單片機原理與應用(C51語言版)（簡體書）

本書以89S51 為典型機，主要論述單片機的基本結構與工作原理，以及單片機應用系統的設計與開發方法。全書內容分為13 章，內容包括概述、單片機的結構和工作原理、指令系統、單片機C51 語言程序設計基礎、中斷系統、定時器/計數器、單片機的串行口UART、單片機常用並行接口技術、串行總線接口技術、單片機應用系統開發環境、基於嵌入式實時操作系統的單片機程序設計方法、基於RTX51的樂曲編輯器和發生器設計、數控電流源設計。書後附錄給出了18 個單片機課程設計課題，以及單片機89S51 的指令系統。本書從工程應用出發，突出單片機應用技術的新穎性和實用性；此外，本書為任課教師免費提供電子課件。

歐偉明，湖南工業大學信息工程學院教授，長期從事電子技術方面的教學與研究工作，教材成果豐富，出版教材2部，發表論文多篇。

自1971年微型計算機問世以來，由於實際應用的需要，微型計算機向著兩個方向發展：一是向著高速度、大容量、高性能的高檔微機方向發展；二是向著穩定可靠、體積小、功耗低、價格低廉的單片機方向發展。單片機是微型計算機的一個重要分支，它的出現是計算機技術發展史上的一個重要里程碑，它使計算機從海量存儲與高速複雜數值計算進入智能化控制領域。從此，計算機技術的兩個重要領域――通用計算機領域和嵌入式計算機領域都取得了極其重大的進展。
單片機誕生於20世紀70年代。自美國Intel公司於1976年宣佈並於1977年推出MCS-48單片機以來，單片機技術已經走過了40餘年的歷程。我國自20世紀70年代末80年代初就開始進行單片機的應用與開發工作。1987年10月27日，我國在上海成立中國微計算機單片機學會，中國的單片機開發與應用經歷了30餘年。幾十年來，單片機不是以其位數的高低來決定其優劣的，而是以如何適合千變萬化的應用產品的需求、高性價比的配置來決定其優劣的。因此，高性價比、多功能、低功耗的8位單片機一直是單片機的主角。
本書仍然保持前一版的寫作風格，在內容上對原書進行了仔細的修訂。前一版主要以匯編語言作為單片機編程語言，這一版主要採用C51語言進行單片機程序設計。在編著本書時，我們主要考慮了以下幾點。
（1）關於單片機的選型
目前，國內外公認的單片機標準體系結構是美國Intel公司的MCS-51系列，其中的8051單片機由Intel公司以技術轉賣的方式，被許多半導體生產廠家作為基核，發展了許多兼容系列，所有這些系列統稱為80C51系列。因此，人們在設計單片機應用系統時，可以根據應用系統的要求，廣泛選擇最佳型號的單片機。然而，美國Atmel公司的單片機AT89S51是80C51系列的典型代表，所以本書以89S51芯片為主線介紹單片機的原理與應用。
（2）全書的整體架構
全書分為兩大部分。第一部分，即本書的第1章～第8章，主要介紹單片機結構原理及基本應用，它既是繼續學習單片機應用技術的基礎，又是單片機原理與應用課程的經典內容。
第二部分，即本書的第9章～第13章，主要介紹當前的單片機應用新技術，以及單片機應用系統設計開發方法和工程設計實例。顯然，第二部分是單片機原理與應用課程經典內容的擴展，主要目的是給讀者提供繼續學習和掌握單片機應用系統開發技術的精選內容，讓讀者瞭解當前單片機應用的新技術、開發小工具、開發環境、開發過程，從而達到初步掌握單片機應用系統設計與開發技術的目的。
（3）精心安排“經典內容”，認真撰寫第1章～第8章
