书名：单片机原理、应用与PROTEUS仿真（第3版）pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语：注重实践，包含电子产品设计开发软硬件设计全流程介绍，多个实例均经过实践验证。

作者：教育-高职高专-电子信息类著

出版社：电子工业出版社

出版时间：2014-06-01

书籍编号：30467810

ISBN：9787121230622

正文语种：中文

字数：81500

版次：3

所属分类：教材教辅-大学

版权信息

书名：单片机原理、应用与PROTEUS仿真（第3版）

作者：教育-高职高专-电子信息类

ISBN：9787121230622

版权所有 · 侵权必究

前言

单片机就是“微控制器”，是嵌入式系统中重要的组成部分。将它嵌入到应用对象中，成为众多产品、设备的智能化核心。单片机在国民经济各领域中获得了广泛的应用。“单片机原理及应用”课程已成为高职高专院校许多专业的专业基础课程或专业核心课程。

本书第1版于2008年8月出版，2011年12月出版了第2版。不少学校采用此书作为“单片机原理与应用”类课程教材，受到众多教师、学生和读者的欢迎。第3版（高职高专版）在第1、2版的基础上进行了较大的修订充实。

第3版修订充实的依据是：教育部委托高职高专教学指导委员会研究制定并于2012年11月出版的“高等职业学校专业教学标准”^［1］。此标准的前言中指出：“高等职业学校专业教学标准是高等职业学校进行教学基本建设和专业建设的基本标准，适用于独立设置的高等职业学校（含高等专科学校）”。

第3版完全符合该标准对本课程的教学内容及教学要求，即掌握单片机硬件系统构建、汇编指令系统、汇编应用程序编制与调试；熟悉单片机电子产品的开发流程；能较熟练地使用开发仿真工具进行应用程序调试；能设计并调试简单的智能电子产品中的功能模块；能熟练使用PROTEUS 等软件平台等。

第3版坚持第1版、第2版“理论知识够用”、“突出实践实用”、“项目驱动教学”、“强化仿真教学”的编著原则。特别充实了培养学生指令功能仿真认知、程序仿真调试、硬软件联合仿真调试及实际制作能力的内容。

本书主要特点是：

1.紧跟现代信息技术发展，将先进的PROTEUS EDA既作为课程内容又作为教学手段深度融合于书中。PROTEUS是英国Labcenter Electronics公司研发的EDA（电子产品设计自动化）。它是单片机（AT89C51/S51、PIC、MSP430等）应用系统先进的设计与仿真平台。它真正实现了在计算机上完成从原理图设计与电路设计、程序设计与仿真调试、系统硬软件联合实时仿真与功能验证直至PCB设计的完整的EDA过程^［2～4］。将PROTEUS深度融合于“单片机原理与应用”课程，使课程内容、教学模式等发生了成功的革命性变化。八年的教学实践证明：本书是实现“理论教学、实验（训）教学、仿真教学有机融合”、“课堂、实验室、实训室一体化”教学改革的成功范例。本书于2014年荣获省高等教育教学成果奖。

2.选用单片机电子产品或其功能模块（实例和项目）作为本书的主要内容，并以其开发流程作为阐述主线。其中有些就是编著者为企业研发并生产的智能电子产品的功能模块。八年的教学实践证明：本书为实施从“基础理论（知识）→电路仿真设计→程序仿真设计与调试→硬软件系统实时仿真与功能验证直到实际制作的项目驱动教学”和“教、学、做一体化”教学提供了教材保证。

3.本书的实例和项目均由学生进行了设计、仿真到实际制作的验证。学生最后完成的二十余项实际作品的照片已录入本书中。

本书有11章和4个附录。第1～6章主要讲述单片机硬件系统构造，I/O口功能及应用，汇编语言指令系统、程序设计，中断系统及其应用，定时器/计数器及应用；第7～10章以项目形式较全面地讲述了接口技术；第11章以项目形式讲述了单片机的实际应用。PROTEUS应用基础、电路仿真设计、指令功能仿真验证、程序设计与仿真调试、硬软件联合实时仿真与调试等分别融合于相应章节及项目中。

