单片机原理及应用（第5版）

前    言
作为微型计算机的一个重要分支——单片机发展迅速，应用领域日益扩大，特别是在工业测控、智能仪器仪表、机电一体化产品、家电等领域得到了广泛的应用。因此，世界上许多集成电路生产厂商相继推出了各种类型的单片机，尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高、处理能力强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，在我国也得到了广泛的应用，并取得了令人瞩目的成果。尽管目前世界各大单片机生产公司研制的各种高性能、不同型号的单片机不断问世，但由于MCS-51系列单片机具有易于学习和掌握、性价比高等优点，并且以MCS-51系列单片机基本内核为核心的各种扩展和增强型的单片机不断推出，形成的51系列单片机具有较好的系统性和完整性，再加上几十年来，国内已积累了丰富的技术资料、完整的实验环境与开发设备，因此51系列单片机技术非常适合课堂教学，学懂、弄通51系列单片机的基本理论与应用技术，也就打好了学习、应用单片机的基础。因此，51系列单片机原理及应用课程是学习和掌握“单片机应用系统”设计的基础课程，通过理论和实践的学习，可以达到独立设计“以CPU为核心的自动化产品”的能力。
在单片机应用系统开发过程中，软件编程占有非常重要的地位。汇编语言是接近于机器语言的编程语言。如果说机器语言是计算机操作的本质，那么汇编语言就是接近本质的语言。汇编语言操作直接面向硬件，所以在使用汇编语言的时候，能够感知计算机的运行过程和原理，从而能够对计算机硬件和应用程序之间的联系和交互形成一个清晰的认识。这也是能够锻炼编程者编程思维逻辑的，对一个编程人员应该具备的基本素质的培养和形成是具有重大意义的。只有这样，学习者才能形成一个软硬兼备的编程知识体系，这是任何高级语言都无法给予的，从汇编开始学习更符合循序渐进的学习原理。所以对于计算机技术初学者或者自学者，汇编语言的重要性无可替代。
本书在第4版的基础上，对部分例题进行了修改，实例中增加了调试结果说明，希望读者可以更好地理解编程思路。在内容编排上更符合教学规律和要求，力求论述精练、正确、由浅入深、重点突出、理论联系实际，进一步提高全书的系统性、完整性和实用性，力争把本书编写成经典。
本书从教学的角度出发，以51系列单片机硬件为硬件基础，以汇编语言为软件编程基础，系统、全面地介绍51系列单片机的基本知识与基本应用，是一本重在原理与应用、兼顾理论的实用教程。本书通俗易懂、条理清晰、实例丰富，符合当前单片机课程的教学要求。本书的主要内容包括：概述、51系列单片机硬件基础、51系列单片机指令系统与汇编语言程序设计、51系列单片机内部功能部件（并行I/O口、中断系统、定时器/计数器、串行口）的应用基础、51系列单片机外部并行扩展接口技术、51系列单片机外部串行总线（SPI、I2C、1-wire）扩展技术、单片机应用系统设计概述、?Vision2和Proteus使用基础。本书在重要章节提供大量的实例进行讲解，在实例的开始进行实例分析，在实例运行结束进行总结，并提出问题让读者思考、修改，硬件设计实例都经过Proteus仿真，所有实例程序都可以在Keil平台上运行；每章附有本章小结和习题以巩固所学知识。
本书的另一个特色是对主要章节提供了实验与设计内容。在实验中给出实验目的、电路、基本内容、参考程序，任课教师可以根据具体情况对实验进行丰富与设计；设计题是为了锻炼读者综合分析问题与解决问题的能力，在硬件和软件上都提出了设计要求，读者可以根据所学知识在硬件和软件上进行详细的设计。
作者对本书内容的处理基于基础、直观、实用、系统、应用等特点：
① 详细介绍51系列单片机的硬件知识，使读者能系统、全面的掌握51系列单片机的硬件结构，具备了“单片机应用系统硬件设计”的能力。
② 详细介绍51系列单片机的指令系统，使读者能系统、全面的掌握51系列单片机的指令系统及汇编语言的设计，具备了“熟练地使用汇编语言进行单片机简单应用程序设计”的能力，使“程序”能尽快的运行起来。从实用的角度出发，部分实例采用了C51语言编程。
③ 简单介绍Keil和Proteus的应用基础，使“程序”在相应平台上能尽快地运行起来，达到“能用”的程度，做到“先入门再深入”，更深层次的内容还需要查看有关资料。
本书的作者都是长期使用单片机进行教学、科研和实际生产工作的教师和工程师，有着丰富的教学和实践经验。在内容编排上，按照读者学习的一般规律，结合大量实例讲解，能够使读者快速、真正地掌握51系列单片机的使用。本书提供配套电子课件、习题参考答案、仿真电路图和程序代码等，请登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）免费注册下载。
本书可作为高等学校自动化、电气工程及其自动化、计算机应用、电子信息工程、机电一体化等专业的教材，也可供从事单片机应用与产品开发工作的工程技术人员学习参考。
本书由姜志海、王蕾、姜沛勋编写。第2、5、6、7、8、9章由姜志海编写；第3、4章由王蕾编写；第1、10章由姜沛勋编写。全书由姜志海整理与统稿。
本书在编写过程中得到了许多专家和同行的大力支持和热情帮助，他们对本书提出了许多建设性的建议和意见，在此一并表示衷心的感谢。
鉴于作者水平有限，加之新的单片机芯片不断涌现，其应用技术也在高速发展，书中难免有不完善和不足之处，恳请广大读者批评指正！                          

