单片机原理及接口技术（C51编程）（第2版）

本书详细介绍美国ATMEL公司的AT89S51/52单片机片内硬件资源及工作原理，重点介绍了单片机应用的各种技术实现以及相应的C51语言编程，如信息的显示与输入，中断，定时/计数，串行通信，模/数与数/模转换以及系统的并行与串行扩展的接口设计等。

张毅刚 哈尔滨工业大学教授，国家精品课程“单片机原理”负责人，并获国家精品资源共享课“单片机原理”建设立项。教育部全国高校网络培训中心“单片机原理”骨干教师高级研修班特聘主讲教师和黑龙江省教学名师获得者。主持并获得省高等教育教学成果一等奖2项，二等奖2项。获国家教学成果一等奖1项。普通高等教育“十五”、“十一五”和“十二五”国家级规划教材主编。主要科研方向为自动化测试技术、嵌入式控制器应用等。参加并完成多项科研项目，获国家科技进步二等奖1项，航天部科技进步奖5项。

目　录
第1章　单片机概述　1
1．1　什么是单片机　1
1．2　单片机的发展历史　2
1．3　单片机的特点　2
1．4　单片机的应用　3
1．5　单片机的发展趋势　4
1．6　MCS-51系列与AT89S5x系列单片机　5
1．6．1　MCS-51系列单片机　5
1．6．2　AT89S5x系列单片机　6
1．7　各种衍生品种的8051单片机　8
1．7．1　STC系列单片机　8
1．7．2　C8051F×××单片机　9
1．7．3　ADμC812单片机　9
1．7．4　华邦W77系列、W78系列单片机　9
1．8　PIC系列单片机与AVR系列单片机　10
1．8．1　PIC系列单片机　10
1．8．2　AVR系列单片机　11
1．9　其他的嵌入式处理器简介　11
1．9．1　嵌入式DSP处理器　12
1．9．2　嵌入式微处理器　12
思考题及习题　13
第2章　AT89S51单片机片内
硬件结构　15
2．1　AT89S51单片机的片内硬件结构　15
2．2　AT89S51的引脚功能　17
2．2．1　电源及时钟引脚　17
2．2．2　控制引脚　17
2．2．3　并行I/O口引脚　18
2．3　AT89S51的CPU　19
2．3．1　运算器　19
2．3．2　控制器　21
2．4　AT89S51单片机存储器的结构　21
2．4．1　程序存储器空间　22
2．4．2　数据存储器空间　22
2．4．3　特殊功能寄存器　23
2．4．4　位地址空间　26
2．5　AT89S51单片机的并行I/O端口　27
2．5．1　P0口　27
2．5．2　P1口　28
2．5．3　P2口　29
2．5．4　P3口　30
2．6　时钟电路与时序　30
2．6．1　时钟电路设计　31
2．6．2　机器周期、指令周期与指令时序　32
2．7　复位操作和复位电路　32
2．7．1　复位操作　32
2．7．2　复位电路设计　33
2．8　看门狗定时器（WDT）的使用　33
2．9　低功耗节电模式　35
2．9．1　空闲模式　35
2．9．2　掉电运行模式　36
2．10　AT89S52单片机与AT89S51单片机的
差异　36
2．10．1　AT89S52单片机与AT89S51
单片机片内硬件资源的差别　37
2．10．2　AT89S52的引脚　37
2．10．3　AT89S52单片机的存储器结构　37
思考题及习题　40
第3章　C51编程语言基础　43
3．1　C51编程语言简介　43
3．1．1　C51语言与8051汇编语言的比较　43
3．1．2　C51语言与标准C语言的比较　44
3．2　C51语言程序设计基础　44
3．2．1　C51语言中的数据类型与
存储类型　45
3．2．2　C51语言的特殊功能寄存器及
位变量定义　49
3．2．3　C51语言的绝对地址访问　51
3．2．4　C51的基本运算　52
3．2．5　C51的分支与循环程序结构　54
3．2．6　C51的数组　60
3．2．7　C51的指针　62
3．3　C51语言的函数　63
3．3．1　函数的分类　63
3．3．2　函数的参数与返回值　64
3．3．3　函数的调用　65
3．3．4　中断服务函数　66
3．3．5　变量及存储方式　66
3．3．6　宏定义与文件包含　66
3．3．7　库函数　67
思考题及习题　68
第4章　开发与仿真工具　69
4．1　Keil C51的使用　69
4．1．1　Keil C51简介　69
4．1．2　基本操作　69
4．1．3　添加用户源程序文件　71
4．1．4　程序的编译与调试　73
