單片機原理與應用

“十四五”普通高等學校規(guī)劃教材

單片機原理與應用

張良智主編

◎

張吉衛(wèi)劉美麗副主編

◎

內容簡介

本書以系列單片機為例介紹了單片機片內硬件資源及工作原理釆用匯編

MCS-51AT89S52,,

語言和語言編程虛擬仿真平臺作為設計與開發(fā)工具講解了單片機基本應用與開發(fā)

C51,Proteus,

技術主要內容包括單片機基礎知識單片機發(fā)展歷史片內系統(tǒng)結構匯編與語言中斷與定

。,,,C51,

時器計數器串口通信系統(tǒng)接口轉換等內容

/,,,A/D、D/A。

本書在每章都介紹了若干示例以語言為主匯編語言為輔實現了程序設計并將單片機

,C51、,

仿真軟件貫穿其中為方便讀者學習每章都安排了思考練習題受篇幅所限若干相關

Proteus。,。,

內容沒有直接編入書中而是歸并到二維碼中請讀者自行掃碼閱讀

,,。

本書適合作為高等工科院校自動化類電氣類電子信息類交通類計算機類各專業(yè)單片機相

、、、、

關課程的教材也可供單片機應用設計生產從業(yè)人員參考使用

,、。

圖書在版編目CIP數據

()

單片機原理與應用張良智主編北京中國鐵道出版社

/.—:

有限公司

,2022.6

十四五普通高等學校規(guī)劃教材

“”

ISBN978-7-113-28845-7

單張單片微型計算機高等學校

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①--

教材

Ⅳ.①TP368.1

中國版本圖書館數據核字第號

CIP(2022)025342

書名:單片機原理與應用

作者:張良智

策劃:張松濤編輯部電話:

(010)83527746

責任編輯:張松濤繩超

封面設計:劉穎

責任校對:安海燕

責任印制:樊啟鵬

出版發(fā)行:中國鐵道出版社有限公司北京市西城區(qū)右安門西街號

(100054,8)

網址:

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

印刷:三河市宏盛印務有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202261202261

開本:印張:字數:千

787mm×1092mm1/1617421

書號:

ISBN978-7-113-28845-7

定價:元

49.00

版權所有侵權必究

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,,。:(010)63550836

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:(010)63549461

隨著計算機技術在社會各個領域的滲透單片微型計算機簡稱單片機已廣泛應用到工業(yè)

,()

控制機電一體化智能儀表通信家用電器等領域并成為當今科學技術現代化的重要工具

、、、、,。

單片機的應用提高了機電設備的技術水平和自動化程度成為產品更新換代的重要手段因此

,。,

高等工科院校師生和工程技術人員了解和掌握單片機的原理結構和應用技術是十分必要的

、。

單片機不僅集成度高結構簡單而且具有完整的計算機結構隨著機型的不斷增多功能

、,,,

越來越強大目前世界上生產單片機的公司數不勝數但以為核心的單片機仍是主

。,,MCS-51

流單片機也是廣大工程技術人員首選的機型在國內的多數高校也都采用系列單片

,,MCS-51

機作為主要的講解對象本書以單片機為例系統(tǒng)介紹單片機的體系結構工作原

。MCS-51,、

理接口擴展技術中斷系統(tǒng)和各功能部件的硬件組成及編程應用為了培養(yǎng)在工業(yè)工程領

、、。、

域的生產建設管理服務等第一線崗位直接從事解決實際問題維持工作正常運行的高等技

、、、、

術型人才本書在內容選取上側重應用通過大量的示例把在工程中廣泛應用的知識技術講

,,、

清楚增強讀者的實際應用能力

,。

為加強創(chuàng)新教育鍛煉讀者創(chuàng)新思維本書每章都設置了創(chuàng)新思維的內容有些與章節(jié)內

,,,

容直接相關有些從宏觀角度開展思維訓練作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的積極嘗試和探索

,,。

本書由山東交通學院張良智任主編山東交通學院張吉衛(wèi)劉美麗任副主編參與編寫

,、,

的人員有山東交通學院蘇現征李鳴北京方智科技股份有限公司梁浩和山東山豐自動化有限

、,

公司賈增貴具體編寫分工如下第章第章第章由張良智編寫第章第章由

。:2~7、13;8、9

張吉衛(wèi)編寫第章第章由劉美麗編寫第章由蘇現征編寫第章由李鳴編寫

;1、11;10;12;

