书名：单片机应用技术pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语：

作者：查鸿山编

出版社：电子工业出版社

出版时间：2015-02-01

书籍编号：30468025

ISBN：9787121247842

正文语种：中文

字数：111600

版次：1

所属分类：教材教辅-中职/高职

版权信息

书名：单片机应用技术

作者：查鸿山

ISBN：9787121247842

版权所有 · 侵权必究

前言

单片机由于其体积小、功能强、功耗低、可靠性高和性价比高等优点，在过程控制、机电一体化产品、智能仪器、家用电器以及计算机网络及通信等领域得到了广泛应用。

随着科学技术的日新月异，单片机的发展也经历了从4位、8位到16位、32位的发展阶段。在众多厂商的支持下，如PHILIPS、SImemens、AMD、NEC、Atmel等，51系列单片机已发展出上百个品种的大家族。8051单片机功能更丰富、内存容量更大、运行速度更快，发展至今，其他任何一个单片机系列均未发展到如此的规模，因而8051是单片机教学的首选。

汇编语言作为一个符号化的机器语言，其代码执行效率高，运行速度快，对8051单片机内核管理方便，可以充分发挥单片机的硬件性能，非常适合于编写实时性要求较高的控制程序。但其开发的工作量大，程序的可读性差。相比之下，作为高级语言的C语言具有可读性强、编程简单和调试方便的特点。本书在系统讲述单片机硬件结构和8051汇编语言指令系统的基础上，以C51语言为主，进行单片机内部资源及外部接口程序的开发。笔者认为，在对指令系统单片机内部结构基本了解的基础上，应用C51编程更为高效。

在结构的组织上，针对基础理论和实践应用的不同，对理论知识的阐述力求全面、详尽。对实践应用部分的内容组织，以项目为导向，体现工学结合特色，在项目的组织实施中穿插介绍有关知识点。项目实施体现实际电子产品的开发流程，在KeilμVersion4下编程，在Proteus仿真平台下进行仿真，最后将代码烧写到单片机中。

由于时间仓促、作者水平有限，书中难免有错漏之处，恳请广大读者批评指正，读者可通过电子邮件chaminghong＠tom.com，直接与作者联系。

读者使用本书时，所需Keil软件可在Keil官方网站http：//www.keil.com下载评估版。

作者

2014.12

第1章 8051单片机最小系统设计

学习目标

◆了解8051单片机基本结构，掌握单片机学习方法；

◆熟悉8051单片机存储器结构；

◆掌握Keil编程软件和Proteus仿真软件的基本使用方法。

学习任务

◆操作实验设备；

◆学习使用单片机开发编程软件Keil；

◆学习应用Proteus仿真平台进行8051单片机仿真的一般方法。

1.1 单片机简介

1.1.1 单片机与单片微计算机系统

计算机系统已明显地朝巨型化、单片化、网络化三个方向发展。巨型化发展的目的在于不断提高计算机的运算速度和处理能力，以解决复杂系统计算和高速数据处理，比如系统仿真和模拟、实时运算和处理。单片化就是把计算机系统尽可能集成在一块半导体芯片上，其目的在于计算机微型化和提高系统的可靠性，通常把这种单片计算机简称单片机。准确而言，单片机（单片微型计算机）实际上是一种将CPU（中央处理器）、存储器和输入/输出接口集成在一个芯片中的微型计算机。单片机的内部硬件结构和指令系统主要是针对自动控制应用而设计的，所以单片机又称微控制器MCU（Micro Controller Unit），又由于用它可以很容易地将计算机嵌入到各种仪器和现场控制设备中，因此单片机也叫嵌入式微控制器（Embedded MCU）。

单片机要进行工作，必须构成单片机系统。单片机系统实质上就是一个微计算机系统，它主要由硬件和软件两大部分组成，硬件是指构成计算机系统的所有电子、机械和磁性的部件或设备，软件则是各种程序及数据的总称。图1.1给出了单片机系统的具体构成。

1.1.2 单片机发展概述

单片机出现的历史并不长，但发展十分迅速。它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。下面以Intel公司的单片机发展为代表加以介绍。

图1.1 单片机系统的具体构成

第1阶段（1971—1976）：单片机发展的初级阶段。1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，构成了第一台MCS—4微处理器，而后又推出了8位微处理器Intel 8008，以及其他各公司相继推出的8位微处理器。

