单片机原理及应用设计

随着电子信息科学技术的进步，大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展，单片机技术也得到了迅速发展。目前，单片机已发展到了第三代的高性能微控制器产品。由于单片机具有体积小、成本低、性能稳定等优点，其开发应用已在工业测控、机电一体化、智能仪表、家用电器、航空航天及办公自动化等各个领域中占据了重要地位。了解单片机的知识，掌握单片机的应用技术，更具有重要意义。各大专院校相关专业已将单片机课程作为一门重要课程列入教学计划。

单片机也叫做嵌入式微控制器，是指在一块芯片上集成了微处理器（CPU）、存储器、并串行输入/输出接口、定时器/计数器和中断控制器等部件。新型的单片机功能越来越多，速度越来越快，如内部集成了A/D转换器、脉宽调制器、CAN总线、倍频及低功耗设计等电路。目前，单片机的品种繁多，由于MCS-51单片机具有结构体系完整、指令系统功能完善和内部寄存器的规范化等特色，另外与其配套的各类开发系统和各类软件也比较完善，因此在中国的单片机市场上一直是主流芯片。各大学的单片机课程仍是以MCS-51系列单片机为主。

本教材以电子类学科面向21世纪课程体系和课程内容的改革为目的，以强化学生的创新精神和实践能力为出发点，针对应用型本科教育的特点，以MCS-51系列单片机为机型，介绍了单片机的基础知识、基本原理结构、51指令系统、中断、定时器/计数器、串行通信、C51程序设计、单片机的扩展、应用实例及抗干扰设计等知识。学生通过学习可较全面地掌握单片机的应用技术。本教材的特点是基本概念突出、逻辑性强、突出实践性环节、结构新颖和注重理论与实际相结合，务求实用。

本教材的编写人员都是长期从事单片机教学与科研工作的教师和工程技术人员，具有丰富的教学和科研经验。本书既可作为普通高等院校电子信息类及计算机类的应用型本科教材，也可作为相关人员的科研参考及培训教材。

本教材参考学时为60学时左右，各院校可根据具体情况进行讲授。要求通过本课程的学习，能使学生在单片机应用技术方面具备一定的实用能力。

本书由胡辉主编，王晓、戴永成任副主编。主要编写人员分工如下：第1～4章由胡辉编写，第5章、第7～8章、第12章由王晓编写，第6章、第9～11章由戴永成编写，附录部分由郜文参、孟冬青编写，全书由胡辉统稿。参加本书编写的还有孟庆敏、立文杰、安志远、杨立、荆淑霞、宗文闯、杜春凯、杨路等，参加本书绘图及校对工作的有李杰、李武等。本书在编写过程中，得到了许多同行的帮助，其中，参加廊坊“21世纪高等院校规划教材”编写定稿会的邹逢兴教授以及连卫民、姬秀荔、陈光军、王成端、赵坚、王红、王永君等各位老师为本书的定稿提出了很多宝贵的意见，在此一并表示感谢。

