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作者：曹金玲编

出版社：电子工业出版社

出版时间：2012-07-01

书籍编号：30466978

ISBN：9787121174827

正文语种：中文

字数：56805

版次：1

所属分类：教材教辅-中职/高职

版权信息

书名：微控制器的应用

作者：曹金玲

ISBN：9787121174827

版权所有 · 侵权必究

职业教育　继往开来（序）

自我国实行对内搞活、对外开放的经济政策以来，各行各业都获得了前所未有的发展。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高，教育行业受到了各方面的重视。尤其对高等职业教育来说，近几年在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下，高职院校以服务为宗旨、以就业为导向，开展工学结合与校企合作，进行了较大范围的专业建设和课程改革，涌现出一批示范专业和精品课程。高职教育在为区域经济建设服务的前提下，逐步加大校内生产性实训比例，引入企业参与教学过程和质量评价。在这种开放式人才培养模式下，教学以育人为目标，以掌握知识和技能为根本，克服了以学科体系进行教学的缺点和不足，为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。

在高职教育新的教学模式下，各院校不断对专业建设和课程设置进行改革，教学改革的成果最终要反映在教学过程中，其中主要的体现形式为教材创新。电子工业出版社作为职业教育教材出版大社，具有优秀的编辑人才队伍和丰富的职业教育教材出版经验，有义务、有能力与广大的高职院校密切合作，参与创新职业教育的新方法，共同出版反映最新教学改革成果的新教材，为培养符合当今社会需要的、合格的职业技能人才而努力。

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这套新型教材得到了许多高职院校老师的支持和欢迎，为了使职业教育能够更好地为区域经济和企业服务，我们热忱欢迎各位职教专家和老师提出意见或建议，如果您有新教材的编写思路请与我们联系（邮箱：chenjd@phei.com.cm，电话：010-88254585），共同为我国的职业教育发展尽自己的责任与义务！

电子工业出版社职业教育分社

前　言

单片机的问世和飞速发展掀起了计算机工程应用的一场新革命，给人们的生产、生活带来了巨大的变化。目前，单片机已成为电子系统中最普遍的应用手段之一，并在工业控制、交通运输、家用电器、仪器仪表、汽车等领域取得了大量应用成果。因此掌握、熟悉及应用单片机已成为我国科技人员的必备技能之一。

我国高职院校的电类、机类等专业已普遍开设单片机课程。其中有一部分高职院校的单片机课程是国家级、省级或院级精品课，但还有的院校不是，教学内容、教学水平等各个方面参差不齐。为了整合教学资源，建设一批能体现当前高职高专课程改革成果的高质量、高水平教材，天津电子信息职业技术学院、重庆电子工程职业学院、浙江机电职业技术学院、十堰职业技术学院、淮安职业技术学院等几个院校的单片机课程专任教师，在调研多个工学结合项目基础上，经过对现有课程教学内容及教材进行讨论与研究，将各方面的内容精华提炼出来编写成新的教材。内容以充分反映当前单片机应用领域的新理念、新方法，以及相关专业或学科的新发展、新要求为目标，结合专业教学特色，注重理论教学、案例教学和实践教学的融合，选出典型的、适合学生动手、能得到锻炼的案例，在继承经典教材优势的基础上勇于创新，勇于探索，打造精品，以便更适合各个地区的教学。

单片机是一门理论性、实践性和综合性都很强的学科，它不仅需要大量的相关硬件电路知识，如模拟电子技术、数字电子技术、电气控制技术等作为知识背景，还需要软件编程加以支持。本书在编写过程中，始终将理论、实验、产品开发三者有机结合，内容从单片机最小应用系统开始，逐步扩展功能，从小到大，从简单到复杂，最终完成单片机的综合训练项目。

本书以AT89S52单片机为对象，重点介绍单片机的应用技术。全书共有6章，包含12个训练项目，内容包括单片机基础知识、单片机寻址方式与指令系统、中断与定时、并行输入与输出、串行通信、A/D和D/A转换等，每章后配有练习题和讨论题。本书的主要特点有：

（1）以制作产品为目标，以实践训练培养学生面向过程的程序阅读分析能力和编写能力为重点，注重培养学生将技能应用于实践的能力。

（2）构建模块化、组合型、进阶式能力训练体系。将综合能力分解成若干项小的基本能力，选择能涵盖基本能力要素的训练项目实施基本能力训练。通过模块项目训练，建立对单片机最小系统的整体概念，从而全面掌握单片机应用系统，提高单片机综合应用能力和创新能力。

