單片機(jī)原理與應(yīng)用

“十四五”普通高等學(xué)校規(guī)劃教材

單片機(jī)原理與應(yīng)用

張良智主編

◎

張吉衛(wèi)劉美麗副主編

◎

內(nèi)容簡介

本書以系列單片機(jī)為例介紹了單片機(jī)片內(nèi)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(shè)計(jì)與開發(fā)工具講解了單片機(jī)基本應(yīng)用與開發(fā)

C51,Proteus,

技術(shù)主要內(nèi)容包括單片機(jī)基礎(chǔ)知識單片機(jī)發(fā)展歷史片內(nèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)匯編與語言中斷與定

。,,,C51,

時器計(jì)數(shù)器串口通信系統(tǒng)接口轉(zhuǎn)換等內(nèi)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(shí)現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)并將單片機(jī)

,C51、,

仿真軟件貫穿其中為方便讀者學(xué)習(xí)每章都安排了思考練習(xí)題受篇幅所限若干相關(guān)

Proteus。,。,

內(nèi)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(jì)算機(jī)類各專業(yè)單片機(jī)相

、、、、

關(guān)課程的教材也可供單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)生產(chǎn)從業(yè)人員參考使用

,、。

圖書在版編目CIP數(shù)據(jù)

()

單片機(jī)原理與應(yīng)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(xué)校規(guī)劃教材

“”

ISBN978-7-113-28845-7

單張單片微型計(jì)算機(jī)高等學(xué)校

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①--

教材

Ⅳ.①TP368.1

中國版本圖書館數(shù)據(jù)核字第號

CIP(2022)025342

書名:單片機(jī)原理與應(yīng)用

作者:張良智

策劃:張松濤編輯部電話:

(010)83527746

責(zé)任編輯:張松濤繩超

封面設(shè)計(jì):劉穎

責(zé)任校對:安海燕

責(zé)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(wǎng)址:

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

印刷:三河市宏盛印務(wù)有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202261202261

開本:印張:字?jǐn)?shù):千

787mm×1092mm1/1617421

書號:

ISBN978-7-113-28845-7

定價:元

49.00

版權(quán)所有侵權(quán)必究

凡購買鐵道版圖書如有印制質(zhì)量問題請與本社教材圖書營銷部聯(lián)系調(diào)換電話

,,。:(010)63550836

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:(010)63549461

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在社會各個領(lǐng)域的滲透單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)已廣泛應(yīng)用到工業(yè)

,()

控制機(jī)電一體化智能儀表通信家用電器等領(lǐng)域并成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要工具

、、、、,。

單片機(jī)的應(yīng)用提高了機(jī)電設(shè)備的技術(shù)水平和自動化程度成為產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要手段因此

,。,

高等工科院校師生和工程技術(shù)人員了解和掌握單片機(jī)的原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)是十分必要的

、。

單片機(jī)不僅集成度高結(jié)構(gòu)簡單而且具有完整的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)隨著機(jī)型的不斷增多功能

、,,,

越來越強(qiáng)大目前世界上生產(chǎn)單片機(jī)的公司數(shù)不勝數(shù)但以為核心的單片機(jī)仍是主

。,,MCS-51

流單片機(jī)也是廣大工程技術(shù)人員首選的機(jī)型在國內(nèi)的多數(shù)高校也都采用系列單片

,,MCS-51

機(jī)作為主要的講解對象本書以單片機(jī)為例系統(tǒng)介紹單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)工作原

。MCS-51,、

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

、、。、

域的生產(chǎn)建設(shè)管理服務(wù)等第一線崗位直接從事解決實(shí)際問題維持工作正常運(yùn)行的高等技

、、、、

術(shù)型人才本書在內(nèi)容選取上側(cè)重應(yīng)用通過大量的示例把在工程中廣泛應(yīng)用的知識技術(shù)講

,,、

清楚增強(qiáng)讀者的實(shí)際應(yīng)用能力

,。

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

,,,

容直接相關(guān)有些從宏觀角度開展思維訓(xùn)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(xué)院張良智任主編山東交通學(xué)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(xué)院蘇現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)用案例

