکار انداختن به یک ساعت کریستال نیاز است که XTAL1 پایه ۱۹ و XTAL2 پایه ۱۸ می باشد که توسط این ساعت کریستال وصل می شوند و توسط دو خازن ۳۰pf که به هر طرف کریستال وصل شد و طرف دیگر خازنها زمین شده مانند شکل زیر…