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作者：荆珂,张树江等编

出版社：电子工业出版社

出版时间：2012-05-01

书籍编号：30466902

ISBN：9787121169526

正文语种：中文

字数：78698

版次：1

所属分类：教材教辅-中职/高职

版权信息

书名：单片机原理、应用与仿真

作者：荆珂　张树江

ISBN：9787121169526

版权所有 · 侵权必究

前言

随着计算机技术的飞速发展和普及，单片机以其体积小、功能强大、应用灵活和性能价格比高等优点，在工业控制、智能仪表、尖端武器、数据采集系统和各种家用电器等领域得到了广泛的应用。美国Atmel公司的AT89S51单片机在我国8位单片机市场占有很大的份额，应用非常广泛，但相关适用于高职学生的教材较少，教学手段也较为落后。本教材围绕高职院校培养高技能型人才、加强技术应用能力培养的目的，以知识目标、技能目标为主线，突出了针对性和应用性，强化了实践能力的培养。在内容的组织上，以应用为导向，完成任务为目的，介绍AT89S51单片机的基本知识，软、硬件结合，知识点和技能点结合，既实现了知识的全面性和连贯性，又做到了理论与实践内容的融会贯通。同时将先进的单片机系统设计与仿真平台Proteus作为主要教学手段，仿真大量的实用程序和应用实例，利用电路仿真图代替电路原理图，使人身临其境。书中程序经过实践验证，并提供Proteus设计文件和源程序，使得学习单片机容易上手，真正给读者带来学习单片机的乐趣。

全书以AT89S51系列单片机为对象，以Proteus软件和Keil软件为教学、设计开发平台，以实际应用中常见的单片机系统实例为任务，为学生动手参与创造了条件。全书共分为10章及4个附录：第1章为单片机概述与AT89S51单片机结构；第2章为单片机开发系统；第3章为AT89S51系列单片机的指令系统与程序设计；第4章为AT89S51中断系统与定时器/计数器；第5章为 AT89S51人机交互通道的接口技术；第6章为 AT89S51单片机的存储器及I/O口扩展技术；第7章为AT89S51单片机I/O通道接口技术；第8章为AT89S51单片机串行通信接口技术；第9章为单片机应用系统设计；第10章为单片机C语言应用设计。整个教学内容以15个工作任务贯穿全书，即：简单流水灯控制、BDC码相加、延时控制彩灯闪烁、中断系统应用、中断优先控制、60s倒计时装置、按键显示、AT24C02扩展存储器、数字电压表设计、波形发生器、双机通信、步进电机控制、数字温度计设计、电子时钟设计、秒表设计，电路仿真图和程序真实可靠。各章后有相应的实训题目、各类习题供训练之用。同时注意介绍单片机应用产品中广泛运用的技术与器件，例如I²C总线、ISP在线系统编程、看门狗等技术；DS18B20、DS1302、液晶显示等器件。

本书由辽宁石油化工大学职业技术学院荆珂教授、张树江教授担任主编，辽宁石油化工大学职业技术学院牟淑杰老师编写了第1章、第2章、第3章，荆珂老师编写了第4章、第5章及附录部分，辽宁石油化工大学职业技术学院李芳老师编写了第6章、第7章、第8章，张树江老师编写了第9章，辽宁石油化工大学职业技术学院阚哲老师编写了第10章。全书由荆珂、张树江统稿。同时，编者还参考和引用了参考文献中有关作者的部分资料，在此一并向他们表示衷心的感谢。

本书还有配套的教学课件、课后习题答案、Proteus设计文件和源程序等，读者可在华信教育资源网下载（www.hxedu.com.cn）或发邮件到编辑邮箱（wangzs＠phei.com.cn）索取。

由于编者水平有限，时间比较仓促，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者通过电子邮箱（jk288＠163.com）进行联系，提出批评意见和建议。

