本书以国内广泛使用的MCS-51系列单片机中的8051为对象，介绍了其主要的内部资源、基本结构、工作原理、学习方法和基本的程序设计方法，包括单片机辅助软件的推荐与应用、常用单片机外围硬件的应用、定时/计数器、中断系统、内部接口、串行通信接口的使用方法，重点介绍了MCS-51单片机的常用接口及控制技术和单片机应用系统开发及应用技术。
　　针对单片机原理及应用，本着理论够用的原则，突出实用性、可操作性，在编排上由浅入深，循序渐进，精选内容，突出重点，适当增加了一些当今流行的新器件和新技术；对于接口技术和应用系统，提供了详细的原理说明、电路图、完整的程序代码及程序流程图。
　　本书可作为高职高专院校自动化、电子信息、机电、电力和计算机等专业的教材，也可以作为工程技术人员的参考书。

　本书仍以MCS-51系列单片机为主，介绍单片机的原理与应用，但是，与第1版相比，本版更加注重介绍单片机的学习方法、单片机开发软件、外围硬件的接口技术和工程实践中关键技术的应用。
　　在学习方法方面，不但介绍了怎样去学，还详细介绍了软件下载安装、仿真电路的构建、应用程序的编辑，以及程序的下载过程，尤其指明了结合串口调试软件程序的方法，为程序的开发提供极大的帮助；在软件方面，新版教材中，为读者推荐并详细讲解了多款配套应用软件，这些软件可以使读者学习起来更直观、容易，降低学习成本，也使单片机的学习更贴近工程实际。如单片机小精灵在教材中的引入，将会颠覆以前教材中对某些基本能力培养的思想，使读者再也不用花大量时间去计算延时、去配置串口通信参数、去计算定时计数器的参数了；还比如字模软件的使用，让读者可以轻松自如地实现大量多样式汉字和图案的显示。在硬件方面，推荐并详细讲解了多种工程实际中常用的硬件应用方法，提供了开发程序，并对使用头文件进行封装以方便工程应用的思想做出指导；在单片机关键技术方面所论述的内容，多是工程实际中的瓶颈技术，但这些内容在其他教材中鲜有提及，在此可引起读者注意，并给予一定的方向性指导。
　　本教材在程序的开发上，采用比汇编语言更高级的C语言，使程序的编辑更加得心应手，也更适合于工程开发应用。

　本教材第1版在使用中取得了较好的效果。但是，随着单片机及相关技术的飞速发展，第1版教材的内容已略显落后。经过多位一线教师的协商和努力，历经两年的时间，在原版的基础上进行了修订与完善，最终完成了第2版教材的编写。
　　本书仍以MCS-51系列单片机为主，介绍单片机的原理与应用，但是，与第1版相比，本版更加注重介绍单片机的学习方法、单片机开发软件、外围硬件的接口技术和工程实践中关键技术的应用。
　　在学习方法方面，不但介绍了怎样去学，还详细介绍了软件下载安装、仿真电路的构建、应用程序的编辑，以及程序的下载过程，尤其指明了结合串口调试软件程序的方法，为程序的开发提供极大的帮助；在软件方面，新版教材中，为读者推荐并详细讲解了多款配套应用软件，这些软件可以使读者学习起来更直观、容易，降低学习成本，也使单片机的学习更贴近工程实际。如单片机小精灵在教材中的引入，将会颠覆以前教材中对某些基本能力培养的思想，使读者再也不用花大量时间去计算延时、去配置串口通信参数、去计算定时计数器的参数了；还比如字模软件的使用，让读者可以轻松自如地实现大量多样式汉字和图案的显示。在硬件方面，推荐并详细讲解了多种工程实际中常用的硬件应用方法，提供了开发程序，并对使用头文件进行封装以方便工程应用的思想做出指导；在单片机关键技术方面所论述的内容，多是工程实际中的瓶颈技术，但这些内容在其他教材中鲜有提及，在此可引起读者注意，并给予一定的方向性指导。
　　本教材在程序的开发上，采用比汇编语言更高级的C语言，使程序的编辑更加得心应手，也更适合于工程开发应用。
　　本书共分8章，包括绪论、MCS-51单片机的体系结构、MCS-51单片机的C51程序设计、MCS-51中断系统及定时/计数器、MCS-51单片机的串口通信、单片机的系统扩展、单片机的关键技术、MCS-51单片机应用系统的设计。
　　本书由河南农业职业学院的姚国林副教授任主编，朱卫国和苏闯任副主编，樊留锁、张剑锋、姬素云、王海娜、郑传琴、杨灿、程海洲参加了编写。
　　本书由河南农业职业学院陈慕君副教授主审。
　　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，同时，我们也参考了有关教材、论文和著作，在此一并表示衷心的感谢。
　　由于新技术在不断涌现、不断发展，同时由于编者水平有限，书中难免会有错误或不妥之处，希望广大同行及读者不吝指正。
　　编者
　　2016.9

第1章 绪论 1
1.1 数制与编码的简单回顾 1
1.1.1 计算机中的数制及相互转换 1
1.1.2 二进制数的运算 4
1.1.3 带符号数的表示 7
1.1.4 带符号数运算时的溢出问题 8
1.1.5 定点数和浮点数 9
1.1.6 BCD码和ASCII码 9
1.2 单片机概述 11
