微控制器原理及应用

第1章 计算机的数制及其转换 1

1.1 计算机的数制及其转换 1

1.1.1 数与数制 2

1.1.2 不同数制间的转换 5

1.2 计算机中数与字符的编码 15

1.2.1 数值数据的编码及运算 15

1.2.2 非数值数据的二进制编码 32

1.3 微型计算机的性能分析及分类 34

1.3.1 微型计算机的性能分析 34

1.3.2 微型计算机的分类 37

习题 40

第2章 微型计算机结构 41

2.1 微型计算机概念 41

2.1.1 微型计算机的历史 41

2.1.2 计算机的基本模型 42

2.2 微型计算机的组成 45

2.2.1 微型计算机的硬件 46

2.2.2 微型计算机的软件 48

2.2.3 微型计算机系统的主要技术指标 48

2.3 微处理器的结构及原理 49

2.3.1 中央处理器的发展过程 49

2.3.2 存储系统 56

2.3.3 当前微处理器所使用的先进技术 61

2.4 单片机概述 63

2.4.1 单片机基本概念 63

2.4.2 单片机的产生 64

2.4.3 单片机的应用 65

2.4.4 单片机的发展趋势 66

2.5 单片机主要系列 67

2.5.1 主要生产制造商及其特点 67

2.5.2 单片机的四个主要系列 68

习题 70

第3章 MCS-51系列单片机结构 71

3.1 MCS-51单片机的结构和引脚 71

3.1.1 单片机的内部结构及功能部件 71

3.1.2 单片机外部引脚说明 73

3.2 中央处理器CPU 75

3.2.1 运算器 75

3.2.2 控制器及振荡器 76

3.2.3 位(布尔)处理器 77

3.3 存储器 77

3.3.1 存储器的分类及存储空间配置 77

3.3.2 内部数据存储器 78

3.3.3 外部数据存储器 83

3.3.4 程序存储器 84

3.3.5 Flash闪速存储器的编程 85

3.4 并行输入/输出接口 86

3.4.1 I/O接口电路概述 86

3.4.2 P0口 86

3.4.3 P1口 87

3.4.4 P2口 88

3.4.5 P3口 88

3.4.6 I/O端口负载能力 89

3.5 I/O接口电路的作用与I/O接口的编址方式 89

3.5.1 I/O接口电路的作用 90

3.5.2 I/O接口的编址方式 91

3.6 CPU的时序与复位 91

3.6.1 时序的基本概念 92

A 3.6.2 CPU的时序 93

3.6.3 复位电路与复位状态 93

3.6.4 掉电与节电方式 94

习题 95

第4章 指令系统及汇编语言程序设计 96

4.1 程序设计概述 96

4.1.1 指令和程序设计语言 96

4.1.2 汇编概念 98

4.2 指令格式和寻址方式 98

4.2.1 指令格式 98

4.2.2 指令中常用符号 100

4.2.3 寻址方式 100

4.3 MCS-51单片机指令系统 104

4.3.1 数据传送类指令 104

4.3.2 算术运算类指令 113

4.3.3 逻辑运算及移位类指令 118

4.3.4 控制转移类指令 121

4.3.5 位操作指令 128

4.4 汇编语言程序设计 132

4.4.1 伪指令 132

4.4.2 汇编语言源程序格式 135

4.4.3 汇编语言程序的设计步骤与基本结构 136

4.4.4 顺序结构程序设计 139

4.4.5 分支(选择)结构程序设计 139

4.4.6 循环结构程序设计 142

4.4.7 常用子程序设计 145

4.5 汇编语言应用程序的开发与调试 150

4.5.1 仿真开发系统简介 150

4.5.2 程序的开发调试过程 151

习题 152

第5章 中断、定时/计数器与串行口 155

5.1 中断 155

5.1.1 中断系统概述 155

5.1.2 MCS-51单片机的中断系统 157

5.1.3 中断处理过程 162

5.1.4 中断请求的撤除 164

5.1.5 中断程序应用举例 165

5.2 定时/计数器 167

5.2.1 定时/计数器的结构及工作原理 168

5.2.2 定时/计数器的控制与实现 170

5.2.3 定时/计数器的工作方式 171

5.2.4 定时/计数器的应用举例 173

5.3 串行接口 176

5.3.1 串行通信的基本概念 177

5.3.2 MCS-51串行口的结构与工作原理 179

5.3.3 串行口控制寄存器 181

5.3.4 串行口的工作方式 182

5.3.5 MCS-51串口的波特率 185

5.3.6 MCS-51多机通信技术 187

5.3.7 串行口的应用举例 188

习题 191

第6章 C51语言程序设计基础 193

6.1 C51语言基础 193

6.1.1 C51程序创建过程 193

6.1.2 存储空间定义 195

6.1.3 C51数据类型 196

6.1.4 C51的常量 197

6.1.5 C51常用的运算符 197

6.1.6 C51的表达式 199

6.1.7 C51的基本语句 200

6.2 C51的函数和数组 200

6.2.1 函数的定义 200

6.2.2 数组的定义 201

6.3 C51的编程规范 201

6.3.1 注释 201

