單片機原理與嵌入式設計（簡體書）

趙亮

博士，大連理工大學控制科學與工程學院副教授，碩士生導師。從事工業互聯網、智能控制及建築能源系統信息化等方面的研究，IEC國際標委會委員，遼寧省優秀博士學位論文獲得者，英國Staffordshire University訪問學者。負責國家自然科學基金項目1項、國家工信部綠色製造系統集成項目1項、遼寧省科技創新重大專項項目1項，負責企業委託開發項目多項，參與國家863重點項目、國家科技支撐項目1項、國家自然科學基金項目等多項，獲日內瓦國際發明金獎1項、遼寧省科技進步三等獎1項，獲得專利2項，軟件著作權登記5項，發表論文50餘篇。

前言

作為微型計算機的重要組成部分，單片機將一個計算機系統集成在一塊芯片上，相當於一個微型的計算機，被廣泛應用到儀器儀表、工業自動化控制、通信設備、汽車電子與航空航天電子系統、家用電器等領域中，成為生產、生活中不可缺少的部分。單片機作為科技發展的產物，自問世以來，已從最初的4位機、8位機發展到32位機，同時其體積更小、性能更好、功能更強大。目前，單片機正朝著高性能和多品種發展，在當前及以後相當長的時間內會持續活躍在市場上，人們正在不斷享受著單片機發展帶來的生活便利。

對單片機的學習已經成為人們，特別是青年一代必備的技能，學好單片機的基本理論及其技術，能夠讓讀者了解電子產品的工作原理及開發方法。

本書的特色如下。

（1）本書從基礎知識開始講解，由淺入深、重點突出，提供了大量程序實例，講解了Keil軟件的安裝與使用、單片機原理圖與PCB的繪製，理論聯繫實際，改善了單片機教材難學的問題，能夠讓讀者學以致用，使枯燥的學習變得生動有趣。

（2）本書的實例多數提供了原理圖，讀者能夠通過原理圖來焊接、連接電路進行實驗現象的測試，通過實踐進一步了解單片機及其外圍電路原理，了解程序的執行過程。

（3）本書對程序代碼進行了註釋，一方面有助於讀者掌握程序的編寫方法及結構，另一方面可根據註釋加深對語法的理解，從而產生聯想，讀者容易通過修改程序實現其他功能，進行單片機系統的設計與開發。

本書從教學的角度出發，以51系列單片機為硬件基礎，以C語言為軟件編程基礎，系統地介紹了51單片機的基本知識與原理，通俗易懂、結構清晰，符合教學內容的要求。本書用簡單的例程激發讀者的興趣，注重應用，以實踐檢驗真理，提高讀者發現問題、分析問題的能力。

本書分為11章，從先進性和實用性出發，較全面地介紹了單片機的基本理論和設計應用，主要內容包括：第1章是概述，介紹了單片機的概念、單片機的發展過程及發展趨勢、單片機的型號及使用單片機點亮LED；第2章講述了51單片機的硬件系統結構，對常用的電子元器件及邏輯門電路知識進行了介紹；第3章介紹了C語言的基礎知識，包括計算機的數進制轉換，C語言的語法結構及格式、函數及預處理；第4章介紹了單片機最小系統設計，包括使用Altium Designer軟件對最小系統進行原理圖繪製、PCB繪製，Keil μVision5編程軟件的使用；第5章介紹了定時器/計數器與中斷，講述了中斷系統的結構及軟件設計、定時器/計數器的工作方式及軟件設計；第6章介紹了串行口通信，講述了串行口通信原理、工作方式、程序設計及調試工具的使用；第7章介紹了單總線接口技術，講述了單總線接口技術原理及應用的實現，包括實現唯一序列號、溫度測量、電池監控、數據存儲；第8章介紹了IIC總線接口技術，講述瞭如何通過單片機I/O口模擬IIC總線去連接控制各類具有IIC口的芯片；第9章介紹了SPI總線技術，講述了通過單片機模擬SPI總線連接各類SPI芯片的實例；第10章介紹了基於單片機外部總線的擴展原理，採用外加譯碼器芯片的方式充分擴展外部功能電路，並給出具體的應用實例；第11章介紹了單片機相關片上資源，講述了看門狗技術及單片機片上SPI、A/D轉換器、PCA/PWM模塊。

本書語言簡明扼要、通俗易懂，案例清晰、示例引導，具有很強的專業性、技術性和實用性，既可作為高等學校自動化、電氣工程、電子信息類等專業的基礎教材，也可作為相關工程技術人員學習的參考書。

本書由趙亮、李勝銘擔任主編，其中，第1～6章由趙亮編寫，第7～11章由李勝銘編寫，全書由趙亮負責整理與統稿。大連理工大學控制19級研究生王廣文、張澤新，17級本科生耿豹及18級本科生吳雙鵬參與了書中實例的驗證。本書的編寫參考了大量近年來出版的相關技術資料，吸取了許多專家和同人的寶貴經驗，在此向他們深表謝意。