本书实例及项目都经过了编著者及学生的实践验证。

本书以AT89C51/S51单片机为主体来讲述单片机原理及应用，其内容适用于与MCS-51兼容的单片机（如STC89C51、P87C51等），并可作为学习其他类型单片机的基础。

本书为省级高等教育“单片机原理与应用”重点教材，省级精品课程“单片机原理与应用”精品教材，省级特色专业应用电子技术专业特色教材。

本书有丰富的项目（含实例），在编著中既尊重项目及项目间的知识体系和连续性，又特别注重项目间的相对独立性；教师可根据学校专业的课时要求挑选项目的数量，以满足课时时数从48到72之间的不同要求。

本书可作为高等职业学校和高等专科学校电子信息类、电气控制类、机电类、计算机应用类等相关专业“单片机原理与应用”类课程的教材，也可作为电子工程师、相关专业大学生、单片机应用爱好者的参考书。

本书第1～3章由张靖武编写，第4、10、11章由周灵彬编写，第5～7章由皇甫勇兵编写，第8、9章和附录由王开编写。全书由张靖武策划、统稿和定稿。参加本书编写的还有疏晓宇、诸成成、朱嘉、屠俞炳、陈敏杰、李臻、陈伟鹏、吴世敏、黄文众、李守帅、干星雨。

衷心感谢广州市风标电子技术有限公司（PROTEUS中国总代理http：//www.windway.cn）匡载华总经理的大力支持与帮助。

电子工业出版社柴燕同志在编辑出版此书过程中做了大量细致的工作，特此表示由衷感谢。

由于编著者水平有限，书中难免有不妥甚至错误之处，恳请读者批评指正。

本书免费提供电子授课多媒体课件、PROTEUS仿真设计及习题参考答案。

编著者

第1章 概论

1.1 嵌入式系统、单片机、AT89C51单片机

1.1.1 嵌入式系统、单片机

1.嵌入式系统

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。例如，嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、SOC等。其中“嵌入式微控制器”简称为“微控制器（Microcontroller Unit，MCU）”。

2.单片机（微控制器）

单片机就是微控制器，它是嵌入式系统中重要且发展迅速的组成部分。微控制器是面向应用对象、突出控制功能的芯片。在该芯片中集成了中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、I/O口等主要功能部件及连接它们的总线。国内早期称其为“单片机”，一直沿用至今。但应将“单片机”理解为“微控制器（MCU）”。单片机接上振荡元件（或振荡源）、复位电路和接口电路，载入软件后，可以构成单片机应用系统。将它嵌入到形形色色的应用系统中，就成为众多产品、设备的智能化核心。所以，生产企业称单片机为“微电脑”。单片机的种类很多、型号也很多。若依“位”来分类，有4位、8位、16位、32位、64位等单片机。目前仍应用很广的8位单片机型号就很多，如MCS-51、AT89C、AT89S、P87C、W7851、STC、GMS90、HT、PIC、AVR、68HC11、MB8900等系列。其中，2～7种是采用MCS-51系列（基本型为80C51）单片机内核的兼容机，且指令系统相同。图1-1列出了几种常用单片机照片。图1-2为MCS-51系列单片机中80C51的内部结构原理示意框图。

图1-1 AT89C51/S51、PIC、AVR、ARM等

图1-2 MCS-51系列单片机中80C51的内部结构原理示意框图

3.单片机特点

单片机除具有体积小、灵活性强、可靠性高、用途广、价格低等优点外，还具有许多特点。

（1）突出控制功能

单片机结构、功能和指令系统都突出了控制功能。故对外部信息能及时采集，对被控制对象能实时控制。

（2）ROM和RAM分开

ROM用来固化调试好的程序、常数、数据表格等；RAM只存放运行中的临时数据、变量、结果等。ROM和RAM分开，可使系统运行可靠，即使掉电也能确保程序、常数、数据表格等的安全。

