单片机原理及应用

本书分为两部分共9 章，前面5 章介绍标准MCS?51 单片机的基本原理、内部结构、指令系统和C51 程序设计；后4章重点介绍Silabs 公司推出的髙集成度、髙性能的RISC 单片机C8051F410，包括单片机硬件结构和常用片内资源的工作原理、程序设计等，*后1 章给出应用实例。本书重在原理与实践，从标准51 开始由浅入深出详细介绍C8051F410，旨在培养读者的单片机基础知识和系统实用开发技能，让读者逐步掌握单片机的工作原理、电路设计与程序编写能力。本书为浙江省省级精品课程建设成果。本书适合各类本科高等院校、高等职业技术学院、中等技术学校电气类、电子信息类、自动化类、计算机类及机械电子工程专业单片机课程教材，也可供刚刚接触单片机的初学者自学阅读和从事单片机应用设计的工程技术人员参考。

主编吴桂初，温州大学教授，浙江省低压电器重点实验室主任、“单片机原理及应用”精品课程负责人、“智能电网用低压电器技术”重点科技创新团队带头人。浙江省浙重大科技专项专家组专家，中国电工技术学会电工产品可靠性研究会常务理事。主持浙江省重大科技专项多项，发表学术论文60余篇。

目录前言第1 章 绪论 11.1 单片机的发展概况 11.1.1 单片机的发展历史 11.1.2 单片嵌入式系统 21.2 单片机的应用及发展趋势 31.2.1 单片机应用系统结构 31.2.2 单片嵌入式系统的应用领域 41.2.3 单片机的发展趋势 51.3 SoC 单片机简介 71.3.1 C8051F 系列单片机简介 71.3.2 C8051F 系列单片机的特点 71.3.3 C8051F 系列单片机的应用 91.4 思考与练习 9第2 章 标准单片机硬件结构与指令系统 112.1 标准51 单片机的基本结构及信号引脚 112.1.1 标准51 单片机的基本结构 112.1.2 标准51 单片机的内部结构 122.1.3 标准51 单片机的引脚及其功能 142.2 标准51 单片机的存储器结构 152.2.1 标准51 单片机的数据存储器 162.2.2 标准51 单片机的程序存储器 182.2.3 标准51 单片机的特殊功能寄存器 192.3 标准51 单片机并行输入/输出口电路结构 212.3.1 标准51 单片机的P1 接口、P3 接口的结构 212.3.2 标准51 单片机的P0 接口、P2 接口的结构 232.3.3 标准51 单片机并行接口的负载能力 242.4 标准51 单片机指令系统和寻址方式 242.4.1 标准51 单片机指令格式及常用符号 252.4.2 标准51 单片机的寻址方式 272.5 标准51 单片机指令分类介绍 302.5.1 数据传送类指令（30 条） 312.5.2 算术运算类指令（24 条） 352.5.3 逻辑运算与循环类指令（25 条） 392.5.4 控制转移类指令（22 条） 422.5.5 标准51 单片机指令长度和周期数规律归纳 452.6 标准51 单片机汇编语言程序设计举例 462.6.1 程序编制的方法和技巧 462.6.2 源程序的编制 492.6.3 基本程序结构 512.6.4 简单程序举例 562.7 思考与练习 57第3 章 单片机C51 语言程序设计基础 603.1 C51 语言程序设计概述 603.1.1 C51 与汇编语言的区别 603.1.2 C51 程序设计基础 623.2 C51 程序设计实例解析 703.2.1 基于C51 的程序设计 703.2.2 C51 程序设计与汇编语言程序设计的比较 713.3 Keil C51 集成开发环境简介 763.4 思考与练习 84第4 章 标准51 单片机的中断与定时 874.1 输入输出的基本概念 874.1.1 输入输出接口 874.1.2 输入输出方式 884.2 标准51 单片机中断系统 924.2.1 标准51 单片机中断源 934.2.2 标准51 单片机中断控制 934.2.3 标准51 单片机中断响应及中断处理过程 974.3 标准51 单片机的定时器/计数器 