4．1．5　项目的设置　75
4．2　Proteus虚拟仿真工具介绍　77
4．2．1　Proteus功能简介　77
4．2．2　Proteus ISIS的虚拟仿真　78
4．2．3　Proteus的各种虚拟仿真调试工具　84
4．2．4　虚拟设计仿真举例　87
思考题及习题　93
第5章　单片机与开关、键盘以及
显示器件的接口设计　94
5．1　单片机控制发光二极管显示　94
5．1．1　单片机与发光二极管的连接　94
5．1．2　I/O端口的编程控制　95
5．2　开关状态检测　98
5．2．1　开关检测案例1　98
5．2．2　开关检测案例2　99
5．3　单片机控制LED数码管的显示　100
5．3．1　LED数码管的显示原理　100
5．3．2　LED数码管的静态显示与
动态显示　103
5．4　单片机控制LED点阵显示器显示　106
5．4．1　LED点阵显示器的结构与
显示原理　106
5．4．2　控制16×16 LED点阵显示屏的
案例　107
5．5　单片机控制LCD 1602液晶显示器的
显示　109
5．5．1　LCD 1602液晶显示模块简介　110
5．5．2　单片机控制字符型LCD 1602显示
案例　116
5．6　键盘接口设计　119
5．6．1　键盘接口设计应解决的问题　119
5．6．2　独立式键盘接口设计案例　120
5．6．3　矩阵式键盘的接口设计案例　127
5．6．4　非编码键盘扫描方式的选择　129
5．6．5　单片机与专用键盘/显示器芯片
HD7279的接口设计　130
思考题及习题　140
第6章　中断系统的工作原理及
应用　142
6．1　AT89S51中断技术概述　142
6．2　AT89S51中断系统结构　142
6．2．1　中断请求源　143
6．2．2　中断请求标志寄存器　143
6．3　中断允许与中断优先级的控制　144
6．3．1　中断允许寄存器IE　145
6．3．2　中断优先级寄存器IP　145
6．4　响应中断请求的条件　146
6．5　外部中断的响应时间　147
6．6　外部中断的触发方式选择　148
6．6．1　电平触发方式　148
6．6．2　跳沿触发方式　148
6．7　中断请求的撤销　148
6．8　中断函数　149
6．9　中断系统应用举例　150
6．9．1　单一外中断的应用　151
6．9．2　两个外中断的应用　152
6．9．3　中断嵌套的应用　153
思考题及习题　155
第7章　定时器/计数器的工作原理及
应用　157
7．1　定时器/计数器的结构　157
7．1．1　定时器/计数器工作方式
寄存器TMOD　158
7．1．2　定时器/计数器控制寄存器
TCON　158
7．2　定时器/计数器的4种工作方式　159
7．2．1　方式0　159
7．2．2　方式1　160
7．2．3　方式2　160
7．2．4　方式3　161
7．3　计数器对外部输入的计数信号的
要求　162
7．4　定时器/计数器T0、T1的编程应用　163
7．4．1　P1口控制8只LED每0．5s
闪亮一次　163
7．4．2　计数器的应用　164
7．4．3　控制P1．0产生周期为2ms的
方波　166
7．4．4　利用T1控制发出1kHz的
音频信号　167
7．4．5　LED数码管秒表的制作　169
7．4．6　测量脉冲宽度——门控位GATEx的
应用　171
7．4．7　LCD时钟的设计　173
7．5　AT89S52新增定时器/计数器T2
简介　175
7．5．1　T2的特殊功能寄存器T2CON
和T2MOD　175
7．5．2　T2的16位自动重装载方式　177
7．5．3　T2的捕捉方式　179
7．5．4　T2的波特率发生器方式及
可编程时钟输出　179
思考题及习题　182
第8章　串行口的工作原理及
应用　184
8．1　串行通信基础　184
8．1．1　并行通信与串行通信　184
8．1．2　同步通信与异步通信　185
8．1．3　串行通信的传输模式　186
8．1．4　串行通信的错误校验　186
8．2　串行口的结构　187
8．2．1　串行口控制寄存器SCON　187
8．2．2　特殊功能寄存器PCON　188
8．3　串行口的4种工作方式　189
8．3．1　方式0　189
8．3．2　方式1　193
8．3．3　方式2　194
8．3．4　方式3　195
8．4　多机通信　196
8．5　波特率的制定方法　197
8．5．1　波特率的定义　197