（3）单片机资源具有广泛的通用性

同一种单片机可用于不同的对象系统中，只要固化不同的应用程序即可。

（4）易于扩展外部ROM、RAM、定时器/计数器、中断源等资源

单片机的资源（ROM、RAM、定时器/计数器、中断源等）能满足一般应用系统的要求。若应用系统大，单片机本身的资源可能不够，就需扩展资源。单片机有便于扩展的结构及控制引脚。利用它们容易构成各种规模的单片机应用系统。

值得注意的是：目前有许多单片机（如STC系列）分别扩充了ROM、RAM、中断、定时器、A/D、D/A、PWM等资源，使用更加方便有效。

1.1.2 单片机发展概况

1.单片机发展简要历程

1975年美国得克萨斯仪器公司发明了世界上第一台4位单片机TMS-1000。

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公司基于ARM9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 MCU。64位MCU也开始走向市场，如东芝64位单片机TX99/H4系列。

2.我国单片机发展简况

自1986年来，我国单片机已走过近30年。经历了从单片机独立发展到嵌入式系统全面发展的时期。其中，8位单片机仍占据国内单片机市场的重要地位。以MCS-51内核为内核的功能更强的兼容单片机不断推出，产量大，应用广。国内近几年获得广泛应用的STC系列单片机就是典型的实例。8位单片机系列多，型号多。表1-1列出了几种以MCS-51 内核为内核的兼容单片机的主要配置，它们也有相互兼容的封装，应用广泛。

表1-1 几种常用8位单片机的主要配置

1.1.3 应用广泛的AT89系列单片机

1.AT89系列机

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MCS-51系列单片机内核相结合的单片机系列，是目前应用广泛的8位主流机型之一。AT89系列机包含AT89C51/52/53/54/55/58……，AT89S51/52/53/54/55/58……。

本书涉及的AT89C51/52还与许多MCS-51兼容机（AT89S51/52、STC89C51/52等）的引脚兼容，可直接进行代换。低档型的AT89C1051、AT89C2051、AT89S1051、AT89S2051应用也较广。

2.AT89C51单片机

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。它除具有MCS-51单片机的优点外，还具有下列优点。

（1）片内ROM是Flash存储器（快闪擦写存储器）

由于片内ROM是Flash存储器，电擦、电写都很方便，且可重复擦写许多次。所以，错误编程之后可擦除重新编程。明显缩短了单片机应用系统的开发周期和开发成本。

（2）与MCS-51兼容

AT89C51单片机不仅可取代MCS-51单片机，还可取代与MCS-51兼容的其他型号的单片机。

（3）静态逻辑设计

由于采用静态逻辑设计，可进行低至0Hz频率的静态逻辑操作，并支持两种由软件（程序）选择的省电工作模式，即空闲模式和掉电模式。

3.AT89S51单片机

AT89S51单片机的基本功能、基本优点、引脚等与AT89C51相同，但增加了ISP在系统编程、看门狗、双DPTR等功能。AT89S51是AT89C51的增强型，它正取代AT89C51。所以本书对AT89S51增加的功能也做了叙述。

由于AT89C51/S51单片机功能、性能优越，应用广泛并有着众多的兼容单片机；所以本书以AT89C51为主体兼顾AT89S51来讲述。其指令系统和主要内容适用于众多与其兼容（包括增强型）的单片机。本书所述例子或应用项目均可在AT89C52、AT89S51/S52、STC89C51/52、P87C51、W78E51等兼容（包括增强型）单片机上直接运行。实际上本书二十多个项目（实训）分别用了AT89C51/52、AT89S51/S52、STC89C51/52等单片机。

本书可作为学习应用上述众多兼容单片机（包括增强型）的原理和实际应用指导；也可作为学习应用其他不同类型单片机的基本原理基础和实际应用参考。

1.2 单片机应用系统及其应用领域

1.2.1 单片机最小系统和单片机应用系统

以上讨论的单片机，实际上是一块芯片。使用单片机时要外接元器件、接口电路，还要设计载入相应的应用软件（程序）。

1.单片机最小系统

单片机最小系统是系统中单片机载入软件、接通电源后就能工作的最小电路配置。它与单片机类型有关。AT89C51/S51单片机最小系统是AT89C51/S51接上时钟电路、复位电路，并将EA引脚接电源引脚的最小电路配置。

