C51单片机及应用系统设计（第2版）

全书共分为10章，以AT89S51单片机为核心，以单片机应用系统设计为主，详细介绍了单片机系统与外设接口的设计及编程技术。内容安排上，先讲解了键盘、LED段码和点阵显示、液晶显示、IC卡模块、模数/数模转换等基础，后综合讲解系统设计的流程和步骤及常用软硬件抗干扰技术等。原理性实例采用汇编语言和C51编程，旨在使读者能够理解编程思路，掌握两种语言的编程方法，为学习其他型号的单片机打下良好基础；应用型、综合型实例全部采用C51编程，使程序的可读性和可移植较好。

韩雁，毕业于上海交通大学，常州工学院计算机信息工程学院副教授，江苏省计算机协会会员，常州工学院科协会员。

第1章 绪论 11.1 单片机基础知识 11.1.1 单片机的结构和特点 11.1.2 单片机的发展 21.1.3 单片机芯片技术的发展趋势 21.2 单片机应用 41.2.1 单片机应用方向 41.2.2 单片机应用系统的分类 51.3 51系列单片机 61.3.1 MCS-51系列单片机 61.3.2 AT89系列单片机 71.3.3 各种衍生品种的51单片机 81.4 其他系列单片机 101.5 其他嵌入式处理器简介 12习题1 13第2章 AT89S51单片机的结构与组成 142.1 AT89S51单片机的内部结构及信号引脚 142.1.1 AT89S51单片机结构 142.1.2 信号引脚 162.1.3 中央处理器CPU 172.1.4 存储器 192.1.5 I/O口及相应的特殊功能寄存器 242.2 时钟电路与CPU时序 272.2.1 时钟电路 272.2.2 CPU时序 272.3 AT89S51单片机的复位 292.4 AT89S51单片机的节电方式 302.4.1 空闲方式 312.4.2 掉电方式 312.5 Flash的串行编程和三级加密 32习题2 34第3章 指令与汇编语言程序设计 353.1 指令系统概述 353.1.1 MCS-51汇编指令的格式 363.1.2 指令中的符号标识及注释符 363.2 寻址方式 373.2.1 寄存器寻址 373.2.2 直接寻址 373.2.3 寄存器间接寻址 383.2.4 立即寻址 393.2.5 变址寻址 393.2.6 相对寻址 393.2.7 位寻址 403.2.8 MCS-51寻址方式小结 403.3 MCS-51指令说明 413.3.1 数据传送指令 413.3.2 算术操作指令 453.3.3 逻辑操作及移位类指令 493.3.4 控制转移指令 523.3.5 位操作类指令 573.3.6 访问I/O口指令的使用说明 583.4 MCS-51伪指令 593.5 MCS-51汇编语言程序设计 613.5.1 顺序结构程序设计 613.5.2 分支程序设计 623.5.3 循环程序设计 633.5.4 子程序设计 66习题3 69第4章 C51程序设计 724.1 Keil C51编程语言 724.1.1 Keil C51的函数和程序结构 724.1.2 C51和标准C的函数差别 744.2 C51的数据类型、运算符、表达式 764.2.1 C51的基本数据类型 764.2.2 C51变量、常量、指针 774.2.3 C51的复杂数据类型 814.2.4 C51的运算符和表达式 834.3 C51的程序流控制语句 864.4 编译预处理命令 884.4.1 宏定义 884.4.2 条件编译 884.4.3 文件包含 894.4.4 数据类型的重新定义 904.5 C51的编程技巧 904.6 Keil C51库函数原型列表 914.7 C51编程实例 944.7.1 基本的输入/输出 944.7.2 C51软件延时 95习题4 96第5章 AT89S51中断系统 975.1 中断概述 975.2 AT89S51中断系统 985.2.1 AT89S51中断源 985.2.2 AT89S51中断控制 1005.2.3 中断响应 1015.3 中断系统的编程 1025.3.1中断服务程序的结构 1025.3.2 C51中断函数 1025.3.3 中断应用举例 1035.4 外部中断源的扩展 1075.4.1 用定时器T0、T1作为外部中断扩展 1075.4.2 用中断与查询相结合的方法扩展外部中断 107习题5 108第6章 AT89S51/S52单片机的定时器/计数器 1096.1 定时器的内部结构 1096.1.1 方式寄存器TMOD 1106.1.2 控制寄存器TCON 1116.1.3 