梁浩賈增貴編寫了本書中的應用案例

、。

在本書的編寫過程中參考了目前國內有關單片機方面的比較優(yōu)秀的教材在此謹向有關

,,

作者表示誠摯的感謝

。

由于編者水平有限書中難免會有疏漏之處請廣大讀者批評指正

,,。

編者

年月

20219

第1章單片機基礎知識…………………1

微型計算機的發(fā)展歷史…………

1.11

微型計算機的組成………………

1.22

進制和轉換………………………

1.311

創(chuàng)新思維………………

12

思考練習題…………

113

第2章單片機概述………………………14

單片機的概念及分類……………

2.114

單片機的發(fā)展與趨勢……………

2.215

單片機的特點與應用……………

2.317

常見單片機簡介…………………

2.419

創(chuàng)新思維………………

25

思考練習題…………

225

第3章單片機的結構和原理……………27

單片機的硬件組成……………………

3.1AT89S5227

單片機的引腳功能……………………

3.2AT89S5228

單片機的…………

3.3AT89S52CPU31

單片機的存儲器結構…………………

3.4AT89S5233

單片機的并行口…………………

3.5AT89S52I/O41

時鐘電路與時序…………………

3.644

復位操作和復位電路……………

3.746

單片機的最小應用系統(tǒng)………………

3.8AT89S5248

看門狗定時器……………

3.9(WDT)48

低功耗節(jié)電模式………………

3.1049

創(chuàng)新思維………………

50

思考練習題…………

351

第4章單片機的指令系統(tǒng)及匯編語言程序設計……54

尋址方式…………

4.154

指令系統(tǒng)…………

4.260

匯編語言程序設計………………

4.369

創(chuàng)新思維………………

76

Ⅰ

思考練習題…………

476

第5章C51編程語言基礎………………78

編程語言簡介………………

5.1C5178

語言程序設計基礎…………

5.2C5179

語言的函數…………………

5.3C5197

創(chuàng)新思維………………

100

思考練習題…………

5101

第6章開發(fā)工具Keil和仿真工具Proteus…………102

的使用…………………

6.1KeilC51102

虛擬仿真平臺簡介……………………

6.2Proteus112

創(chuàng)新思維………………

124

思考練習題…………

6124

第7章單片機基本I/O接口設計……………………126

單片機控制發(fā)光二極管顯示……………………

7.1126

開關狀態(tài)檢測…………………

7.2131

單片機控制數碼管的顯示………………

7.3LED133

鍵盤接口的設計………………

7.4139

創(chuàng)新思維………………

148

思考練習題…………

7149

第8章中斷系統(tǒng)的工作原理及應用…………………151

單片機中斷技術概述…………

8.1151

單片機的中斷系統(tǒng)結構………………

8.2AT89S52151

中斷允許與中斷優(yōu)先級的控制…………………

8.3154

響應中斷請求的條件…………

8.4157

外部中斷的響應時間…………

8.5158

外部中斷的觸發(fā)方式選擇………

8.6159

中斷請求的撤銷………………

8.7159

中斷函數………………………

8.8160

中斷系統(tǒng)應用設計案例…………

8.9162

創(chuàng)新思維………………

165

思考練習題…………

8166

第9章單片機的定時器/計數器………168

定時器計數器與的結構………………

9.1/T0T1168

定時器計數器與的種工作方式……

9.2/T0T14170

計數器模式對外部輸入的計數信號的要求……

9.3173

定時器計數器的編程應用……………

9.4/T1、T0174

Ⅱ

目錄

創(chuàng)新思維………………

179

思考練習題…………

9180

第10章單片機的串行口………………182

串行通信基礎…………………

10.1182

串行口的結構…………………

10.2185

串行口的種工作方式………

10.34187

多機通信………………………

10.4195