2.单片机应用系统

单片机应用系统是满足嵌入式对象要求的包括全部电路和应用软件的系统。其全部电路是指在单片机最小系统基础上配置必要的扩展电路和面向应用对象的接口电路。其中接口电路可分类如下。

（1）人机交互通道接口电路

人机交互通道接口电路包括键盘、拨码盘、显示器、打印机等输入/输出接口电路。

（2）后向通道接口电路

后向通道接口电路是应用系统面向控制对象的输出接口，通常有D/A（数/模）转换器、开关量输出、功率驱动接口等。

（3）前向通道接口电路

前向通道接口电路是应用系统面向检测对象的输入接口，通常由各种传感器（如温度传感器、压电传感器）、A/D（模/数）转换器等组成。

（4）串行通信通道接口电路

串行通信通道接口电路是满足数据通信或构成多机网络系统的接口电路。

1.2.2 单片机应用领域

单片机广泛应用于工业、农业、国防、科技、教育、金融、家庭等领域。

1.工业控制智能化

工业过程控制、过程监测、机电一体化控制、机器人等系统是多以单片机为核心的单机或多机网络系统。

2.智能化仪器、仪表

目前，各种电工、电气、电子科技测量仪器、仪表普遍采用以单片机为核心的系统，使测量系统具有智能功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语言功能等。

3.智能化通信产品

现代通信设备基本采用嵌入式系统（含单片机）智能控制，如手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信系统等。

4.智能化家用电器

国内外家用电器已普遍采用单片机智能化控制系统，如洗衣机、电冰箱、空调器。

5.智能化汽车电子系统

单片机已应用到汽车电子系统中。例如，BMW 745i轿车就使用了60多个8位单片机。

总之，单片机是各种产品智能化的重要手段。图1-3～图1-8列举了本书作者为企业研发或参与研发的以单片机为核心的部分产品。

图1-3 HH-168微电脑防盗报警器（浙江宁波横河门业有限公司研发生产）

图1-4 纯水机微电脑控制板（浙江绍兴海德数码电子有限公司研发生产）

图1-5 全自动洗衣机控制板（浙江慈溪迈思特电子科技公司研发生产）

图1-6 微电脑自动开盖垃圾筒（浙江慈溪迈思特电子科技公司研发生产）

图1-7 微电脑多功能饮料机（浙江省慈溪迈思特电子科技公司研发生产）

图1-8 LED条幅型大屏幕（浙江省慈溪迈思特电子科技公司研发生产）

1.2.3 单片机应用系统中单片机类型的选择

1.选型原则

单片机种类多、型号多。

根据数据总线宽度，有4位、8位、16位、32位和64位单片机。32位、64位单片机用于复杂处理的场合（如智能手机、高档机器人等），一般都使用嵌入式操作系统。

若以型号分就有数千种之多。如何选呢?建议从产品要求、市场需求、本人及团队现况、性/价比及可持续发展等多角度考虑。这里提出仅供参考的主要选型原则。

（1）合适性原则

选择单片机不要盲目追求高、尖、新。要从产品要求角度选单片机，“合适就好”。

若开发生产一般智能玩具、较低档次家用电器等，只要4位机就可做到功能够用、性能稳定、安全可靠，且价格很低。例如，采用东芝4位机TLCS 和TMP47C系列就不错。

若开发生产高档智能玩具、中档智能家用电器、一般工业控制等，选用8位机就可以了。我们为企业开发生产的HH168微电脑家用报警器、净水机、全自动洗衣机、自动开盖垃圾筒、LED大条屏就是选用8位单片机，分别为AT89C51、AT89C2051、PIC16C57、PIC16C54、STC89C54；实践证明：其功能够用、性能可靠、性/价比高、有升级空间。