1.2.1 电子计算机的问世及其经典
结构 11
1.2.2 微型计算机的组成及其应用
形态 11
1.2.3 单片机的发展过程 13
1.2.4 单片机的特点 13
1.2.5 单片机的应用领域 14
1.2.6 单片机的产品近况 14
1.3 单片机要怎样学 15
1.3.1 入门单片机类型和编程语言的
选择 15
1.3.2 准备一些硬件 16
1.3.3 准备一些软件 17
1.3.4 单片机的学习过程 17
1.3.5 在Proteus中搭接电路 18
1.3.6 程序的编译 21
1.3.7 程序的下载 22
习题1 23
第2章 MCS-51单片机的体系结构 25
2.1 MCS-51单片机的基本组成 25
2.1.1 80C51单片机的基本结构 25
2.1.2 MCS-51单片机的内部组成
及信号引脚 27
2.1.3 存储器的结构 30
2.1.4 80C51单片机的特殊功能
寄存器 33
2.2 并行输入/输出口的结构 35
2.2.1 P0口 36
2.2.2 P1口 37
2.2.3 P2口 38
2.2.4 P3口 39
2.2.5 并行接口的负载能力 40
2.3 时钟及复位电路 40
2.3.1 时钟电路及时序 40
2.3.2 单片机的复位电路 43
2.4 MCS-51单片机的最小系统 44
2.4.1 单片机最小应用系统举例 44
2.4.2 最小应用系统设计 45
习题2 45
第3章 MCS-51单片机的C51程序
设计 48
3.1 C51语言概述和程序结构 48
3.1.1 C语言的特点 48
3.1.2 C51语言的程序结构 49
3.2 标识符和关键字 52
3.3 C51语言的数据类型和运算符 54
3.3.1 C51语言的数据类型 54
3.3.2 C51语言的运算符 62
3.4 C51程序的基本结构 67
3.4.1 if语句 67
3.4.2 switch语句 68
3.4.3 循环语句 69
3.5 C51函数和预处理命令 70
3.5.1 函数的分类和定义 70
3.5.2 中断服务函数 72
3.5.3 C51的库函数 73
3.5.4 编译预处理命令 75
3.6 C51程序设计举例 77
习题3 79
第4章 MCS-51中断系统及定时/
计数器 81
4.1 MCS-51的中断系统 81
4.1.1 MCS-51的中断系统结构 81
4.1.2 MCS-51的中断源 82
4.1.3 MCS-51中断的控制 84
4.2 MCS-51单片机中断处理过程 86
4.2.1 中断响应条件和时间 86
4.2.2 中断响应过程 87
4.2.3 中断返回 88
4.2.4 中断程序举例 88
4.3 MCS-51的定时/计数器 92
4.3.1 定时/计数器的结构和工作
原理 92
4.3.2 定时/计数器的控制 93
4.3.3 定时/计数器的工作方式 94
4.3.4 定时/计数器用于外部中断
扩展 96
4.3.5 定时/计数器应用举例 96
习题4 100
第5章 MCS-51单片机的串口通信 102
5.1 串口通信的基本知识 102
5.1.1 通信的基本概念 102
5.1.2 串行通信的分类 102
5.1.3 串行通信的制式 103
5.1.4 串行通信接口标准 104
5.2 MCS-51单片机的串口及控制
寄存器 106
5.2.1 MCS-51串行口的结构 106
5.2.2 MCS-51串行控制寄存器 107
5.3 串口的工作方式 108
5.3.1 方式0 108
5.3.2 方式1 109
5.3.3 方式2和方式3 110
5.3.4 波特率的计算 111
5.4 串口的应用 112
5.4.1 双机通信 112
5.4.2 多机通信 117
习题5 124
第6章 单片机的系统扩展 125
6.1 简单I/O口的控制 125
6.1.1 简单输出控制 125
6.1.2 简单输入控制 127
6.2 LED和LCD段型显示屏 129
6.2.1 段型数码管 129
6.2.2 控制程序及流程图 133
6.3 键盘及接口 135
6.3.1 键盘原理及控制电路 135
6.3.2 矩阵键盘的按键识别方法 137
6.3.3 拨码盘 139
6.4 红外线遥控 141
6.4.1 红外遥控的工作原理 142
6.4.2 红外遥控的编码协议 142
6.4.3 红外遥控结合单片机的
应用 144
6.5 LCD点阵液晶显示器 147
6.5.1 TC1602A简介 147
6.5.2 控制电路 151
6.5.3 单片机对LCD1602的控制 151
6.6 DS1302实时时钟 154
6.6.1 实时时钟DS1302 154
6.6.2 控制电路 157
6.6.3 控制程序及流程图 158
6.7 ADC功能 162
6.7.1 A/D转换器概述 162
6.7.2 典型A/D转换器芯片