6.3.2 命名 201

6.3.3 格式 201

6.4 C51的基本运用 201

第7章 单片机系统的扩展 209

7.1 概述 209

7.2 系统总线扩展 210

7.2.1 系统总线扩展简介 210

7.2.2 常用扩展器件介绍 212

7.2.3 编址技术 213

7.3 存储器的扩展 214

7.3.1 存储器扩展概述 214

7.3.2 存储器扩展应考虑的问题 217

7.3.3 程序存储器的扩展 217

7.3.4 数据存储器的扩展 220

7.4 I/O接口的扩展及应用 222

7.4.1 I/O接口电路的作用 222

7.4.2 接口与端口 223

7.4.3 I/O的传送方式 224

7.4.4 用TTL芯片扩展I/O口 225

7.4.5 用可编程芯片扩展I/O口 226

7.5 LED数码显示器接口 233

7.5.1 LED数码显示器的结构与连接方式 233

7.5.2 LED数码显示器的接口电路与显示方法 235

7.5.3 LED数码显示器应用举例 238

7.6 键盘接口 243

7.6.1 键盘接口的工作原理 243

7.6.2 键盘接口电路 244

7.6.3 键盘扫描程序 248

7.6.4 键盘接口设计实例 248

7.7 A/D转换器 258

7.7.1 A/D转换器原理及性能指标 258

7.7.2 典型A/D转换器芯片ADC0809简介 261

7.7.3 MCS-51单片机与ADC0809接口 263

7.7.4 A/D转换应用举例 266

7.7.5 串行A/D转换接口芯片TLC2543 266

7.8 D/A转换器 270

7.8.1 D/A转换器的原理及性能指标 270

7.8.2 典型D/A转换器芯片DAC0832介绍 272

7.8.3 MCS-51单片机与DAC0832接口 273

7.8.4 串行D/A转换接口芯片TLC5615 277

习题 279

第8章 基于MCS-51的典型串行总线设计 280

8.1 概述 280

8.2 RS-485总线 280

8.2.1 RS-485电气特性 281

8.2.2 RS-485总线节点数和通信方式 282

8.2.3 RS-485总线收发器与单片机接口电路的设计 283

8.2.4 基于单片机节点的RS-485总线的工作原理 285

8.3 SPI总线 293

8.3.1 SPI总线的工作原理 293

8.3.2 SPI总线的通信时序 294

8.3.3 硬件电路设计 295

8.3.4 软件程序设计 298

8.4 I2C总线 299

8.4.1 I2C总线的工作原理 299

8.4.2 I2C总线的通信时序 302

8.4.3 硬件电路设计 303

8.4.4 软件程序设计 303

习题 308

第9章 单片机应用系统设计与应用实例 309

9.1 应用系统设计原则 309

9.2 应用系统设计流程 310

9.2.1 总体设计 310

9.2.2 硬件电路设计 311

9.2.3 印刷电路板设计 312

9.2.4 软件程序设计 312

9.2.5 调试、运行与维护 313

9.3 应用系统的可靠性及抗干扰设计 313

9.3.1 干扰来源 314

9.3.2 电源系统抗干扰设计 314

9.3.3 地线干扰及抑制 315

9.3.4 其它提高系统可靠性的方法 316

9.4 应用系统实例1——温度时间测量与显示系统 316

9.4.1 系统的功能分析 317

9.4.2 系统的设计方案 317

9.4.3 系统硬件电路的设计 317

9.4.4 控制过程的软件程序实现 328

9.5 应用系统实例2——太阳能电池板追踪系统 337

9.5.1 系统的功能分析 337

9.5.2 系统的设计方案 338

9.5.3 系统硬件电路的设计 338

9.5.4 系统控制过程的软件设计 342

9.6 应用系统实例3——基于GSM网络的远程遥测系统设计 348

9.6.1 系统功能需求分析 348

9.6.2 系统方案设计 349

9.6.3 系统硬件电路设计 349

9.6.4 基于GSM网络的远程遥测系统的软件设计 363

附录 386

附录Ⅰ ASCII码表 386

附录Ⅱ ASCII码符号说明 387

附录Ⅲ MCS-89C51系列单片机指令表 387

参考文献 391

本书是按照教育部关于电子类、电气类专业应用型人才培养计划的基本要求，结合当前微控制器的发展状况而编写的， 主要介绍以MCS-51单片机为主的微控制器的基本原理及应用技术，内容涵盖了微型计算机原理和微控制器的应用两部分，包括计算机的数制及其转换, 微型计算机结构, MCS-51系列单片机结构, 指令系统及汇编语言程序设计, 中断、定时/计数器与串行口, C51语言程序设计基础, 单片机系统的扩展, 基于MCS-51的典型串行总线设计等。
书中最后一章以典型工业检测及控制产品的设计为例，介绍了微控制器系统的开发过程及步骤，并提供了详细的源代码。 本书内容详实、由浅入深、图文并茂，理论教学与实践讲解相结合， 重点放在计算机基础知识的学习和嵌入式基本应用技能的培养上。
本书可作为高等学校和各类技术院校自动化专业、通信专业、电子技术应用专业及计算机专业在校学生的教材，也可作为自学和从事微控制器研发工作的工程技术人员的参考用书。