单片机原理与应用技术

第 1 章 计算机概述 ..................................1
1.1 绪论 ..................................................1
1.1.1 计算机发展简史 ............................ 1
1.1.2 计算机工作原理 ............................ 2
1.1.3 计算机应用领域 ............................ 4
1.1.4 计算机发展趋势 ............................ 5
1.2 微型计算机系统 ..............................6
1.2.1 微型计算机系统的定义与特点 ..... 7
1.2.2 微型计算机系统的组成 ................ 9
1.2.3 微型计算机系统的应用与发展 .... 10
1.3 嵌入式计算机系统 ........................10
1.3.1 嵌入式系统的定义与特点 .......... 10
1.3.2 嵌入式系统的结构 ...................... 11
1.3.3 嵌入式系统的应用与发展 .......... 12
第 2 章 计算机基础知识 .........................16
2.1 计算机中的数制与编码 ................16
2.1.1 数制及转换方法 .......................... 16
2.1.2 计算机中数的表示及运算 .......... 19
2.1.3 计算机中的常用编码 .................. 21
2.2 计算机的基本组成电路 ................24
2.2.1 逻辑门电路 .................................. 24
2.2.2 触发器电路 .................................. 25
2.2.3 三态输出电路 .............................. 27
2.2.4 寄存器电路 .................................. 27
2.2.5 存储器电路 .................................. 28
2.2.6 时序及时钟电路 .......................... 29
第 3 章 微型计算机的基本结构和工作原理 ....................................32
3.1 微型计算机的基本结构 ................32
3.2 微处理器 ........................................33
3.2.1 控制器 .......................................... 34
3.2.2 运算器 .......................................... 34 3.3 存储器 ............................................34
3.3.1 存储器的分类 .............................. 34
3.3.2 存储器结构及寻址 ...................... 35
3.4 I/O接口电路 ...................................37
3.4.1 接口电路功能 .............................. 37
3.4.2 I/O接口电路分类 ......................... 38
3.4.3 接口电路控制方式 ...................... 38
3.5 总线及其工作原理 ........................39
3.5.1 总线工作原理 .............................. 39
3.5.2 总线特性 ...................................... 40
3.5.3 总线分类 ...................................... 40
3.6 指令与程序概述 ............................41
3.6.1 指令系统简介 .............................. 41
3.6.2 程序设计语言 .............................. 42
3.6.3 微型计算机工作过程 .................. 44
第 4 章 单片机概论 ................................46
4.1 单片机的特点及发展概况 ............46
4.1.1 单片机 — 微控制器嵌入式应用的概念 .................................. 46
4.1.2 单片机的特点和应用 .................. 47
4.1.3 单片机的历史与发展 .................. 50
4.2 常用单片机系列介绍 ....................51
4.2.1 MCS-51系列单片机 .................... 52
4.2.2 80C51系列单片机 ....................... 53
4.2.3 STC系列单片机 ........................... 55
4.2.4 CY7C680XX系列单片机 ............ 57
4.2.5 C8051系列单片机 ....................... 62
第 5 章 MCS-51 单片机结构和时序 .......67
5.1 MCS-51单片机结构.......................67
5.1.1 MCS-51单片机的结构 ................ 67
5.1.2 MCS-51的封装与引脚 ................ 69
5.1.3 CPU的结构 .................................. 71 5.1.4 存储器结构 .................................. 75
5.1.5　输入/输出端口结构 ..................... 82
5.1.6 定时器/计数器 ............................. 87
5.1.7 中断系统 ...................................... 87
5.2 时序 ................................................87
5.2.1 振荡器和时钟电路 ...................... 88
5.2.2 CPU取指令，执行指令周期时序 ...................................... 90
5.3 单片机的工作方式 ........................92
5.3.1 复位操作 ...................................... 92
5.3.2 程序执行方式 .............................. 94
5.3.3 低功耗工作方式 .......................... 94
第 6 章 MCS-51 单片机指令系统 ...........97
6.1 指令系统简介 ................................97
6.1.1 指令概述 ...................................... 97
6.1.2 指令格式 ...................................... 97
6.1.3 指令的分类 .................................. 97
6.1.4 指令中的符号 .............................. 98
6.2 MCS-51的寻址方式.......................99
6.2.1 立即寻址（ImmediateAddressing） ................................ 99
6.2.2 直接寻址（DirectAddressing） .............................. 100
6.2.3 寄存器寻址（RegisterAddressing） .............................. 100