编 者

2012年1月

第1章 单片机概述与AT89S51单片机结构

【知识目标】

1.了解单片机的组成和发展概况、特点以及应用领域，熟悉单片机主要机型。

2.掌握AT89S51单片机内部结构及各个引脚的功能。

3.掌握AT89S51单片机的存储器结构及配置情况。

4.了解单片机并行I/O端口的结构特点，掌握并行I/O端口的使用。

5.了解单片机时序的相关概念。

【技能目标】

1.能够正确使用AT89S51单片机的各个引脚。

2.能够合理使用AT89S51单片机的存储器。

3.能够正确使用AT89S51单片机的并行I/O端口。

4.了解单片机系统的时钟电路及复位电路。

1.1 单片机概述

1.1.1 嵌入式系统与单片机

现代计算机系统有两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统）。前者是人类的“智力平台”；后者是人类工具的“智力嵌入”。

嵌入式系统是嵌入到应用对象中的微型计算机系统，是硬件、软件结合的智力系统。硬件包括中央处理器、存储器、外设器件、I/O（输入/输出）端口和图形控制器等。软件部分包括系统软件和应用程序。

嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）又称单片机，它将整个计算机系统集中到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、I/O口、串行口、A/D转换器、D/A转换器、Flash RAM、E²PROM、PWM控制器等各种必要的功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁剪定制。嵌入式微控制器使应用系统的体积大大减小，功耗和成本大幅下降，可靠性提高，这使得嵌入式微控制器成为嵌入式系统应用的主流。

单片机接上振荡元件、复位电路、接口电路，载入软件后，可以构成单片机应用系统。将它嵌入形形色色的应用系统中，它将成为众多产品、设备的智能化核心。单片机种类很多，型号也很多，例如，AT89C51、AT89S51、P87C51、W7851E、MCS-51、PIC、ARM7、ARM9等。AT89S51单片机内部结构原理示意框图如图1-1所示。

图1-1 AT89S51单片机内部结构原理示意框图

1.1.2 单片机的发展概况

1.单片机发展简要历程

1976年Intel公司推出8位单片机MCS-48系列单片机。

1980年Intel公司推出8位单片机MCS-51系列单片机。

1982年Intel公司推出16位单片机MCS-96系列单片机。

近年来，ARM等公司推出了各种型号的32位单片机，并获得了迅速发展。例如，ST公司推出了基于ARM9为内核的32位STR91x系列产品，该产品是包含以太网、CAN、USB和DSP功能的Flash单片机。

三十多年来，单片机经历了4位、8位、16位、32位机的各个阶段。64位的单片机走向市场也指日可待。

8位单片机系列多，型号多，并且在更多的市场找到了发挥的空间，因此占据国内单片机市场的主流地位。国内使用最多的8位单片机系列中有MCS-51、AT89、P87C、W78E系列机、PIC、HT等。AT89系列机、P87C系列机、W78E系列机均是MCS-51系列机的兼容机。表1-1列出了几种常用8位单片机的主要配置。

表1-1 几种常用8位单片机的主要配置

续表

单片机在目前的发展形势下，表现出以下几大趋势：

● 采用多核CPU提高处理能力。

● 采用新型存储器方便用户擦写程序及数据，加大存储容量，加强程序的保密措施。

● 单片机内部的集成度越来越高，和模拟电路结合越来越紧密，使其应用水平不断提高。如NS（美国国家半导体公司）的单片机已把语言、图像部件也集成到单片机中。

● 通信和联网功能不断增强。

● 集成度不断提高，功耗越来越低，电源电压范围加宽。

2.AT89系列单片机

AT89系列机是Atmel公司将先进的Flash存储器（快闪擦写存储器）技术和Intel 80C51单片机的内核相结合的系列单片机，是与MCS-51系列机兼容的Flash系列单片机。它既继承了MCS-51原有的功能，又拥有一些独特的优点，是目前应用广泛的主流机型之一。AT89系列有AT89C系列和AT89S系列，各系列中又有低档型、标准型和高档型之分。AT89C51、AT89S51还与80C51、87C51的引脚兼容，可直接进行代换。

AT89C51单片机是AT89系列机的标准型单片机，是低功耗高性能的8位单片机，使用最高晶振频率为24MHz。

AT89S51单片机的基本功能、基本优点、引脚等都与AT89C51相同，但增加了一些新功能。例如，增加了ISP在线系统编程、看门狗、双DPTR等功能，并将工作频率提高到33MHz。AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，Atmel公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的89CXX多是停产前的库存产品。