8．5．2　定时器T1产生波特率的计算　197
8．6　串行口应用设计案例　198
8．6．1　串行通信标准接口RS232、RS422
与RS485简介　199
8．6．2　方式1的应用设计　201
8．6．3　方式2和方式3的应用设计　208
8．6．4　多机通信的应用设计　210
8．6．5　单片机与PC串行通信的设计　216
8．6．6　PC与单片机或与多个单片机的
串行通信　220
思考题及习题　221
第9章　单片机系统的并行扩展　223
9．1　系统并行扩展技术　223
9．1．1　系统并行扩展结构　223
9．1．2　地址空间分配　225
9．1．3　外部地址锁存器　227
9．2　外部数据存储器的并行扩展　228
9．2．1　常用的静态RAM（SRAM）芯片　228
9．2．2　读写片外RAM的操作时序　229
9．2．3　并行扩展数据存储器的设计　230
9．2．4　单片机外扩数据存储器RAM6264的
案例设计　232
9．3　片内Flash存储器的编程　233
9．3．1　使用通用编程器的程序写入　234
9．3．2　使用下载线的ISP编程　234
9．4　E2PROM的并行扩展　235
9．4．1　并行E2PROM芯片简介　235
9．4．2　AT89S51单片机扩展E2PROM
AT2864的设计　236
9．5　AT89S51扩展并行I/O芯片82C55的
设计　237
9．5．1　I/O接口扩展概述　237
9．5．2　并行I/O芯片82C55简介　238
9．5．3　82C55的3种工作方式　241
9．5．4　AT89S51单片机与82C55的接口
设计　245
9．6　利用74LSTTL电路扩展并行I/O口　247
9．7　用AT89S51单片机的串行口 扩展并行
输入/输出口　248
9．7．1　用74LS165扩展并行输入口　248
9．7．2　用74LS164扩展并行输出口　249
思考题及习题　250
第10章　AT89S51单片机系统的串行
扩展　252
10．1　单总线串行扩展　252
10．1．1　单总线扩展的典型应用——
DS18B20的温度测量系统　252
10．1．2　设计案例：单总线DS18B20
温度测量系统　255
10．2　SPI总线串行扩展　258
10．3　I2C总线的串行扩展　259
10．3．1　I2C串行总线系统的基本结构　259
10．3．2　I2C总线的数据传送规定　260
10．3．3　AT89S51的I2C总线扩展系统　263
10．3．4　I2C总线数据传送的模拟　264
10．3．5　利用I2C总线扩展E2PROM
AT24C02的IC卡设计　267
思考题及习题　273
第11章　AT89S51单片机与DAC、
ADC的接口　274
11．1　单片机扩展DAC概述　274
11．2　单片机扩展并行8位DAC0832的
设计　275
11．2．1　DAC0832简介　275
11．2．2　案例设计：单片机扩展DAC0832的
程控电源　276
11．2．3　案例设计：波形发生器的
制作　278
11．3　单片机扩展串行10位
DAC——TLC5615　282
11．3．1　串行DAC——TLC5615简介　282
11．3．2　案例设计：单片机扩展串行
DAC——TLC5615的设计　284
11．4　单片机扩展ADC概述　286
11．5　单片机并行扩展8位A/D转换器
ADC0809　287
11．5．1　案例设计：单片机控制ADC0809
进行A/D转换　288
11．5．2　案例设计：两路输入的数字电压表的设计　290
11．6　单片机扩展串行8位A/D转换器
TLC549　293
11．6．1　TLC549的特性及工作原理　293
11．6．2　案例设计：单片机扩展TLC549的
设计　294
11．7　单片机扩展串行12位
ADC——TLC2543的设计　296
11．7．1　TLC2543的特性及工作原理　296
11．7．2　案例设计：单片机扩展TLC2543的
设计　298
思考题及习题　300
第12章　单片机各种应用设计　302
12．1　单片机控制步进电机的设计　302
12．2　单片机控制直流电机　304
12．3　频率计的制作　306
12．4　电话机拨号的模拟　309
12．5　8位竞赛抢答器设计　314
12．6　基于时钟/日历芯片DS1302的
电子钟设计　318
思考题及习题　324
第13章　功率接口设计　325