定时器的工作方式 1116.2 定时器应用举例 1136.2.1 定时控制、脉宽检测 1136.2.2 电压/频率转换 1176.3 定时器/计数器T2 1186.3.1 T2的状态控制寄存器T2CON 1196.3.2 T2的工作方式 1196.4 监视定时器 1236.4.1 WDT的原理 1236.4.2 AT89S51内部的WDT 1236.4.3 AT89S51掉电和空闲状态时的WDT 1236.4.4 WDT的软件技术 124习题6 124第7章 AT89S51的串行通信及其应用 1267.1 概述 1267.1.1 串行通信的字符格式 1267.1.2 串行通信的数据通路形式 1277.1.3 串行通信的传输速率 1277.1.4 串行通信的总线标准与接口 1287.2 51单片机的串行通信接口 1327.2.1 通用的异步接收/发送器UART 1327.2.2 串行口的控制寄存器 1337.2.3 串行接口的工作方式 1347.2.4 波特率设计 1367.3 串行通信应用举例 1387.3.1 方式0应用设计键盘显示接口 1387.3.2 双机、多机通信应用 1397.3.3 单片机与微机的串行通信 1497.3.4 单片机在GSM无线通信网络中的应用 1527.4 CAN总线串行通信技术 1577.4.1 CAN总线系统构成 1587.4.2 CAN总线的报文类型与帧结构 1597.4.3 CAN的总线技术 1647.4.4 CAN控制器SJA1000 1657.4.5 CAN总线收发器82C50 1727.4.6 CAN 总线系统智能节点 173习题7 175第8章 51单片机系统扩展技术 1768.1 并行总线扩展技术 1778.1.1 并行总线技术 1778.1.2 存储器的并行扩展 1788.1.3 I/O接口的并行扩展 1848.2 串行总线扩展技术 1908.2.1 I2C串行总线 1908.2.2 SPI总线 1968.2.3 1-Wire 单总线 201习题8 208第9章 单片机与外设接口技术 2109.1 键盘接口技术 2109.1.1 键盘的基本工作原理 2109.1.2 键盘工作方式 2129.2 显示器接口技术 2159.2.1 LED显示器 2159.2.2 LCD点阵液晶显示器及其接口 2229.3 D/A转换接口技术 2289.3.1 后向通道概述 2289.3.2 D/A转换器的技术指标 2299.3.3 12位电压输出型串行D/A转换器TLV5616 2309.3.4 电压/电流转换电路设计 2329.4 A/D转换接口技术 2329.4.1 前向通道概述 2329.4.2 A/D转换器工作原理及分类 2339.4.3 串行A/D转换器TLC1542的应用 2349.4.4 8位A/D及D/A转换器PCF8591 2369.5 红外遥控 2399.5.1 红外遥控系统 2399.5.2 遥控发射器及其编码 2399.5.3 遥控信号接收 240习题9 242第10章 系统设计及抗干扰技术 24310.1 单片机应用系统的开发过程 24310.1.1 技术方案论证 24310.1.2 硬件系统的设计 24410.1.3 应用软件的设计 24510.1.4 硬件、软件系统的调试 24510.1.5 程序的固化 24510.2 单片机硬件系统的设计 24510.2.1 元件的选取 24510.2.2 硬件电路的设计原则 24610.2.3 单片机资源的分配 24610.2.4 印制电路板的设计 24710.3 单片机软件系统的设计 24810.3.1 任务的确定 24810.3.2 软件结构的设计 24810.4 单片机系统抗干扰技术 24810.4.1 硬件抗干扰措施 24810.4.2 软件抗干扰措施 250第11章 Keil C51软件的使用 25311.1 工程文件的建立及设置 25311.1.1 工程文件的建立和编译、连接 25311.1.2 设置工程文件的属性 25611.2 程序调试 25911.2.1 常用调试命令 25911.2.2 在线汇编 26011.2.3 断点设置 26111.3 Keil程序调试窗口 26111.3.1 存储器窗口 26111.3.2 观察窗口 26211.3.3 工程窗口寄存器页 26211.3.4 外围接口窗口 263附录A MCS-51指令表 264附录B ASCII码表 269

