单片机原理与应用技术陈玉楼著大中专大中专理科计算机教材新华书店籍科学

单片机原理与应用技术
	曾用价	42.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2015年06月
	开本	16
	著编译者	陈玉楼
	页数	288
	ISBN编码	9787030450098

本书根据“高等教育机电专业教学计划和教学大纲”编写。采用项目（任务）驱动、仿真实例的方法，介绍了AT89C51单片机的基础知识、应用技术和设计方法，全书用C语言编程，浅显易懂、思路清晰。通过对单片机的认识、KEIL C51软件的使用、PROTEUS软件仿真了解，学习了C语言的基本知识和编程软件的应用。仿真项目有LED彩灯控制、数码管显示、键盘检测、简易计算器设计、简易频率计设计、歌曲演奏、电子钟设计、A/D转换应用、D/A转换应用、单片机的双机通信、多级通信、与PC机通信等，介绍了单片机基本结构、常见接口I/O控制方法，掌握单片机的中断、定时、串行口的原理与应用，了解A/D、D/A转换应用、液晶、实时时钟等典型器件的使用。


前言 项目一 认识单片机1 任务一 单片机基础知识概述1 一、什么是单片机1 二、单片机的发展过程2 三、单片机的分类3 四、单片机的特点与应用范围3 五、典型单片机的产品介绍4 任务二 MCS-51系列单片机的基本结构5 一、89C51引脚功能6 二、89C51的内部结构7 三、89C51单片机存储器的配置9 任务三 单片机zui小系统15 一、电源电路15 二、时钟电路15 三、复位电路17 四 输入/输出接口19 思考题与习题22 项目二 Keil软件与PROTEUS软件基础知识23 任务一 认识Keil软件23 一、任务目标23 二、相关知识23 任务二 了解PROTEUS软件41 一、任务目标41 二、相关知识41 思考题与习题56 项目三 C语言基础知识57 任务一 数制与逻辑57 一、常见的数制57 二、不同数制间的转换58 三、数据在单片机中的表示方法60 四、常见的信息编码61 任务二 C语言的基础知识62 一、Keil C5163 二、C51的数据类型64 三、常量67 四、变量68 五、C51数据与运算71 六、C51程序结构与控制语句78 思考题与习题85 项目四 流水灯及数码管的显示设计87 任务一 点亮一个闪烁的LED灯87 一、任务目标87 二、硬件电路设计87 三、相关知识87 四、本任务知识要点88 五、程序设计分析89 六、源程序90 任务二 点亮8个闪烁的LED灯91 一、任务目标91 二、硬件电路设计91 三、相关知识92 四、本任务知识要点92 五、程序设计分析93 六、源程序94 任务三 任意流水灯的设计95 一、任务目标95 二、硬件电路设计95 三、相关知识95 四、本任务知识要点96 五、程序设计分析96 六、源程序98 任务四 一个数码管的静态显示98 一、任务目标98 二、硬件电路设计99 三、相关知识99 四、本任务知识要点101 五、程序设计分析102 六、源程序103 任务五 两个数码管的动态显示104 一、任务目标104 二、硬件电路设计104 三、相关知识105 四、本任务知识要点105 五、程序设计分析105 六、源程序106 任务六 6个数码管的动态显示107 一、任务目标107 二、硬件电路设计107 三、相关知识107 四、本任务知识要点108 五、程序设计分析109 六、源程序110 思考题与习题111 项目五 键盘控制原理及检测设计112 任务一 独立键盘检测112 一、任务目标112 二、硬件电路设计112 三、相关知识112 四、本任务知识要点112 五、程序设计分析113 六、源程序115 任务二 矩阵键盘检测115 一、任务目标115 二、硬件电路设计116 三、相关知识116 四、本任务知识要点117 五、程序设计分析118 六、源程序121 任务三 简易计算器的设计124 一、任务目标124 二、硬件电路设计124 三、相关知识125 四、本任务知识要点126 五、程序设计分析126 六、源程序129 思考题与习题134 项目六 中断与定时/计数器应用135 任务一 键控LED秒闪烁135 一、任务目标135 二、硬件电路设计135 三、相关知识136 四、本任务知识要点139 五、程序设计分析139 六、源程序140 任务二 输出1000Hz的方波140 一、任务目标140 二、电路设计141 三、相关知识141 四、本任务知识要点143 五、程序设计分析144 六、源程序145 任务三 歌曲演奏146 一、任务目标146 二、电路设计146 三、相关知识147 四、本任务知识要点149 五、程序设计分析150 六、源程序151 任务四 数码管电子钟的设计153 一、任务目标153 二、电路设计153 三、相关知识154 