由于编写时间仓促，编者水平有限，书中难免出现一些错误和不妥之处，恳请广大读者和同仁批评指正。

编 者

2005年2月

序
前言
第1章 单片机系统基础知识 1
本章学习目标 1
1.1 概述 1
1.1.1 单片机的基本概念 1
1.1.2 单片机的发展概况 3
1.1.3 单片机的特点和应用 5
1.1.4 单片机的系列产品介绍 6
1.2 单片机的数制表示法 8
1.2.1 二进制、十进制与十六进制 8
1.2.2 数制的转换 9
1.2.3 原码、反码与补码 11
1.2.4 计算机中常用的编码 13
1.3 单片机常用逻辑电路简介 16
1.3.1 基本门电路 16
1.3.2 触发器 17
1.3.3 寄存器 19
1.3.4 计数器 20
1.3.5 三态门与缓冲器 21
1.3.6 译码器 22
本章小结 23
习题一 24
第2章 单片机的内部结构及工作原理 25
本章学习目标 25
2.1 单片机的内部结构 25
2.1.1 内部结构 25
2.1.2 引脚定义及功能 27
2.2 单片机的存储器结构 29
2.2.1 内部数据存储器及专用寄存器 29
2.2.2 外部数据存储器 33
2.2.3 程序存储器 35
2.3 单片机并行I/O口 36
2.3.1 P0口的结构及特点 36
2.3.2 P1口的结构及特点 37
2.3.3 P2口的结构及特点 38
2.3.4 P3口的结构及特点 38
2.4 单片机的时钟与时序 39
2.4.1 时钟电路 39
2.4.2 单片机的CPU时序 40
2.5 单片机的工作方式 42
2.5.1 程序执行方式 42
2.5.2 节电工作方式 42
2.5.3 复位 44
本章小结 46
习题二 46
第3章 单片机的指令系统 47
本章学习目标 47
3.1 单片机指令系统概述 47
3.1.1 指令格式 47
3.1.2 指令符号 48
3.1.3 指令分类 48
3.2 寻址方式 50
3.2.1 立即寻址 51
3.2.2 直接寻址 51
3.2.3 寄存器寻址 51
3.2.4 间接寻址 51
3.2.5 相对寻址 52
3.2.6 变址寻址 53
3.2.7 位寻址 53
3.3 指令系统 54
3.3.1 数据传送类指令 54
3.3.2 算术运算类指令 58
3.3.3 逻辑运算指令 62
3.3.4 移位指令 62
3.3.5 控制转移类指令 63
3.3.6 位操作指令 66
3.4 伪指令 68
3.4.1 起始地址伪指令 68
3.4.2 汇编结束伪指令 68
3.4.3 数据地址赋值伪指令 68
3.4.4 赋值伪指令 69
3.4.5 定义字节伪指令 69
3.4.6 定义字伪指令 69
3.4.7 位地址赋值伪指令 69
3.4.8 定义存储区伪指令 70
本章小结 70
习题三 70
第4章 程序设计 74
本章学习目标 74
4.1 简单汇编语言程序设计 74
4.1.1 分支程序 74
4.1.2 循环程序 77
4.1.3 延时程序 79
4.2 MCS-51常用子程序 80
4.2.1 代码转换类程序设计 80
4.2.2 查表程序设计 82
4.2.3 定点数运算子程序 83
4.2.4 浮点数运算子程序 89
本章小结 96
习题四 97
第5章 单片机的中断系统 99
本章学习目标 99
5.1 中断系统 99
5.1.1 中断的功能 100
5.1.2 中断请求 101
5.1.3 中断的控制 103
5.1.4 中断响应 104
5.2 外部中断 105
5.2.1 外部中断的方式选择 105
5.2.2 外部中断的系统设计应用 106
5.2.3 多级外部中断的扩展应用 109
本章小结 110
习题五 110
第6章 单片机的定时器/计数器 112
本章学习目标 112
6.1 单片机的定时器/计数器的工作原理 112
6.1.1 定时/计数器的结构 112
6.1.2 定时/计数器的方式寄存器和控制寄存器 113
6.1.3 定时/计数器的工作方式 114
6.2 单片机定时器/计数器的应用 117
6.2.1 定时器方式0的应用 117
6.2.2 定时器方式1的应用 118
6.2.3 外部脉冲宽度的测量 119
本章小结 120
习题六 120
第7章 单片机的串行通信 122
本章学习目标 122
7.1 串行通信的概念 122
7.1.1 异步通信与同步通信 122
7.1.2 串行通信的波特率 123
7.1.3 串行通信的方式 123
7.2 单片机串行的通信原理及工作方式 124
7.2.1 单片机串行口的结构 124
7.2.2 单片机串行口的控制 125
7.2.3 单片机串行口的工作方式 126
7.3 单片机串行口的应用 128
7.3.1 串行口扩展显示器 128
7.3.2 串行口扩展的键盘 130
7.3.3 双机通信 131
7.3.4 多机通信 132
7.3.5 计算机与单片机的通信 138
本章小结 140