從工程應用的角度出發，通過精心安排本書第1章～第8章的內容，達到既講透單片機的結構原理，又精簡“經典內容”體系結構的目的。比如，單片機的工作方式有多種，但從工程應用的角度來看，主要用到的是複位工作方式、低功耗工作方式和編程工作方式。因此，本書在介紹複位電路的基礎上，重點介紹複位工作方式、低功耗工作方式和AT89S51的ISP編程工作方式，而對其他工作方式只是略為提一下。又如，定時器/計數器有4種工作方式，其他教材一般按照順序介紹工作方式0～工作方式3，但在實際的工程應用中，工作方式0很少採用而工作方式1應用最多，所以本書按照工作方式1、工作方式2、工作方式3、工作方式0的順序進行介紹，以便使教材的內容貼近實際需要。再如，單片機的存儲器有程序存儲器和數據存儲器，而實際上特殊功能寄存器也屬￿單片機的存儲器，因此本書將這三方面的內容放在一個小節內介紹，這種安排是有別於其他教材的。為保證本書中所用的實例程序的正確性，所選用的實例程序都通過了實際驗證。
（4）詳細介紹串行總線接口技術
隨著計算機技術和半導體技術的發展，MCU芯片的內部資源越來越豐富，總線型單片機的非總線應用模式使用得越來越廣泛；在MCU的外部，很少採用並行三總線（數據總線、地址總線、控制總線）的結構，而常常採用具有串行總線接口的外圍芯片。因此，本書用一章的篇幅來詳細介紹串行總線接口技術，包括RS-232C、RS-485、SPI、I2C、1-Wire、CAN、USB等。
（5）介紹C51語言程序設計方法
目前，在單片機程序設計部分，講授內容大多限於“匯編語言”，而在實際應用中，單片機程序設計在多年前就已進入“高級語言”階段，各種單片機高級語言開發工具的相繼出現，使得高級語言程序設計在可讀性、可靠性和編程效率上都遠超過匯編語言，德國Keil Software公司的Keil C51編譯器就是典型代表。Keil C51編譯器是一種專為MCS-51系列單片機應用開發而設計的高效率C語言編譯器，該編譯器包括C51交叉編譯器、A51宏匯編器、BL51連接定位器和基於Windows的集成化文件管理編譯環境、多視窗軟件仿真調試器等一系列開發工具，具有高效、可靠、使用方便等優點，其應用如今已十分普及。面向MCS-51系列單片機的C語言稱為C51語言，它已經成為單片機的主流程序設計語言。
本書採用C51語言作為單片機程序設計語言。然而，我們認為目前在教學中不宜完全忽略匯編語言程序設計方法的介紹，因為在許多實時控制時序和時間要求十分苛刻的場合，尤其在控制接口硬件時，用匯編語言進行程序設計顯得非常簡潔。因此，作為選學內容，本書保留了MCS-51單片機指令系統並簡要介紹了匯編語言程序設計方法。
第11章～第13章不僅採用了C51語言程序設計方法，有時還採用了C51語言程序調用匯編語言子程序的編程方法，這種安排對讀者而言應具有很好的指導作用。
（6）介紹基於嵌入式實時操作系統的單片機程序設計方法
第11章介紹適用於MCS-51系列8位單片機的嵌入式實時操作系統RTX51及其應用方法。這個內容有別於嵌入式系統課程的內容：一方面，實時操作系統RTX51是適用於MCS-51系列8位單片機的，而嵌入式系統課程中介紹的實時操作系統是適用於32位嵌入式微處理器或64位嵌入式微控制器的；另一方面，實時操作系統RTX51易學好用，作者在實際的工程項目中使用它後覺得很好，因此將其放到本書中，這也是本書的亮點之一。
（7）簡單介紹單片機應用系統設計開發環境
第10章主要介紹單片機開發小工具、開發環境Keil μVision4和Proteus以及開發步驟，目的是讓讀者瞭解單片機應用系統設計開發的方法和工程設計步驟，建立單片機應用系統開發的全域觀念。一般來說，單片機開發環境的介紹需要較大的篇幅，且已有專門的書籍進行了介紹，而要真正掌握單片機的開發環境，只有經過大量的訓練後才能實現，因此對於這部分內容本書只做簡單介紹，讀者必須通過實際操作，不斷積累經驗，直至熟練運用單片機開發環境。
（8）與工程應用相結合，選取完整的設計實例
