單片機原理和應用

書中應用實例翔實、實驗內容豐富，具有參考價值。本書配有電子課件等教學資源。本書可作為高等院校電子信息工程、自動化、通信工程、測控技術與儀器等專業“單片機原理與應用”相關課程的教材，也可作為相關技術人員的參考用書。

本書為江西省省級精品課程建設成果。

本書從現實教學和工程實際應用出發，對傳統單片機教材內容進行了改良，力求做到與市場接軌，與現實同步。在并行匯流排擴展問題上，著重介紹了擴展方法和典型應用，對并行器件、并行匯流排擴展及8255、8155、8279等已基本淘汰的器件進行了精簡或摒棄，補充了串列匯流排技術、串列匯流排器件介面應用和STC系列單片機內部新增功能部件的使用，以及C51編程規範等內容。

書中有單片機應用系統設計、Proteus模擬、實驗和課程設計等章節，主教材與實驗教材整合為一本書，知識量大。

自從1972年Intel公司推出第一顆微處理器以來，計算機技術遵循著摩爾先生提出的摩爾定律，以每18個月為一個周期微處理器性能提高一倍、價格降低一半的速度快步向前發展。以微處理器為核心的微型計算機在最近20年中發生了巨大的變化，閃電般地經歷了從8088/8086到286、386、486、586、P-Ⅱ、P-Ⅲ等奔騰(Pentium)系列眾多CPU的飛躍。計算機對整個社會進步的影響有目共睹，其應用面的迅速拓寬，對個人與社會等多方面的滲透表明，計算機技術已不再是深踞於高層次科技領域裡的寵兒，它已經深入到社會活動的一切領域之中，闖進了平常百姓的生活里，使人們跨入了信息時代、數字時代。

隨著電子技術的發展和近代超大規模集成電路的出現，通過對計算機的功能部件進行剪裁及優化，將CPU、程序存儲器(ROM)、數據存儲器(RAM)、并行I/O口(PIO)、串列I/O口(SIO)、定時/計數器(CTC)及中斷控制器(ICU)等基本部件集成在一塊晶元中，製成了單晶元微型計算機(Single Chip Microcomputer)，簡稱單片機，又叫微控制器(Micro Controller Unit，簡稱MCU)。由於它能嵌入到某個電路或電子產品設備中，故被稱為嵌入式控制器(Embedded Controller)。要把前面提到的眾多功能集合在一起，在過去需要具備專門的知識，採用許多電路組建成一個電子系統來實現。而今卻簡化成只需選擇一片合適的單片機，並對其已有的功能、指標、參數及引腳進行合理的使用即可完成。單片機與可編程邏輯器件相結合，構成了新一代電子工程應用技術。

20世紀90年代，單片機在我國迅速普及。在電子技術日新月異的今天，在人們的生活里，到處都可以看到單片機的具體應用。單片機可以嵌入到各種電子產品之中，成為機電產品的核心部件，控制著各種產品的工作。隨著大規模集成電路的發展，單片機已從過去的單一品種，發展成為多品種、多系列機型，內部結構從過去的基本部件發展到集成有A/D、D/A、監控定時器(WDT)、通信控制器(CCU)、脈寬調製器(PWM)、浮點運算器(FPU)、模糊控制器(FCU)、數字信號處理器(DSP)，以及具有I2C、SPI、ISP等眾多特殊功能部件，成為功能越來越強的增強型、高檔型單片機。由於單片機具有功能強、體積小、功耗低、成本低、裸機編程、軟體代碼少、工作可靠、自動化程度高、實時響應速度快以及使用方便等特點，因此被廣泛應用於工業製造、過程式控制制、數據採集、通信、智能化儀器儀錶、汽車、船舶、航空航天、軍工及消費類電子產品中。

如今，由單片機作為主控制器的全自動洗衣機、高檔電風扇、電子廚具、變頻空調、遙控彩電、攝像機、VCD/DVD機、組合音響、電子琴等產品早已悄悄地包圍了人們的生活。從家用消費類電器到複印機、印表機、掃描儀、傳真機等辦公自動化產品；從智能儀錶、工業測控裝置到CT、MRI、γ刀等醫療設備；從數碼相機、攝錄一體機到航天技術、導航設備、現代軍事裝備；從形形色色的電子貨幣(如電話卡、水電氣卡)到身份識別卡、門禁控制卡、檔案管理卡以及相關讀/寫卡終端機等，都有單片機在裡面扮演重要角色。因此有人說單片機“無處不在，無所不能”。

現今，炙手可熱的“三網”(即電信網、有線電視網、國際網際網路)融合產品、物聯科技已開始興起；在汽車中普遍都需要有30多個單片機被用於其中的空調、音響、儀錶盤、自動窗、遙控門、自控前後蓋、空氣質量監測、反射鏡角度調整、自動滅火、防盜報警等的控制，協調控制著發動機、傳動器、制動器、安全氣囊、車載全球定位系統(GPS)等多方面有條不紊地工作；此外，還有工業自動化控制和軍事科技等。這些領域的應用開發都還存在許多技術問題尚要解決，這正是電子技術人員可以大展拳腳的領域。

從學習的角度看，單片機作為一個完整的數字處理系統，具備了構成計算機的主要單元部件，在這個意義上稱為單片微機並不過分。通過學習和應用單片機進入計算機硬體設計之門，可達到事半功倍的效果。

從應用的角度看，單片機是一片大規模集成電路，可自成一體，對於其他微處理器所需的大量外部器件的連接都在單片機內部完成，各種信息傳遞的時序關係變得非常簡單，易於理解和接受。用單片機實現某個特定的控制功能十分方便。