习题七 140
第8章 单片机C51程序设计 141
本章学习目标 141
8.1 C51的程序结构 141
8.1.1 C51的结构特点 142
8.1.2 C51的数据类型 142
8.1.3 C51的常量与变量 143
8.2 C51程序的格式 146
8.2.1 C51的运算符 146
8.2.2 C51的基本语句 153
8.3 C51程序设计 156
8.3.1 头文件 156
8.3.2 特殊功能寄存器的读写 157
8.3.3 位的控制 158
8.3.4 基本I/O口 159
8.3.5 中断的设计 160
8.4 C51程序应用 161
8.4.1 延时程序 161
8.4.2 I/O口的应用 164
8.4.3 LED显示器的扩展 166
8.4.4 方波发生器 167
本章小结 168
习题八 169
第9章 并行I/O口的应用与扩展 171
本章学习目标 171
9.1 I/O扩展概述 171
9.1.1 I/O接口电路的功能 171
9.1.2 I/O端口的编址 172
9.2 基本I/O口的应用与扩展 172
9.2.1 I/O口的直接应用 172
9.2.2 简单并行I/O接口的扩展 174
9.3 键盘与显示器的扩展 175
9.3.1 基本LED显示原理 175
9.3.2 矩阵式键盘的扩展 177
9.3.3 LCD显示的扩展 181
9.3.4 8255A的应用 188
9.3.5 8155的应用 193
9.3.6 8279的应用 197
9.4 存储器扩展 206
9.4.1 利用P0口与P2口扩展数据存储器 206
9.4.2 串行数据存储器的扩展 209
本章小结 213
习题九 214
第10章 A/D、D/A转换器的应用 215
本章学习目标 215
10.1 A/D转换器的应用 215
10.1.1 8位逐次比较式A/D转换器0809的应用 215
10.1.2 12位串行接口A/D转换器的应用 219
10.1.3 12位并行A/D转换器的应用 222
10.2 D/A转换器的应用 226
10.2.1 8位D/A转换器0832的应用 226
10.2.2 I2C总线接口芯片PCF8591的应用 230
本章小结 239
习题十 239
第11章 单片机的应用实例 241
本章学习目标 241
11.1 三相步进电机的控制 241
11.1.1 步进电机工作原理 241
11.1.2 步进电机控制原理 242
11.1.3 步进电机接口技术与软件设计 243
11.2 温度巡检系统的设计 247
11.2.1 设计方案 247
11.2.2 软件设计 248
11.3 IC卡读写器的设计 254
11.3.1 SLE4442 IC卡 254
11.3.2 SLE4442的通信协议 255
11.3.3 80C51单片机和SLE4442卡的接口设计 257
11.4 64路数据采集系统的设计 259
11.4.1 系统结构框图 260
11.4.2 系统原理 260
11.4.3 工作原理 262
11.4.4 系统应用软件 262
本章小结 263
习题十一 264
第12章 单片机的可靠性设计与抗干扰设计 265
本章学习目标 265
12.1 单片机应用系统的可靠性设计 265
12.1.1 可靠度 265
12.1.2 提高可靠性的措施 266
12.2 抗干扰的设计原则 266
12.2.1 干扰的来源 267
12.2.2 抗干扰的设计原则 267
12.3 硬件抗干扰的设计 267
12.3.1 滤波技术 267
12.3.2 隔离技术 268
12.3.3 接地技术 270
12.3.4 单片机的自动复位与电源的监测技术 271
12.4 软件抗干扰的设计 272
12.4.1 软件冗余 272
12.4.2 软件陷阱 272
12.4.3 软件看门狗技术 273
12.4.4 数字滤波的设计 273
本章小结 276
习题十二 276
附录1 MCS-51系列单片机指令集 278
附录2 MCS-51系列单片机反汇编指令表 282
参考文献 284

1. 单片机原理及应用技术（C语言版） [周国运 鲁庆宾 赵天翔 编著]
2. 单片机原理及应用项目化教程（C语言版） [主编 谢四连　王善伟　李石林]
3. 单片机原理及应用设计（第二版） [主编 胡辉 ]
4. 单片机原理及典型应用接口技术 [刘甫 陈健美 编著]
5. 单片机原理及应用教程（C语言版） [主编 周国运]
6. 单片机原理及应用 [主 编 李英顺]
7. 单片机原理及应用（C语言版） [周国运 主编]
8. 单片机原理与应用 [金龙国 主编]
9. 单片机原理与应用技术 [秦实宏 周龙 肖忠 等编著]
10. 单片机原理及基于单片机的嵌入式系统设计 [蔡方凯 主编]
11. 单片机原理与应用 [胡辉 主编]
12. 单片机原理与应用系统设计 [李云钢 等编著]
13. 计算机硬件技术实验教程 [张志勇 戴金波 主编]