（3）训练项目贯穿于教材始终。知识内容从单片机最小应用系统切入，逐步展开，直至完成门禁系统控制部分和液位控制器的电路设计。

（4）每章后配有讨论题，要求学生组成学习小组共同完成。其目的是将教师教、学生被动学，变为教师指导、学生主动学，同时培养学生的团队合作精神。

（5）书中引用门禁系统的实际程序作为实例，以实例带知识点，完成课程内容，使教材更接近实际职业岗位要求。

本书由天津电子信息职业技术学院曹金玲教授担任主编并统稿，重庆电子工程职业学院王用鑫和浙江机电职业技术学院曹昕鸷担任副主编。其中曹金玲编写第1～2章，曹昕鸷编写第3章，十堰职业技术学院严航编写第4章，王用鑫编写第5～6章，全书由天津电子信息职业技术学院刘松教授主审。

由于时间紧迫和编者水平有限，书中的错误和缺点在所难免，热忱欢迎读者对本书提出批评与建议。

本书配有免费的电子教学课件及练习题参考答案，请有需要的教师登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册后进行下载，如有问题请在网站留言或与电子工业出版社联系（E-mail:hxedu@phei.com.cn）。读者也可通过该精品课网站（http://jpk.tjdz.net/jingpinke1/dz_dpj/）浏览和参考更多的教学资源。

编　者

第1章　单片机基础知识

学习目标：

➢ 掌握单片机的概念及特点；

➢ 了解（单片机）冯•诺依曼结构和哈佛结构的差异；

➢ 了解AT89S52单片机结构，掌握内部数据存储器的空间分配和SFR；

➢ 掌握AT89S52单片机的外部引脚功能及单片机最小应用系统；

➢ 掌握单片机集成开发环境Keil C51、在线下载软件ISP的使用方法。

技能要求：

➢ 利用AT89S52单片机制作一个简单的实用电路；

➢ 会使用相应软件对程序进行仿真和调试。

1.1　单片机的概念及发展

项目任务1　一只会闪光的灯

在还没有学习单片机这门课程之前，我们先看一个案例：现在有一块单片机开发板，接上电源，打开开关，我们看到有一个发光二极管在闪烁，即每隔0.5 s发光二极管亮一次，然后再灭一次，依此规律循环。单片机是如何控制一个发光二极管（LED）闪烁的呢？本任务要求在学习什么是单片机、单片机的结构及单片机最小系统的应用等基础知识后，再动手实施与本案例相类似电路的设计过程。

1.1.1　单片机的定义

随着单片机性价比的不断提高，应用范围不断扩大，单片机开发可参考的资料、案例日益丰富，开发平台也日臻完善，单片机已不再局限于高端产品中的应用。因此，在新产品开发及老产品改造中将会更广泛地使用单片机技术。

1.单片机的概念与特点

单片微型计算机简称单片机。它是微型计算机发展中的一个重要分支，以其独特的结构和性能，越来越广泛地应用到工业、农业、国防、网络、通信以及人们日常工作、生活领域中。

1）什么是单片机

单片机（Single Chip Computer）又称单片微控制器（Microcontroller），它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是将计算机主要部件集成到一块芯片上。概括地讲，一块芯片集成了计算机的主要功能模块。

单片机主要由中央处理器（CPU）、存储器（随机存储器RAM和只读存储器ROM）、输入/输出接口、定时器/计数器等部分组成。

它的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。将单片机装入各种智能化产品中，便成为嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）。

2）单片机的特点

单片机具有如下特点：

（1）体积小、质量轻。

（2）电源单一、功耗低（突出特点）。

许多单片机可在2.2V的电压下工作，有的能在1.2V或0.9V电压下工作，功耗降为μA级。

（3）功能强、价格低，有优异的性能价格比。

（4）元器件全部集成在芯片上，布线短、合理，集成度高。

（5）数据大部分在单片机内传递，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。

2.单片机的体系结构

单片机的体系结构有两种，一是传统的冯•诺依曼（John Von Neumann）结构；另一种是哈佛（Harvard）结构。

1）冯•诺依曼结构

计算机的组成结构多数是冯•诺依曼型的，即它是通过执行存储在存储器中的程序而工作的。计算机执行程序自动按序进行，无须人工干预，程序和数据由输入设备输入存储器，执行程序所获得的运算结果由输出设备输出。因此，计算机通常由运算控制部件、存储部件、输入设备和输出设备四部分组成，如图1.1所示。