波特率的制定方法……………

10.5196

串行口應用的設計案例………

10.6198

創(chuàng)新思維………………

216

思考練習題………………………

10217

第11章單片機系統(tǒng)的并行擴展………219

系統(tǒng)并行擴展技術……………

11.1219

外部數據存儲器的并行擴展…………………

11.2225

存儲器的并行擴展…………………

11.3EEPROM230

創(chuàng)新思維………………

232

思考練習題………………………

11233

第12章單片機系統(tǒng)的串行擴展………234

總線串行擴展……………

12.1SPI234

2總線的串行擴展…………

12.2IC235

創(chuàng)新思維………………

249

思考練習題………………………

12250

第13章A/D、D/A轉換………………252

單片機擴展概述…………

13.1DAC252

單片機擴展并行位芯片的設計…………………

13.28DAC0832253

單片機擴展概述…………

13.3ADC256

單片機擴展并行位芯片的設計…………………

13.48ADC0809257

創(chuàng)新思維………………

261

思考練習題………………………

13262

參考文獻……………………264

Ⅲ

微型計算機是現代電子技術和信息技術發(fā)展的產物在生產和生活中應

(Microcomputer),

用廣泛其中最為人所熟悉的是個人計算機本書所講的單片機是

,,(PersonalComputer,PC)。

一種將計算機各組成部分集成在一片芯片上的微型計算機雖然不被普通用戶所認識但同樣

,,

廣泛應用于人們的日常生活中如電視機電冰箱打印機和掃描儀等家用電器和辦公設備中

,、、。

本章將主要介紹一些與單片機相關的微型計算機的基礎知識為后續(xù)章節(jié)的學習奠定良好的

,

基礎

。

1.1微型計算機的發(fā)展歷史

從結繩計數算籌到計算尺人類從遠古時期就已開始探索提高計算速度和效率的方法

、,。

年法國數學家使用齒輪等配件制造了世界上第一臺機械式計算機帕斯卡加法

1642,———

器這是人類從手動計算時代進入機械式計算時代的里程碑

,。

年法國機械師將穿孔紙帶上的小孔用于自動提花機工作流程和步驟的控制

1801,,

這是現代計算機程序設計思想的萌芽而紙帶上的有孔和無孔分別類似于二進制

?！啊薄啊?/p>

數的和是二進制數在機械控制中的早期應用年英國數學家查爾斯巴貝

01,。1843,·

奇受這種穿孔紙帶控制思想的啟發(fā)設計了一種通用的自動計算機器分析機分

“”,———。

析機以齒輪為主要部件由蒸汽機提供動力齒輪存放數據通過齒輪間的嚙合完成計

,,,

算穿孔紙帶控制運算過程雖然由于設計理念超越時代巴貝奇并沒有成功地制造出

,。,

一臺實際可用的分析機但是分析機已經具備了現代計算機的某些基本特征例如存放

,,,

數據的齒輪相當于存儲器齒輪嚙合完成了運算器的工作而穿孔紙帶則是控制機器工

,,

作流程的程序

。

年英國數學家布爾創(chuàng)立了布爾代數這是現代計算機工作的重要理論基礎之

1854,,

一年人工智能之父艾倫麥席森圖靈在其論文論可計算數及其在判定問

。1936,“”··《

題上的應用中提出了算法的概念和一種抽象計算機模型圖靈機圖靈機的基

》———“”。

本思想是用機器模擬人用紙筆進行計算的過程是現代計算機和人工智能領域的

,

開端

。

與圖靈同時代被稱為計算機之父的美國數學家馮諾依曼研究了離散變量自動電子

,“”·

計算機并和他的研究小組發(fā)表了

(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer,EDVAC),

存儲程序的通用計算機方案該方案解決了計算機設計中的許多關鍵問題其中有三個主

“”。,

要設計思想需要本書讀者掌握

。

1

計算機采用的數制為二進制采用二進制設計可降低計算機的結構復雜度

(1)。。

計算機由五部分組成包括運算器控制器存儲器輸入設備和輸出設備其中運

(2),、、、。,

算器可以完成各種算術和邏輯運算控制器能夠控制計算機的各部件協調工作存儲器用于存

;;

放程序指令和數據輸入設備和輸出設備用于實現人與計算機之間的交互

;。

計算機的工作原理是存儲程序的原理即計算機工作之前程序與數據預先存放在

(3)“”,,

存儲器的存儲單元中計算機工作時控制器按照指令的存放順序存儲單元的地址順序從

;,()

