单片机原理实用教程——基于Proteus虚拟仿真（第4版）

本书是电子信息与电气学科规划教材，并获得全国电子信息类优秀教材奖。本书系统地阐述基于Proteus虚拟仿真技术的8051单片机原理与接口技术，包括8051单片机基本组成、中断系统、定时器/计数器、串行口，8051指令系统，汇编语言及高级语言Keil C51应用程序设计技术，键盘与显示器接口技术，DAC及ADC接口技术等。本书给出汇编语言和C语言编程范例，以及相应的Proteus虚拟仿真电路图，以实例方式介绍基于Proteus平台进行单片机应用系统设计的方法，还介绍了具有在线仿真调试功能的STC15系列新型Flash单片机的功能特点与应用方法。本书可作为高等学校自动化、电子信息工程、计算机应用等相关专业单片机原理与应用课程的教材，也可供广大从事单片机应用系统开发的工程技术人员阅读。

徐爱钧，教授，2003年至今就职于长江大学，是湖北省精品课程“单片机原理及应用”负责人。湖北省自动化学会理事。曾出版多部图书。

目 录
第1章 8051单片机的基本组成 1
1.1 8051单片机的特点与基本结构 1
1.2 8051单片机的存储器结构 5
1.3 CPU时序 7
1.4 复位信号与复位电路 9
1.5 并行I/O口结构 10
1.6 STC系列新型8051单片机简介 12
复习思考题1 16

第2章 Proteus虚拟仿真 17
2.1 集成环境ISIS 17
2.2 绘制原理图 19
2.3 创建汇编语言源代码仿真文件 21
2.4 在原理图中进行源代码仿真调试 23
2.5 原理图与Keil环境联机仿真 25
复习思考题2 30

第3章 指令系统与汇编语言程序设计 31
3.1 指令助记符和字节数 31
3.2 寻址方式 32
3.2.1 寄存器寻址 32
3.2.2 直接寻址 33
3.2.3 立即寻址 33
3.2.4 寄存器间接寻址 34
3.2.5 变址寻址 34
3.2.6 相对寻址 35
3.2.7 位寻址 35
3.3 指令分类详解 36
3.3.1 算术运算指令 36
3.3.2 逻辑运算指令 38
3.3.3 数据传送指令 39
3.3.4 控制转移指令 40
3.3.5 位操作指令 43
3.4 汇编语言程序格式与伪指令 43
3.5 应用程序设计 45
3.6 定点数运算子程序 47
复习思考题3 57

第4章 Keil C51应用程序设计 59
4.1 Keil C51程序设计的基本语法 59
4.1.1 Keil C51程序的一般结构 59
4.1.2 数据类型 60
4.1.3 常量、变量及其存储模式 61
4.1.4 运算符与表达式 62
4.2 C51程序的基本语句 66
4.2.1 表达式语句 66
4.2.2 复合语句 66
4.2.3 条件语句 66
4.2.4 开关语句 67
4.2.5 循环语句 67
4.2.6 goto、break、continue语句 68
4.2.7 返回语句 69
4.3 函数 69
4.3.1 函数的定义与调用 69
4.3.2 中断服务函数与寄存器组定义 70
4.4 Keil C51编译器对ANSI C的扩展 71
4.4.1 存储器类型与编译模式 71
4.4.2 关于bit、sbit、sfr和sfr16数据类型 72
4.4.3 一般指针与基于存储器的指针及其转换 75
4.4.4 C51编译器对ANSI C函数定义的扩展 76
4.5 C51编译器的数据调用协议 79
4.5.1 数据在内存中的存储格式 79
4.5.2 目标代码的段管理 81
4.6 与汇编语言程序的接口 83
4.6.1 参数传递规则 83
4.6.2 C51与汇编语言混合编程举例 87
4.7 绝对地址访问 89
4.7.1 采用扩展关键字_at_或指针定义变量的绝对地址 89
4.7.2 采用预定义宏指定变量的绝对地址 90
4.8 Keil C51库函数 91
4.8.1 本征库函数 91
4.8.2 字符判断转换库函数 91
4.8.3 输入/输出库函数 92
4.8.4 字符串处理库函数 93
4.8.5 类型转换及内存分配库函数 94
4.8.6 数学计算库函数 95
复习思考题4 95