图1.1　冯•诺依曼型的计算机组成框图

2）哈佛结构

如图1.2所示为哈佛结构示意图。下面结合图1.2简单地介绍其结构特点。

图1.2　哈佛结构示意图

数据与程序分别存于两个存储器中，是哈佛结构的重要特点。由图1.2可见系统有两条总线，即数据总线和指令传输总线完全分开。哈佛结构的优点：指令和数据空间是完全分开的，一个用于取指令，另一个用于存取数据。所以与常见的冯•诺依曼结构不同的第一点：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但低挡、中挡和高挡系列的指令总线位数分别为12、14和16位。第二点：由于可以对程序和数据同时进行访问，CPU的取指和执行指令采用指令流水线结构，如图1.3所示，当一条指令被执行时允许下一条指令同时被取出，使得每个时钟周期都可以获得最高效率。

图1.3　指令流水线结构示意图

而在指令流水线结构中，取指和执行在时间上是相互重叠的，所以才可能实现单周期指令。只有涉及改变程序计数器PC（Program Counter）值的分支程序指令时，才需要两个周期。

在后面的学习中，本书主要介绍的AT89S52单片机采用的就是哈佛结构。

1.1.2　单片机的应用领域

单片机是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、存储器、输入/输出部件和时钟电路等。因此它具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣环境下可靠地工作等特点。特别是它应用面广、控制能力强，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛的应用。单片机主要可用于以下几方面：

1）家用电器

单片机已广泛应用于家用电器的自动控制中。如洗衣机、空调、电冰箱、彩色电视机、录像机、VCD、音响设备、手机和BP机等。单片机的使用提高了家用电器的性能和质量，降低了家用电器的生产成本和销售价格。

2）智能卡

尽管目前使用的各种卡主要是磁卡和IC卡，但是，带有CPU和存储器的智能卡，已经并将日益广泛地用于金融、通信、信息、医疗保健、社会保险、教育、旅游、娱乐和交通等各个领域。

3）智能仪器仪表

单片机体积小、耗电少，被广泛用于各类仪器仪表。如智能电度表、智能流量计、气体分析仪、智能电压电流测试仪和智能医疗仪器等。单片机使仪器仪表走向了智能化和微型化，使仪器仪表的功能和可靠性大大提高。

4）网络与通信

许多型号的单片机都有通信接口可方便地进行机间通信，也可方便地组成网络系统。如单片机控制的无线遥控系统、列车无线通信系统和串行自动呼叫应答系统等。

5）工业控制

单片机可以构成各种工业测控系统、数据采集系统。如数控机床、汽车安全检测系统、报警系统和生产过程自动控制系统等。

1.1.3　单片机技术的发展阶段

单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源不仅能满足很多应用场合的需要，且具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点。因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、网络系统、汽车工业、国防工业、高级计算器具、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视，特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于其功耗低、使用的温度范围大、抗干扰能力强、能满足一些特殊场合的要求，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促进了单片机技术的发展。

单片机的发展主要经历了3个阶段（以Intel公司产品为例）。

第1阶段（1971—1978年）：初级单片机阶段，以MCS-48系列为代表。有4位、8位CPU，并行I/O口，8位定时器/计数器，无串行口，中断处理比较简单，RAM、ROM容量较小，寻址范围不超过4KB。

第2阶段（1978—1983年）：单片机普及阶段，以MCS-51系列为代表。8位CPU，片内RAM、ROM容量加大，片外寻址范围可达64KB，增加了串行口，多级中断处理系统，16位定时器/计数器。

第3阶段（1983年以后）：16位单片机阶段，以MCS-96系列为代表。16位CPU，片内RAM、ROM容量进一步增大，增加了A/D和D/A转换器，8级中断处理功能，实时处理能力更强，它允许用户采用面向工业控制的专用语言，如C语言等。

总之，单片机发展可归结为以下几个方面：

（1）增加字长，提高数据精度和处理速度；

（2）改进制作工艺，提高单片机的整体性能；

（3）由复杂指令集CISC转向简单指令集RISC技术；

（4）多功能模块集成技术，使一块嵌入式芯片具有多种功能；

（5）微处理器与DSP技术相结合；

（6）融入高级语言的编译程序；

（7）低电压、低功耗。

目前，国际市场上8位、16位系列单片机已有很多，32位的单片机也已经进入了实用阶段。随着单片机技术的不断发展，新型单片机还将不断涌现，单片机技术正以惊人的速度向前发展着。