若开发生产高档门禁系统、考勤系统、中档机器人等，可选用16位单片机。例如，MSP430就不错；也可选用AVR、STC等增强型8位单片机，如图1-7所示的多功能饮料机。

若开发智能手机、高档机器人等，就得选用32位、64位单片机。

总之，各类型单片机都有自己存在与发展的空间。只要能满足产品对功能、性能要求（并略有扩展空间）就好。选择单片机“没有最好，合适就好”，这就是合适性原则。

（2）技术性原则

技术性是指单片机的功能强不强、性能好不好。这是选型中必须考虑的。功能一般指ROM、RAM、中断源、定时器/计数器、I/O口、通信接口、扩展能力等基本功能和A/D、PWM、SPI、ISP、WDT、I2C、E2PROM、LCD驱动等扩展功能。性能一般指速度、抗干扰、功耗、稳定可靠性、适应的环境（温度、湿度、尘埃）等。

例如，我们开发LED条幅电子屏要求有大容量又能电擦写的数据存储器，所以选用有大容量E²PROM 的STC系列单片机。我们开发的全自动洗衣机，因它们工作时电动机频繁开断，电磁干扰较大，所以选择抗电磁干扰能力较强的PIC系列单片机。

（3）实用性原则

一指单片机应用系统在其使用环境下工作可靠稳定、操作方便。例如，若产品的使用环境是室外，温度变化范围大就要考虑选用工业级单片机；若是军事使用环境，则要选用军用级。若是便携式仪器仪表中单片机，则要选用电压低、功耗低、体积小的单片机。

二指便于维护、便于程序升级。若考虑程序升级方便宜采用具有ISP在系统编程功能的单片机（如AT89S系列）。

三指单片机供应渠道、开发工具、技术支持等。在同等条件下，要选用有信誉、有保障的知名厂家、公司、企业，有利于缩短开发周期，有利于产品稳定和持续发展。

2.部分知名公司及生产的单片机简介（重点8位单片机）

（1）ATMEL公司

AT89系列单片机本章1.1.3节已做介绍。

AVR单片机：8位单片机有ATmega16、ATmega64、ATmega128等。增强型RISC 的Flash单片机，集成有A/D、PWM、SPI、DTMF、FS、LCD驱动等，可以实现在系统编程。

（2）STC（宏晶）科技公司

有STC89、STC12等系列单片机，是内核为MCS-51内核的增强型兼容机。特色是扩展功能多、抗干扰能力强、宽电压宽温度范围、低功耗、在系统编程、性/价比高、加密好、封装多，是近几年国内应用发展较快的8位单片机。例如，STC89C54RD+单片机时钟频率5V时为0～80MHz、16K FLASH ROM、512RAM、1280字节E²PROM、ISP、看门狗、双数据指针、6 个中断源、3个计数器/定时器、……有PDIP-40、PLCC-44、LQFP-44、PQFP-44封装，后3种还增加P4口。该公司开发的32点阵LED条形大屏幕就是采用该型单片机。

（3）东芝公司

东芝单片机门类齐全，从4位机到64位机。4位机在家电领域仍有较大的市场。8位机主要有870系列、90系列等，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟时功耗降至10μA数量级。CPU内部多组寄存器的使用，使得中断响应与处理更加快捷。东芝的32位单片机采用MIPS 3000A RISC的CPU结构，面向VCD、数字相机、图像处理等市场。

（4）华邦公司

华邦公司的W77、W78系列8位单片机的引脚和指令集与8051兼容，但每条指令周期只需要4个时钟周期，速度提高了3倍，工作频率最高可达40MHz。同时增加了看门狗、6组外部中断源、2组UART、2组Data pointer及Waitstate control-pin。FLASH容量从4KB到64KB，有ISP功能。W741系列的4位单片机带液晶驱动，在线烧录，保密性高，低操作电压（1.2～1.8V），是不错的4位机。