第5章 中断系统 97
5.1 中断的概念 97
5.2 中断系统的结构与中断控制 98
5.3 中断响应 101
5.4 中断系统应用举例 103
5.4.1 中断源扩展 103
5.4.2 中断嵌套 105
复习思考题5 108

第6章 定时器/计数器 109
6.1 定时器/计数器的工作方式与控制 109
6.2 定时器/计数器应用举例 112
6.2.1 初值和最大定时时间计算 112
6.2.2 定时器方式应用 113
6.2.3 计数器方式应用 120
6.3 利用定时器产生音乐 122
复习思考题6 128

第7章 串行口 129
7.1 串行通信方式 129
7.2 串行口的工作方式与控制 130
7.3 串行口应用举例 134
7.3.1 串口/并口转换 134
7.3.2 单片机之间的通信 137
7.3.3 单片机与PC之间的通信 151
复习思考题7 154

第8章 8051单片机系统扩展 155
8.1 程序存储器扩展 155
8.2 数据存储器扩展 156
8.3 并行I/O口扩展 158
8.4 利用I2C总线进行系统扩展 170
8.5 8051单片机的节电工作方式 184
8.5.1 空闲和掉电工作方式 185
8.5.2 节电方式的应用 186
复习思考题8 187

第9章 键盘与显示器接口技术 188
9.1 LED显示器接口技术 188
9.1.1 七段LED数码管显示器 188
9.1.2 串行接口8位共阴极LED驱动器MAX7219 194
9.2 键盘接口技术 200
9.2.1 编码键盘接口技术 201
9.2.2 非编码键盘接口技术 204
9.2.3 键值分析 210
9.3 8279可编程键盘/显示器芯片接口技术 213
9.3.1 8279的工作原理 213
9.3.2 8279的数据输入、显示输出及命令格式 215
9.3.3 8279的接口方法 220
9.4 LCD接口技术 225
9.4.1 LCD的工作原理和驱动方式 226
9.4.2 点阵字符液晶显示模块接口技术 226
9.4.3 点阵图形液晶显示模块接口技术 242
复习思考题9 252

第10章 DAC及ADC接口技术 253
10.1 ADC及DAC的主要技术指标 253
10.2 DAC接口技术 254
10.2.1 无内部锁存器的DAC接口方法 255
10.2.2 DAC0832与8051单片机的接口方法 256
10.2.3 DAC1208与8051单片机的接口方法 261
10.2.4 串行DAC与8051单片机的接口方法 263
10.2.5 利用DAC接口实现波形发生器 270
10.3 ADC接口技术 277
10.3.1 比较式ADC0809与8051单片机的接口方法 278
10.3.2 积分式ADC7135与8051单片机的接口方法 283
10.3.3 串行ADC与8051单片机的接口方法 291
复习思考题10 295

第11章 Proteus虚拟仿真设计实例 297
11.1 红外遥控系统设计 297
11.1.1 功能要求 297
11.1.2 硬件电路设计 297
11.1.3 软件程序设计 297
11.2 DS18B20多点温度监测系统设计 303
11.2.1 功能要求 303
11.2.2 硬件电路设计 304
11.2.3 软件程序设计 307
11.3 单片机SD卡读/写接口设计 315
11.3.1 功能要求 315
11.3.2 硬件电路设计 315
11.3.3 软件程序设计 318
11.4 电子万年历设计 322
11.4.1 功能要求 322
11.4.2 硬件电路设计 322
11.4.3 软件程序设计 324
11.5 电子密码锁设计 335
11.5.1 功能要求 335
11.5.2 硬件电路设计 336
11.5.3 软件程序设计 336
11.6 点阵LED显示屏设计 352
11.6.1 功能要求 352
11.6.2 硬件电路设计 352
11.6.3 软件程序设计 353
复习思考题11 355
附录A 8051指令表 356
附录B Proteus中的常用元器件 361
参考文献 362