1.1.3 单片机的应用领域

单片机由于其体积小、功耗低、价格低廉，且具有逻辑判断、定时计数和程序控制等多种功能，广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，处处可以见到它的身影，单片机主要应用于以下方面。

（1）仪表、传感器智能化

这是单片机应用最多、最活跃的领域之一。各种测量仪器、仪表普遍以单片机为核心的系统替代传统的系统，使测量系统具有各种智能功能。如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音功能等。

将单片机与传感器结合可以构成新一代的智能传感器，可实现诸如电压、频率、功率、温度、流量、速度等物理量的测量。

（2）工业控制智能化

单片机广泛用于工业生产过程的自动控制、物理量的自动检测与处理、工业机器人、电机控制等领域。

（3）家用电器智能化

国内外各种家用电器已普遍采用单片机控制电路，构成单片机智能化控制系统。如电冰箱、空调器、微波炉、电饭煲、洗衣机、电视机等的控制器都以单片机为核心。

（4）通信产品智能化

现代通信设备基本上都实现了单片机智能控制。如程控交换机、手机、电话机、智能线路运行控制等。

（5）汽车电子系统智能化

单片机已应用到汽车电子系统中。例如，汽车点火控制、变速控制、防滑刹车、排气控制、节能控制、汽车报警、冷气控制、测试设备等。

1.2 AT89S51单片机结构

1.2.1 AT89S51单片机内部结构及引脚功能

1.AT89S51内部结构

AT89S51单片机芯片内除了有CPU、存储器、I/O端口外，还包括定时器/计数器、中断系统、时钟电路等。AT89S51单片机内部结构如图1-2所示。

由图1-2可知，AT89S51单片机由以下部分组成。

● 一个以ALU为中心的8位微处理器（CPU），完成运算和控制功能。

● 4KB Flash片内程序存储器（ROM），用来存储程序、原始数据、表格等。

● 片内低128B的数据存储器（RAM），其地址范围为00H～7FH。

● 片内26个特殊功能寄存器（SFR），离散分布于地址80H～FFH中。

●4个8位并行I/O接口（P0～P3）。

● 1个全双工异步串行口。

● 2个16位定时器/计数器。

● 5个中断源，2个中断优先级。

● 一个片内振荡器和时钟电路。

● 程序计数器PC，是一个独立的16位专用寄存器，其内容为将要执行的指令地址。

● 看门狗（WDT）电路。

2.AT89S51单片机的信号引脚

AT89S51的引脚结构有双列直插封装（PDIP形式）和方形封装（PLCC、TQFP形式），其引脚排列如图1-3所示。

图1-2 AT89S51单片机内部结构图

图1-3 AT89S51封装引脚图

图1-3 AT89S51封装引脚图（续）

这里仅介绍PDIP40封装，其引脚按其功能可分为电源、时钟、控制和I/O接口4大部分。

（1）电源引脚V_CC和GND

① V_CC（40脚）：接+5 V电源。

② GND（20脚）：接地。

（2）时钟电路引脚XTALl和XTAL2

① XTALl（19脚）：接外部石英晶振和微调电容一端。在片内，它是振荡器倒相放大器的输入。若使用外部时钟时，该引脚必须接地。

② XTAL2（18脚）：接外部石英晶振和微调电容的另一端。在片内，它是振荡器倒相放大器的输出。若使用外部时钟时，该引脚作为外部时钟的输入端。

（3）控制引脚RST/V_PD、

① RST/V_PD（9脚）：复位信号输入端，高电平有效。在此输入端保持2个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。在单片机正常工作时，此引脚应为低电平。V_CC掉电期间，该引脚可接上备用电源（V_PD）以保持内部RAM的数据。

②（29脚）：程序存储允许输出端，是片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。CPU从外部程序存储器读取指令时，在每个机器周期中两次有效，但在访问片外存储器或访问内部程序存储器读取指令时，无效。此引脚接外部ROM的输出允许端。