、。

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

,,

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(jī)基礎(chǔ)知識…………………1

微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史…………

1.11

微型計(jì)算機(jī)的組成………………

1.22

進(jìn)制和轉(zhuǎn)換………………………

1.311

創(chuàng)新思維………………

12

思考練習(xí)題…………

113

第2章單片機(jī)概述………………………14

單片機(jī)的概念及分類……………

2.114

單片機(jī)的發(fā)展與趨勢……………

2.215

單片機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用……………

2.317

常見單片機(jī)簡介…………………

2.419

創(chuàng)新思維………………

25

思考練習(xí)題…………

225

第3章單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理……………27

單片機(jī)的硬件組成……………………

3.1AT89S5227

單片機(jī)的引腳功能……………………

3.2AT89S5228

單片機(jī)的…………

3.3AT89S52CPU31

單片機(jī)的存儲器結(jié)構(gòu)…………………

3.4AT89S5233

單片機(jī)的并行口…………………

3.5AT89S52I/O41

時鐘電路與時序…………………

3.644

復(fù)位操作和復(fù)位電路……………

3.746

單片機(jī)的最小應(yīng)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(xí)題…………

351

第4章單片機(jī)的指令系統(tǒng)及匯編語言程序設(shè)計(jì)……54

尋址方式…………

4.154

指令系統(tǒng)…………

4.260

匯編語言程序設(shè)計(jì)………………

4.369

創(chuàng)新思維………………

76

Ⅰ

思考練習(xí)題…………

476

第5章C51編程語言基礎(chǔ)………………78

編程語言簡介………………

5.1C5178

語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)…………

5.2C5179

語言的函數(shù)…………………

5.3C5197

創(chuàng)新思維………………

100

思考練習(xí)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(xí)題…………

6124

第7章單片機(jī)基本I/O接口設(shè)計(jì)……………………126

單片機(jī)控制發(fā)光二極管顯示……………………

7.1126

開關(guān)狀態(tài)檢測…………………

7.2131

單片機(jī)控制數(shù)碼管的顯示………………

7.3LED133

鍵盤接口的設(shè)計(jì)………………

7.4139

創(chuàng)新思維………………

148

思考練習(xí)題…………

7149

第8章中斷系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用…………………151

單片機(jī)中斷技術(shù)概述…………

8.1151

單片機(jī)的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)………………

8.2AT89S52151

中斷允許與中斷優(yōu)先級的控制…………………

8.3154

響應(yīng)中斷請求的條件…………

8.4157

外部中斷的響應(yīng)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(shù)………………………

8.8160

中斷系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)案例…………

8.9162

創(chuàng)新思維………………

165

思考練習(xí)題…………

8166

第9章單片機(jī)的定時器/計(jì)數(shù)器………168

定時器計(jì)數(shù)器與的結(jié)構(gòu)………………

9.1/T0T1168

定時器計(jì)數(shù)器與的種工作方式……

9.2/T0T14170

計(jì)數(shù)器模式對外部輸入的計(jì)數(shù)信號的要求……

9.3173

定時器計(jì)數(shù)器的編程應(yīng)用……………

9.4/T1、T0174

Ⅱ

目錄

創(chuàng)新思維………………

179

思考練習(xí)題…………

9180

第10章單片機(jī)的串行口………………182

串行通信基礎(chǔ)…………………

10.1182

串行口的結(jié)構(gòu)…………………

10.2185

串行口的種工作方式………

10.34187

多機(jī)通信………………………

10.4195

波特率的制定方法……………

10.5196

串行口應(yīng)用的設(shè)計(jì)案例………

10.6198

創(chuàng)新思維………………

216

思考練習(xí)題………………………

10217

第11章單片機(jī)系統(tǒng)的并行擴(kuò)展………219