ADC0809 163
6.7.3 ADC0809电压测量电路 167
6.7.4 控制程序示例 168
6.8 温湿度测控 170
6.8.1 AM2303的发送字含义 170
6.8.2 AM2303的通信协议 170
6.8.3 AM2303测温湿度的示例 171
6.9 单片机与无线遥控 175
6.9.1 无线遥控编码方式 175
6.9.2 PT2262与PT2272的通信
协议 176
6.9.3 无线遥控的应用实例 177
6.10 语音芯片 185
6.10.1 SPI是什么 186
6.10.2 ISD4003语音芯片 187
6.10.3 ISD4003语音芯片的指令
与格式 188
6.10.4 单片机的SPI功能 190
6.11 单片机数据存储器的扩展 195
6.11.1 SD卡的通信模式 195
6.11.2 SD卡的SPI通信协议 196
6.11.3 单片机读写SD卡的实验 199
习题6 204
第7章 单片机的关键技术 206
7.1 电路板的设计与制作 206
7.1.1 电路、程序的仿真与调试 206
7.1.2 电路板的制作 207
7.2 干扰的来源与应对措施 212
7.2.1 外部传导干扰 212
7.2.2 外部辐射干扰 213
7.2.3 内部滋生干扰 213
7.2.4 软件抗干扰措施 214
7.2.5 保护引脚 215
7.3 数据保障性能 216
7.3.1 热复位时RAM区数据
不丢失 216
7.3.2 热复位时输出口数据
不丢失 218
7.3.3 掉电时数据不丢失 218
7.3.4 其他数据保障 221
7.4 单片机与上位机的联机通信 221
7.4.1 上位机通信界面的设计 222
7.4.2 编辑发生事件时的控制
程序 223
7.4.3 下位机单片机程序 225
7.5 单片机的加密 227
7.5.1 新产品能增加破解难度 228
7.5.2 用带有身份证的产品加密 228
7.5.3 在程序中加入所有者的
信息 229
7.5.4 硬件方法 230
习题7 230
第8章 MCS-51单片机应用系统的
设计 232
8.1 单片机应用系统概述 232
8.1.1 单片机应用系统的特点 232
8.1.2 MCS-51单片机应用系统的
设计方法 232
8.2 课程设计--16×16 LED显示 235
8.2.1 设计要求 235
8.2.2 16×16 LED显示总体设计
方案 235
8.2.3 硬件设计 237
8.2.4 编程要点及软件设计 237
8.3 课程设计--秒表 240
8.3.1 功能说明 240
8.3.2 关键技术及控制电路 241
8.3.3 控制程序 242
8.4 课程设计--电脑钟 243
8.4.1 设计要求 243
8.4.2 电脑钟的总体设计方案 243
8.4.3 硬件设计 244
8.4.4 软件设计及流程模块 245
习题8 251
附录1 MCS-51指令表 253
附录2 ASCII码表 257
参考文献 258

　第1章 绪 论
　　1.2 单片机概述
　　1.2.1 电子计算机的问世及其经典结构
　　1946年2月15日，第一台电子数字计算机ENIAC问世，这标志着计算机时代的到来。ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100kHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。与现代的计算机相比，它有许多不足，但它的问世，开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。
　　匈牙利籍数学家冯·诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了"程序存储"和"二进制运算"的思想，进一步构建了由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成的计算机经典结构，如图1-1所示。
　　图1-1 电子计算机的经典结构
　　1.2.2 微型计算机的组成及其应用形态
　　1. 微型计算机的组成
　　1971年1月，Intel公司的特德·霍夫在与日本商业通信公司合作研制台式计算器时，将原始方案的十几个芯片压缩成三个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据，另一芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，称为微处理器(即Intel 4004)。微处理器、存储器加上I/O接口电路组成了微型计算机。各部分通过地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)相连，如图1-2所示。