1044.3.1 标准51 单片机定时器的控制 1054.3.2 标准51 单片机定时器的4 种模式及其应用 1074.4 定时器/计数器与中断应用举例 1114.5 思考与练习 116第5 章 标准51 单片机串行通信 1185.1 串行口结构与工作原理 1185.1.1 并行和串行通信 1185.1.2 串行通信的波特率 1195.1.3 标准51 单片机的串行接口 1195.2 串行通信工作方式 1225.2.1 串行口方式0 1225.2.2 串行口方式1 1235.2.3 串行口方式2 和方式3 1235.2.4 波特率设定 1245.3 串行口应用举例 1255.3.1 双机通信硬件电路 1255.3.2 PC 和单片机之间的通信 1325.4 本章小结 1365.5 思考与练习 136第6 章 C8051F410 单片机的结构与原理 1376.1 C8051F410 单片机系统结构 1376.1.1 系统概述 1376.1.2 系统内部结构 1396.1.3 系统引脚 1426.2 C8051F410 存储器组织 1456.3 C8051F410 端口输入/输出 1516.3.1 端口输入/输出 1516.3.2 优先权交叉开关译码器 1526.3.3 端口I/O 初始化 1546.3.4 通用端口I/O 1576.4 C8051F410 中断系统 1636.4.1 C8051F410 中断系统概述 1636.4.2 中断寄存器说明 1656.4.3 外部中断 1696.5 复位与时钟 1716.5.1 复位源 1716.5.2 上电复位 1726.5.3 掉电复位和VDD 监视器 1726.5.4 外部复位 1736.5.5 时钟丢失检测器复位 1736.5.6 比较器0 复位 1746.5.7 PCA 看门狗定时器复位 1746.5.8 FLASH 错误复位 1746.5.9 smaRTClock（实时时钟）复位 1746.5.10 软件复位 1756.6 电源管理方式 1756.6.1 空闲方式 1756.6.2 停机方式 1756.6.3 挂起方式 1766.7 思考与练习 176第7 章 C8051F41x 片内定时器/计数器 1777.1 定时器0 和定时器1 1777.2 定时器2 1837.3 定时器3 1877.4 可编程计数器阵列 1917.4.1 PCA 计数器/定时器 1927.4.2 捕捉/比较模块 1927.5 看门狗定时器方式 1987.5.1 看门狗定时器操作 1987.5.2 看门狗定时器使用 1997.6 思考与练习 204第8 章 模数和数模转换 2058.1 电压基准 2058.2 模数转换器ADC 2078.2.1 12 位ADC 结构 2078.2.2 ADC 工作方式 2088.2.3 可编程窗口检测器 2118.2.4 ADC 相关的I/O 寄存器 2138.2.5 ADC 应用设计 2168.2.6 ADC 应用设计的深入讨论 2198.3 数模转换器DAC 2198.3.1 12 位IDAC 结构 2198.3.2 IDA0 输出更新 2208.3.3 IDAC 输出字格式 2218.3.4 IDAC 相关的I/O 寄存器 2218.3.5 DAC 的应用设计 2238.4 思考与练习 225第9 章 综合应用 2269.1 数控交流稳压电源简介 2269.2 硬件电路设计 2269.2.1 单片机小系统 2269.2.2 降压模块 2289.2.3 键盘模块 2289.2.4 显示模块 2289.2.5 直流电机驱动模块 2299.3 软件程序设计 2299.3.1 变量声明和初始化设置 2299.3.2 主程序设计 2339.3.3 定时器中断任务程序设计 2339.3.4 A/D 中断任务程序设计 2349.3.5 显示任务程序设计 2359.3.6 按键任务程序设计 2369.3.7 电机任务程序设计 238附录 80C51 单片机指令速查表 240参考文献 244