第2阶段（1976—1980）：低性能单片机阶段。以1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表，采用将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构，虽然其寻址范围有限（不大于4 KB），也没有串行I/O，RAM、ROM容量小，中断系统也较简单，但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。

第3阶段（1980—1983）：高性能单片机阶段。这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个16位定时器/计数器。片内RAM、ROM的容量加大，且寻址范围可达64KB，个别片内还带有A/D转换接口。

第4阶段（1983—20世纪80年代末）：16位单片机阶段。1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS—96系列，由于其采用了最新的制造工艺，使芯片集成度高达12万只晶体管/片。

第5阶段（20世纪90年代）：单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

按照单片机的特点，单片机的应用分为单机应用与多机应用。在一个应用系统中，只使用一片单片机称为单机应用。单片机的单机应用的范围包括：

（1）测控系统。用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等，达到测量与控制的目的。

（2）智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。

（3）机电一体化产品。单片机与传统的机械产品相结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化。

（4）智能接口。在计算机控制系统，特别是在较大型的工业测控系统中，用单片机进行接口的控制与管理，加之单片机与主机的并行工作，大大提高了系统的运行速度。

（5）智能民用产品。如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中，单片机控制器的引入，不仅使产品的功能大大增强，性能得到提高，而且获得了良好的使用效果。

单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。

（1）功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。

（2）并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题，以便构成大型实时工程应用系统。

（3）局部网络系统。在控制系统较为复杂时，构成一个局部控制网络十分有用。有的单片机，为了构成局部网络系统，内部含有局部网络控制模块，很容易构成一个局部网络系统。例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ系列等，美国Microchip的PIC18F458系列等，内部含有局部网络CAN通信模块。

单片机按应用范围又可分成通用型和专用型。专用型是针对某种特定产品而设计的，例如用于体温计的单片机、用于洗衣机的单片机，等等。在通用型的单片机中，又可按字长分为4位、8位、16/32位，虽然计算机的微处理器现在几乎都是32/64位的天下，8位、16位的微处理器已趋于萎缩，但单片机情况却不同，8位单片机成本低、价格低廉、便于开发，其性能能满足用户大部分的需要，只有在航天、汽车、机器人等高技术领域，需要高速处理大量数据时，才需要选用16/32位，而在一般工业领域，8位通用型单片机，仍然是目前应用最广的单片机。

到目前为止，中国的单片机应用和嵌入式系统开发走过了二十余年的历程，随着嵌入式系统逐渐深入社会生活各个方面，单片机课程的教学也有从传统的8位处理器平台向32位高级RISC处理器平台转变的趋势，但8位机依然难以被取代。国民经济建设、军事及家用电器等各个领域，尤其是手机、汽车自动导航设备、PDA、智能玩具、智能家电、医疗设备等行业都是国内目前急需单片机人才的行业。行业高端目前有超过10余万名从事单片机开发应用的工程师，但面对嵌入式系统工业化的潮流和我国大力推动建设“嵌入式软件工厂”的机遇，我国的嵌入式产品要融入国际市场，形成产业，则必将急需大批单片机应用型人才，这为从事这类高技术行业的技术人员提供了巨大机会。

1.1.3 常用单片机系列

1.8051系列单片机

Intel公司于1980年推出8位的高性能8051单片机，在工业控制领域引起不小的轰动，并迅速确立了其不可动摇的地位。之后不久，Intel公司彻底开放了8051单片机的技术（注释：Intel将MCS51的核心技术授权给了很多其他公司），引来世界上很多半导体厂商加入了开发和改造8051单片机的行列中，这其中贡献最大的有Philips公司，它着力发展了单片机的控制功能和外围单元；Atmel公司，它在单片机内部植入了Flash ROM，使得单片机应用变得更灵活，在我国拥有大量的用户；ADI公司，它推出的AduC8 xx系列单片机，在单片机向SOC发展的模/数混合集成电路发展过程中扮演了很重要的角色；Cygnai公司，它采用一种全新的流水线设计思路，使单片机的运算速度得到了极大的提高，在向SOC发展的过程中迈出了一大步。

