单片机原理及典型应用接口技术

电子技术和微型计算机技术的迅速发展，促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用。在这一进程中单片机起到了举足轻重的作用，单片机作为微型计算机的一个重要分支，自诞生以来发展非常迅猛。目前已广泛应用于工业自动化、电气仪表控制、智能交通控制、消费类电子产品、网络通信与数据传输等领域。单片机技术也成为高等院校仪器仪表、自动化、电子信息等专业必须掌握的技术之一。

本书以Intel MCS-51系列单片机为对象，全面介绍了单片机的结构原理与应用接口技术。第1章简略介绍MCS-51系列单片机的基本结构组成、主要功能及工作方式；第2、3、4、5、6章是单片机的典型应用接口技术介绍。其中，第2章为单片机的前向通道接口，介绍了前置信号的处理、信号放大、滤波、数据采集等技术；第3章为单片机的后向通道接口，介绍了单片机与后向通道的电气隔离、开关输出接口、数模转换接口及步进电机功率接口；第4章为单片机通信技术，主要介绍几种基本的串行通信总线接口以及串行通信在单片机和PC机通信中的应用；第5章为串行总线接口技术，介绍了SPI总线、MICROWIRE总线、I2C总线等几种典型总线；第6章为单片机系统扩展技术，介绍了程序存储器、数据存储器的扩展以及两者的综合扩展。

本书的重点不在于对51单片机本身的介绍，重点在于介绍与51单片机相关的各种接口技术。本书的编写力求做到从理论中来，到实践中去，每章的后面都给出了一个本章内容在工程实际中的应用例子，通过具体典型实例的解析来帮助读者学习单片机及其接口技术的理论知识。

本书可作为高等学校本专科学生学习单片机课程的教学参考书，也可作为从事单片机研发、应用工作专业技术人员的参考用书。

本书的编写过程中，还得到了邓正才老师、王菁老师的帮助，在此表示衷心的感谢。本书编写过程中参考了其他一些书刊，并引用了一些资料，在此一并表示感谢。由于作者水平有限，书中难免有不妥与错误之处，恳请读者批评指正，同时向所有参考文献的作者致谢。

