单片机原理与应用

“十四五”普通高等学校规划教材

单片机原理与应用

张良智主编

◎

张吉卫刘美丽副主编

◎

内容简介

本书以系列单片机为例介绍了单片机片内硬件资源及工作原理釆用汇编

MCS-51AT89S52,,

语言和语言编程虚拟仿真平台作为设计与开发工具讲解了单片机基本应用与开发

C51,Proteus,

技术主要内容包括单片机基础知识单片机发展历史片内系统结构汇编与语言中断与定

。,,,C51,

时器计数器串口通信系统接口转换等内容

/,,,A/D、D/A。

本书在每章都介绍了若干示例以语言为主汇编语言为辅实现了程序设计并将单片机

,C51、,

仿真软件贯穿其中为方便读者学习每章都安排了思考练习题受篇幅所限若干相关

Proteus。,。,

内容没有直接编入书中而是归并到二维码中请读者自行扫码阅读

,,。

本书适合作为高等工科院校自动化类电气类电子信息类交通类计算机类各专业单片机相

、、、、

关课程的教材也可供单片机应用设计生产从业人员参考使用

,、。

图书在版编目CIP数据

()

单片机原理与应用张良智主编北京中国铁道出版社

/.—:

有限公司

,2022.6

十四五普通高等学校规划教材

“”

ISBN978-7-113-28845-7

单张单片微型计算机高等学校

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①--

教材

Ⅳ.①TP368.1

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2022)025342

书名:单片机原理与应用

作者:张良智

策划:张松涛编辑部电话:

(010)83527746

责任编辑:张松涛绳超

封面设计:刘颖

责任校对:安海燕

责任印制:樊启鹏

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

http://www.tdpress.com/51eds/

印刷:三河市宏盛印务有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202261202261

开本:印张:字数:千

787mm×1092mm1/1617421

书号:

ISBN978-7-113-28845-7

定价:元

49.00

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,,。:(010)63550836

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:(010)63549461

随着计算机技术在社会各个领域的渗透单片微型计算机简称单片机已广泛应用到工业

,()

控制机电一体化智能仪表通信家用电器等领域并成为当今科学技术现代化的重要工具

、、、、,。

单片机的应用提高了机电设备的技术水平和自动化程度成为产品更新换代的重要手段因此

,。,

高等工科院校师生和工程技术人员了解和掌握单片机的原理结构和应用技术是十分必要的

、。

单片机不仅集成度高结构简单而且具有完整的计算机结构随着机型的不断增多功能

、,,,

越来越强大目前世界上生产单片机的公司数不胜数但以为核心的单片机仍是主

。,,MCS-51

流单片机也是广大工程技术人员首选的机型在国内的多数高校也都采用系列单片

,,MCS-51

机作为主要的讲解对象本书以单片机为例系统介绍单片机的体系结构工作原

。MCS-51,、

理接口扩展技术中断系统和各功能部件的硬件组成及编程应用为了培养在工业工程领

、、。、

域的生产建设管理服务等第一线岗位直接从事解决实际问题维持工作正常运行的高等技

、、、、

术型人才本书在内容选取上侧重应用通过大量的示例把在工程中广泛应用的知识技术讲

,,、

清楚增强读者的实际应用能力

,。

为加强创新教育锻炼读者创新思维本书每章都设置了创新思维的内容有些与章节内

,,,

容直接相关有些从宏观角度开展思维训练作为创新人才培养的积极尝试和探索

,,。

本书由山东交通学院张良智任主编山东交通学院张吉卫刘美丽任副主编参与编写

,、,

的人员有山东交通学院苏现征李鸣北京方智科技股份有限公司梁浩和山东山丰自动化有限

、,

公司贾增贵具体编写分工如下第章第章第章由张良智编写第章第章由

。:2~7、13;8、9

张吉卫编写第章第章由刘美丽编写第章由苏现征编写第章由李鸣编写

;1、11;10;12;