13．1　单片机与外围集成数字驱动电路的
接口　325
13．2　单片机与光电耦合器的接口　327
13．2．1　晶体管输出型光电耦合器驱动
接口　327
13．2．2　晶闸管输出型光电耦合器驱动
接口　329
13．3　单片机与继电器的接口　330
13．3．1　单片机与直流电磁式继电器功率
接口　330
13．3．2　单片机与交流电磁式接触器的
接口　331
13．4　单片机与晶闸管的接口　332
13．4．1　单向晶闸管　332
13．4．2　双向晶闸管　332
13．4．3　光耦合双向晶闸管驱动器　332
13．5　单片机与集成功率电子开关输出
接口　334
13．5．1　集成功率电子开关TWH8751
简介　334
13．5．2　集成功率电子开关TWH8751的
典型应用　335
13．6　单片机与固态继电器的接口　336
13．6．1　固态继电器的特性与分类　336
13．6．2　固态继电器的应用　337
13．7　低压开关量信号输出技术　339
思考题及习题　340
第14章　单片机应用系统抗干扰与可靠
性设计　341
14．1　干扰的来源　341
14．2　供电系统干扰及其抗干扰措施　342
14．2．1　电源噪声来源、种类及危害　342
14．2．2　供电系统的抗干扰设计　342
14．3　过程通道干扰的抑制措施——隔离　343
14．3．1　光电隔离的基本配置　343
14．3．2　光电隔离的实现　344
14．4　空间干扰及抗干扰措施　345
14．4．1　接地技术　345
14．4．2　屏蔽技术　347
14．5　反电势干扰的抑制　348
14．6　印制电路板的抗干扰设计　349
14．6．1　地线及电源线设计　349
14．6．2　去耦电容的配置　349
14．6．3　印制电路板的布线的
抗干扰设计　350
14．7　软件抗干扰措施　350
14．7．1　软件抗干扰的一般方法　350
14．7．2　软件滤波　351
14．7．3　开关量输入/输出软件抗
干扰设计　352
14．8　看门狗定时器的使用　352
思考题及习题　353
第15章　单片机应用系统的设计与
调试　355
15．1　单片机应用系统的设计步骤　355
15．2　单片机应用系统设计　356
15．2．1　硬件设计应考虑的问题　356
15．2．2　典型的单片机应用系统　357
15．2．3　系统设计中的总线驱动　358
15．2．4　软件设计考虑的问题　360
15．3　单片机应用系统的仿真开发与调试　360
思考题及习题　365
附录A　基础实验题目　366
实验1　单片机I/O口实验——
LED流水灯　366
实验2　单个外部中断实验　366
实验3　中断嵌套实验　367
实验4　定时器/计数器的定时实验　367
实验5　定时器/计数器的计数器实验　367
实验6　串口方式0扩展并行输出口
实验　367
实验7　串行口方式0扩展并行输入口
实验　368
实验8　双单片机串行通信　368
实验9　扩展82C55并行I/O实验　369
实验10　独立式键盘实验　369
实验11　矩阵式键盘扫描实验　369
实验12　单片机控制1602液晶显示器
显示字符　369
实验13　DAC0832的D/A转换实验　370
实验14　ADC0809的A/D转换实验　370
实验15　I2C总线串行扩展——AT24C02
存储器读写　370
附录B　课程设计题目　372
题目1　节日彩灯控制器的设计　372
题目2　单一外中断的应用　372
题目3　LED数码管秒表的制作　373
题目4　音乐音符发生器的制作　373
题目5　用定时器设计的门铃　373
题目6　控制数码管循环显示单个数字　374
题目7　基于DS18B20的数字温度计设计　374
题目8　利用定时器在P1．0 上产生周期为
2ms的方波　374
题目9　电话键盘及拨号的模拟　375
题目10　双机串行口方式1单工通信　375
题目11　数码管显示4×4 矩阵键盘的
键号　375
题目12　波形发生器的制作　376
题目13　频率计的制作　376
题目14　数字电压表设计　376
题目15　单片机控制串行DAC—— TLC5615
的调压器　377
题目16　单片机控制16×16 阵列LED的
显示　377
题目17　直流电机控制实验　378
题目18　步进电机控制实验　378
附录C　头文件"LCD1602．h"清单　379
附录D　头文件"DS1302．h"清单　381
参考文献　385