單片機原理及接口技術（C51編程）（微課版 第4版）

張毅剛，哈爾濱工業大學教授，國家精品課程“單片機原理”、國家精品資源共享課“單片機原理”、首批國家精品在線開放課程“單片機原理”的負責人。黑龍江省教學名師獎獲得者，教育部全國高校網絡培訓中心“單片機原理”骨幹教師高級研修班特聘

主講教授。主持並獲得省高等教育教學成果一等獎2項、二等獎2項，獲國家級教學成果一等獎1項。普通高等教育“十五”國家級規劃教材、普通高等教育“十一五”國家級規劃教材、“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材主編。參加並完成多項科研項目，獲國家科學技術進步二等獎1項，省、部級科學技術獎6項。

第 1章 單片機概述

1.1　什麼是單片機　1

1.2　單片機的發展歷史　2

1.3　單片機的特點　2

1.4　單片機的應用　3

1.5　單片機的發展趨勢　4

1.6　MCS-51系列與AT89S5x系列單片機　5

1.6.1　MCS-51系列單片機　5

1.6.2　8051內核單片機與AT89S5x系列單片機　6

1.7　各種衍生品種的8051單片機　7

1.7.1　STC系列單片機　7

1.7.2　C8051F×××系列單片機　7

1.7.3　ADμC812單片機　8

1.7.4　華邦W77系列、W78系列 單片機　8

1.8　PIC系列單片機與AVR系列 單片機　8

1.8.1　PIC系列單片機　8

1.8.2　AVR系列單片機　9

1.9　其他嵌入式處理器簡介　10

1.9.1　數字信號處理器　10

1.9.2　嵌入式微處理器　10

思考題及習題　11

第　2章 AT89S51單片機片內硬件結構

2.1　AT89S51單片機的片內硬件結構　13

2.2　AT89S51的引腳功能　14

2.2.1　電源及時鐘引腳　15

2.2.2　控制引腳　15

2.2.3　並行I/O口引腳　16

2.3　AT89S51的CPU　17

2.3.1　運算器　17

2.3.2　控制器　19

2.4　AT89S51單片機存儲器的結構　19

2.4.1　程序存儲器空間　20

2.4.2　數據存儲器空間　21

2.4.3　特殊功能寄存器　21

2.4.4　位地址空間　24

2.5　AT89S51單片機的並行I/O口　25

2.5.1　P0口　25

2.5.2　P1口　27

2.5.3　P2口　27

2.5.4　P3口　28

2.6　時鐘電路與時序　29

2.6.1　時鐘電路設計　29

2.6.2　機器周期、指令周期與指令 時序　30

2.7　復位操作和復位電路　31

2.7.1　復位操作　31

2.7.2　復位電路設計　31

2.8　AT89S51單片機的最小應用系統　32

2.9　看門狗定時器的使用　32

2.10　低功耗節電模式　33

2.10.1　空間模式　34

2.10.2　掉電模式　35

2.11　AT89S52單片機與AT89S51 單片機的差異　35

2.11.1　AT89S52單片機與 AT89S51單片機片內硬件 資源的差異　35

2.11.2　AT89S52的引腳　35

2.11.3　AT89S52單片機的存儲器結構　36

思考題及習題　39

第3章　C51編程語言基礎

3.1　C51編程語言簡介　41

3.1.1　C51語言與8051匯編語言的 比較　41

3.1.2　C51語言與標準C語言的 比較　42

3.2　C51語言程序設計基礎　42

3.2.1　C51語言中的數據類型與存儲 類型　43

3.2.2　C51語言的特殊功能寄存器及 位變量定義　47

3.2.3　C51語言的絕對地址訪問　49

3.2.4　C51語言的基本運算　50

3.2.5　C51語言的分支結構與循環 結構　53

3.2.6　C51語言的數組　59

3.3　C51語言的函數　61

3.3.1　函數的分類　61

3.3.2　函數的調用　63

3.3.3　中斷服務函數　63

3.3.4　宏定義　64

思考題及習題　64

第4章　開發與仿真工具

4.1　Keil C51的使用　66

4.1.1　Keil C51簡介　66

4.1.2　基本操作　66

4.1.3　添加用戶源程序文件　68

4.1.4　程序的編譯與調試　69

4.1.5　項目的設置　72

4.2　Proteus虛擬仿真工具介紹　74

4.2.1　Proteus功能簡介　74

4.2.2　Proteus ISIS的虛擬仿真　74

4.2.3　Proteus的各種虛擬仿真 調試工具　80

4.2.4　虛擬設計仿真舉例　84

思考題及習題　90

第5章　單片機與開關、鍵盤以及顯示器件的接口設計

5.1　單片機控制發光二極管顯示　91

5.1.1　單片機與發光二極管的連接　91

5.1.2　I/O口的編程控制　92

5.2　開關狀態檢測　95

5.2.1　開關檢測案例1　95

5.2.2　開關檢測案例2　96

5.3　單片機控制LED數碼管的顯示　97