梁浩贾增贵编写了本书中的应用案例

、。

在本书的编写过程中参考了目前国内有关单片机方面的比较优秀的教材在此谨向有关

,,

作者表示诚挚的感谢

。

由于编者水平有限书中难免会有疏漏之处请广大读者批评指正

,,。

编者

年月

20219

第1章单片机基础知识…………………1

微型计算机的发展历史…………

1.11

微型计算机的组成………………

1.22

进制和转换………………………

1.311

创新思维………………

12

思考练习题…………

113

第2章单片机概述………………………14

单片机的概念及分类……………

2.114

单片机的发展与趋势……………

2.215

单片机的特点与应用……………

2.317

常见单片机简介…………………

2.419

创新思维………………

25

思考练习题…………

225

第3章单片机的结构和原理……………27

单片机的硬件组成……………………

3.1AT89S5227

单片机的引脚功能……………………

3.2AT89S5228

单片机的…………

3.3AT89S52CPU31

单片机的存储器结构…………………

3.4AT89S5233

单片机的并行口…………………

3.5AT89S52I/O41

时钟电路与时序…………………

3.644

复位操作和复位电路……………

3.746

单片机的最小应用系统………………

3.8AT89S5248

看门狗定时器……………

3.9(WDT)48

低功耗节电模式………………

3.1049

创新思维………………

50

思考练习题…………

351

第4章单片机的指令系统及汇编语言程序设计……54

寻址方式…………

4.154

指令系统…………

4.260

汇编语言程序设计………………

4.369

创新思维………………

76

Ⅰ

思考练习题…………

476

第5章C51编程语言基础………………78

编程语言简介………………

5.1C5178

语言程序设计基础…………

5.2C5179

语言的函数…………………

5.3C5197

创新思维………………

100

思考练习题…………

5101

第6章开发工具Keil和仿真工具Proteus…………102

的使用…………………

6.1KeilC51102

虚拟仿真平台简介……………………

6.2Proteus112

创新思维………………

124

思考练习题…………

6124

第7章单片机基本I/O接口设计……………………126

单片机控制发光二极管显示……………………

7.1126

开关状态检测…………………

7.2131

单片机控制数码管的显示………………

7.3LED133

键盘接口的设计………………

7.4139

创新思维………………

148

思考练习题…………

7149

第8章中断系统的工作原理及应用…………………151

单片机中断技术概述…………

8.1151

单片机的中断系统结构………………

8.2AT89S52151

中断允许与中断优先级的控制…………………

8.3154

响应中断请求的条件…………

8.4157

外部中断的响应时间…………

8.5158

外部中断的触发方式选择………

8.6159

中断请求的撤销………………

8.7159

中断函数………………………

8.8160

中断系统应用设计案例…………

8.9162

创新思维………………

165

思考练习题…………

8166

第9章单片机的定时器/计数器………168

定时器计数器与的结构………………

9.1/T0T1168

定时器计数器与的种工作方式……

9.2/T0T14170

计数器模式对外部输入的计数信号的要求……

9.3173

定时器计数器的编程应用……………

9.4/T1、T0174

Ⅱ

目录

创新思维………………

179

思考练习题…………

9180

第10章单片机的串行口………………182

串行通信基础…………………

10.1182

串行口的结构…………………

10.2185

串行口的种工作方式………

10.34187

多机通信………………………

10.4195

波特率的制定方法……………

10.5196

串行口应用的设计案例………

10.6198

创新思维………………

216

思考练习题………………………

10217

第11章单片机系统的并行扩展………219

系统并行扩展技术……………

11.1219

外部数据存储器的并行扩展…………………

11.2225

存储器的并行扩展…………………

11.3EEPROM230

创新思维………………

232

思考练习题………………………

11233

第12章单片机系统的串行扩展………234

总线串行扩展……………

12.1SPI234

2总线的串行扩展…………

12.2IC235

创新思维………………

249

思考练习题………………………

12250

第13章A/D、D/A转换………………252

单片机扩展概述…………

13.1DAC252

单片机扩展并行位芯片的设计…………………

13.28DAC0832253

单片机扩展概述…………

13.3ADC256

单片机扩展并行位芯片的设计…………………

13.48ADC0809257

创新思维………………

261

思考练习题………………………

13262

参考文献……………………264

Ⅲ

微型计算机是现代电子技术和信息技术发展的产物在生产和生活中应

(Microcomputer),

用广泛其中最为人所熟悉的是个人计算机本书所讲的单片机是

,,(PersonalComputer,PC)。

一种将计算机各组成部分集成在一片芯片上的微型计算机虽然不被普通用户所认识但同样

,,

广泛应用于人们的日常生活中如电视机电冰箱打印机和扫描仪等家用电器和办公设备中

,、、。

本章将主要介绍一些与单片机相关的微型计算机的基础知识为后续章节的学习奠定良好的

,

基础

。

1.1微型计算机的发展历史

从结绳计数算筹到计算尺人类从远古时期就已开始探索提高计算速度和效率的方法

、,。

年法国数学家使用齿轮等配件制造了世界上第一台机械式计算机帕斯卡加法

1642,———

器这是人类从手动计算时代进入机械式计算时代的里程碑

,。

年法国机械师将穿孔纸带上的小孔用于自动提花机工作流程和步骤的控制

1801,,

这是现代计算机程序设计思想的萌芽而纸带上的有孔和无孔分别类似于二进制

。“”“”

