单片机原理及应用:基于Proteus仿真

林立，中国石油大学（北京）教授，从事高校教学工作30余年，先后为本科生讲授过“单片机原理及应用”和“材料现代分析测试方法”等课程，为硕士研究生讲授过“智能仪器原理与设计”“磨损原理”等课程。

第1章 单片机基础知识概述

 1.1 单片机概述

 1.1.1 单片机的基本概念

 1.1.2 单片机的应用领域

 1.1.3 主流单片机及其特点

 1.1.4 单片机发展趋势

 1.1.5 关于学习单片机

 1.2 单片机预备知识

 1.2.1 数制及其转换

 1.2.2 有符号数

 1.2.3 位、字节和字

 1.2.4 BCD码

 1.2.5 ASCII码

 1.2.6 基本逻辑门电路

 1.3 Proteus软件简介

 本章小结

 思考与练习1

 第2章 MCS-51单片机的结构组成

 2.1 单片机的基本结构

 2.1.1 MCS-51单片机的内部结构

 2.1.2 MCS-51外部引脚及其功能

 2.2 单片机的存储器结构

 2.2.1 存储器划分方法

 2.2.2 程序存储器

 2.2.3 数据存储器

 2.3 单片机的复位与时序

 2.3.1 单片机的复位

 2.3.2 单片机的时序

 2.4 单片机并行I/O口

 2.4.1 P1口

 2.4.2 P3口

 2.4.3 P0口

 2.4.4 P2口

 2.5 绘制Proteus原理图

 2.5.1 创建新工程

 2.5.2 原理图绘图界面

 2.5.3 绘图基本方法

 2.5.4 Proteus绘图实例

 本章小结

 思考与练习2

 第3章 汇编语言及仿真设计基础

 3.1 汇编语言概述

 3.1.1 汇编指令格式

 3.1.2 描述操作数的简记符号

 3.2 MCS-51指令系统简介

 3.2.1 数据传送与交换类指令

 3.2.2 算术运算类指令

 3.2.3 逻辑运算及移位类指令

 3.2.4 控制转移类指令

 3.2.5 寻址方法汇总

 3.2.6 伪指令

 3.3 汇编程序仿真设计基础

 3.3.1 汇编程序设计步骤

 3.3.2 汇编程序编译方法

 3.3.3 汇编程序应用举例

 本章小结

 思考与练习3

 第4章 C51语言及通用I/O口应用

 4.1 C51的程序结构

 4.1.1 C51语言概述

 4.1.2 C51的程序结构

 4.2 C51的数据结构

 4.2.1 C51变量

 4.2.2 C51指针

 4.3 C51与汇编语言的混合编程

 4.3.1 在C51程序中调用汇编程序

 4.3.2 在C51程序中嵌入汇编代码

 4.4 C51仿真开发方法

 4.4.1 C51程序编译

 4.4.2 C51仿真调试

 4.5 通用I/O口方式的简单应用

 4.5.1 基本输入/输出设备与应用

 4.5.2 数码管原理与静态显示应用

 4.6 通用I/O口方式的进阶应用

 4.6.1 数码管动态显示原理与应用

 4.6.2 行列式键盘原理与应用

 本章小结

 思考与练习4

 第5章 单片机的中断系统

 5.1 中断的概念

 5.2 中断控制系统

 5.2.1 中断系统结构

 5.2.2 中断的控制

 5.3 中断控制过程

 5.4 中断编程和应用实例

 5.4.1 中断应用实例

 5.4.2 扩充外部中断源

 本章小结

 思考与练习5

 第6章 单片机的定时/计数器

 6.1 定时/计数器的工作原理

 6.1.1 基本原理

 6.1.2 结构组成

 6.2 定时/计数器的控制

 6.2.1 TMOD寄存器

 6.2.2 TCON寄存器

 6.3 定时/计数器的工作方式

 6.3.1 方式

 6.3.2 方式

 6.3.3 方式

 6.3.4 方式

 6.4 定时/计数器的应用实例

 本章小结

 思考与练习6

 第7章 单片机的串行口

 7.1 串行通信概念

 7.2 MCS-51的串行口控制器

 7.2.1 串行口内部结构

 7.2.2 串行口控制寄存器

 7.3 串行口工作方式0及其应用

 7.4 串行口工作方式1及其应用

 7.5 串行口工作方式2及其应用

 7.6 串行口工作方式3及其应用

 本章小结

 思考与练习7

 第8章 单片机的外围接口技术

 8.1 51单片机的三总线结构

 8.1.1 片外三总线形式

 8.1.2 地址锁存器的原理与接口

 8.2 简单并行扩展的原理与接口应用

 8.2.1 访问扩展接口的软件方法

 8.2.2 利用74273扩展并行输出口

 8.2.3 利用74244扩展并行输入口