由於單片機技術發展迅速，作者學識有限，書中難免有不完善和不足之處，敬請廣大讀者批評指正。

編者

目錄

第1章概述1
1．1什麼是單片機1
1．1．1單片機的發展過程1
1．1．2單片機的特點2
1．2單片機的應用領域3
1．3單片機的發展趨勢4
1． 4 STC系列單片機介紹5
1．5感受單片機第一個實例6
第2章硬件基礎知識介紹9
2．1 STC系列8051單片機片內
硬件結構9
2．1．1 8051單片機的
硬件結構11
2．1 ．2 8051單片機
存儲器的結構13
2．1．3 8051單片機引腳功能17
2．1．4單片機內部時序20
2．2常用電子元器件21
2．2．1電阻21
2．2．2電容23
2．2．3電感25
2．2．4二極管25
2．2．5三極管27
2．2．6場效應管28
2．2．7光電耦合器29
2．2．8蜂鳴器30
2． 2．9繼電器31
2．2．10晶閘管32
2．2．11常用保護元件33
2．3基本邏輯門電路34
2．3．1三種基本邏輯門電路34
2．3．2組合邏輯電路36
第3章C語言基礎知識40
3．1數進制轉換40
3．1．1數進制介紹40
3．1．2數進制之間的轉換41
3． 2 C51語言的格式與特點43
3．2．1 C51語言簡介與特點43
3．2．2 C51語言的格式43
3．3 C51語言的數據類型與表達45
3．3．1 C51語言的變量45
3．3．2 C51語言的數據類型48
3．3．3 C51語言的變量名50
3．3．4 C51語言的數組52
3．4 C51語言的運算符與表達式54
3．4．1賦值運算符及
賦值表達式54
3．4．2算術運算符及
算術表達式55
3．4．3關係運算符及
關係表達式56
3．4．4邏輯運算符及
邏輯表達式56
3．4． 5位操作運算符及
位操作表達式57
3．5 C51語言的語句結構60
3．5．1 if選擇語句60
3．5．2 switch開關語句63
3．5．3 for循環語句66
3．5 ．4 while循環語句68
3．5．5 do…while循環語句69
3．6 C51語言的函數與預處理70
3．6．1函數的定義70
3．6．2函數的調用72
3．6．3變量的作用域75
3．6．4 C51程序的預處理77
3．7 C51語言的模塊化編程79
第4章單片機最小系統設計83
4．1最小系統原理圖繪製83
4．2最小系統PCB設計92
4．3軟件平台Keil使用104
4．3．1 Keil μVision5下載
與安裝104
4．3．2 Keil μVision5
建立工程105
4．3．3程序編譯與調試109
4．4單片機應用―I/O操作112
4．4．1 51單片機I/O口
原理介紹112
4 ．4．2端口輸入與輸出程序118
4．4．3最小系統的軟件驗證119
4．4．4最小系統的硬件調試122
4．4．5程序的燒寫與驗證123
第5章定時器/計數器與中斷128
5．1中斷系統128
5．1．1中斷概述128
5．1．2中斷系統的結構129
5．1．3中斷控制130
5．1．4中斷響應的處理過程133
5．1．5中斷請求的撤銷134
5．2定時器/計數器135
5．2．1定時器/計數器概述135
5．2．2定時器/計數器的結構135
5．2．3 TMOD和TCON 136
5．2．4定時器/計數器的
工作方式137
5．3中斷系統軟件設計140
5．3．1中斷系統軟件
設計概述140
5．3．2中斷函數141
5．3．3中斷系統的應用141
5．3．4外部中斷輸入口擴充148
5．4定時器/計數器軟件設計149
5．4．1定時器/計數器概述149
5．4．2定時器/計數器
初始化149
5．4．3定時器/計數器的
應用150
第6章串行通信155
6．1串行通信原理155
6．1．1通信概述155
6．1．2串行口的結構158
6．1．3串行口控制159
6 ．1．4單片機串行口的
工作方式0 160
6．1．5單片機串行口的
工作方式1 161
6．1．6單片機串行口的工作
方式2與工作方式3 162
6．1．7串行口波特率163
6．2串行口程序設計基礎164
6．2．1串行口程序設計
理論基礎164
6．2．2串行口的應用及
程序設計166
6 ．3串行口調試工具的使用178
第7章單總線接口技術181
7．1單總線接口技術原理181
7．1．1單總線介紹181
7．1．2單總線通信時序182
7．1． 3單總線I/O模擬183
7．1．4 CRC校驗簡介185
7．2單總線實現唯一序列號186
7．2．1 DS2401芯片簡介186
7．2．2 DS2401電路設計與
功能函數187
7 ．2．3 DS2401操作原理188
7．3單總線實現溫度測量189
7．3．1 DS18B20芯片簡介189
7．3．2 DS18B20電路設計與
功能函數190
7．3．3 DS18B20操作原理191
7．4單總線實現電池監控195
7．4．1 DS2438芯片簡介195
7．4．2 DS2438電路設計與
功能函數196