從設計思想看，單片機的應用意味著“從以硬體電路設計為主的傳統設計方法向以軟體設計為主的、對單片機內部資源及外部引腳功能加以利用的設計方法的轉變”，從而使硬體成本大大降低，設計工作靈活多樣。往往只需改動部分程序，就可以增加產品的功能，提高產品的性能。

單片機技術的功效神奇，有時也給人一種神秘莫測，難於駕馭之感。究其原因，很多初學者不太重視實踐，缺乏行之有效的經驗總結，缺乏將離散的實踐經驗上升到知識的理解層面。其實，如果從應用的角度來看，單片機既不神秘，也不難駕馭。單片機課程是一門實踐性、綜合性、應用性很強的課程，初學者應樹立在學中“做”，在做中“學”的思想。先學習單片機硬體結構、存儲結構、指令系統及中斷系統，然後不斷地進行編程練習，通過實驗提升技能，加深理解，結合最小系統板等實物進行硬體編程式控制制，提高動手能力。如此循序漸進、舉一反三，才會有“登堂入室”之感，才能逐步將單片機應用於各種場合之中解決實際問題。

總之，單片機不同於通用微型計算機，它能夠靈活嵌入到各類電子產品中，使電子產品具備智能化和“傻瓜”化操作，已經成為電子自動化技術的核心基礎。因此，學習單片機非常有必要。

由於目前的單片機教材大多是沿用20世紀80年代的內容，使用的晶元(如8031)過於陳舊，很多學生學完單片機課程后，到工作單位從事實際的單片機系統設計時總感覺學無所用，而且脫離實際。現在，單片機的應用已真正步入了“單片”的時代。單片機內部集成的功能部件越來越多，功能越來越強，對單片機應用系統的設計已很少採用外部的并行匯流排擴展RAM和ROM，而是採用選擇包含不同存儲容量的單片機。即使是需要擴展外部RAM存儲器，也往往會選用串列I2C、SPI匯流排擴展技術。對I/O口的擴展也不再使用8255或8155這樣的晶元，而是選擇具有不同引腳封裝的單片機。當需要的I/O口少時，可以選擇封裝引腳多的單片機(最少的只有8個引腳，含6個I/O口引腳)；若需要的I/O口較多時，可以選擇引腳封裝多的單片機(最多的有上百個引腳)。很多單片機內部都集成有8位或10位的中、低精度的A/D、D/A轉換器。因此，在精度要求不高的場合，完全可以選用片內帶有A/D、D/A轉換器的單片機。只有在要求高精度(12位以上)、高速採樣的場合，才需要選用擴展外部串列或并行介面的A/D、D/A轉換器，這樣可以大大降低成本，減小產品的體積。基於上述原因，本書在編寫過程中，對原有的單片機教材做了比較大的改良，盡量將那些在實際應用中很少見的，或已經淘汰的晶元不寫入教材，而將實際應用中比較流行的技術吸收進來，形成具有時代特色的新型教材，力求做到與市場接軌，與現實同步。為了幫助讀者更快地進入單片機應用領域，本書最後補充了實驗和課程設計實例。

全書共分16章。第1章是單片機概述，介紹了單片機的發展歷程、應用領域和各種常用的低功耗單片機、增強型單片機的性能特點，介紹了國產STC系列單片機的選型；第2章介紹了8051單片機的體系結構、內部主要部件的功能，以及存儲器結構與編址範圍；第3章介紹了8051單片機指令系統和指令的使用方法；第4章介紹了8051單片機程序結構和設計方法；第5～7章介紹了8051單片機中斷系統結構、中斷控制、編程和串列口使用方法；第8章以國產STC系列單片機為例介紹了增強型單片機新增功能部件的使用方法；第9章介紹了單片機系統的擴展，重點介紹了串列匯流排擴展技術，精簡了并行匯流排擴展內容；第10章介紹了單片機與鍵盤、數碼顯示、液晶顯示、印表機的介面形式和編程方法；第11章介紹了A/D、D/A轉換器性能指標、晶元選型，著重介紹了串列A/D、D/A轉換器的介面使用方法；第12章介紹了C51在單片機中的編程方法，以及混合編程的具體運用；第13章介紹了如何根據需求進行系統設計；第14～16章以單片機應用實驗為主，介紹了使用Proteus進行單片機模擬、精選了十個單片機編程實驗項目和四個課程設計應用實例。

全書內容豐富，結構完整，其中第1～4章、第8～16章由朱兆優編寫；第5～7章由陳堅編寫；鄧文娟參與了第4、15章的編寫，王海濤參與了第12、16章的編寫。參加本書編寫工作的還有趙永科、胡文龍，研究生洪俊雄、洪恩華、周更新、王娟、范淑娜和塗曉紅老師等對書稿的錄入、插圖、校對和程序調試做了許多工作。朱兆優負責全書的策劃、內容安排、文稿編寫修改和審定。

本書在編寫過程中得到了家人的全力支持和幫助；還得到了周航慈教授的大力支持，周航慈教授對本書的初稿進行了審閱，並提出了寶貴意見，在此對他們付出的辛勤工作表示衷心感謝！

全書參考教學40～60學時，實驗20學時。教學時可以根據實際情況，對各章講授的內容進行適當取捨。為配合教學，每章都配有適量的練習與思考題。

由於本書涉及的知識點較多，儘管在編寫中做了許多努力，但由於時間倉促，難免有不足和疏漏之處，歡迎廣大讀者提出寶貴意見和建議，以便進一步改進和提高，使之滿足實際教學的需要……