四、本任务知识要点154 五、程序设计分析155 六、源程序156 思考题与习题159 项目七 A/D与D/A转换方法160 任务一 使用DAC0832生成锯齿波160 一、任务目标160 二、电路设计160 三、相关知识161 四、本任务知识要点164 五、程序设计分析164 六、源程序165 任务二 用DAC0808设计直流电动机调速器166 一、任务目标166 二、电路设计166 三、相关知识167 四、程序设计分析167 五、源程序168 任务三 利用ADC0808设计调温报警器169 一、任务目标169 二、电路设计170 三、相关知识171 四、程序设计分析174 五、源程序175 任务四 用ADC0809 实现简易数字电压表177 一、任务目标177 二、电路设计178 三、相关知识178 四、程序设计分析180 五、源程序180 思考题与习题182 项目八 串口通信原理与基本方法183 一、单片机串口通信基础知识183 二、MCS-51单片机的串行口185 任务一 基于工作方式0的扩展并行输出控制流水灯188 一、任务目标188 二、电路设计188 三、程序设计分析189 四、源程序190 任务二 基于工作方式0的扩展并行输入控制流水灯191 一、任务目标191 二、电路设计191 三、程序设计分析192 四、源程序193 任务三 基于工作方式1的单工通信控制流水灯194 一、任务目标194 二、电路设计194 三、程序设计分析198 四、源程序198 任务四 基于工作方式2/3的单工通信控制流水灯199 一、任务目标199 二、电路设计200 三、程序设计分析201 四、源程序202 思考题与习题203 项目九 多机通信204 任务一 单片机的双机通信204 一、任务目标204 二、电路设计204 三、程序设计分析207 四、源程序208 任务二 单片机的多机通信210 一、任务目标210 二、电路设计211 三、程序设计分析213 四、源程序214 任务三 单片机和PC串口通信217 一、任务目标217 二、电路设计217 三、程序设计分析220 四、源程序221 五、运行与调试222 思考题与习题225 项目十 通用液晶显示设计226 任务一 字符式液晶LM016L显示方法226 一、任务目标226 二、电路设计226 三、程序设计分析234 四、源程序234 任务二 LCD12864点阵图形液晶显示237 一、任务目标237 二、电路设计238 三、程序设计分析248 四、源程序248 任务三 电子万年历259 一、任务目标259 二、电路设计259 三、程序设计分析265 四、源程序266 思考题与习题276

项目一 认识单片机 本项目知识要点 (1)理解单片机的基本概念。 (2)了解单片机的特点、应用、技术现状和发展趋势。 (3)理解单片机的存储器地址分配。 (4)理解单片机的片内结构。 (5)理解MCS-51的外部引脚功能。 (6)掌握单片机4个并行口的主要用途。 重点 单片机的概念、微型计算机系统的基本组成。 难点 单片机的原理与结构。 任务一 单片机基础知识概述 一、什么是单片机 单片机是单片微型计算机(Monolithic Microcomputer或Single Chip Microcomputer)的简称，是一种集成在一个芯片上的微型计算机系统。它是微型计算机的一个分支，它与计算机系统的主要区别在于其结构、组成以及应用领域不同。 单片机把组成微型计算机的各种功能部件，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器(Read-only Memory，ROM)、基本输入/输出(Input/Output)接口电路、定时/计数器(Time/Count)、中断控制、系统时钟及系统总线等部件都集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机硬件。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有微型计算机系统的含义。图1.1.1是不同封装形式的单片机示意图，其中黑色的是外壳，保护着里面的半导体芯片，针状部分是它的引脚。单片机内部结构如图1.1.2所示。单片机在早期的自动化生产控制领域中应用得十分广泛，因此单片机也称为微控制器(Microcontroller Unit，MCU)。 单片机将微型计算机的各主要部分集成在一块芯片上，大大缩短了系统内信号的传送距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度，因而在工业测控领域中，单片机系统是zui理想的控制系统。 单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制方面的需要。