1.2　单片机的结构

下面以AT89S52为例来介绍单片机结构。AT89S52是一个低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，并且在系统中集成了8KB的可编程闪存。AT89S52兼容标准80C51指令集和引脚。AT89S52是一个功能强大的微控制器，具有较高的性价比，可在许多嵌入式控制中应用。

AT89S52单片机在一块芯片中集成了CPU、8KB的Flash、256B内存、32条输入/输出线、看门狗定时器、两个数据指针、3个16位定时器/计数器、6矢量两个级别的中断结构、一个全双工串行口、片内振荡器和时钟电路。

1.2.1　AT89S52单片机的内部构件

AT89S52单片机内包含下列几个部件：

（1）一个8位CPU；

（2）一个片内振荡器及时钟电路；

（3）8KB可重复擦写的Flash程序存储器；

（4）256B内部RAM；

（5）3个16位定时器/计数器；

（6）32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；（7）一个可编程全双工串行口；

（8）6个中断源、两个优先级。

AT89S52基本结构如图1.4所示。

1.CPU

CPU是单片机的核心部件，它由运算器和控制器组成。

图1.4　AT89S52基本结构

1）运算器

运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW以及十进制调整电路和布尔处理器等许多部件组成的。

（1）8位算术和逻辑运算的ALU单元

ALU单元可以对4位（半字节）、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。完成算术四则运算和逻辑运算，以及位操作、循环移位等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器（PSW）。

（2）累加器ACC

累加器ACC，在指令中用助记符A来表示。A是一个8位寄存器，是CPU中工作最繁忙的寄存器。在算术逻辑运算中，用来存放一个操作数或运算结果（包括中间结果）。在与外部存储器和I/O接口打交道时，其完成数据传送。

（3）寄存器B

B可做通用寄存器，在乘、除法运算中使用。做乘法运算时，寄存器B用来存放乘数及积的高位字节；做除法运算时，寄存器B用来存放除数及余数；不做乘、除法运算时，寄存器B可做通用寄存器。

（4）程序状态字寄存器PSW（程序状态标志寄存器）

PSW是8位寄存器，用于存放当前指令执行后操作结果的某些特征，以便为下一条指令的执行提供依据。PSW的各位定义如表1.1所示。

表1.1　PSW的各位定义

① Cy：进位标志位。

在执行某些算术运算和逻辑指令时，Cy可以被硬件或软件置位或清0。在算术运算中它可作为进位标志；在位运算中，它做累加器使用；在位传送、位与及位或等位操作中，都要使用进位标志位。

② AC：辅助进位标志位。

进行加法或减法操作时，当发生低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置0。执行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。

③ F0：用户标志位。

该位为用户定义的状态标志，用户根据需要用软件对其置位或清0，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。

④ RS1和RS0：寄存器组选择控制位。

此两位通过软件置0或1来选择当前工作寄存器组，如表1.2所示。

表1.2　工作寄存器组选择

CPU通过对PSW中的D4、D3位内容的修改，就能任选一个工作寄存器组。例如：

若不设定则为第0组，也称为默认值，这个特点使单片机具有快速现场保护功能。特别注意的是，如果不加设定，在同一段程序中工作寄存器R0～R7只能用一次，若用两次程序会出错。

⑤ OV：溢出标志位。

当执行算术指令时，在带符号的加减运算中，OV=1表示有溢出（或借位）。反之，OV=0表示运算正确，即无溢出产生。

⑥ P：奇偶标志位。

P用来表示累加器A中1的个数的奇偶性，它常常用于手机通信。若累加器中1的个数为奇数则P=1，否则P=0。

（5）布尔处理器

布尔处理器完成布尔代数逻辑运算。

2）控制器

控制器是CPU的大脑中枢，是单片机的指挥控制部件。它由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、数据指针（DPTR）、堆栈指针（SP）以及定时控制电路等部件组成，对来自存储器中的指令进行译码，通过定时控制电路在规定的时刻发出各种操作所需的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。

（1）程序计数器PC

程序计数器PC是16位专用寄存器，寻址范围为64KB，用于存放CPU执行的下一条指令的地址，具有自动加1的功能。当一条指令按照PC所指的地址从程序存储器中取出后，PC会自动加1，指向下一条指令。