5.3.1　LED數碼管的顯示原理　97

5.3.2　LED數碼管的靜態顯示與 動態顯示　100

5.4　單片機控制LED點陣顯示器顯示　103

5.4.1　LED點陣顯示器的結構與 顯示原理　103

5.4.2　控制16×16 LED點陣顯示器的 案例　104

5.5　字符型液晶顯示器LCD 1602的顯示 控制　106

5.5.1　LCD 1602液晶顯示模塊 簡介　106

5.5.2　單片機控制字符型LCD 1602 顯示案例　112

5.6　按鍵式鍵盤接口設計　115

5.6.1　按鍵式鍵盤接口設計應解決的 問題　116

5.6.2　獨立式鍵盤的接口設計案例　116

5.6.3　矩陣式鍵盤的接口設計案例　123

5.6.4　非編碼鍵盤掃描方式的選擇　125

5.6.5　單片機與專用鍵盤/顯示器芯片 HD7279的接口設計　126

思考題及習題　136

第6章　中斷系統的工作原理及應用

6.1　AT89S51中斷技術概述　138

6.2　AT89S51中斷系統結構　139

6.2.1　中斷請求源　139

6.2.2　中斷請求標誌寄存器　139

6.3　中斷允許與中斷優先級的控制　141

6.3.1　中斷允許寄存器IE　141

6.3.2　中斷優先級寄存器IP　141

6.4　響應中斷請求的條件　143

6.5　外部中斷的響應時間　144

6.6　外部中斷的觸發方式選擇　144

6.7　中斷請求的撤銷　145

6.8　中斷函數　146

6.9　中斷系統應用舉例　147

6.9.1　單一外中斷的應用　147

6.9.2　兩個外中斷的應用　148

6.9.3　中斷嵌套的應用　150

6.10　AT89S52與AT89S51中斷系統的 差別　151

6.10.1　中斷請求源的差別　151

6.10.2　中斷請求標誌寄存器的差別　152

6.10.3　中斷允許寄存器與中斷 優先級寄存器的差別　153

思考題及習題　154

第7章　定時器/計數器的工作原理及應用

7.1　定時器/計數器的結構　156

7.1.1　定時器/計數器工作方式寄存器 TMOD　157

7.1.2　定時器/計數器控制寄存器 TCON　158

7.2　定時器/計數器的4種工作方式　158

7.2.1　方式0　158

7.2.2　方式1　159

7.2.3　方式2　159

7.2.4　方式3　160

7.3　計數器對外部輸入的計數信號的 要求　161

7.4　定時器/計數器T0、T1的編程應用　162

7.4.1　P1口控制8個LED　162

7.4.2　計數器的應用　163

7.4.3　控制P1.0產生周期為2ms的 方波　165

7.4.4　利用T1控制發出1kHz的音頻 信號　167

7.4.5　LED數碼管秒表的制作　168

7.4.6　測量脈沖寬度——門控位 GATEx的應用　170

7.4.7　LCD時鐘的設計　172

7.5　AT89S52新增定時器/計數器T2 簡介　174

7.5.1　T2的特殊功能寄存器T2CON 和T2MOD　174

7.5.2　T2的16位自動重裝載方式　176

7.5.3　T2的捕捉方式　178

7.5.4　T2的波特率發生器方式及可 編程時鐘輸出　178

思考題及習題　180

第8章　串行口的工作原理及應用

8.1　串行通信基礎　183

8.1.1　並行通信與串行通信　183

8.1.2　同步通信與異步通信　184

8.1.3　串行通信的傳輸模式　185

8.1.4　串行通信的錯誤校驗　185

8.2　串行口的結構　186

8.2.1　串行口控制寄存器SCON　186

8.2.2　特殊功能寄存器PCON　188

8.3　串行口的4種工作方式　188

8.3.1　方式0　188

8.3.2　方式1　192

8.3.3　方式2　194

8.3.4　方式3　195

8.4　多機通信　195

8.5　波特率的制定方法　196

8.5.1　波特率的定義　196

8.5.2　定時器T1產生波特率的 計算　196

8.6　串行口應用設計案例　198

8.6.1　串行通信標準接口RS232、 RS422與RS485簡介　198

8.6.2　方式1的應用設計　201

8.6.3　方式2和方式3的應用設計　207

8.6.4　多機通信的應用設計　209

8.6.5　單片機與PC串行通信的 設計　215

8.6.6　PC與單片機或與多個單片機的 串行通信　218

思考題及習題　219

第9章　單片機系統的並行擴展

9.1　系統並行擴展技術　221

9.1.1　系統並行擴展結構　221

9.1.2　地址空間分配　223

9.1.3　外部地址鎖存器　225

9.2　外部數據存儲器的並行擴展　226

9.2.1　常用的靜態RAM芯片　226

9.2.2　讀寫片外RAM的操作時序　227

9.2.3　並行擴展數據存儲器的設計　229

9.2.4　單片機外擴數據存儲器 RAM6264的案例設計　230