前言单片机又称单片微控制器，它不仅是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，相当于一个缺少了I/O 设备的微型计算机。1976 年Intel 公司研制出MCS?48 系列8 位单片机，标志着单片机的问世，同年Zilog公司开发的Z80 微处理器广泛用于工业自动控制设备。20 世纪80 年代初，Intel 公司推出了MCS?51 系列8 位单片机，MCS?51 单片机采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器、随机存储器、只读存储器、多种I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统，扩展方面有了很大的提高。随着电子技术的高速发展，单片机种类丰富、功能日益完善，由单片机作为主控制器的设备如全自动洗衣机、变频空调、遥控电视、数码相机、高清机顶盒、门禁控制、打印机等产品早已悄悄地进入了人们的生活；工业和国防领域的智能仪表、工业测控装置、医疗CT、航天技术、导航设备、现代军事装备等都有单片机扮演着重要的角色。C8051 系列单片机是Silabs 公司开发的混合信号微处理器，采用全球领先的模拟器件、高速8051 CPU、ISP Flash 存储器、JTAG 调试工具，是目前还在广泛使用的8 位单片机；兼容标准8051 硬件和指令系统集成有A/D、D/A、可编程定时/计数器阵列PCA、16 位定时器、UART、I2C 串行总线、看门狗定时器等众多功能部件，因此又称为片上系统（SoC）。特色的是增加了数字交叉开关，它可将内部数字系统资源定向到P0、P1 和P2 端口I/O 引脚，并可将定时器、串行总线、外部中断源、AD 输入、转换比较器输出通过设置Crossbar 开关控制寄存器定向到P0、P1、P2 的I/O 端口，这就允许用户根据自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。目前的单片机教材大多是沿用20 世纪80 年代的8051 内容，学生学完单片机课程后，不能直接融入企业的系统设计和技术开发。为此，本书在编写过程中，对原有的MCS?51 单片机内容进行了压缩和优化，作为单片机原理性介绍，将那些在实际应用中很少用到或已经淘汰的芯片不再写入教材，以C8051F410 的基本内容及其应用做重点介绍，形成具有鲜明特色的C8051F 系列单片机入门教材。全书共分9 章。第1 章是绪论，介绍了单片机的发展历程、应用领域、发展趋势和SoC单片机的性能特点；第2 章介绍了8051 单片机的硬件系统、体系结构、引脚功能、存储器，以及指令系统和使用方法；第3 章介绍了C51 在单片机中的编程方法，以及混合编程的具体运用；第4 章介绍了8051 单片机定时器、中断系统结构、中断控制及编程方法；第5 章介绍了8051 单片机串行口结构和编程控制；第6 章介绍Silabs 公司推出的C8051F410 单片机的系统结构、存储器组织、IO 端口、中断处理和时钟、电源管理，以及相应的控制方法；第7 章介绍C8051F410 单片机的片内定时器和看门狗应用；第8 章介绍C8051F410 单片机的模数和数模转换器的接口使用方法；第9 章以电源控制系统为例，介绍系统硬件电路设计和软件编程方法。全书内容丰富，结构完整，其中第2 章、第4 章、第5 章由吴桂初编写，第6 章、第7章、第9 章由吴平编写，第1 章、第8 章由杨卫波编写，第3 章由管晓春编写，书中的示图表格由章上聪制作和整理；参加本书编写工作的还有部分研究生。吴桂初、吴平老师负责全书的策划、内容安排、文稿编写修改和审定。全书参考教学理论36～54 学时，实验18 学时，每章配有适量的思考与练习题，教学时可以根据实际情况，适当取舍。本书在编写过程中参考了有关书籍和文献资料，在此对相关作者一并致谢。由于作者水平有限，涉及的知识点较多，难免有错误和不足之处，欢迎读者提出宝贵意见，以便进一步改进和完善。编 者2018 年2 月