第12章和第13章是兩個完整的單片機應用系統的設計實例，取材于全國大學生電子設計競賽的國家級獲獎作品和實際的工程設計。這兩章都給出了完整的系統設計過程，不僅給出了完整的系統硬件電路原理圖，而且給出了完整的系統軟件設計源程序代碼，系統應用程序採用C51語言進行編寫，或採用C51語言和MCS-51匯編語言混合編寫。此外，這兩章的編寫體例是按照電氣信息類專業本科畢業設計的論文格式要求進行撰寫的，在書中還給出了所設計與製作實物的數碼照片，以便增強實際效果。因此，本書的這兩章不僅可供從事單片機應用系統開發的工程技術人員參考，還可作為各類電子設計競賽的培訓內容，以及單片機課程設計的參考內容和電氣信息類專業學生畢業設計的參考內容。
本書以89S51為典型機，主要論述單片機的基本結構與工作原理，以及單片機應用系統的設計與開發方法。全書內容分為13章，內容包括概述、單片機的結構和工作原理、指令系統、單片機C51語言程序設計基礎、中斷系統、定時器/計數器、單片機的串行口UART、單片機常用並行接口技術、串行總線接口技術、單片機應用系統開發環境、基於嵌入式實時操作系統的單片機程序設計方法、基於RTX51的樂曲編輯器和發生器的設計、數控電流源的設計。書後附錄給出了18個單片機課程設計題，以及單片機89S51的指令系統。
本書由歐偉明教授任主編，劉劍、何靜、淩雲任副主編。歐偉明教授撰寫第1章、第4章、第11～12章，龍曉薇老師撰寫第2章，李小寶博士撰寫第3章，何靜博士撰寫第5章，李聖清教授撰寫第6章，劉劍副教授撰寫第7章、第10章，歐偉明教授、賀正芸老師撰寫第8章，淩雲教授撰寫第9章，蔣中榮副教授撰寫第13章，周玉副教授撰寫附錄A，李朝侖老師撰寫附錄B。全書由歐偉明教授統稿和定稿。
本書的撰寫得到了湖南工業大學的張昌凡教授、賀素良教授（參加了本書前一版的撰寫工作）、朱曉青教授、龍永紅教授、張滿生教授、李祥飛博士、李燕林老師的大力支持，他們給予了作者鼓勵和關於本教材的編寫意見；還得到了湖南工業大學電氣與信息工程學院的畢業生劉張勝、莊永軍、楚瑞玉、任傑、周韜、李軍傑、蒙毓李、楊敬力、柳紅新、付貴勇、歐陽文彥、郭仁的支持，他們對書中部分硬件電路和部分程序的初步調試做了有益的工作。在此一併表示衷心的感謝！


歐偉明
2018年12月於湖南工業大學

第1章 概述 1
1.1 單片機概念與發展過程 1
1.1.1 單片機概念 1
1.1.2 單片機技術發展過程 1
1.1.3 單片機技術發展方向 3
1.1.4 常用數制與編碼 4
1.2 單片機應用領域與嵌入式系統概念 5
1.2.1 單片機應用領域 6
1.2.2 嵌入式系統概念 6
1.3 單片機應用系統開發過程簡述 8
1.3.1 單片機編程語言 8
1.3.2 單片機應用系統結構 9
1.3.3 單片機應用模式 10
1.3.4 單片機應用系統開發過程簡介 11
1.4 本書特點與教材使用建議 12
1.4.1 本書編寫指導思想 13
1.4.2 本書特點 15
1.4.3 教材使用建議 16
1.5 本章小結 18
1.6 思考題與習題 19
第2章 單片機的結構和工作原理 20
2.1 MCS-51系列單片機概述 20
2.2 89S51單片機引腳功能說明 21
2.2.1 89S51的引腳圖與封裝 21
2.2.2 89S51的引腳功能說明 22
2.2.3 89S51的引腳應用特性 23
2.3 89S51單片機內部結構 24
2.3.1 89S51的基本組成 24
2.3.2 89S51的CPU 26
2.4 89S51單片機的存儲器 28
2.4.1 程序存儲器 29
2.4.2 數據存儲器 29
2.5 89S51單片機的時鐘電路與時序 32
2.5.1 時鐘電路 32
2.5.2 基本時序單位 33
2.6 89S51單片機的工作方式 35
2.6.1 複位工作方式和複位電路 35
2.6.2 低功耗工作方式 36