9.3　片內Flash存儲器的編程　232

9.3.1　使用通用編程器的程序寫入　233

9.3.2　使用下載線的ISP編程　233

9.4　E2PROM的並行擴展　234

9.4.1　並行E2PROM芯片簡介　234

9.4.2　AT89S51單片機擴展 E2PROM 2864A的設計　235

9.5　AT89S51擴展並行I/O芯片82C55的 設計　236

9.5.1　I/O口擴展概述　236

9.5.2　並行I/O芯片82C55簡介　237

9.5.3　82C55的3種工作方式　240

9.5.4　AT89S51單片機與82C55的 接口設計　244

9.6　利用74LSTTL電路擴展並行 I/O口　245

9.7　用AT89S51單片機的串行口擴展並行 I/O口　247

9.7.1　用74LS165擴展並行輸 入口　247

9.7.2　用74LS164擴展並行輸 出口　248

思考題及習題　249

第　10章 AT89S51單片機系統的串行擴展

10.1　單總線串行擴展　251

10.1.1　單總線擴展的典型應用—— DS18B20的溫度測量系統　252

10.1.2　設計案例：單總線DS18B20 溫度測量系統　254

10.2　SPI總線串行擴展　257

10.3　I2C總線的串行擴展　258

10.3.1　I2C總線系統的基本結構　258

10.3.2　I2C總線的數據傳送規定　259

10.3.3　AT89S51的I2C總線擴展系統　262

10.3.4　I2C總線數據傳送的模擬　263

10.3.5　利用I2C總線擴展E2PROM AT24C02的IC卡設計　266

思考題及習題　272

第　11章 AT89S51單片機與DAC、ADC的接口

11.1　單片機擴展DAC概述　273

11.2　單片機擴展並行8位DAC0832　274

11.2.1　DAC0832簡介　274

11.2.2　案例設計：單片機擴展 DAC0832的程控電壓源　276

11.2.3　案例設計：波形發生器的 制作　277

11.3　單片機擴展串行10位DAC—— TLC5615　281

11.3.1　串行DAC——TLC5615 簡介　281

11.3.2　案例設計：單片機擴展串行DAC——TLC5615的設計　283

11.4　單片機擴展ADC概述　285

11.5　單片機並行擴展8位 ADC0809　286

11.5.1　案例設計：單片機控制 ADC0809進行A/D轉換　288

11.5.2　案例設計：兩路輸入的數字 電壓表的設計　289

11.6　單片機擴展串行8位ADC—— TLC549　292

11.6.1　TLC549的特性及工作 原理　292

11.6.2　案例設計：單片機擴展 TLC549的設計　294

11.7　單片機擴展12位串行ADC—— TLC2543　295

11.7.1　TLC2543的特性及工作 原理　296

11.7.2　案例設計：單片機擴展 TLC2543的設計　297

思考題及習題　300

第　12章 單片機的各種應用設計

12.1　單片機控制步進電機的設計　302

12.2　單片機控制直流電機的設計　304

12.3　頻率計的制作　306

12.4　電話機撥號的模擬　309

12.5　8位競賽搶答器的設計　314

12.6　基於時鐘/日歷芯片DS1302的 電子鐘的設計　319

思考題及習題　325

第　13章 單片機應用系統抗幹擾與可靠性設計

13.1　幹擾的來源　326

13.2　供電系統幹擾及其抗幹擾 措施　327

13.2.1　電源幹擾來源、種類和 危害　327

13.2.2　供電系統的抗幹擾 設計　328

13.3　過程通道幹擾的抑制措施—— 隔離　329

13.3.1　光電耦合隔離的基本 配置　329

13.3.2　光電隔離的實現　329

13.4　空間幹擾及抗幹擾措施　330

13.4.1　接地技術　331

13.4.2　屏蔽技術　332

13.5　反電勢幹擾的抑制　333

13.6　印制電路板的抗幹擾設計　334

13.6.1　地線與電源線設計　334

13.6.2　去耦電容的配置　335

13.6.3　印制電路板的布線的抗幹擾 設計　335

13.7　軟件抗幹擾措施　336

13.7.1　軟件抗幹擾的一般方法　336

13.7.2　軟件濾波　336

13.7.3　開關量輸入/輸出軟件抗幹擾 設計　337

思考題及習題　338

第　14章 單片機應用系統的設計與調試

14.1　單片機應用系統的設計步驟　340

14.2　單片機應用系統設計　341

14.2.1　硬件設計應考慮的問題　341

14.2.2　典型的單片機應用系統　342

14.2.3　系統設計中的總線驅動　343

14.2.4　軟件設計應考慮的問題　345

14.3　單片機應用系統的仿真開發與 調試　345

思考題及習題　348

附錄A　基礎實驗題目　349

附錄B　課程設計題目　355

參考文獻　362