作  者       
2020年9月

本书从教学的角度出发，系统、全面地介绍51系列单片机的基本知识，是一本重在原理与应用、兼顾理论的实用教程。主要内容包括：单片机概述，51系列单片机硬件结构、指令系统与汇编语言程序设计、P0～P3应用基础、中断系统应用基础、定时器/计数器应用基础、串行口应用基础、并行扩展接口技术、串行总线扩展、应用系统设计概述、?Vision2和Proteus使用基础等。全书包含大量示例，硬件示例都经过了Proteus仿真，所有例题程序都可在Keil上运行。每章配有本章小结、习题、实验与设计，免费提供配套电子课件、习题参考答案、仿真电路和程序源代码。

姜志海，男，山东理工大学教授，长期从事高等学校电子信息领域相关课程一线教学，主持和参与多项和省部级科研和教研项目，教学和科研经验丰富。出版多部著作，是优秀的资深高等教材作者。

目 录 

第1章 概述 1 
1.1 微型计算机基础概述 1 
1.1.1 冯·诺依曼体系 1 
1.1.2 微型计算机的基本结构 2 
1.1.3 计算机中的数制 5 
1.1.4 ASCII码与BCD码 6 
1.2 单片机概述 7 
1.2.1 自动化 7 
1.2.2 单片机 9 
1.2.3 单片机应用系统基本结构 13 
1.2.4 单片机开发系统（环境） 17 
1.3 中断、定时器/计数器、串行通信、 
并行通信概述 19 
1.3.1 中断概述 19 
1.3.2 定时器/计数器概述 19 
1.3.3 并行通信与串行通信概述 20 
本章小结 22 
习题 22 
第2章 51系列单片机硬件基础 23 
2.1 总体结构 23 
2.1.1 内部结构 24 
2.1.2 外部引脚 25 
2.1.3 CPU的时序周期 27 
2.2 存储器结构 28 
2.2.1 程序存储器 28 
2.2.2 数据存储器 29 
2.2.3 特殊功能寄存器 30 
本章小结 33 
习题 33 
第3章 51系列单片机指令系统 34 
3.1 指令系统概述 34 
3.1.1 指令格式 34 
3.1.2 操作数的类型 35 
3.1.3 指令描述约定 35 
3.2 寻址方式 36 
3.2.1 概述 36 
3.2.2 寻址方式说明 36 
3.3 指令系统 38 
3.3.1 数据传送类指令 39 
3.3.2 算术运算类指令 43 
3.3.3 逻辑运算类指令 49 
3.3.4 控制转移类指令 51 
3.3.5 位操作类指令 56 
3.4 伪指令 58 
3.4.1 概述 58 
3.4.2 伪指令说明 58 
本章小结 61 
习题 61 
第4章 51系列单片机汇编语言程序设计 63 
4.1 程序设计概述 63 
4.1.1 程序设计步骤 63 
4.1.2 程序设计技术 64 
4.1.3 评价程序质量的标准 64 
4.2 基本结构程序设计举例 65 
4.2.1 顺序结构程序 65 
4.2.2 分支结构程序 66 
4.2.3 循环结构程序 68 
4.3 查表程序及子程序设计举例 71 
4.3.1 查表程序 71 
4.3.2 子程序 73 
4.4 数制转换与数字滤波程序设计举例 74 
4.4.1 数制转换程序 74 
4.4.2 数字滤波程序 76 
4.5 实验 77 
实验1 多重循环——冒泡程序设计 77 
实验2 多位BCD码减法 78 
本章小结 78 
习题 79 
第5章 51系列单片机P0～P3口应用基础 80 
5.1 P0～P3口概述 80 
5.1.1 结构 80 
5.1.2 通用I/O口工作方式 82 
5.1.3 特点总结 82 
5.2 P0～P3口输出操作 83 
5.2.1 基本输出操作——字节与位 83 
5.2.2 扩展输出操作——流水灯 84 
5.2.3 扩展输出操作——8段LED 
显示 85 
5.3 P0～P3口输入操作 90 
5.3.1 闸刀型开关输入信号 90 
5.3.2 按钮型开关输入信号 91 
5.3.3 多个按钮型开关输入信号—— 
键盘 93 
5.4 实验与设计 97 
实验1 闸刀型开关输入/8段LED 
静态显示输出 97 
实验2 并行接口键盘/LED指示灯 