2.6.3 串行ISP編程方式 37
2.7 89S51單片機的輸入/輸出端口 38
2.7.1 P0端口 38
2.7.2 P1端口 39
2.7.3 P2端口 40
2.7.4 P3端口 40
2.8 本章小結 41
2.9 思考題與習題 42
第3章 指令系統* 43
3.1 MCS-51單片機指令概述 43
3.1.1 指令格式 43
3.1.2 符號說明 44
3.2 尋址方式 45
3.2.1 寄存器尋址方式 45
3.2.2 直接尋址方式 45
3.2.3 寄存器間接尋址方式 46
3.2.4 立即尋址方式 46
3.2.5 變址尋址方式 46
3.2.6 相對尋址方式 47
3.2.7 位尋址方式 47
3.3 89S51單片機的指令系統 47
3.3.1 數據傳送類指令 47
3.3.2 算術運算類指令 50
3.3.3 邏輯運算及移位類指令 53
3.3.4 控制轉移類指令 54
3.3.5 位操作類指令 56
3.4 單片機匯編語言簡介 58
3.4.1 匯編語言的語句格式 58
3.4.2 偽指令 59
3.4.3 單片機匯編語言程序設計 60
3.5 本章小結 63
3.6 思考題與習題 63
第4章 單片機C51語言程序設計基礎 65
4.1 單片機C51語言概述 65
4.1.1 C51語言在單片機應用系統開發中的優勢 65
4.1.2 C51語言與標準C語言的比較 65
4.1.3 編寫C51語言程序的基本原則 66
4.2 C51語言關鍵字與數據類型 67
4.2.1 標識符 67
4.2.2 關鍵字 68
4.2.3 數據類型 69
4.3 C51語言數據 71
4.3.1 常量 71
4.3.2 變量 72
4.3.3 存儲器類型和存儲器模式 72
4.3.4 數組 74
4.3.5 指針 75
4.4 C51語言對單片機硬件資源的控制 76
4.4.1 特殊功能寄存器（SFR）的定義 76
4.4.2 位變量的定義 77
4.4.3 存儲器和外接I/O端口的絕對地址訪問 78
4.5 C51語言運算符和表達式 79
4.5.1 運算符 79
4.5.2 表達式 81
4.6 C51語言流程控制語句 81
4.6.1 語句的概念和分類 81
4.6.2 判斷分支（if、switch語句） 82
4.6.3 循環控制（for、while語句） 84
4.6.4 break、continue、return、goto語句 85
4.7 C51語言函數 86
4.7.1 函數的定義 87
4.7.2 函數的調用 88
4.7.3 C51語言中斷函數 89
4.8 C51語言預處理命令 90
4.8.1 文件包含 90
4.8.2 宏定義 90
4.8.3 條件編譯 91
4.9 C51語言與匯編語言混合編程方法 91
4.9.1 C51語言程序嵌入彙編語句 92
4.9.2 C51語言程序調用匯編語言子程序 93
4.10 本章小結 94
4.11 思考題與習題 95
第5章 中斷系統 96
5.1 中斷 96
5.1.1 中斷的概念 96
5.1.2 中斷的條件和中斷響應過程 97
5.2 89S51中斷系統結構與控制 98
5.2.1 89S51的中斷源和中斷入口地址 98
5.2.2 89S51的中斷系統結構 99
5.2.3 中斷控制 100
5.3 中斷應用舉例 105
5.3.1 單外部中斷源系統的設計 105
5.3.2 多外部中斷源系統的設計 106
5.4 本章小結 107
5.5 思考題與習題 108
第6章 定時器/計數器 109
6.1 定時器/計數器的結構與控制 109
6.1.1 89S51定時器/計數器的結構 109
6.1.2 定時器/計數器的控制 110
6.2 定時器/計數器的4種工作方式 111