③（30脚）：访问地址锁存控制信号/编程脉冲输入端。在扩展系统时，ALE用于把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低8位地址和数据的隔离。P0口作为数据地址复用口线，当访问单片机外部程序、数据存储器或外接I/O口时，ALE输出脉冲的下降沿用于低8位地址的锁存信号；即使不访问单片机外部程序、数据存储器或外接I/O口，ALE端口仍然以晶振频率的1/6输出正脉冲信号，因此可作为外部时钟或外部定时信号使用。但应注意，此时不能访问单片机外部程序、数据存储器或外设I/O接口。ALE端可以驱动8个TTL负载。在对Flash存储器编程期间，该引脚用来输入一个编程脉冲。

④（31脚）：访问程序存储器控制信号/编程电源输入端。当该引脚信号为低电平时，无论片内是否有程序存储器，只访问片外程序存储器；当该引脚为高电平时，单片机访问片内的程序存储器。但对AT89S51来说，当程序计数器（PC）值超出4KB地址时，自动转到片外程序存储器1000H开始顺序读取指令。在Flash编程期间，该引脚用于施加+12V的编程电压（V_PP）。

（4）I/O接口引脚（32个，分成4个8位并行口）

① P0.0～P0.7（P0口）：通用I/O口引脚或低8位地址总线复用引脚。在Flash编程时，P0口作为原码输入口，当Flash进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

② P1.0～P1.7（P1口）：通用I/O口引脚。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址。

③ P2.0～P2.7（P2口）：通用I/O口引脚或高8位地址总线引脚。P2口在Flash编程和校验时接收高8位地址信号和控制信号。

④ P3.0～P3.7（P3口）：一般I/O口引脚或第二功能引脚。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

1.2.2 AT89S51单片机的存储器结构

存储器功能用于存储程序和数据。存储器按其存取方式可以分成两大类，一类是随机存取存储器（RAM）；另一类是只读存储器（ROM）。

1.程序存储器ROM

AT89S51片内有4KB的FlashROM，用于存放用户的目标程序和表格常数，所以又简称“程序内存”。当程序内存不够用时，可扩展片外ROM，最大扩展范围为0000H～FFFFH（即64KB），其配置如图1-4（a）所示。

图1-4 AT89S51程序存储器配置

低4KB地址的程序可以存储在片内Flash ROM中，也可以存储在片外ROM中。片内ROM与片外ROM低4KB的地址重叠，执行选择由引脚来控制。当引脚信号为低电平，复位后，单片机从片外ROM中的0000H地址单元开始执行程序。当EA为高电平，复位后，单片机从片内ROM中的0000H地址单元开始执行程序，当PC值大于0FFFH（4KB）时，系统自动转到片外ROM中执行程序。

程序存储器低端的一些地址被固定作为特定的入口地址，见图1-4（b）。是单片机的5个中断服务子程序的入口地址，相邻中断入口地址间的间隔为8B，如表1-2所示。

表1-2 各种中断服务子程序的入口地址

编程序时一般在这些入口地址开始的单元中存放一条转移指令，转移到相应的中断服务程序处。如果中断服务程序少于8B，可以将中断服务程序直接存放到相应入口地址开始的几个单元中。如果没有用到中断功能，那么这些单元也可作为一般用途的程序存储器。

2.数据存储器RAM

数据存储器分为片外 RAM和片内 RAM。片外 RAM最大可扩展64KB，地址范围为0000～FFFFH；片内RAM可分为两个不同的存储空间，即低128B单元的数据存储器空间和高128B单元的特殊功能寄存器SFR的存储器空间。对于增强型单片机，数据存储器容量为256B，其结构如图1-5所示。

图1-5 AT89S51数据存储器结构

（1）片内RAM低128B单元

片内RAM低128B单元分为工作寄存器区、位寻址区、用户RAM区3部分，其结构如图1-6所示。

① 工作寄存器区。AT89S51单片机内部低32B单元分成4个工作寄存器组，每组占8个单元，分别用R0～R7来表示。单片机运行时只能允许1个工作寄存器组作为当前工作寄存器组。