序 言21世纪是“信息”主导的世纪，是崇尚“创新与个性”发展的时代，体现“以人为本”、构建“和谐社会”是社会发展的主流。然而随着全球经济一体化进程的不断推进，市场与人才的竞争日趋激烈，对于国家倡导发展的IT产业，需要培养大量的、适应经济和科技发展的计算机人才。众所周知，近年来，一些用人单位对部分大学毕业生到了工作岗位后，需要1～2年甚至多年的训练才能胜任工作的“半成品”现象反应强烈。从中反映出单位对人才的需求越来越讲求实用，社会要求学校培养学生的标准应该和社会实际需求的标准相统一。对于IT业界来讲，一方面需要一定的科研创新型人才，从事高端的技术研究，占领技术发展的高地；另一方面，更需要计算机工程应用、技术应用及各类服务实施人才，这些人才可统称“应用型”人才。应用型本科教育，简单地讲就是培养高层次应用型人才的本科教育。其培养目标应是面向社会的高新技术产业，培养在工业、工程领域的生产、建设、管理、服务等线岗位，直接从事解决实际问题、维持工作正常运行的高等技术应用型人才。这种人才，一方面掌握某一技术学科的基本知识和基本技能，另一方面又具有较强的解决实际问题的基本能力，他们常常是复合性、综合性人才，受过较为完整的、系统的、有行业应用背景的“职业”项目训练，其的特色就是有较强的专业理论基础支撑，能快速地适应职业岗位并发挥作用。因此，可以说“应用型人才培养既有本科人才培养的一般要求，又有强化岗位能力的内涵，它是在本科基础之上的以‘工程师’层次培养为主的人才培养体系”，人才培养模式必须吸取一般本科教育和职业教育的长处，兼容并蓄。“计算机科学与技术”专业教学指导委员会已经在研究并指导实施计算机人才的“分类”培养，这需要我们转变传统的教育模式和教学方法，明确人才培养目标，构建课程体系，在保证“基础的前提”下，重视素质的养成，突出“工程性”、“技术应用性”、“适应性”概念，突出知识的应用能力、专业技术应用能力、工程实践能力、组织协调能力、创新能力和创业精神，较好地体现与实施人才培养过程的“传授知识，训练能力，培养素质”三者的有机统一。在规划本套教材的编写时，我们遵循专业教学委员会的要求，针对“计算机工程”、“软件工程”、“信息技术”专业方向，以课群为单位选择部分主要课程，以计算机应用型人才培养为宗旨，确定编写体系，并提出以下的编写原则。（1）本科平台：必须遵循专业基本规范，按照“计算机科学与技术”专业教学指导委员会的要求构建课程体系，覆盖课程教学知识点。（2）工程理念：在教材体系编写时，要贯穿“系统”、“规范”、“项目”、“协作”等工程理念，内容取舍上以“工程背景”、“项目应用”为原则，尽量增加一些实例教学。（3）能力强化：教学内容的举例，结合应用实际，力争有针对性；每本教材要安排课程实践教学指导，在课程实践环节的安排上，要统筹考虑，提供面向现场的设计性、综合性的实践教学指导内容。（4）国际视野：本套教材的编写要做到兼长并蓄，吸收国内、国外优秀教材的特点，人才培养要有国际背景和视野。本套教材的编委会成员及每本教材的主编都有着丰富的教学经验，从事过相关工程项目（软件开发）的规划、组织与实施，希望本套教材的出版能为我国的计算机应用型人才的培养尽一点微薄之力。 编委会 第2版前言自2009年2月由电子工业出版社出版《C51单片机及应用系统设计》初版以来，受到了全国各高校教师、学生的欢迎，并于当年2009年12月第2次印刷，至2014年6月已第6次印刷。经过6年的发展，单片机出现很多新技术，原书以MCS-51为核心来描述单片机的应用系统，而现在MCS公司已不再生产单片机，新版教材的选用以目前市场上流行Atmel公司的AT89S51为主流芯片，同时从应用系统设计出发，将应用系统设计分为总线扩展技术与应用系统单元模块设计来撰写，引进项目驱动的设计思想，增加了目前广泛使用的CAN总线通信技术和GSM通信技术、红外遥控技术，强化串行扩展技术，弱化原书并行总线的扩展技术，同时将全部应用程序全部改成以C51实现，增加程序的可读性和可移植性，以使其工程性、实用性、自学性、创新性大大增强。同时为方便学生借助口袋板来移动学习单片机，在接口芯片方面，力求与市场发展同步，如A/D、D/A部分强化了串行接口片的应用，淘汰传统并行ADC0809与DAC0832接口芯片等。