输出 98 
设计1 计时秒表的设计 101 
设计2 模拟交通信号灯控制装置的 
设计 101 
本章小结 101 
习题 102 
第6章 51系列单片机中断系统应用基础 103 
6.1 中断结构与控制 103 
6.1.1 中断系统结构 103 
6.1.2 中断控制寄存器 104 
6.2 中断优先级与中断子程序 106 
6.2.1 中断优先级 106 
6.2.2 中断子程序 107 
6.3 外部中断应用实例 108 
6.3.1 外部中断源初始化 108 
6.3.2 外部中断实例 108 
6.3.3 外部中断源的扩展 112 
6.4 实验与设计 113 
实验 按钮型开关模拟外部中断实验 113 
设计 出租车计价器里程计量装置的 
设计 114 
本章小结 115 
习题 115 
第7章 51系列单片机定时器/计数器应用 
基础 116 
7.1 定时器/计数器概述 116 
7.1.1 结构 116 
7.1.2 控制寄存器 117 
7.2 工作模式 118 
7.2.1 模式1与模式0 118 
7.2.2 模式2 120 
7.2.3 模式3 120 
7.3 定时器/计数器的应用举例 121 
7.3.1 定时器/计数器的初始化 121 
7.3.2 应用举例 122 
7.4 实验与设计 128 
实验1 按钮型开关模拟计数器实验 128 
实验2 定时器实验 129 
设计1 出租车计价器里程计量装置 
的设计 131 
设计2 计时钟的设计（倒计时） 131 
本章小结 131 
习题 131 
第8章 51系列单片机串行口应用基础 133 
8.1 串行通信基础 133 
8.1.1 异步串行通信与同步串行通信 133 
8.1.2 波特率 136 
8.2 51系列单片机的串行接口概述 137 
8.2.1 结构原理 137 
8.2.2 应用控制 138 
8.3 串行口的工作方式 139 
8.3.1 工作方式0 139 
8.3.2 工作方式1 142 
8.3.3 工作方式2 146 
8.3.4 工作方式3 146 
8.4 串行口应用实例 147 
8.4.1 编程基础 147 
8.4.2 应用实例 149 
8.5 实验与设计 152 
实验 两个单片机串行通信实验 152 
本章小结 154 
习题 155 
第9章 51系列单片机并行扩展接口技术 156 
9.1 并行I/O口扩展基础 156 
9.1.1 并行扩展总线结构图 156 
9.1.2 典型的锁存器芯片74LS273 157 
9.1.3 典型的三态缓冲器74LS245 158 
9.1.4 可编程的I/O接口芯片8255A 158 
9.2 并行总线的连接 162 
9.2.1 数据线、控制线的连接 162 
9.2.2 译码信号的形成—系统扩展 
的寻址 163 
9.3 并行I/O接口芯片扩展实例 165 
9.3.1 利用74LS273与74LS245扩展 
并行的输入/输出口实例 165 
9.3.2 利用8255A作为8段LED静态 
显示输出口的实例 166 
9.3.3 利用8255A作为8段LED动态 
显示输出口的实例 168 
9.4 模拟量接口技术 170 
9.4.1 概述 170 
9.4.2 8位并行D/A转换器DAC0832 
接口实例 171 
9.4.3 12位并行D/A转换器DAC1208 
接口实例 177 
9.4.4 8位并行A/D转换器ADC0809 
接口实例 178 
9.5 实验与设计 182 
实验1 DAC0832单缓冲实验 182 
实验2 ADC0809数据采集实验 183 
设计 波形发生器的设计 185 
本章小结 185 
习题 185 
第10章 51系列单片串行总线的扩展 187 
10.1 I2C总线接口技术 187 
10.1.1 I2C总线概述 187 
10.1.2 I2C总线典型器件AT24C02 
应用实例 189 
10.2 SPI总线接口技术 192 
10.2.1 SPI总线概述 192 
10.2.2 典型器件X25045应用实例 193 
10.3 单总线（1-wire）接口技术 198 