因此，它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其zui显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能，又因为它zui早被用在工业控制领域，因此，单片机又常常被称为微控制器。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了更多的应用。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机：手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑等都配有1～2块单片机；个人电脑中也有为数不少的单片机在工作；汽车上的电控设备一般配备40多块单片机；复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作。 图1.1.1 不同封装形式的单片机芯片 图1.1.2 单片机内部结构示意图 二、单片机的发展过程 单片机的出现主要是针对工业自动化生产与控制领域。单片机的设计是基于一个芯片上的计算机部件的集成化。 单片机的历史及发展的四个阶段如下。 diyi阶段(1974～1976年)：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较简单。 第二阶段(1976～1978年)：低性能单片机阶段。以Intel公司制造的MCS-48单片机为代表。 第三阶段(1978～1982)：高性能单片机阶段。其代表为Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的6801系列等。 第四阶段(1982～现在)：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。 单片机的应用不仅仅局限于自动控制领域。进入20世纪90年代后，高性能单片机的嵌入功能在日常消费电子产品中也得到了广泛的应用。如Intel i960系列以及后来ARM公司的单片机系列，32位单片机迅速取代了16位单片机的高端地位，并且进入主流市场，形成一个独立的嵌入式结构体系。目前，高端的32位单片机的主频已经超过300MHz，性能接近20世纪90年代中期的专用处理器，而且一些作为掌上电脑和手机使用的核心处理单片机可以直接运行专用的Windows和Linux操作系统。 单片机的运行与计算机一样，也需要必要的硬件和软件。程序是单片机系统的软件，通过程序下载到单片机内部ROM中，就可以让单片机运行，从而实现微型计算机的基本功能。虽然单片机不能加载复杂的操作系统，但单片机是一种程序简单芯片化的计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达到zuiyou化，抗干扰能力加强，工作也相对稳定。 在实际应用中，通常很难将单片机直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件以及软件，才能构成一个单片机应用系统。 单片机系统具有体积小、功耗低、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，在家用电器方面也有着广泛的应用。单片机系统能够完成电子系统的输入和自动操作，非常适合用于对家用电器的智能控制。嵌入单片机的家用电器实现了智能化，是传统型家用电器的更新换代。单片机现已广泛应用于全自动洗衣机、空调、电视机、微波炉、电冰箱以及各种视听设备中。 另外，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各种仪表等装置中都离不开单片机。单片机在机器人、汽车、航空航天、军事等领域也有广泛的应用。 三、单片机的分类 单片机按不同方式分类如下： 按应用领域可分为家电类、工控类、通信类等。 按总线结构可分为总线型与非总线型。 按结构体系可分为冯？诺依曼结构和哈佛结构。 按字长、位数可分为4位机、8位机、16位机、32位机。 按指令体系可分为复杂指令体系(Complex Instruction Set Computer，CISC)和精简指令体系(Reduced Instruction Set Computer，RISC)。 四、单片机的特点与应用范围 单片机的结构形式及其采用的半导体工艺，使得单片机具有以下特点与适用范围。 1．特点 (1)优异的。一块单片机芯片价格在几元至几十元之间，比较便宜。 (2)集成度高、体积小、可靠性高。 (3)控制能力强。为了满足工业控制的要求，单片机的指令系统均有丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作和位处理功能。 (4)低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 (5)外部总线增加I2C等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。 2．适用领域 单片机极高的可靠性、微型性和智能性(只要编写不同的程序后就能够完成不同的控制工作)使其成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，并深深地渗入到人们的日常生活中，以下是一些应用举例。 (1)工业控制领域。单片机广泛用于工业生产过程的自动控制、物理量的自动检测与处理、工业机器人、电机控制、数据传输等领域。 (2)智能仪表。仪表中引入单片机，使仪表智能化，提高测试的精度和自动化水平。 (3)电信领域。单片机在程控交换机、手机、电话机、智能调制/解调器等方面的应用也很广泛。 (4)军用导航领域。单片机应用在宇宙飞船、电子干扰、导弹控制、智能武器装置、鱼雷制导控制、航天航空的导航等军用领域。 (5)日常生活中的应用。目前家用电器已普遍采用单片机代替传统的控制电路。例如，单片机广泛用于洗衣机、电冰箱、空调、微波炉和智能家具等产品中。 五、典型单片机的产品介绍 1．MCS-51系列单片机 MCS-51系列单片机是Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机。在目前单片机市场中，8位单片机仍占主导地位。MCS-51系列单片机以其良好的，仍是目前单片机开发和应用的主流机型。 MCS-51可分为两个子系列，共4种类型，如表1.1.1所示。按资源的配置数量，MCS-51系列分为51和52两个子系列，其中51子系列是基本型，52子系列属于增强型。 表1.1.1 MCS-51系列单片机分类 80C51系列单片机是在MCS-51系列的基础上发展起来的。早期的80C51只是MCS-51系列众多芯片中的一类，但是随着后来的发展，80C51已经形成独立的系列，并且成为当前8位单片机的典型代表。 80C51与8051的比较如下： (1)MCS-51系列芯片采用HMOS工艺，而80C51芯片则采用CHMOS工艺。CHMOS工艺是COMS和HMOS的结合。 (2)80C51芯片具有COMS低功耗的特点。例如，8051芯片的功耗为630mW，而80C51的功耗只有120mW。这样低的功耗，用一粒纽扣电池就可以工作。低功耗对单片机在便携式、手提式或野外作业的仪器仪表设备上使用十分有利。 (3)从80C51功能增强方面进行分析，为进一步降低功耗，80C51芯片增加了待机和掉电保护两种工作方式，以保证单片机在掉电情况下能以di的消耗电流维持。 (4)在80C51系列芯片中，内部程序存储器除了ROM型和EPROM型外，还有E2PROM型，例如，89C51就有4KB E2PROM。并且随着集成技术的提高，80C51系列片内程序存储器的容量也越来越大，目前已有64KB的芯片。另外，许多80C51芯片还具有程序存储器保密机制，以防止应用程序泄密或被复制。 2．MCS-96系列单片机 MCS-96系列单片机是Intel公司在1983年推出的16位单片机。它与8位机相比，具有集成度高、运算速度快等特点。它的内部除了有常规的I/O接口、定时器/计数器、全双工串行口外，还有高速I/O部件、多路A/D转换和脉宽调制输出(PWM)等电路，其指令系统比MCS-51更加丰富。 3．Atmel公司单片机 Atmel公司于1992年推出了全球diyi个3V超低压Flash存储器，并于1994年以E2PROM技术与Intel公司的80C31内核进行技术交换，从此拥有了80C31内核的使用权，并将Atmel特有的Flash技术与80C31内核结合在一起，生产出AT89C51系列单片机。 Atmel公司的8位单片机有AT89和AT90系列。AT89系列与51系列完全兼容，具有8KB的闪速存储器(Flash Memory)，采用静态时钟方式；AT90系列采用增强精简指令集结构，大多数指令仅需要一个晶振周期，运行速度快。 Atmel公司的AT89C51系列单片机均以MCS-51系列单片机作为内核，同时，该系列各种型号的产品又具有十分突出的个体特色，已经成为广大MCS-51系列单片机用户进行电子设计与开发的优选单片机品种。 AT89C51系列单片机是一种低功耗高性能CMOS型8位单片机，它除了具有与MCS-51系列单片机完全兼容的若干特性外，zui为突出的优点就是其片内集成了4KB的F1ash PEROM(Programmable Erasable Read Only Memory)用来存放应用程序，这个Flash程序存储器除允许用一般的编程器离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程，并且提供了对程序进行三级加密保护的功能。