本书共11章，第1章简要介绍了单片机的特点、发展概况和应用领域；第2章介绍了AT89S51单片机的内部结构、资源及特性；第3章介绍了MCS-51的指令系统及汇编语言程序的设计方法；第4章介绍了C51程序设计方法；第5章介绍了AT89S51中断系统及中断服务程序的设计方法；第6章介绍了AT89S51/52定时器/计数器的原理及其应用；第7章介绍了串行通信的基本概念及RS-232、RS-422、RS-485串行总线接口标准、单片机在GSM中的应用、CAN总线串行通信技术；第8章介绍了系统扩展的串并行扩展技术，介绍了常用存储器、并行接口芯片8255扩展方法，特别介绍了I2C、SPI、1-Wire串行总线的特性及虚拟接口的设计和编程方法；第9章介绍了键盘、LED段码点阵显示、液晶显示、模数/数模转换、红外遥控等与单片机系统的接口及编程方法；第10章介绍了单片机应用系统设计流程和步骤，常用的软硬件抗干扰技术；第11章介绍了Keil C51集成开发环境的使用。本教材由韩雁、徐煜明编著，韩雁负责全书的改版工作，徐煜明对全文进行了校对和审核。由于编者学术水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。本书配有免费电子课件。任课教师可到华信教育资源网或与编辑刘海艳(E-mail:[email protected])联系。 编 者 前 言单片机的诞生标志着计算机正式形成了两大系统，即通用计算机系统和嵌入式系统。进入21世纪后，随着计算机科学和微电子集成技术的飞速发展，嵌入式系统得到了迅猛的发展，单片机不断地向更高层次和更大规模发展。单片机应用系统的高可靠性，软、硬件的高利用系数，优异的性能价格比，使它的应用范围由开始传统的过程控制，逐步进入数值处理、数字信号处理及图像处理等高技术领域。同时，世界各大半导体厂商纷至沓来争先挤入这一市场，激烈的市场竞争也促进了单片机迅速更新换代，带来了它们更为广泛的应用，开辟了计算机应用的一个新时代。学习单片机不但要学习单片机的原理和编程语言，掌握单片机的接口技术和编程方法，还要熟悉单片机的编程器、仿真器等工具。由于单片机种类较多，往往令初学者感到头痛。在众多单片机中，由51架构的单片机芯片市场流行已久，技术资料也相对较多，是初学者较好的选择。51单片机编程语言常用的有两种：汇编语言和C语言。汇编语言的机器代码生成效率很高，但可移植性和可读性差；而C语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远胜于汇编语言，而且C语言还可以嵌入汇编，开发周期短。编者是多年从事单片机应用系统技术研发和教学的教师，选用51单片机编写了本教材，试图向读者较好地解答“什么是单片机？怎样学好单片机？如何应用单片机？”这三个问题，使读者既能掌握单片机的一般原理，又能掌握单片机应用系统的软硬件设计技巧，从而能很快从事嵌入系统开发的工作。为了便于组织教学，在本教材的编排顺序上采用了循序渐进的策略。本书共11章，第1章简要介绍了单片机的特点、发展概况和应用领域；第2章介绍了MCS-51单片机的内部结构、资源及特性；第3章介绍了MCS-51的指令系统及汇编语言程序的设计方法；第4章介绍了单片机C51程序设计方法；第5章介绍了MCS-51中断系统及中断服务程序的设计方法；第6章介绍了MCS-51定时器/计数器的原理及其应用；第7章介绍了串行通信的基本概念及RS-232、RS-422、RS-485串行总线接口标准，通过实例介绍了MCS-51串行通信接口应用及编程方法；第8章从单片机并行和串行总线两个方面，介绍了常用存储器、并行接口芯片8255和串行接口芯片8251的扩展方法，特别介绍了I2C、SPI、1-Wire串行总线的特性及虚拟接口的设计和编程方法；第9章介绍了键盘、LED段码点阵显示、液晶显示、IC卡、模数/数模转换等与单片机系统的接口及编程方法；第10章介绍了单片机应用系统设计流程和步骤，常用的软硬件抗干扰技术；第11章介绍了Keil C51集成开发环境的使用。本教材内容丰富、深入浅出，大部分程序代码采用C语言编写，使程序的可读性和可移植性较好，读者在应用这些典型模块的程序代码时，只需将程序代码的全部内容作为一个独立模块链接在应用程序之后，统一编译。本教材十分适合应用型高等学校计算机、通信、电子信息、电子技术、自动化及其他相关专业的教学使用，也是一本工程技术人员的参考用书。本教材由徐煜明编著，韩雁对全文的校对和审核做了大量工作，在编著过程中韩雁、朱宇光、徐强、李春光、王建农、王文宁、赵徐成、陆锦军、黄忠良对全文内容及安排提出了许多宝贵的意见，在此一并表示感谢。由于编者学术水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。本书配有免费电子课件。任课教师可与编辑刘海艳（E-mail:[email protected]）联系。 编 者