　　2. 微型计算机的应用形态
　　从应用形态上，微机可以分成3种。
　　(1) 多板机(系统机)。
　　将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板(即微机主板)上，而将各种适配板卡插在主机板的扩展槽上，并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一个机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统(简称系统机)。个人PC机也属于多板机。
　　图1-2 微型计算机的组成
　　(2) 单板机。
　　将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备(小键盘、LED显示器)等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序(固化在ROM中)，就构成了一台单板微型计算机(简称单板机)。
　　单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便，早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。
　　(3) 单片机。
　　在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。
　　微型计算机的3种应用形态如图1-3所示。
　　(a) 系统机 (b) 单板机 (c) 单片机
　　图1-3 微型计算机的3种应用形态
　　① 系统机(桌面应用)：属于通用计算机，主要应用于数据处理、办公自动化及辅助设计。
　　② 单板机(嵌入式应用)：属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。
　　③ 单片机：体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。
　　1.2.3 单片机的发展过程
　　单片机技术的发展过程可分为3个主要阶段。
　　1. 单芯片微机形成阶段
　　1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机，它包含8位CPU、1KB的ROM、64字节的RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。
　　其特点是：存储器容量较小，寻址范围小(不大于4KB)，无串行接口，指令系统的功能不强。
　　2. 性能完善提高阶段
　　1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机，它包含8位CPU、4KB的ROM、128字节的RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围为64KB，并有控制功能较强的布尔处理器。
　　其特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。
　　3. 微控制器化阶段
　　1982年，Intel推出MCS-96系列单片机，芯片内集成有16位CPU、8KB的ROM、232字节的RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器，寻址范围为64KB，片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。
　　其特点是：片内面向测控系统的外围电路增强，使单片机可以方便、灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。
　　1.2.4 单片机的特点
　　1. 控制性能好且可靠性高
　　单片机的实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其他计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以，单片机的可靠性非常高。
　　近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式(如在系统编程ISP)等方面都有了进一步的增强。
　　2. 体积小、价格低、易于产品化
　　单片机芯片实际上就是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时，还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少，从而使应用系统的印制板减小、接插件减少，安装简单方便。
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