目前8051系列单片机各生产厂商的主流产品有几十个系列，几百个品种。尽管其各具特色，名称各异，但作为集CPU、RAM、ROM（或EPROM）、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机，其原理大同小异。现以Intel公司的系列产品为例，说明其各系列之间的区别。

Intel公司从其生产单片机开始，发展到现在，大体上可分为3大系列：MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列。该3大系列的性能简介见表1.1。

表1.1 Intel单片机系列性能简介

这里，我们仅对MCS-51系列做简要介绍。MCS-51系列单片机虽已有10多种产品，但可分为两大系列：MCS-51子系列与MCS-52子系列。MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751三种类型。而MCS-52子系列也有3种类型8032、8052、8752。各子系列配置如表1.2所示。

表1.2 51系列单片机配置一览表

表1.2中列出了MCS-51系列单片机的两个子系列，它们在4个性能上略有差异。由此可见，在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM；MCS-51与MCS-52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4 KB增至8 KB；片内数据存储器由128个字节增至256个字节；定时器/计数器增加了一个；中断源增加了1～2个。另外，对于制造工艺为CHMOS的单片机，由于采用CMOS技术制造，因此具有低功耗的特点，如8051功耗约为630mW，而80C51的功耗只有120mW。

注释：8051与80C51的区别

80C51单片机是在8051的基础上发展起来的，也就是说在单片机的发展过程中是先有8051，然后才有80C51的。8051单片机与80C51单片机从外形看是完全一样的，其指令系统、引脚信号、总线等完全一致（完全兼容），也就是说在8051下开发的软件完全可以在80C51上应用，反过来，在89C51下开发的软件也可以在8051上应用。这两种单片机是完全可移植的。既然这两种单片机外形及内部结构都一样，那它们之间的主要差别在哪里呢?8051与80C51单片机的主要差别就在于芯片的制造工艺上。80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进。8051系列单片机采用的是HMOS工艺：高速度、高密度；80C51系列单片机采用的是CHMOS工艺：高速度、高密度、低功耗，因此可以说80C51单片机是一种低功耗单片机。

2.其他单片机

当很多公司在改造MCS-51系列单片机的同时，世界上一些有影响力的大公司也在开发自己的单片机，比如Motorola、TI、Microchip、OKI、Epson等。这些单片机的指令系统和内部结构都与MCS-51系列单片机不同，功能也各有千秋（注释：这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机）。这些单片机与8051的系统结构（只要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机。80C51对8051一般都做了一些扩充，更有特点、功能更强、市场竞争力更强，不应该把80C51称为MCS-51系列单片机，MCS只是Intel公司专用的。

（1）Motorola的单片机

Motorola是世界上最早开发单片机的著名厂商，是目前全球最大的8位单片机生产商。现在已经拥有8位、16位和32位约十几个系列的单片机，这其中8位机主要有68HC05、68HC08和68HC11 3个系列；16位机主要有HCS12、68HC12、DSP56800和68HC16 4个系列；32位机主要有Coldfire的MC683xx、MCORE、MPC500和MCF5 xxx等系列。Motorola单片机的功能一般都很强，进入我国的时间也很早，在单片机应用领域有很高的威望，但由于其开发工具价格较高，影响了普及率。

（2）Microchip公司的PIC单片机

Microchip公司是当今世界上第二大8位单片机生产商，Microchip单片机在我国也有比较多的用户，近几年随着Microchip不断推出颇具特色的各型单片机，Microchip已越来越受到业界的广泛关注。目前，市面上比较常见的单片机主要有以下3个系列：PIC12C5xxx/16C5x系列，这两个系列的单片机是PIC单片机中的低端产品，其中PIC16C5x系列是最早在市场上得到发展的系列，因其价格较低，且有较完善的开发手段，因此在国内应用最为广泛。而PIC12C5xx是世界上第一个8脚低价位单片机，可用于一些对单片机体积要求较高的简单智能控制领域，前景十分广阔。PIC12C6xx/PIC16Cxxx系列是PIC中档产品，是Microchip近年来重点发展的系列产品，品种最为丰富，其性能比低档产品有所提高，指令周期可达到200ns，增加了中断功能、带A/D、内部E2PROM数据存储器、双时钟工作、比较输出、捕捉输入、PWM输出、I2C和SPI接口、异步串行通信（USART）、模拟电压比较器及LCD驱动等，其封装从8脚到68脚，可用于高、中、低档的电子产品设计中，适合于高级复杂系统的开发，其性能在中档位单片机的基础上增加了硬件乘法器，指令周期可达成160ns，它是目前世界上8位单片机中性价比最高的机种之一，可用于高、中档产品的开发，如马达控制、音调合成。