AT89C51系列单片机的另一个特点是工作速度更高，晶振频率可高达24MHz，1个机器周期仅500ns，比MCS-51系列单片机快了1倍。AT89C51系列单片机除了40脚DIP封装形式外，还提供了TQFP、SOIC和PQFP等多种封装形式的产品，它同时提供商业级、工业级、汽车用产品和军用级等四类产品。 任务二 MCS-51系列单片机的基本结构 MCS-51系列单片机是美国Intel公司1980年推出的高性能8位单片微型计算机，较原来的MCS-48系列结构更为先进，功能增强，它包括51和52两个子系列。 在51系列中，主要有8031、8051、8751三种机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内ROM有所不同。51子系列的主要特点如下。 (1)8位CPU。 (2)片内带振荡器，振荡频率fosc范围为1.2～12MHz；可有时钟输出。 (3)128B的片内数据存储器。 (4)4KB的片内程序存储器(8031无)。 (5)程序存储器的寻址范围为64K字节。 (6)片外数据存储器的寻址范围为64K字节。 (7)21个专用寄存器。 (8)4个8位并行I/O接口： P0、P1、P2、P3。 (9)1个全双工串行I/O接口，可多机通信。 (10)3个16位定时器/计数器。 (11)中断系统有5个中断源，可编程为两个优先级。 (12)111条指令，含乘法指令和除法指令。 (13)有强的位寻址、位处理能力。 (14)片内采用总线结构。 (15)用单一＋5V电源。 52子系列主要有8032、8052两种机型。与51子系列的不同之处在于：片内数据存储器增至256个字节；片内程序存储器增至8KB(8032无)；有3个16位定时器/计数器；有6个中断源。其他性能均与51子系列相同。 一、89C51引脚功能 89C51单片机有40个引脚，用HMOS或CHMOS制造，通常采用双列直插式封装(DIP)。低功耗、采用CHMOS制造的机型(在型号中间加“C”字作识别，如80C31、80C51、87C51)也有用方型封装结构的。下面以AT89C51为例介绍51系列兼容单片机的引脚功能，89C51的引脚和封装如图1.2.1所示。现将各引脚分别说明如下。 1．主电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：接＋5V电源正端，正常操作和对EPROM编程及验证时均接+5V电源。 Vss(20脚)：GND接地。 2．XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚) XTAL1和XTAL2为接外部晶振的两个引脚。当使用内部时钟时，这两个引脚端外接石英晶体和微调电容；当采用外部时钟时，其接外部时钟脉冲信号。 XTAL1引脚接地，XTAL2作为外部振荡信号的输入端。 3．控制信号引脚：RST/VPD、ALE/ 、 、 /Vpp (1)RST/VPD(9脚)。单片机复位/备用电源引脚，具有单片机复位和备用电源引入双重功能。 (2)ALE/ (30脚)。地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入双重功能引脚。 当访问片外存储器时，该引脚是地址锁存信号，每机器周期该信号出现两次，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；当不访问外部存储器时，ALE引脚周期性地输出固定频率脉冲信号(1/6振荡器频率)，因此，它可用作外部时钟或外部定时脉冲使用。应注意的是：当访问片外数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲；ALE端可以驱动(吸收或输出电流)8个LSTTL负载。对于含有EPROM的单片机(8751)，片内EPROM编程期间，此引脚用于输入专门的编程脉冲和编程电源( )。 (3) (29脚)。输出访问片外程序存储器的读选通信号或称为片外取指信号输出端。 在访问外部ROM时， 信号定时输出脉冲，作为外部ROM的选通信号。CPU从片外程序存储器取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效(低电平)，以通过数据总线P0口读回指令或常数。每当访问片外数据存储器时，这两次有效的 信号将不会出现。该端有效(低电平)，实现外部ROM单元的读操作，同样可驱动8个LSTTL负载。 (4) /Vpp(31脚)。片内片外程序存储器选择/片内固化编程电压输入双重功能引脚。当 输入高电平时，CPU可先访问片内ROM 4KB的地址范围，若超出4KB地址，将自动转向执行片外ROM；当 输入低电平时，无论片内是否有程序存储器，CPU只能访问片外程序存储器。