（5）Microchip公司

Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是16C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，且以低价位著称，一般单片机价格都在1美元以下。抗电磁干扰能力较强。其中PIC16F87X子系列是中级单片机中很有特色的，有FLASH ROM，128X8的E2PROM。

（6）Motorola公司

该公司是世界上最大的单片机厂商。其特点是品种全、选择余地大、新产品多，在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08，有三十多个系列，二百多个品种，产量已超过20亿片。8位增强型单片机68HC11有三十多个品种，年产量在1亿片以上。16位机68HC16有十多个品种。32位单片机的683XX系列有几十个品种。Motorola单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣的环境（如汽车）。

（7）三星公司

三星单片机有KS51和KS57系列4位单片机、KS86和KS88系列8位单片机、KS17系列16位单片机和KS32系列 32位单片机。三星公司在单片机技术上以引进消化发达国家的技术，生产与之兼容的产品，然后以价格优势取胜。例如，在4位机上采用NEC的技术，8位机上引进Zilog公司Z8的技术，在32位机上购买ARM7内核，还有DEC的技术、东芝的技术等。其单片机裸片的价格相当有竞争力。

（8）LG公司

LG公司生产GMS90系列单片机，与MCS-51兼容，高达40MHz的时钟频率，应用于多功能电话、智能传感器、电度表、工业控制、防盗报警装置、各种计费器、各种IC卡装置。

1.3 单片机应用研发工具和教学实验装置

1.3.1 单片机软件调试仿真器

单片机软件调试仿真器有多种，如Keil、WAVE。如图1-9所示为Keil软件调试仿真器进入工作界面情况。将Keil安装到计算机中，启动后进入工作状态。Keil支持汇编语言和C51语言。

图1-9 Keil软件调试仿真器界面

1.3.2 单片机仿真器

单片机仿真器又称单片机硬件仿真器，型号很多，图1-10所示的是万利52P型仿真器。使用时先要将其软件安装到计算机中，再将通信插口与计算机并行口相连，最后将对应单片机型号的仿真头与单片机开发应用板的单片机插座对插。使用该仿真器可对用户设计的单片机应用系统进行实时仿真，还可采用设置断点等方式进行调试。

图1-10 万利52P型单片机仿真器

1.3.3 编程器和ISP在系统编程

编程器完成将单片机目标代码编程（也称固化、烧入）到单片机ROM中的任务。编程器型号很多，如图1-11左侧所示的是WH-500型编程器，使用时要通过串口与计算机相连。该编程器可对许多型号的单片机进行编程操作，使用方便。

有些Flash ROM存储器（快闪擦写存储器）的单片机（如AT89S51/52）可进行ISP在系统编程，简称ISP下载。即使单片机已装配在PCB上也能进行ISP编程，使用非常方便。图1-11右侧所示的是AT89S51单片机的ISP在系统编程下载线照片。

图1-11 编程器和ISP在系统编程

1.3.4 PROTEUS EDA（电子设计自动化）

PROTEUS是英国Labcenter Electronics公司研发的EDA（以下简称PROTEUS）。PROTEUS不仅是模拟电路、数字电路、模数混合电路的设计与仿真平台，更是目前世界上最先进、最完整的多种型号单片机（微控制器）应用系统的设计与仿真平台。它真正实现了在计算机上完成从原理图设计与电路设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整的电子产品研发自动化过程。其结构体系如图1-12所示，主要由ISIS电路设计与仿真平台、ProSPICE混合模式仿真器、VSM单片机系统协同仿真和ARES PCB设计构成。PROTEUS还有众多的虚拟仪器（示波器、逻辑分析仪等）、信号源；还有高级图表仿真ASF。它们提供了检测、调试、分析的手段。

图1-12 PROTEUS基本结构体系
注：ISIS（Intelligent Schematic Input System）：智能原理图输入系统；VSM（Virtual System Modelling）：PROTEUS虚拟系统模型；PROSPICE：混合模型仿真器；ARES（Advanced Routing and Editing Software）：高级布线编辑软件；PCB

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