单片机原理与工程应用

单片机作为微型计算机的一个分支，具有集成度高、使用方便的特点，应用领域非常广泛。为适应学科专业的发展，自动化、电子信息、物联网、仪器仪表、通信工程等专业的学生有必要掌握单片机的基本原理、接口技术及工程应用开发技术。本书以经典的MCS-51单片机为主线，全面介绍了单片机基础知识，MCS-51单片机的内部结构、指令系统和内部集成功能部件，并给出了8位和32位单片机在工程应用中的解决方案，具体包括单片机基础知识、MCS-51单片机的基本结构、MCS-51单片机的指令与程序设计、MCS-51单片机的中断系统、MCS-51单片机的定时器/计数器、MCS-51单片机的串行通信技术、MCS-51单片机的扩展技术、MCS-51单片机与A/D和D/A转换器的接口技术、MCS-51单片机系统的键盘及显示技术、单片机应用系统设计与开发、单片机应用系统仿真设计和单片机应用案例设计。
本书力求理论和实践相结合，在指导学生掌握单片机基本原理的基础上，引导学生学习和使用多种软件工具解决单片机在工程应用中所遇到的问题，从而培养学生的学习兴趣和动手能力，进一步培养学生解决实际工程问题和综合应用的能力。
本书在章节安排上充分考虑了内容的前后连贯性，内容突出实用性和典型性。本书给出了硬件设计、汇编及C语言程序代码多方面的大量应用实例；以及新型器件、多种软件工具和单片机在不同工程应用案例中的解决方案，包括硬件电路、仿真电路及其完整的程序代码。
本书在编写过程中，得到了重庆邮电大学及兄弟院校多位教师的大力支持，同时还得到了电子工业出版社的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，书中一定有不少疏漏和不妥之处，敬请读者批评指正。

编者 
2020年12月

本书以经典的MCS-51单片机为主线，全面介绍了单片机基础知识、MCS-51单片机的内部结构、指令系统、内部集成功能部件和接口扩展技术，结合课题组多位老师的科研工作、工程实践和教学实践经验，给出了单片机在工程应用中的设计与开发方法、单片机应用系统仿真设计方法，并给出了基于MCS-51单片机和32位单片机的工程应用案例。本书给出了大量应用实例，包括硬件设计、汇编或C语言参考代码；同时给出了多个新型器件、多种现代工具和基于不同单片机的应用实例，并提供了硬件电路和软件的参考设计方案。

向敏，重庆邮电大学，自动化学院，博士/教授，重庆市学术技术带头人后备人选，主要从事控制工程、工业物联网、智能电网及智能城市等方向研究，先后承担和参与了多项国家"863”项目，国家自然科学基金、国家重大专项子课题等*科技项目。近年来，先后荣获重庆市科技进步二等奖2项，在国内外重要刊物(自动化学报、仪器仪表学报、电子与信息学报、Applied Sciences、Cluster Computing等)及国际重要学术会议发表论文40余篇，主编和参编教材/著作7部；长期承担《单片机原理及应用》、《自动控制理论》、《电机拖动与控制》等课程的理论和实验教学工作。

第1章　单片机基础知识 001 
1.1　单片机概述 001 
1.1.1　单片机的发展 002 
1.1.2　单片机的硬件组成 003 
1.1.3　单片机的体系结构 005 
1.1.4　单片机常用术语 006 
1.2　单片机的主要特点及应用 008 
1.2.1　单片机的主要特点 008 
1.2.2　单片机的应用领域 008 
1.3　总线技术 009 
1.3.1　总线的性能指标与分类 009 
1.3.2　单片机并行总线 009 
1.3.3　单片机常用的串行总线 010 
本章小结 012 
思考题与习题 013 
第2章　MCS-51单片机的基本结构 014 
2.1　MCS-51单片机的组成 014 
2.1.1　引脚定义 016 
2.1.2　CPU 019 
2.1.3　存储器 021 
2.2　MCS-51单片机时钟电路与总线时序 026 
2.2.1　时钟电路 026 
2.2.2　总线时序 026 
2.3　复位电路 027 
2.4　MCS-51单片机的*小系统 028 
本章小结 029 
思考题与习题 029 