7．4．3 DS2438操作原理198
7．5單總線實現數據存儲206
7．5．1 DS2431芯片簡介206
7．5．2 DS2431電路設計與
功能函數207
7．5．3 DS2431操作原理209
7．6本章小結與拓展213
7．7本章習題214
第8章IIC總線接口技術215
8．1 IIC總線接口技術原理215
8．1．1 IIC總線介紹215
8．1．2 IIC總線通信時序216
8．1．3 IIC總線I/O模擬220
8．2 IIC總線實現數據存儲222
8．2．1 AT24C02芯片簡介222
8．2．2 AT24C02電路設計與
功能函數223
8．2．3 AT24C02操作原理225
8．3 IIC總線實現實時時鐘227
8．3．1 PCF8563芯片簡介227
8 ．3．2 PCF8563電路設計與
功能函數228
8．3．3 PCF8563操作原理230
8．4 IIC總線實現A/D轉換232
8．4．1 ADS1115芯片簡介232
8．4．2 ADS1115電路設計與
功能函數232
8．4．3 ADS1115操作原理234
8．5 IIC總線實現D/A轉換236
8．5．1 DAC8571芯片簡介236
8．5．2 DAC8571電路設計與
功能函數237
8．5．3 DAC8571操作原理238
8．6 IIC總線實現溫度測量241
8．6．1 TMP101芯片簡介241
8． 6．2 TMP101電路設計與
功能函數242
8．6．3 TMP101操作原理244
8．7本章小結與拓展245
8．8本章習題245
第9章SPI總線技術247
9．1 SPI總線技術原理247
9． 1．1 SPI總線介紹247
9．1．2 SPI總線通信時序249
9．1．3 SPI總線I/O模擬250
9．2 SPI總線實現數據存儲251
9．2．1 AT93C46芯片簡介251
9．2 ．2 AT93C46電路設計與
功能函數251
9．2．3 AT93C46操作原理254
9．3 SPI總線實現實時時鐘255
9．3．1 DS1302芯片簡介255
9．3．2 DS1302電路設計與
功能函數256
9． 3．3 DS1302操作原理258
9．4 SPI總線實現A/D轉換262
9．4．1 TLC2543芯片簡介262
9．4．2 TLC2543電路設計與
功能函數263
9．4．3 TLC2543操作原理264
9．5 SPI總線實現D/A轉換266
9．5．1 TLC5618芯片簡介266
9．5．2 TLC5618電路設計與
功能函數267
9．5．3 TLC5618操作原理268
9．6 SPI總線實現溫度測量269
9．6．1 TMP122芯片簡介269
9．6．2 TMP122電路設計與
功能函數270
9．6．3 TMP122操作原理271
9．7本章小結與拓展273
9．8本章習題274
第10章單片機外部總線擴展275
10．1單片機外部總線擴展原理275
10．1．1系統總線結構275
10．1．2系統總線具體實現277
10．1．3總線上的地址譯碼279
10．1．4總線地址讀寫280
10．2外部總線實現人機接口281
10．2．1總線擴展電路設計281
10．2．2發光二極管與
數碼管驅動282
10．2．3 LCD1602驅動283
10．2．4矩陣鍵盤驅動286
10．3外部總線實現A/D轉換289
10．3．1 ADC0809芯片簡介289
10．3．2 ADC0809電路設計
與功能函數289
10．3．3 ADC0809操作原理291
10．4外部總線實現D/A轉換292
10．4．1 DAC0832芯片簡介292
10．4．2 DAC0832電路設計
與功能函數292
10．4．3 DAC0832操作原理293
10．5外部總線實現實時時鐘294
10．5．1 DS12887芯片簡介294
10．5．2 DS12887電路設計
與功能函數295
10．5．3 DS12887操作原理297
10．6本章小結與拓展300
10．7本章習題301
第11章單片機相關片上資源302
11．1內部看門狗302
11．1．1看門狗技術簡介302
11．1．2內部看門狗
功能函數302
11．1．3內部看門狗
操作原理304
11．2內部存儲器305
11．2．1內部存儲器簡介305
11．2．2內部存儲器
功能函數306
11．2．3內部存儲器
操作原理308
11．3內部SPI 312
11．3．1內部SPI簡介312
11．3．2內部SPI功能函數312
11．3．3內部SPI操作原理313
11．4內部A /D轉換器322
11．4．1內部A/D轉換器
簡介322
11．4．2內部A/D功能函數322
11．4．3內部A/D操作原理325
11．5內部PCA/PWM 331
11．5．1內部PCA/PWM
簡介331
11．5．2內部PCA/PWM
功能函數331
11．5．3內部PCA/PWM
操作原理333
11．6本章小結與拓展341
11．7本章習題341
參考文獻342