 8.3 D/A转换器的原理与接口应用

 8.3.1 DAC0832的工作原理

 8.3.2 DAC0832的应用实例

 8.4 A/D转换器的原理与接口应用

 8.4.1 ADC0809的工作原理

 8.4.2 ADC0809的应用实例

 8.5 开关量驱动原理与接口应用

 8.5.1 驱动接口方式

 8.5.2 驱动接口的应用实例

 8.6 液晶显示模块的原理与接口应用

 8.6.1 LM1602模块的工作原理

 8.6.2 LM1602模块的应用实例

 8.7 串行扩展单元的原理与接口应用

 8.7.1 串行A/D转换器MAX124X

 8.7.2 串行D/A转换器LTC145X

 8.7.3 串并转换器74HC

 8.7.4 I2C总线E2PROM存储器AT24CXX

 8.7.5 串行日历时钟DS

 本章小结

 思考与练习8

 第9章 单片机应用系统开发

 9.1 单片机系统设计开发过程

 9.1.1 单片机典型应用系统

 9.1.2 单片机应用系统的开发过程

 9.2 单片机系统可靠性技术

 9.2.1 硬件抗干扰技术概述

 9.2.2 软件抗干扰技术概述

 9.3 单片机综合应用实例――智能仪器

 9.3.1 功能概述

 9.3.2 硬件电路设计

 ……

1.1单片机概述

1.1.1单片机的基本概念

现代微型计算机技术有两大发展分支。一个分支是为满足众多个人应用场合需要而发展的

通用微型计算机系统（Universal microComputer System，UCS）,也称为个人计算机（PersonalComputer,PC），其主要技术目标是追求高速计算和海量存储能力。它的发展方向是CPU速度不断提升和存储容量不断扩大。PC由CPU+存储器+主板+显卡+声卡+网卡+显示器+鼠标+键盘等设备组成。

另一个分支是能嵌入对象体系中，以实现对象体系智能化为目的的一类专用计算机系统，又称为嵌入式计算机系统(Embedded Computer System,ECS）。其主要技术目标是，满足被控对象体系的物理、电气和环境及产品成本等要求，它的发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制可摹任。

对于船舶驾驶室集中控制台、电站锅炉集中控制系统、钢厂自动配料控制系统等大型被控对象。可以通过对PC进行电气加固、机械加固，并配置各种接口板卡，使之成为能嵌入大型对象系统中的工控机（Industrial Personal Computer,IPC）,进而实现工业过程自动化和智能化。

但是对于家用电器、医疗仪器、工控仪表、汽车电器等众多小型对象系统，则无法通过IPC实现其智能化。这就需要发展一类特殊的嵌入式计算机系统，使其能嵌入这些小型被控对象之中,成为智能化的核心。为此，单片微型计算机（Single Chip Microcomputer,SCM）,简称单片机，就应运而生了。

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把中央处理器（CPU）、程序存

储器（ROM）、数据存储器（RAM）、并行输入/输出（I/O）口、串行口、中断系统、定时/计数器（T/C）、总线控制器、片内时钟等电路，集成到一块硅片上构成的一个微型计算机系统，即一块芯片就是一台微型计算机。图1.1为Intel（英特尔）公司早年研发的MCS-51单片机的内部结构和40引脚的80C51芯片外形。

虽然单片机只是一个单一的芯片，但如果将其与相关电路结合在一起，并在专门为其开发的程序控制下，便可组成一个智能化的应用系统。图1.2是一个用单片机控制步进电机的应用系统实例。

由图1.2可见，单片机与外围电路，如支持电路、接口电路、输入电路、被控电路，以及控

制程序共同组成了一个嵌入式控制系统，实现了对步进电机的运动控制。

随着单片机技术的进步，许多外围电路也被集成到单片机中，这样将使应用系统的电路进一步简化，从而提高系统的可靠性。

1.1.2单片机的应用领域

与大体积和高成本的通用计算机相比，单片机的特点是体积小、可靠性高和性价比高。目前单片机已广泛应用于生产和生活的各个领域，成为现代电子系统中最重要的微型智能化中心。

单片机的主要应用领域如下。

1.工业自动化控制系统

用单片机可以构成形式多样的工业控制系统，如数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统等。此外，在工厂流水线的智能化管理系统、电梯智能化控制系统、各种报警系统、与计算机联网构成的控制系统、机电一体化控制系统等方面，单片机都发挥着非常重要的作用。

2.智能仪器仪表