系統(tǒng)并行擴(kuò)展技術(shù)……………

11.1219

外部數(shù)據(jù)存儲器的并行擴(kuò)展…………………

11.2225

存儲器的并行擴(kuò)展…………………

11.3EEPROM230

創(chuàng)新思維………………

232

思考練習(xí)題………………………

11233

第12章單片機(jī)系統(tǒng)的串行擴(kuò)展………234

總線串行擴(kuò)展……………

12.1SPI234

2總線的串行擴(kuò)展…………

12.2IC235

創(chuàng)新思維………………

249

思考練習(xí)題………………………

12250

第13章A/D、D/A轉(zhuǎn)換………………252

單片機(jī)擴(kuò)展概述…………

13.1DAC252

單片機(jī)擴(kuò)展并行位芯片的設(shè)計(jì)…………………

13.28DAC0832253

單片機(jī)擴(kuò)展概述…………

13.3ADC256

單片機(jī)擴(kuò)展并行位芯片的設(shè)計(jì)…………………

13.48ADC0809257

創(chuàng)新思維………………

261

思考練習(xí)題………………………

13262

參考文獻(xiàn)……………………264

Ⅲ

微型計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代電子技術(shù)和信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物在生產(chǎn)和生活中應(yīng)

(Microcomputer),

用廣泛其中最為人所熟悉的是個人計(jì)算機(jī)本書所講的單片機(jī)是

,,(PersonalComputer,PC)。

一種將計(jì)算機(jī)各組成部分集成在一片芯片上的微型計(jì)算機(jī)雖然不被普通用戶所認(rèn)識但同樣

,,

廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中如電視機(jī)電冰箱打印機(jī)和掃描儀等家用電器和辦公設(shè)備中

,、、。

本章將主要介紹一些與單片機(jī)相關(guān)的微型計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識為后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)奠定良好的

,

基礎(chǔ)

。

1.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史

從結(jié)繩計(jì)數(shù)算籌到計(jì)算尺人類從遠(yuǎn)古時期就已開始探索提高計(jì)算速度和效率的方法

、,。

年法國數(shù)學(xué)家使用齒輪等配件制造了世界上第一臺機(jī)械式計(jì)算機(jī)帕斯卡加法

1642,———

器這是人類從手動計(jì)算時代進(jìn)入機(jī)械式計(jì)算時代的里程碑

,。

年法國機(jī)械師將穿孔紙帶上的小孔用于自動提花機(jī)工作流程和步驟的控制

1801,,

這是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)思想的萌芽而紙帶上的有孔和無孔分別類似于二進(jìn)制

?！啊薄啊?/p>

數(shù)的和是二進(jìn)制數(shù)在機(jī)械控制中的早期應(yīng)用年英國數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)了一種通用的自動計(jì)算機(jī)器分析機(jī)分

“”,———。

析機(jī)以齒輪為主要部件由蒸汽機(jī)提供動力齒輪存放數(shù)據(jù)通過齒輪間的嚙合完成計(jì)

,,,

算穿孔紙帶控制運(yùn)算過程雖然由于設(shè)計(jì)理念超越時代巴貝奇并沒有成功地制造出

,。,

一臺實(shí)際可用的分析機(jī)但是分析機(jī)已經(jīng)具備了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的某些基本特征例如存放

,,,

數(shù)據(jù)的齒輪相當(dāng)于存儲器齒輪嚙合完成了運(yùn)算器的工作而穿孔紙帶則是控制機(jī)器工

,,

作流程的程序

。

年英國數(shù)學(xué)家布爾創(chuàng)立了布爾代數(shù)這是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工作的重要理論基礎(chǔ)之

1854,,

一年人工智能之父艾倫麥席森圖靈在其論文論可計(jì)算數(shù)及其在判定問

。1936,“”··《

題上的應(yīng)用中提出了算法的概念和一種抽象計(jì)算機(jī)模型圖靈機(jī)圖靈機(jī)的基

》———“”。

本思想是用機(jī)器模擬人用紙筆進(jìn)行計(jì)算的過程是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和人工智能領(lǐng)域的

,

開端

。

與圖靈同時代被稱為計(jì)算機(jī)之父的美國數(shù)學(xué)家馮諾依曼研究了離散變量自動電子

,“”·

計(jì)算機(jī)并和他的研究小組發(fā)表了

(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer,EDVAC),

存儲程序的通用計(jì)算機(jī)方案該方案解決了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的許多關(guān)鍵問題其中有三個主