存儲單元中讀取指令然后分析并執(zhí)行指令若被執(zhí)行的指令具有判斷或轉移的功能則根據

,;,

判斷結果或轉移要求確定后續(xù)指令讀取的順序從而控制指令的執(zhí)行順序上述過程將重復進

,;

行直到遇到停機指令

,。

存儲程序的通用計算機方案的提出標志著人類進入了電子計算機時代是計算機科學

“”,

發(fā)展的又一座里程碑而按照該方案設計的計算機稱為馮諾依曼機世界上第一臺通用

?！啊ぁ?

計算機埃尼阿克就是按照該方案設

“”(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator,ENIAC)

計的

。

從埃尼阿克起微型計算機的發(fā)展經歷了電子管計算機晶體管計算機集成電路計算機

,、、

和大規(guī)模集成電路計算機四個階段電子管計算機以電子管為主要邏輯器件使用磁鼓存儲

。,

數據體積大運算速度慢編程語言為機器語言晶體管計算機以比電子管體積更小的晶體管

,、,;

為主要器件采用磁心存儲器速度快價格昂貴可以使用高級語言如語言進行

,,、,(FORTRAN)

程序設計集成電路將多個元器件集成在一片半導體芯片上以集成電路為主要邏輯器件的計

;,

算機體積更小速度更快功耗更低從世紀年代初開始至今計算機進入了大規(guī)模集成

、、;2070,

電路時代一片半導體芯片上可以集成幾十萬甚至幾百萬個元器件使得計算機的體積更小

,,、

價格更低性能和可靠性更高

、。

1.2微型計算機的組成

在微型計算機的五個組成部分運算器控制器存儲器輸入設備和輸出設備中運算

(、、、),

器和控制器是核心部分由它們所構成的運算和控制中心稱為微處理器或中

,(Microprocessor)

央處理器存儲器用于存放程序指令和數據可分為只讀存儲

(CentralProcessingUnit,CPU)。,

器和隨機存儲器兩大類輸入設備

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

和輸出設備因其電壓電流和數據傳輸速度等與微處理器不匹配而必須通過輸入輸出接

、,/

口接口才能與微處理器相連本節(jié)將介紹微型計算機系統(tǒng)的層次關系和體系結構及微

(I/O)。

型計算機各組成部分的功能和相關基礎知識

。

1.2.1微型計算機系統(tǒng)的層次關系和體系結構

微處理器存儲器和接口需要通過總線連接在一起總線按功能可以分為三類地

、I/O,:①

址總線負責傳輸存儲單元的地址信息微處理器通過地址信息才能找到存

(AddressBus,AB),,

儲單元或接口數據總線負責在和存儲器或接口之間傳輸

I/O;②(DataBus,DB),CPU(I/O)

數據控制總線用于傳輸微處理器的控制信號如確定數據總線上的數

;③(ControlBus,CB),,

據流向數據由微處理器流向存儲器或接口時被視為輸出數據即執(zhí)行寫操作

(I/O,,CPU“”;

反之被視為輸入數據即執(zhí)行讀操作

,,CPU“”)。

2

第1章單片機基礎知識

1.微型計算機系統(tǒng)的層次關系

圖給出了微型計算機的組成結構圖圖給出了微型計算機系統(tǒng)的層次關系由這

1-1,1-2,

兩個圖可知僅有微處理器無法構成微型計算機而沒有軟件支持的微型計算機硬件也無法工

,,

作只有軟件和硬件配合構成的微型計算機系統(tǒng)才能為人所用

,。

圖微型計算機的組成結構

1-1

圖微型計算機系統(tǒng)的層次關系

1-2

在微型計算機系統(tǒng)中運算器和控制器集成在一片芯片上稱為微處理器芯片其外形如

,,,

圖所示而單片機是將微處理器存儲器和輸入輸出接口接口集成在一片芯片上

1-3。、/(I/O)

的單片型微型計算機簡稱單片機其外形如圖所示

,(Single-chipComputer),1-4。

圖公司的微處理器芯片

1-3Intel

圖單片機芯片