6.2.1 工作方式1 111
6.2.2 工作方式2 112
6.2.3 工作方式3 113
6.2.4 工作方式0 115
6.3定時器/計數器的應用舉例 115
6.3.1 脈衝信號的產生 115
6.3.2 脈衝寬度的測量 116
6.4 本章小結 117
6.5 思考題與習題 117
第7章 單片機的串行口UART 119
7.1 串行通信概述 119
7.1.1 串行通信與並行通信 119
7.1.2 串行通信的分類 119
7.1.3 串行通信的數據傳送方式 121
7.2 89S51串行口UART的結構與控制 122
7.2.1 串行口UART的結構 122
7.2.2 串行口UART的工作方式 124
7.2.3 串行口UART的波特率計算 126
7.3 串行口UART的編程及應用實例 128
7.3.1 串行口UART的編程步驟 128
7.3.2 串行口UART應用實例 128
7.4 本章小結 131
7.5 思考題與習題 131
第8章 單片機常用並行接口技術 133
8.1 鍵盤接口 133
8.1.1 獨立按鍵 134
8.1.2 矩陣鍵盤 136
8.2 LED顯示器接口 141
8.2.1 LED數碼管 141
8.2.2 LED數碼管靜態顯示接口 142
8.2.3 LED數碼管動態顯示接口 144
8.3 DAC接口 147
8.3.1 DAC0832芯片介紹 147
8.3.2 DAC0832與89S51的接口電路 148
8.3.3 利用DAC0832輸出各種電壓波形 149
8.4 ADC接口 151
8.4.1 ADC0809芯片介紹 151
8.4.2 ADC0809與89S51的接口電路 153
8.4.3 ADC0809應用舉例 154
8.5 液晶顯示模塊LCD1602的接口 155
8.5.1 LCD1602介紹 155
8.5.2 LCD1602與89S51的接口電路 160
8.5.3 LCD1602應用舉例 161
8.6 外部並行三總線接口 164
8.7 大功率器件驅動接口 165
8.7.1 光耦接口 166
8.7.2 繼電器接口 166
8.7.3 雙向晶閘管輸出接口 167
8.7.4 固態繼電器輸出接口 168
8.8 本章小結 169
8.9 思考題與習題 169
第9章 串行總線接口技術 170
9.1 EIA系列總線標準及其接口 170
9.1.1 RS-232C總線 170
9.1.2 RS-485總線 172
9.1.3 單片機與PC之間的通信 174
9.2 SPI總線 176
9.2.1 SPI總線簡介 176
9.2.2 SPI總線通信協議 177
9.2.3 E2PROM存儲器AT93C46及其應用 177
9.3 I2C總線 180
9.3.1 I2C總線簡介 180
9.3.2 I2C總線通信協議 181
9.3.3 I2C接口存儲器AT24C02及其應用 183
9.4 1-Wire單總線 191
9.4.1 1-Wire單總線簡介 191
9.4.2 溫度傳感器DS18B20及其應用 193
9.5 USB總線 198
9.5.1 USB總線原理 198
9.5.2 USB總線通信接口設計實例 200
9.6 CAN總線 202
9.6.1 CAN總線簡介 203
9.6.2 CAN總線控制器 204
9.6.3 CAN總線通信接口設計實例 204
9.7 本章小結 205
9.8 思考題與習題 206
第10章 單片機應用系統開發環境 207
10.1 單片機應用系統的調試方法 207
10.1.1 硬件調試方法 207
10.1.2 軟件仿真調試方法 209
10.2 Keil μVision4集成開發環境 210
10