6.2.4 寄存器间接寻址（RegisterIndirect Addressing） ................ 101
6.2.5 基址寄存器加变址寄存器的间接寻址（Base Register Plus IndexR egister Indirect Addressing） ... 102
6.2.6 相对寻址 .................................... 102
6.2.7 位寻址 ........................................ 103
6.3 MCS-51指令系统.........................104
6.3.1 数据传送类指令 ........................ 104
6.3.2 算术运算类指令 ........................ 110
6.3.3 逻辑运算类指令 ........................ 116
6.3.4 控制转移类指令 ........................ 120
6.3.5 布尔变量操作类指令 ................ 127 第 7 章 汇编语言程序设计 ...................131
7.1 汇编语言语句的格式 ..................131
7.2 伪指令 ..........................................132
7.2.1 汇编起始指令（ORG） ............ 132
7.2.2 汇编结束命令（END） ............ 132
7.2.3 赋值命令（EQU） .................... 132
7.2.4 数据地址赋值命令（DATA） . 133
7.2.5 定义字节指令（DB） .............. 133
7.2.6 定义字命令（DW） ................. 133
7.2.7 定义空间命令（DS） ............... 134
7.2.8 位地址符号命令（BIT） .......... 134
7.3 汇编语言源程序的编程和汇编
......................................................134
7.3.1 源程序编辑 ................................ 135
7.3.2 源程序汇编 ................................ 135
7.4 汇编语言程序设计方法 ..............136
7.4.1 简单程序 .................................... 136
7.4.2 分支程序 .................................... 137
7.4.3 循环程序 .................................... 139
7.4.4 查表程序 .................................... 142
7.4.5 子程序 ........................................ 143
7.5 综合编程举例 ..............................145
7.5.1 算术运算类程序 ........................ 145
7.5.2 代码转换类程序 ........................ 150
7.5.3 查表程序 .................................... 153
7.5.4 软件看门狗 ................................ 154
7.5.5 数字滤波程序 ............................ 156
第 8 章 嵌入式单片机高级 C51程序设计 ..................................160
8.1 嵌入式高级C语言编程概述 ........160
8.2 嵌入式C语言编译环境介绍 ........160
8.2.1 Keil C集成开发环境介绍 ......... 161
8.2.2 Keil C工程的建立与设置 ......... 163
8.3 Keil C51与标准C .........................168
8.3.1 Keil C51扩展关键字 ................. 168
8.3.2 内存区域（Memory Areas） .... 169
8.3.3 特殊功能寄存器SFR ................. 170
8.3.4 存储类型标示符的声明 ............ 170
8.3.5 存储模式 .................................... 171 8.3.6 数据类型 .................................... 171
8.3.7 位变量与声明 ............................ 174
8.3.8 Keil C51指针 ............................. 174
8.3.9 Keil C51函数 ............................. 175
8.4 C51语言的程序流程控制 ............178
8.4.1 条件语句（if） .......................... 178
8.4.2 循环语句 .................................... 179
8.4.3 break语句、continue语句和goto语句.................................. 180
8.4.4 选择语句（switch） .................. 181
第 9 章 基于 Proteus ISIS 的现代嵌入式系统仿真技术 ................183
9.1 Proteus ISIS仿真系统介绍 ..........183
9.1.1 Proteus ISIS简介 ........................ 183
9.1.2 Proteus ISIS操作界面介绍 ........ 183
9.2 原理图绘制的方法和步骤 ..........188
9.2.1 基本操作 .................................... 188
9.2.2 创建新的设计文件 .................... 189
9.2.3 设置图纸类型 ............................ 190
9.2.4 图形编辑基本操作 .................... 190
9.2.5 将所需元器件加入对象选择器 ........................................ 193
9.2.6 放置元器件 ................................ 195
9.2.7 绘制总线 .................................... 196
9.2.8 元件间导线连接（Wiring Up Componentson the Schematic）............... 197
9.2.9 导线标注（Part Labels） .......... 197
9.3 Proteus VSM的电路分析 .............198
9.3.1 激励源 ........................................ 198
9.3.2 虚拟仪器 .................................... 202
9.3.3 探针 ............................................ 204
9.3.4 图表分析 .................................... 204
9.4 Proteus ISIS联合Keil C仿真8051及虚拟串口 ..........................207
9.4.1 Proteus ISIS与Keil C软件设置 .... 207
9.4.2 虚拟串口Virtual Serial PortDriver 6.0 ............................ 209
9.4.3 串口调试工具SSCOM及Secure CRT介绍 ........................ 210 9.4.4 基于Proteus ISIS的MCS-51*小仿真电路及相关设置 ........ 211