第3章　MCS-51单片机的指令与程序设计 031 
3.1　MCS-51单片机汇编指令格式和寻址方式 031 
3.2　MCS-51单片机指令介绍 035 
3.2.1　数据传送指令 035 
3.2.2　算术运算指令 038 
3.2.3　移位与逻辑运算指令 040 
3.2.4　控制转移指令 041 
3.2.5　位操作指令 043 
3.3　MCS-51单片机汇编语言程序设计 044 
3.3.1　MCS-51单片机常用伪指令 044 
3.3.2　MCS-51单片机汇编语言程序的基本结构 046 
3.4　MCS-51单片机的C程序设计 049 
3.4.1　C51语言与标准C语言的简单比较 049 
3.4.2　MCS-51单片机的软件开发工具与程序设计 050 
本章小结 055 
思考题与习题 055 
第4章　MCS-51单片机的中断系统 058 
4.1　中断的基本概念 058 
4.1.1　中断定义 058 
4.1.2 中断应用 059 
4.1.3　中断优先级 060 
4.1.4　中断分类 060 
4.1.5　中断处理过程 061 
4.2　MCS-51单片机中断的概念与结构 063 
4.3　MCS-51单片机的中断处理 064 
4.3.1　MCS-51单片机的中断控制 064 
4.3.2　MCS-51单片机外部中断的触发方式 068 
4.3.3　MCS-51单片机中断服务程序的设计 069 
4.4　MCS-51单片机中断处理实例 071 
本章小结 076 
思考题与习题 077 
第5章　MCS-51单片机的定时器/计数器 078 
5.1　定时器/计数器的结构 078 
5.1.1　TCON 079 
5.1.2　TMOD 079 
5.2　定时器/计数器的工作方式 080 
5.2.1　工作方式0 080 
5.2.2　工作方式1 081 
5.2.3　工作方式2 082 
5.2.4　工作方式3 082 
5.2.5　8052单片机定时器/计数器2 083 
5.3　定时器/计数器的编程与应用 085 
5.3.1　毫秒级定时 085 
5.3.2　超出*范围定时/计数 088 
5.3.3　8052单片机T2的应用 089 
本章小结 090 
思考题与习题 090 
第6章　MCS-51单片机的串行通信技术 092 
6.1　串行通信的基本知识 092 
6.1.1　串行通信的概念 092 
6.1.2　串行通信的工作方式 093 
6.1.3　串行通信总线的电气标准 094 
6.2　MCS-51单片机的串行口 096 
6.2.1　基本结构 096 
6.2.2　寄存器 097 
6.2.3　工作模式 098 
6.3　单片机多机通信与通信协议 101 
6.3.1　多机通信原理 101 
6.3.2　多机通信实例 102 
6.3.3　串口通信协议 104 
6.4　MCS-51单片机串行通信应用实例 106 
本章小结 112 
思考题与习题 112 
第7章　MCS-51单片机的扩展技术 113 
7.1　MCS-51单片机的I/O接口扩展技术 113 
7.1.1　用8255扩展并行I/O接口 113 
7.1.2　用74系列芯片扩展并行I/O接口 120 
7.2　存储器及MCS-51单片机的存储器扩展技术 122 
7.2.1　存储器简介 122 
7.2.2　存储器容量的扩展 126 
7.2.3　单片机存储器的扩展 131 
本章小结 137 
思考题与习题 137 
第8章　MCS-51单片机与A/D和D/A转换器的接口技术 139 
8.1　A/D转换器 139 
8.1.1　A/D转换器基本原理 139 
8.1.2　A/D转换器主要结构 140 
8.1.3　A/D转换器主要性能指标 141 
8.1.4　A/D转换器应用实例 141 
8.2　D/A转换器 149 
8.2.1　D/A转换器基本原理 149 
8.2.2　D/A转换器主要结构 150 
8.2.3　D/A转换器输出信号类型 152 
8.2.4　D/A转换器性能指标 152 
8.2.5　D/A转换器应用实例 153 
本章小结 157 
思考题与习题 158 
第9章　MCS-51单片机系统的键盘及显示技术 159 
9.1　MCS-51单片机应用系统中键盘的设计 159 
9.1.1　键盘的工作特点 159 
9.1.2　独立按键接口设计 161 
9.1.3　矩阵键盘接口设计 166 
9.2　LED数码显示接口电路设计 173 
9.2.1　LED数码显示结构与原理 173 
9.2.2　LED数码显示接口技术 174 
9.3　LCD接口电路设计 177 
9.3.1　LCD结构及原理 177 
9.3.2　LCD1602简介及应用 178 
本章小结 180 
思考题与习题 181 
第10章　单片机应用系统设计与开发 182 
10.1　单片机应用系统的总体设计 182 
10.2　硬件设计 183 
10.2.1 主控电路核心器件选型 183 
10.2.2 电源设计 184 
10.2.3　数字量输入/输出保护设计 186 
10.3　软件设计 188 
10.3.1　驱动程序设计 189 
10.3.2　应用程序设计 191 
本章小结 194 
思考题与习题 194 
第11章　单片机应用系统仿真设计 196 
11.1　单片机应用系统仿真设计的目的 196 
11.2　硬件仿真设计 197 
11.2.1　模拟电路仿真 197 
11.2.2　数字电路仿真 199 
11.3　软件仿真设计 204 
11.4　控制算法仿真设计 207 
11.4.1　MATLAB软件 207 
11.4.2　PID控制算法的基本原理 208 
11.4.3　PID控制算法的MATLAB仿真 209 
本章小结 219 
思考题与习题 219 
第12章　单片机应用案例设计 221 
12.1　基于MCS-51单片机的物流车运行轨迹监测节点 221 
12.1.1　总体设计 221 
12.1.2　硬件设计 222 
12.1.3　软件设计 223 
12.2　基于MCS-51单片机的温度测量与控制装置 229 
12.2.1　总体设计 229 
12.2.2　硬件设计 230 
12.2.3　软件设计 232 
12.2.4　仿真设计 240 
12.3　基于32位单片机的电机控制器 240 
12.3.1　总体设计 240 
12.3.2　硬件设计 241 
12.3.3　软件设计 244 
本章小结 256 
思考题与习题 256 
参考文献 257

本书给出了大量应用实例，包括硬件设计、汇编或C语言参考代码；同时给出了多个新型器件、多种现代工具和基于不同单片机的应用实例，并提供了硬件电路和软件的参考设计方案。