（3）TI（Texas Instruments）公司的MSP430单片机

TI公司是闻名全球的DSP制造商，但其前几年才推出的MSP430系列16位单片机同样在业界掀起不小的波澜。MSP430系列单片机最突出的特点是低电压供电和超低功耗，非常适合应用于采用电池长时间工作的场合。电压范围为1.8～3.6V；在1MHz、2.2V下，活动模式工作电流为225μA，待机模式工作电流为0.8μA、掉电模式工作电流为0.1μA。在这个系列中有很多个型号，它们是由一些基本功能模块按照不同的应用目标组合而成的。MSP430系列单片机的CPU采用16位RISC精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高代码效率；它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6μs；内部集成了A/D转换器，工业应用方便。其中MSP430x41x系列设计有一个16位定时器、一个比较器、96段LCD液晶驱动器和48个通用I/O口。

小节要点：对8051单片机有一个初步的认识和了解，了解单片机的一般结构和功能，了解单片机的一般工作条件。对单片机的发展史、应用范围以及单片机发展方向有初步的认识。

1.2 80C51单片机引脚及功能

图1.2所示为80C51单片机引脚及引脚功能图。

图1.2 80C51单片机引脚及引脚功能图

80C51单片机40个引脚按其功能可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。

1.电源

（1）V_CC——芯片电源，接+5V。

（2）V_SS——接地端。

注：用万用表测试单片机引脚电流一般为0V或者5V，这是标准的TTL电平，但有时候在单片机程序正在工作时测试结果并不是这个值而是介于0～5V之间，其实这只是万用表反应没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电流还是保持在0V或者5V的。

2.时钟

XTAL1、XTAL2——晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3.控制线

控制线共有4根。

（1）ALE/PROG：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。

① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。

② PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

（2）PSEN：外ROM读选通信号。

（3）RST/V_PD：复位/备用电源。

① RST（Reset）功能：复位信号输入端。

② V_PD功能：在V_CC掉电情况下，接备用电源。

（4）EA/V_PP：内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

① EA功能：内外ROM选择端。

② V_PP功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源V_PP。

4.I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入/输出和控制信号（属控制总线）。

小节要点：熟悉80C51单片机的引脚及其功能，连接输入/输出接口其内部一般工作原理。掌握单片机功能引脚一般配置方法，能正确应用输入输出接口的应用方法。

1.3 8051单片机存储器结构

80C51的存储器配置方式和其他常用的微机系统不同，属哈弗结构，它把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器用于存放程序和表格常数；数据存储器用于存放程序运行数据和结果。

80C51的存储器组织结构可以分为3个不同的存储空间，如图1.3所示，分别是：

（1）64KB程序存储器（ROM），包括片内ROM和片外ROM。

（2）64KB外部数据存储器（外RAM）。

（3）256B（包括特殊功能寄存器）内部数据存储器（内RAM）。

3个不同的存储空间用不同的指令和控制信号实现读、写功能操作：

（1）ROM空间用MOVC指令实现只读功能操作，用PSEN信号选通读外ROM。

图1.3 80C51存储区配置图

（2）外RAM空间用MOVX指令实现读写功能操作，用RD信号选通读外RAM，用WR信号选通写外RAM；

（3）内RAM（包括特殊功能寄存器）用MOV指令实现读、写功能操作。

ROM是以程序计数器PC作为16位地址指针，分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8为地址信号和P2口输出的高8为地址信号同时加到外ROM 16位地址输入端，当PSEN信号有效时，外ROM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。

需要指出的是，64KB中有一段范围是80C51系统专用单元，0003H～0023H是5个中断源终端服务程序入口地址，用户不能安排其他内容。80C51复位后，PC=0000H，CPU从地址为0000H的ROM单元中读取指令和数据。从0000H到0003H只有3B（3个字节），根本不可能安排一个完整的系统程序，而80C51又是依次读ROM字节的，因此，这3B只能用来安排一条跳转指令，跳转到其他合适的地址范围去执行真正的主程序。