第 10 章 基本 51 内核单片机内部功能以及外部系统扩展和应用 .......213
10.1 定时/计数器介绍及基于Proteus ISIS的仿真 ....................213
10.1.1 概述 .......................................... 213
10.1.2 定时/计数器的控制字 ............. 214
10.1.3 定时/计数器的4种工作模式 .... 215
10.1.4 定时/计数器的编程及应用 ..... 218
10.2 中断系统 ....................................224
10.2.1 中断系统的组成及中断源 ...... 224
10.2.2 中断控制 .................................. 225
10.2.3 中断处理 .................................. 228
10.2.4 中断使用方法 .......................... 231
10.3 串行通信介绍及基于ProteusISIS的仿真 .................................233
10.3.1 串行口的结构与控制 .............. 233
10.3.2 串行口工作方式和波特率 ...... 236
10.3.3 基于Proteus ISIS的基本串行口应用仿真实例 .............. 239
10.3.4 串行口的扩展应用及基于Proteus ISIS的仿真实例 .......... 241
10.4 单片机的外部并行扩展 ............255
10.4.1 外部并行扩展性能 .................. 256
10.4.2 程序存储器的扩展 .................. 258
10.4.3 数据存储器的扩展 .................. 261
10.5 可编程并行接口芯片8255 ........263
10.5.1 8255的内部结构 ...................... 264
10.5.2 8255的引脚功能 ...................... 265
10.5.3 8255的控制字、状态字 .......... 267
10.5.4 8255的工作方式及与MCS-51单片机的连接............. 268
10.6 串行外部总线扩展技术及基于Proteus ISIS的仿真 ............272
10.6.1 常用串行外部总线扩展技术概述 .................................. 272
10.6.2 AT93C46/56/66 E 2 PROM特性 ................................... 276 10.6.3 AT93C46 E 2 PROM应用实例............................................ 281
10.6.4 SPI25AA010A的应用及基于Proteus ISIS的仿真实例 .......... 285
10.6.5 M24C04的应用及基于ProteusISIS的仿真实例 ....................... 287
10.7 键盘输入及其接口 ....................288
10.7.1 独立键盘接口 .......................... 288
10.7.2 矩阵式按键接口 ...................... 290
10.8 LED&LCD显示及显示器接口 ............................................295
10.8.1 LED显示及其接口 .................. 295
10.8.2 LCD液晶显示原理及其接口 .................................. 300
10.8.3 16X2字符型液晶1602A驱动仿真实例 .................................. 303
10.8.4 192X64图形点阵液晶TG19264A驱动仿真实例 .......................... 307
10.8.5 真空荧光显示器（VFD）及显示器接口 .......................... 309
10.9 基于GSM通信系统的电力接地线状态远程监控系统设计 ....321
10.9.1 电力接地线状态远程监控系统设计 .................................. 322
10.9.2 智能接地线监控装置（下位机）硬件设计 .............. 324
10.9.3 智能接地线监控装置软件设计 .................................. 326
第 11 章 基于 MCS-51 的 A/D、D/A 应用 ................................336
11.1 A/D转换原理及应用 .................336
11.1.1 ADC转换原理及技术性能指标 .................................. 336
11.1.2 ADC0809与单片机的接口与应用 ................................. 337 11.1.5 TLC2543 A/D转换器应用及基于Proteus ISIS的仿真实例 .. 348
11.2 DAC的接口及应用 ....................352
11.2.1 DAC转换器技术性能指标 ...... 352
11.2.2 DAC 0832与单片机的接口及应用 ...................................... 353
11.2.3 AD7520与单片机的接口及应用 ...................................... 356
第 12 章 单片机应用实例（四旋翼飞行器飞控系统的设计） ........359
12.1 四旋翼飞行器飞控系统原理介绍 ............................................359
12.1.1 四旋翼飞行器飞行控制原理 .................................. 359
12.1.2 四旋翼飞控技术架构 .............. 360
12.2 四旋翼飞行器基本工作原理 ....361
12.3 飞控硬件电路设计与器件选型 ................................362
12.3.1 飞控硬件总体设计框图 .......... 362
12.3.2 电机驱动电路设计 .................. 362
12.3.3 姿态传感器组电路设计 .......... 363
12.3.4 无线通信与遥感 ...................... 364
12.3.5 PPM与调速电路设计 .............. 365
12.4 飞行控制器软件设计 ................366
12.4.1 飞控程序的控制流程 .............. 366
12.4.2 飞控软件总体设计概要 .......... 366
12.4.3 姿态控制原理与算法 .............. 366
12.4.4 遥控数据接收PPM解码 .......... 367
12.4.5 姿态传感器数据采集与姿态解算 .............................. 368
12.5 飞控系统调试与实验 ................369
12.5.1 PPM解码调试与PWM调速原理 .................................. 369
12.5.2 电机驱动与PWM控制波形调试 .................................. 369
12.5.3 姿态解算实验 .......................... 370
12.5.4 PID飞控算法调试 .................... 370
12.5.5 自稳模式控制调试 .................. 370
12.5.6 飞控整机测试 .......................... 371
参考文献 ................................................372
111.1.5 TLC2543 A/D转换器应用及