图1-6 片内RAM低128B配置图

当前工作寄存器组的选择由特殊功能寄存器中的程序状态字寄存器PSW的RS1、RS0位来决定，选择方法如表1-3所示。

表1-3 当前工作寄存器组的选择方法

② 位寻址区。AT89S51单片机具有位处理功能，因此存储空间有一个位寻址区，位于片内RAM的20H～2FH单元中，16个单元共128位，其位地址范围为00H～7FH。该区也可以作为普通的RAM单元使用，进行字节操作。

③ 用户RAM区。30H～7FH单元作为用户RAM区。在实际应用中这些单元作为数据缓冲区，AT89S51的堆栈一般设在30H～7FH范围内。

（2）片内RAM高128B

片内RAM高128B单元称为特殊功能寄存器区（Special Function Register）。由于这些寄存器的功能已专门规定，故称为特殊功能寄存器（SFR）。

AT89C51单片机有21个特殊功能寄存器。AT89S51的特殊功能寄存器，除与AT89C51相同的外，还增加了5个与增加功能相关的特殊功能寄存器。它们分散在80H～FFH地址中，字节地址能被8整除（字节地址末位为0H或8H）的特殊功能寄存器可以进行位寻址。26个特殊功能寄存器地址分配如表1-4所示。

表1-4 特殊功能寄存器位地址及字节地址表

续表

注：带*者为AT89S51增加的特殊功能寄存器

① 累加器A：A是8位寄存器，字节地址为E0H。它是CPU中工作最繁忙的寄存器，CPU的大多数指令都要通过累加器A与其他部分交换信息。累加器A常用于存放使用次数高的操作数或中间结果。在指令系统中，累加器A的助记符为“A”或“ACC”。

② 通用寄存器B：乘除法指令中要用的通用寄存器，也可用做一般寄存器。

③ 程序状态字寄存器PSW：程序状态字用于存放程序运行状态信息，各标志位如表1-5所示。

表1-5 程序状态字

其中每位的具体含义如下。

CY：进位标志，常用C表示。在进行加、减法运算时，若运算结果最高位有进位（或借位）时，C置“1”，否则置“0”；在进行位操作时，C作为位操作累加器。

AC：半进位标志。在进行加、减法运算时，若低半字节向高半字节有进位（或借位）时，AC置“1”，否则置“0”；AC还作为BCD码运算调整时的判别位。

F0：用户标志。由用户置位、复位，作为软件标志。

RS1、RS0：工作寄存器指针，用来选择当前工作的寄存器组。

单片机复位时，RS1RS0=00，CPU选中第0组为当前工作寄存器。

OV：溢出标志。反映运算结果是否溢出，溢出时OV为“1”，否则为“0”。溢出和进位是两种不同性质的概念。溢出是指有符号数的两个数运算时，结果超出了-128～+127；而进位是指两个数最高位相加（或相减）时有进位（或借位）。

例如，两个正数相加超过+127，则产生了溢出，使符号位由正变为负，结果出错，这时OV=1；又如两个负数相加，结果小于-128，产生了溢出，结果也是出错，OV=l。

常用的判别方法是：两个有符号数在进行加、减法运算时，D6或D7中仅有1位发生进位（或借位）现象，则OV=1；D6、D7位都没进位（或借位）或都有进位（或借位），则 OV=0。

P：奇偶标志。反映累加器A中内容的奇偶性。若A中有奇数个“1”，则P置为“1”，否则P置为“0”。此标志位对串行口通信中的数据传输有重要的意义，在串行通信中，常用奇偶检验的方法来检验数据传输的可靠性。

④ 堆栈指针SP（Stack Pointer）：SP在片内数据存储器RAM128B中开辟堆栈区，并随时跟踪栈顶地址。它是按先进后出的原则存取数据的，开机复位后，SP为07H。

⑤ 数据指针DPTR：由于AT89S51单片机可以外接64KB的数据存储器和I/O接口电路，故单片机内设置了16位的数据指针DPTR。它可以对64KB的片外数据存储器和I/O进行寻址。它的高8位为DPH，地址为83H；低8位为DPL，地址为82H。