10.3.1 单总线（1-wire）概述 198 
10.3.2 典型器件DS18B20应用实例 199 
10.4 典型串行接口芯片应用实例 204 
10.4.1 串行A/D接口芯片TLC2543 204 
10.4.2 键盘/显示器串行接口芯片 
HD7279 208 
本章小结 214 
习题 214 
第11章 单片机应用系统的设计 215 
11.1 单片机应用系统结构及设计内容 215 
11.1.1 单片机应用系统的一般硬件 
组成 215 
11.1.2 单片机应用系统的设计内容 218 
11.2 单片机应用系统的设计实例—— 
集中供暖小型换热站控制系统的 
设计 218 
11.2.1 系统描述 218 
11.2.2 设计方案 219 
11.2.3 硬件电路设计 220 
11.2.4 软件设计 223 
本章小结 224 
第12章 μVision2与Proteus使用基础 225 
12.1 μVision2集成开发环境 225 
12.1.1 目标文件.HEX的生成 226 
12.1.2 用μVision2调试工程 230 
12.2 Proteus快速入门 233 
12.2.1 集成Proteus ISIS环境及菜 
单栏 234 
12.2.2 Proteus软件中的.HEX文件 
的运行 235 
附录A ASCII码字符表 237 
附录B 单片机应用资料的查询网址 238 
附录C Proteus常用分离器件名称 239 
参考文献 240

本书从教学的角度出发，系统、全面地介绍51系列单片机的基本知识，是一本重在原理与应用、兼顾理论的实用教程。主要内容包括：单片机概述，51系列单片机硬件结构、指令系统与汇编语言程序设计、P0～P3应用基础、中断系统应用基础、定时器/计数器应用基础、串行口应用基础、并行扩展接口技术、串行总线扩展、应用系统设计概述、?Vision2和Proteus使用基础等。全书包含大量示例，硬件示例都经过了Proteus仿真，所有例题程序都可在Keil上运行。每章配有本章小结、习题、实验与设计，免费提供配套电子课件、习题参考答案、仿真电路和程序源代码。

姜志海，男，山东理工大学教授，长期从事高等学校电子信息领域相关课程一线教学，主持和参与多项和省部级科研和教研项目，教学和科研经验丰富。出版多部著作，是优秀的资深高等教材作者。