“”。,

要設(shè)計(jì)思想需要本書讀者掌握

。

1

計(jì)算機(jī)采用的數(shù)制為二進(jìn)制采用二進(jìn)制設(shè)計(jì)可降低計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度

(1)。。

計(jì)算機(jī)由五部分組成包括運(yùn)算器控制器存儲器輸入設(shè)備和輸出設(shè)備其中運(yùn)

(2),、、、。,

算器可以完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算控制器能夠控制計(jì)算機(jī)的各部件協(xié)調(diào)工作存儲器用于存

;;

放程序指令和數(shù)據(jù)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間的交互

;。

計(jì)算機(jī)的工作原理是存儲程序的原理即計(jì)算機(jī)工作之前程序與數(shù)據(jù)預(yù)先存放在

(3)“”,,

存儲器的存儲單元中計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)移的功能則根據(jù)

,;,

判斷結(jié)果或轉(zhuǎn)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(fù)進(jìn)

,;

行直到遇到停機(jī)指令

,。

存儲程序的通用計(jì)算機(jī)方案的提出標(biāo)志著人類進(jìn)入了電子計(jì)算機(jī)時代是計(jì)算機(jī)科學(xué)

“”,

發(fā)展的又一座里程碑而按照該方案設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)稱為馮諾依曼機(jī)世界上第一臺通用

。“·”,

計(jì)算機(jī)埃尼阿克就是按照該方案設(shè)

“”(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator,ENIAC)

計(jì)的

。

從埃尼阿克起微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管計(jì)算機(jī)晶體管計(jì)算機(jī)集成電路計(jì)算機(jī)

,、、

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

。,

數(shù)據(jù)體積大運(yùn)算速度慢編程語言為機(jī)器語言晶體管計(jì)算機(jī)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(jìn)行

,,、,(FORTRAN)

程序設(shè)計(jì)集成電路將多個元器件集成在一片半導(dǎo)體芯片上以集成電路為主要邏輯器件的計(jì)

;,

算機(jī)體積更小速度更快功耗更低從世紀(jì)年代初開始至今計(jì)算機(jī)進(jìn)入了大規(guī)模集成

、、;2070,

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

,,、

價格更低性能和可靠性更高

、。

1.2微型計(jì)算機(jī)的組成

在微型計(jì)算機(jī)的五個組成部分運(yùn)算器控制器存儲器輸入設(shè)備和輸出設(shè)備中運(yùn)算

(、、、),

器和控制器是核心部分由它們所構(gòu)成的運(yùn)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(shù)據(jù)可分為只讀存儲

(CentralProcessingUnit,CPU)。,

器和隨機(jī)存儲器兩大類輸入設(shè)備

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

和輸出設(shè)備因其電壓電流和數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次關(guān)系和體系結(jié)構(gòu)及微

(I/O)。

型計(jì)算機(jī)各組成部分的功能和相關(guān)基礎(chǔ)知識

。

1.2.1微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次關(guān)系和體系結(jié)構(gòu)

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(fù)責(zé)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(shù)據(jù)總線負(fù)責(zé)在和存儲器或接口之間傳輸

I/O;②(DataBus,DB),CPU(I/O)

數(shù)據(jù)控制總線用于傳輸微處理器的控制信號如確定數(shù)據(jù)總線上的數(shù)

;③(ControlBus,CB),,

據(jù)流向數(shù)據(jù)由微處理器流向存儲器或接口時被視為輸出數(shù)據(jù)即執(zhí)行寫操作

(I/O,,CPU“”;

反之被視為輸入數(shù)據(jù)即執(zhí)行讀操作

,,CPU“”)。

2

第1章單片機(jī)基礎(chǔ)知識

1.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次關(guān)系

圖給出了微型計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)圖圖給出了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次關(guān)系由這

1-1,1-2,

兩個圖可知僅有微處理器無法構(gòu)成微型計(jì)算機(jī)而沒有軟件支持的微型計(jì)算機(jī)硬件也無法工

,,

作只有軟件和硬件配合構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)才能為人所用

,。

圖微型計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

1-1

圖微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次關(guān)系

1-2

在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)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(jī)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(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)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(jī)芯片