AT89S51有两个数据指针DPTR，由辅助寄存器1（AUXR1）的最低位DPS确定选择其一。

⑥ 程序计数器PC（Program Counter）：16位的PC不属于特殊功能寄存器。其存放的内容是下一个要取的指令的16位存储单元地址。也就是说，CPU总是把PC的内容作为地址，从ROM中取出指令，然后执行，每取出一条指令后，PC的值自动加1。

⑦ 辅助寄存器AUXR：辅助寄存器用于使能控制，控制位的含义如下。

DISALE：ALE使能。DISALE=0时，ALE输出1/6振荡频率的脉冲；DISALE=1时，ALE仅在执行MOVX、MOVC指令时有效。

DISRTO：看门狗溢出复位使能。DISRTO=0时，看门狗溢出复位引脚RST至高电平；DISRTO=1时，RST只作为输入。

WDIDLE：空闲模式下的看门狗使能。WDIDLE=0时，在空闲模式下看门狗继续计数；WDIDLE=1时，在空闲模式下看门狗停止计数。

（3）片外RAM

AT89S51的片内RAM不够用时，可扩展片外数据存储器RAM，最大范围为0000H～FFFFH，共64KB。且片内RAM与片外RAM低128B地址也重叠，由于对片内RAM、片外RAM的操作使用了不同指令（MOV、MOVX），这样就不会发生混乱。

另外，单片机应用系统扩展的外部 I/O端口与片外 RAM是统一编址的，地址范围为0000H～FFFFH。因此CPU将系统扩展的外部I/O端口与片外RAM完全一样对待，并采用相同的指令。

1.2.3 AT89S51单片机的并行端口结构

AT89S51共有4个8位的I/O口，分别记作P0、Pl、P2、P3。每个口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。4个I/O口都是8位双向口，这些口在结构和特性上基本相同，但又各具特点，下面分别介绍各I/O接口及功能。

1.P0口

P0口的位结构如图1-7所示。它包含1个数据输出锁存器、2个三态数据输入缓冲器及驱动电路和控制电路。在访问外部存储器时，P0口是一个真正的双向口，当P0口输出地址/数据信息时，控制信号“1”，使模拟开关MUX把地址/数据信息经反相器和VT₂接通，同时打开与门，输出的地址/数据信息即通过与门去驱动VT₁，再通过反相器去驱动VT₂，使两个FET管构成推拉输出电路。若地址/数据信息为“0”，则该信号使VT₁截止，使VT₂导通，从而引脚上输出相应的“1”信号。若地址/数据信息为“1”，则VT₂截止，使VT₁ 导通，引脚上输出“1”信号。若由P0口输入数据，则输入信号从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。

当P0口作为通用I/O接口使用时，CPU内部发控制信号“0”封锁与门，使VT₁截止，同时使模拟开关MUX把锁存器的西端与VT₂的栅极接通。当P0作为输出时，由于端和VT₂的倒相作用，内部总线上的信号与到达P0口上的信息是同相位的，只要写脉冲加到锁存器的CP端，内部总线上的信息就送到P0的引脚上。此时VT₂为漏极开路输出，故需外接上拉电阻。当P0口作为输入时，由于该信号既加到VT₂，又加到下面一个三态缓冲器上。假若此前该口曾输出锁存数据“0”，则VT₂导通，引脚上的电位就被VT₂钳在“0”电平上，使输入的“1”无法读入。故作为通用I/O接口使用时，P0口是一个准双向口，即输入数据前，应先通过写锁存器向D端写“1”，输出为“0”，使VT₂截止。但在访问外部存储器期间，CPU会自动向P0的锁存器写入“l”。所以对用户而言，P0口作为地址/数据总线时，则是一个真正的双向口。

图1-7 P0口的位结构

P0口特点如下：

● P0口地址为80H，可以进行位操作。

● P0口既可以作为数据/低8位地址总线，也可以作为通用I/O口使用。

● P0口采用漏极开路输出作通用I/O口时，要接上拉电阻，可以推动8

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