数的和是二进制数在机械控制中的早期应用年英国数学家查尔斯巴贝

01,。1843,·

奇受这种穿孔纸带控制思想的启发设计了一种通用的自动计算机器分析机分

“”,———。

析机以齿轮为主要部件由蒸汽机提供动力齿轮存放数据通过齿轮间的啮合完成计

,,,

算穿孔纸带控制运算过程虽然由于设计理念超越时代巴贝奇并没有成功地制造出

,。,

一台实际可用的分析机但是分析机已经具备了现代计算机的某些基本特征例如存放

,,,

数据的齿轮相当于存储器齿轮啮合完成了运算器的工作而穿孔纸带则是控制机器工

,,

作流程的程序

。

年英国数学家布尔创立了布尔代数这是现代计算机工作的重要理论基础之

1854,,

一年人工智能之父艾伦麦席森图灵在其论文论可计算数及其在判定问

。1936,“”··《

题上的应用中提出了算法的概念和一种抽象计算机模型图灵机图灵机的基

》———“”。

本思想是用机器模拟人用纸笔进行计算的过程是现代计算机和人工智能领域的

,

开端

。

与图灵同时代被称为计算机之父的美国数学家冯诺依曼研究了离散变量自动电子

,“”·

计算机并和他的研究小组发表了

(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer,EDVAC),

存储程序的通用计算机方案该方案解决了计算机设计中的许多关键问题其中有三个主

“”。,

要设计思想需要本书读者掌握

。

1

计算机采用的数制为二进制采用二进制设计可降低计算机的结构复杂度

(1)。。

计算机由五部分组成包括运算器控制器存储器输入设备和输出设备其中运

(2),、、、。,

算器可以完成各种算术和逻辑运算控制器能够控制计算机的各部件协调工作存储器用于存

;;

放程序指令和数据输入设备和输出设备用于实现人与计算机之间的交互

;。

计算机的工作原理是存储程序的原理即计算机工作之前程序与数据预先存放在

(3)“”,,

存储器的存储单元中计算机工作时控制器按照指令的存放顺序存储单元的地址顺序从

;,()

存储单元中读取指令然后分析并执行指令若被执行的指令具有判断或转移的功能则根据

,;,

判断结果或转移要求确定后续指令读取的顺序从而控制指令的执行顺序上述过程将重复进

,;

行直到遇到停机指令

,。

存储程序的通用计算机方案的提出标志着人类进入了电子计算机时代是计算机科学

“”,

发展的又一座里程碑而按照该方案设计的计算机称为冯诺依曼机世界上第一台通用

。“·”,

计算机埃尼阿克就是按照该方案设

“”(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator,ENIAC)

计的

。

从埃尼阿克起微型计算机的发展经历了电子管计算机晶体管计算机集成电路计算机

,、、

和大规模集成电路计算机四个阶段电子管计算机以电子管为主要逻辑器件使用磁鼓存储

。,

数据体积大运算速度慢编程语言为机器语言晶体管计算机以比电子管体积更小的晶体管

,、,;

为主要器件采用磁心存储器速度快价格昂贵可以使用高级语言如语言进行

,,、,(FORTRAN)

程序设计集成电路将多个元器件集成在一片半导体芯片上以集成电路为主要逻辑器件的计

;,

算机体积更小速度更快功耗更低从世纪年代初开始至今计算机进入了大规模集成

、、;2070,

电路时代一片半导体芯片上可以集成几十万甚至几百万个元器件使得计算机的体积更小

,,、

价格更低性能和可靠性更高

、。

1.2微型计算机的组成

在微型计算机的五个组成部分运算器控制器存储器输入设备和输出设备中运算

(、、、),

器和控制器是核心部分由它们所构成的运算和控制中心称为微处理器或中

,(Microprocessor)

央处理器存储器用于存放程序指令和数据可分为只读存储

(CentralProcessingUnit,CPU)。,

器和随机存储器两大类输入设备

(Read-OnlyMemory,ROM)(RandomAccessMemory,RAM)。

和输出设备因其电压电流和数据传输速度等与微处理器不匹配而必须通过输入输出接

、,/

口接口才能与微处理器相连本节将介绍微型计算机系统的层次关系和体系结构及微

(I/O)。

型计算机各组成部分的功能和相关基础知识

。

1.2.1微型计算机系统的层次关系和体系结构

微处理器存储器和接口需要通过总线连接在一起总线按功能可以分为三类地

、I/O,:①

址总线负责传输存储单元的地址信息微处理器通过地址信息才能找到存

(AddressBus,AB),,

储单元或接口数据总线负责在和存储器或接口之间传输

I/O;②(DataBus,DB),CPU(I/O)

数据控制总线用于传输微处理器的控制信号如确定数据总线上的数

;③(ControlBus,CB),,

据流向数据由微处理器流向存储器或接口时被视为输出数据即执行写操作

(I/O,,CPU“”;

反之被视为输入数据即执行读操作

,,CPU“”)。

2

第1章单片机基础知识

1.微型计算机系统的层次关系

图给出了微型计算机的组成结构图图给出了微型计算机系统的层次关系由这

1-1,1-2,

两个图可知仅有微处理器无法构成微型计算机而没有软件支持的微型计算机硬件也无法工

,,

作只有软件和硬件配合构成的微型计算机系统才能为人所用

,。

图微型计算机的组成结构

1-1

图微型计算机系统的层次关系

1-2

在微型计算机系统中运算器和控制器集成在一片芯片上称为微处理器芯片其外形如

,,,

图所示而单片机是将微处理器存储器和输入输出接口接口集成在一片芯片上

1-3。、/(I/O)

的单片型微型计算机简称单片机其外形如图所示

,(Single-chipComputer),1-4。

图公司的微处理器芯片

1-3Intel

图单片机芯片