1.3.1 外部数据存储器

80C51允许扩展外部数据存储器最大空间是64KB，读/写外RAM用MOVX指令，控制信号时P3口中的。

读外RAM的过程为：外RAM的16位地址分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时有地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外RAM 16位地址输入端，当信号有效时，外RAM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。

写外RAM的过程与读外RAM的过称相同。只是控制信号不同，换成信号。当信号有效时，外RAM将数据总线（P0口分时传送）上的数据写入相应地址存储单元中。

外部数据存储器主要用于存放数据和运算结果。一般情况下，只有在内RAM不能满足应用要求时，才外接RAM。但外RAM存储器空间有一个非常重要的用途，可以用来扩展I/O口，扩展I/O口与外部RAM统一编址，因此扩展个数可达65536个，可根据需要灵活应用。

1.3.2 内部数据存储器（内RAM）

表1.4为8051内部RAM结构图，8051单片机片内RAM一般为256B（256个字节），又可分为低128B（00H～7FH）和高128B（80H～FFH）。片内RAM地址为00～7FH的低128B空间，又可以分为3个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。片内RAM地址为80H～FFH高128B的区域常用于特殊功能寄存器的配置，称之为特殊功能寄存器区。片内RAM不管是高128B还是低128B，均属于片内RAM空间，读/写指令均用MOV指令。

前32个字节00H～1FH为寄存器区，每8个字节形成一个工作寄存器组，共4个工作寄存器组，如表1.3中所示。

表1.3 8051内部RAM结构图

工作寄存器区之后的16个字节20H～2FH，共128位，为位地址区，位地址范围为00H～7FH。位寻址区的16个字节，不但有字节地址，而且字节中的每一位都有位地址，可位寻址、位操作。所谓位寻址位操作就是按位地址对该位进行置1、清0、求反或判转等操作。表1.5为位寻址区地址映像表。

内RAM低128B最后的80个字节30H～7FH，为数据缓冲区，用于存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。

特殊功能寄存器（SFR）也称为专用寄存器，特殊功能寄存器可用来设置片内电路的运行方式，记录电路的运行状态，并表明有关标志等。此外，特殊功能寄存器中，还有把并行和串行I/O端口映射过来的寄存器，对这些寄存器的读/写，可实现从相应I/O端口的输入、输出操作。特殊功能寄存器反映了8051单片机的运行状态，很多功能也通过特殊功能寄存器来定义和控制程序的执行。

8051有21个特殊功能寄存器，它们被离散地分布在内部RAM的80H～FFH地址中，这些寄存的功能已做了专门的规定，用户不能修改其结构。表1.4是MCS-51特殊功能寄存器分布一览表，我们对其主要的寄存器做一些简单的介绍。

表1.4 MCS-51特殊功能寄存器分布一览表

1.ACC——累加器，通常用A表示

运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中，所有的运算类指令都离不开它。自身带有全零标志Z，若A=0则Z=1；若A≠0则Z=0。该标志常用做程序分支转移的判断条件。

2.B——一个寄存器

在做乘、除法时该寄存器用于存放乘数或除数，不做乘除法时，随你怎么用。

3.PSW——程序状态字

这是一个很重要的寄存器，里面放了CPU工作时的很多状态，借此，我们可以了解CPU的当前状态，并作出相应的处理。它的各位功能如表1.5所示。

表1.5 PSW中各位功能

下面逐一介绍PSW各位的用途。

· CY：进位标志。8051中的运算器是一种8位的运算器，我们知道，8位运算器只能表示0～255，如果做加法的话，两数相加可能会超过255，这样最高位就会丢失，造成运算的错误，怎么办?最高位就进到这里来。这样就没事了。有进、借位，CY=1；无进、借位，CY=0。

例：78H+97H（01111000+10010111）

· AC：辅助进、借位（高半字节与低半字节间的进、借位）。

例：57H+3AH（01010111+00111010）

· F0：用户标志位，由用户（编程人员）决定什么时候用，什么时候不用。

· RS1、RS0：工作寄存器组选择位。

· OV：溢出标志位。运算结果按补码运算理解。有溢出，OV=1；无溢出，OV=0。至于什么是溢出我们后面的章节中会讲到。

· P：奇偶校验位：它用来表示ALU运算结果中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇

....