前    言
随着单片机应用技术的普及，希望学习单片机的人越来越多。在全国高等教育的工科院校中，已普遍开设单片机原理与应用相关课程。由于单片机本身的特点，传统教学方法很难在教学中体现单片机的实际运行过程，尤其是一些涉及硬件的操作，如定时器/计数器控制、外围功能接口设计等，仅在课堂上空对空的讲述很难让学生理解，教学效果欠佳。Proteus软件的出现带来了契机，利用Proteus虚拟仿真技术，可以通过PC现场绘制原理图，并直接在原理图上编写调试应用程序，配合各种虚拟仪表来展现整个单片机系统的运行过程，很好地解决了长期以来困扰单片机教学中软件和硬件无法很好结合的难题，使单片机的学习过程变得形象直观。
早期单片机应用开发大多采用汇编语言编程。汇编语言是一种直接针对硬件的机器语言，其编程效率不高，程序不易移植和维护。现在已经普遍采用C语言进行单片机应用编程，C语言具有类似自然语言的特点，它既能直接操作机器硬件，又可以提高编程效率。德国Keil公司推出的C51被公认为是一个很有效的单片机C语言编程工具。Proteus虚拟硬件平台可以与Keil C51完美结合，在原理图中直接调入C语言编写的应用程序，进行源代码仿真调试，实现对系统性能的综合评估，验证各项技术指标。
深圳宏晶科技有限公司研发的STC系列增强型8051单片机，是中国本土单片机领域内的佼佼者，其推出的STC15系列单片机具有ISP（在系统编程）、IAP（在应用编程）和在线仿真调试功能，为单片机的学习和开发应用提供了更为方便的手段。结合Proteus软件平台，在成功进行虚拟仿真并获得期望结果的条件下，再利用STC15系列单片机制作实际硬件系统，进行在线调试，可以获得事半功倍的效果。
本书是电子信息与电气学科规划教材，并获得全国电子信息类优秀教材奖。本书在第3版的基础上进行了修订，在构思及选材上，注意尽量符合单片机应用系统的发展要求，增加了Keil C51应用程序设计的内容，给出了大量Proteus仿真设计实例，并同时给出了汇编语言和C语言程序代码，方便读者对照学习。
全书共分为11章。
第1章阐述8051单片机的基本组成，包括8051单片机的特点与基本结构、存储器结构、CPU时序、复位信号与复位电路、并行I/O口结构，还介绍了深圳宏晶科技有限公司推出的STC系列新型8051单片机。
第2章阐述Proteus虚拟仿真技术，介绍在ISIS集成环境中绘制原理电路图、汇编语言及C语言源代码调试方法，以及与Keil环境联机仿真。
第3章阐述8051单片机的指令系统与汇编语言程序设计。
第4章阐述Keil C51应用程序设计，介绍了C51的基本语句、数据类型、Keil C51对ANSI C的扩展，以及库函数等。
第5章～第7章分别阐述8051单片机的中断系统、定时器/计数器及串行口的工作原理与应用方法。
第8章阐述8051单片机系统扩展的方法。
第9章阐述键盘与显示器接口技术，介绍LED/LCD显示器、矩阵键盘与单片机的接口方法。
第10章阐述DAC及ADC接口技术，介绍传统并行接口及新型串行接口DAC、ADC与单片机的接口方法。
第11章给出6个完整的Proteus虚拟仿真设计实例及其汇编和C51源程序。
本书配有Proteus设计范例，通过学习，读者可以较快地掌握单片机基本原理及接口应用技术，为实际工作打下坚实的基础。
本书包含配套教学资源包，读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn），注册后免费下载。为帮助读者更好地理解所讲内容，本书还制作了部分例子的虚拟仿真演示视频，读者可扫描二维码观看，程序源代码可扫描二维码下载。
在本书修订过程中，熊晓东负责第1章～第2章的编写，徐阳负责第3章～第4章的编写，罗明璋负责第5章～第8章的编写，彭秀华、刘冰、杨青胜、肖恩凯、郑鹏鹏、黄存坚、范林、方小玲、杨新浩、牛宣云、郑玉章等参加了其他部分章节的编写和程序调试工作，全书由徐爱钧负责完成统稿。编写过程中得到广州风标电子技术有限公司（Proteus中国大陆总代理）匡载华总经理的大力支持和热情帮助，在此一并表示感谢。由于作者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，恳请广大读者批评指正。Proteus的DEMO软件可在Proteus官方网站（www.labcenter.co.uk）下载，或者与广州风标电子技术有限公司联系。

编著者  于长江大学    
2018年6月