编 者

2013年10月

前言

第1章 单片机结构及工作原理 1
1.1 单片机及其发展概况 1
1.1.1 单片机的发展 1
1.1.2 单片机的特点 2
1.1.3 单片机的发展趋势 3
1.2 51单片机的基本组成和功能 3
1.2.1 51系列单片机的主要功能 4
1.2.2 51系列单片机基本结构 5
1.2.3 51系列单片机外部引脚 6
1.3 51单片机的内部结构 10
1.3.1 中央处理单元 10
1.3.2 存储器 14
1.3.3 定时器/计数器 19
1.3.4 I/O口 19
1.3.5 中断系统 20
1.4 51系列单片机的工作方式 23
1.4.1 时钟和时钟电路 23
1.4.2 CPU时序 23
1.4.3 复位状态和复位电路 24
1.5 实例分析：LED彩灯控制器 26
第2章 单片机的前向通道接口 33
2.1 传感器及其分类 33
2.1.1 热电偶传感器 33
2.1.2 热电阻传感器 33
2.1.3 热敏电阻传感器 34
2.1.4 集成温度传感器 34
2.2 前置信号处理 39
2.2.1 信号转换 40
2.2.2 信号变送器 44
2.3 信号放大 48
2.3.1 精密运放及其典型应用技术 48
2.3.2 低噪声运放及其典型应用技术 49
2.3.3 低输入偏置电流运放及其典型
应用技术 50
2.3.4 低漂移运放及其典型应用技术 50
2.3.5 高速运放及其典型应用技术 51
2.4 信号滤波 52
2.4.1 有源RC滤波器 53
2.4.2 数字滤波 56
2.5 数据采集 63
2.5.1 多路开关 63
2.5.2　集成A/D转换器及接口技术 64
2.6 实例分析：供热机组监控 72
2.6.1 系统结构 73
2.6.2 下位机前向通道接口电路分析 74
第3章 单片机的后向通道接口 82
3.1 电气隔离 82
3.1.1 电源隔离 82
3.1.2 光电隔离器接口 83
3.2 可控硅输出接口 88
3.2.1 可控硅的原理及分类 88
3.2.2 可控硅的触发电路 90
3.3 继电器输出接口 95
3.3.1 继电器、接触器及其特性 95
3.3.2 继电器、接触器的功率接口 97
3.4 固态继电器输出接口 98
3.4.1 直流型固态继电器 99
3.4.2 交流型固态继电器 99
3.5 数/模转换接口 102
3.5.1 DAC电路原理 102
3.5.2 典型D/A转换器及接口 103
3.6 步进电机功率接口 109
3.6.1 步进电机工作原理 109
3.6.2 步进电机的功率接口 111
3.7 实例分析：车辆导航系统输出部件——
标图仪 115
3.7.1 引言 115
3.7.2 系统原理及结构 116
3.7.3 控制系统应用软件 117
第4章 单片机通信技术 119
4.1 单片机串行通信基础 119
4.1.1 异步通信和同步通信 119
4.1.2 波特率和接收/发送时钟 121
4.1.3 单工、半双工、全双工通信方式 122
4.1.4 信号的调制与解调 123
4.1.5 串行通信的校验 124
4.1.6 串行通信接口电路UART、
USRT、USART 124
4.2 串行通信总线接口 125
4.2.1 RS-232C总线连接系统 125
4.2.2 RS-422/423/485总线连接系统 131
4.2.3 20mA电流环串行接口 136
4.3 单片机间的相互通信 137
4.3.1 单片机双机串行通信 137
4.3.2 单片机多机串行通信 141
4.4 单片机与PC机的通信 147
4.4.1 PC机串行通信功能的实现 147
4.4.2 单片机与PC机的串行通信接口 156
4.5 采用光纤的串行通信 158
4.5.1 光纤通信的特点 158
4.5.2 光纤通信的组成 158
4.5.3 光纤通信的接口 159
4.6 实例分析：基于RS-485/422总线的
电表远程抄表系统 161
4.6.1 引言 161
4.6.2 系统硬件 162
4.6.3 系统软件 164
第5章 串行总线接口技术 166
5.1 SPI总线 167
5.1.1 SPI结构、单主机及多主机系统 167
5.1.2 SPI总线时序 167
5.1.3 常见SPI器件简介 172
5.1.4 89C51的模拟SPI总线扩展X25
系列芯片 173
5.2 MICROWIRE总线 183
5.2.1 MICROWIRE总线的接口时序 185
5.2.2 89C51模拟MICROWIRE总线
扩展A/D芯片TLC2543 186
5.3 I2C总线 189
5.3.1 I2C总线与I2C器件的引脚 189
5.3.2 总线的主节点、从节点及发送者
与接收者 190
5.3.3 启动信号、停止信号及总线竞争 191
5.3.4 只有一个启动信号的数据帧 193
5.3.5 “混合传输”模式的数据帧 201
5.3.6 高速方式 201
5.3.7 10位地址系统 202
5.3.8 一种I2C EEPROM及其I2C协议 205
5.3.9 89C51扩展I2C总线芯片PCF8584 208
5.3.10 89C51口线模拟I2C操作 217
5.4 实例分析：单片机在低压电力线载波
通信中的应用 221
5.4.1 低压电力线载波通信发展现状 221
5.4.2 常见电力线载波通信芯片 223
5.4.3 低压电力线载波通信系统分析 230
第6章 单片机系统扩展技术 233
6.1 外部I/O的扩展 233
6.1.1 I/O口扩展概述 233
6.1.2 I/O地址译码技术 234
6.1.3 简单I/O接口扩展 235
6.2 程序存储器的扩展 239
6.2.1 常用的EPROM芯片 240
6.2.2 程序存储器的操作时序 242
6.2.3 单片机与EPROM的接口
电路设计 244
6.3 数据存储器的扩展 246
6.3.1 常用的静态RAM（SRAM）芯片 246
6.3.2 外扩数据存储器的读写操作时序 248
6.3.3 AT89S51单片机与RAM的接口
电路设计 249
6.4 EPROM和RAM的综合扩展 250
6.4.1 综合扩展的硬件接口电路 250
6.4.2 外扩存储器的编程 253
6.5 实例分析：串行片外存储器扩展 253
后记 256
参考文献 257

1. 单片机应用技术项目教程（C语言版）（第三版） [主编　郭志勇]
2. 微机原理与接口技术 [李珍香 编著]
3. 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]
4. 单片机实用技术项目教程 [主编 周威 熊辉]
5. 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]
6. 微型计算机原理与接口技术（第二版） [主编 王向慧]
7. 微型计算机原理与接口技术学习与实验指导（第二版） [主编 杨立]
8. 微型计算机原理与接口技术（第二版） [主编 杨立]
9. 单片机应用技术项目教程（C语言版）（第二版） [主编 郭志勇]
10. 电子技术项目教程（Proteus版） [主编 郭志勇]
11. 单片机应用教程 [胡云冰 聂振华]
12. 单片机应用系统设计安装与调试 [主编 田浩鹏]
13. 单片机原理及应用设计（第二版） [主编 胡辉 ]
14. 单片机原理及应用教程（C语言版） [主编 周国运]
15. 微型计算机原理与接口技术实验及习题指导 [主编 何超]
16. 微型计算机原理与接口技术 [何超]
17. 单片微型计算机原理及接口技术实验指导与实训 [林军 等编著]
18. 微机原理与接口技术 [梁建武 主 编 ]
19. 微机原理与接口技术 [李云强 主 编 ]
20. 微型计算机及其接口技术 [胡敏 张永 主编]
21. 微型计算机通信与接口技术 [刘兵　易逵　朱天清 等编著]
22. ANSYS 10.0/LS-DYNA基础理论与工程实践 [李裕春 时党勇 赵远 编著]
23. 微机原理、汇编语言与接口技术 [唐瑞庭 等编著]
24. 微机原理及接口技术 [蒋新革 主编]
25. 微型计算机原理与常用接口技术 [黄同愿 等编著]
26. 微机接口技术 [董方武 主编]
27. 微机原理、汇编语言与接口技术 [徐雅娜 主编]
28. 微型计算机原理与接口技术 [王向慧 等编著]
29. 单片机接口技术（C51版） [张道德 编著]
30. 微型计算机原理与接口技术学习与实验指导 [杨 立 主 编]