（2）指令寄存器IR和指令译码器ID

指令寄存器IR是8位寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码；指令译码器ID对指令寄存器中的指令进行译码，即将指令转变为所需的电平信号。

译码器输出的电平信号，再经定时控制电路即可定时产生执行该指令所需要的各种控制信号。

（3）数据指针DPTR

数据指针DPTR是16位专用寄存器。它可以对64KB的外部数据存储器和I/O口进行寻址，也可作为两个8位寄存器，主要用做外部数据存储器的地址指针。

（4）堆栈指针SP

堆栈指针SP是8位特殊功能寄存器，在片内RAM（128B）中开辟栈区，并随时跟踪栈顶地址，它按“先进后出”的原则存取数据，上电复位后，SP指向07H。

2.存储器及特殊功能寄存器

AT89S52外部有两个独立的存储器空间：64KB的程序存储器空间和64KB的数据存储器空间。

1）程序存储器片内ROM不起作用，完全执行片外程序存储器指令。外部ROM的地址为0000H～0FFFFH，可达64KB。执行片内程序存储器指令，地址为0000H～1FFFH；当指令地址超过1FFFH后，自动转向片外ROM取指令，地址为2000H～0FFFFH。

2）数据存储器

数据存储器分为内部数据存储器和外部数据存储器。

（1）内部数据存储器

AT89S52有256B的片内RAM，地址空间为00H～0FFH。其中，低128B（地址为00H～7FH）是真正的RAM区；高128B（地址为80H～0FFH）与片内特殊功能寄存器（SFR）区（80H～0FFH）地址完全重合，但在物理上是完全独立的，单片机采用不同的寻址方式，以区分这两个重叠的逻辑地址空间。

访问（80H～0FFH）区间的SFR时，只能用直接寻址方式。如：

其中，指令的目的操作数是直接地址，将立即数“#data”送入SFR中的0A0H单元中。

访问（80H～0FFH）区间的片内RAM时，只能用间接寻址方式。如：

其中，指令的目的操作数是间接地址，将立即数“#data”存入片内RAM的0A0H单元中。堆栈操作是间接寻址的典型例子，因为栈指针SP为栈顶单元地址。片内RAM 80H～0FFH空间也可用做栈区空间。

AT89S52片内共有32个特殊功能寄存器。表1.3列出了AT89S52 SFR的地址及复位值。

表1.3　AT89S52 SFR的地址及复位值

续表

在80H～FFH地址空间中，SFR并没有被完全占用。对于余留的空间，用户不可使用。

（2）外部数据存储器

外部数据存储器地址范围为0000H～0FFFFH，可达64KB，用MOVX指令进行访问。

1.2.2　AT89S52单片机引脚功能

AT89S52的引脚和封装共有四种形式，如图1.5所示。

下面以40引脚塑料双列直插式封装（PDIP）芯片为例，介绍各个引脚功能。

（1）电源引脚VCC和GND。

① GND（20）：接地端。

② VCC（40）：正常操作时为+5V电源。

通常在VCC和GND引脚之间接0.1μF高频滤波电容。

（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2。

①　XTAL1（19）：内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。

②　XTAL2（18）：内部振荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。

（3）控制或与其他电源复用引脚

①　RST（9）：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。

图1.5　AT89S52的引脚和封装

②（30）：地址锁存允许/编程脉冲输入。在访问外部程序存储器和外部数据存储器时，该引脚输出一个地址锁存脉冲ALE，其下降沿可将低8位地址锁存于片外地址锁存器中。

在编程时，向该引脚输入一个编程负脉冲

正常操作时为ALE功能（允许地址锁存），将地址的低字节锁存在外部锁存器中，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性地发出正脉冲信号。

③29）：外部程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。在从外部程序存取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。在访问外部数据存储器时，无效。

④（31）：内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当为高电平时，访问内部程序存储器；当为低电平时，则访问外部程序存储器。

在Flash编程时，该引脚可连接21V的编程电源Vpp。

（4）输入/输出引脚P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7。

①　P0口（32～39）：一个8位漏极开路型双向I/O口。

当用做通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载；当用做输入时，每个端口首先置1。

在访问外部存储器时，它分时传送低字节地址和数据总线，此时，P0口内含提升电阻。

②　P1口（1～8）：一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。

当用做通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载。当用做输入

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