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本书以 MCS-51 单片机为基础进行讲解，MCS-51 系列的单片机品种多、规格齐、适应性强、应用技术资料多，便于初学者学习和使用。
本书参考了各个系列单片机的*资料，吸取了单片机开发应用的*成果，具有较强的系统性、先进性和实用性。内容由浅入深，并配有相应的习题，便于读者学习和实践。
本书可作为高等院校电子信息、自动控制、电气工程、物联网、计算机应用以及机电一体化等工科专业的单片机课程教材，也可作相关工程技术人员的参考书。
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| 內容簡介： |
本书是以 MCS-51 单片机内核为基础，以 Proteus ISIS 为仿真平台，并以 Keil C51 作为编译工具来介绍
单片机原理和应用技术的。开篇以计算机的原理结构和发展史为先导，把计算机领域中两大重要分支嵌
入式系统（单片机）和通用计算机系统（微型计算机）有机结合在一起。51 单片机几乎包含了高级单片机的
所有结构，是学习高级单片机的基础。汇编语言是*接近机器码的语言，有助于读者对单片机运行过程和状
态的理解。本书主要内容包括微型计算机系统的基本组成原理及基本结构、MCS-51单片机的硬件结构和时序、
指令系统、汇编语言及 Keil C51 程序设计、内部功能及应用、系统的扩展、IO 接口技术、Proteus ISIS 仿真
平台的应用、单片机*接口技术实例以及单片机应用系统设计实例（四旋翼飞行器飞控系统的设计）等。
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| 目錄：
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第 1 章 计算机概述 ..................................1
1.1 绪论 ..................................................1
1.1.1 计算机发展简史 ............................ 1
1.1.2 计算机工作原理 ............................ 2
1.1.3 计算机应用领域 ............................ 4
1.1.4 计算机发展趋势 ............................ 5
1.2 微型计算机系统 ..............................6
1.2.1 微型计算机系统的定义与特点 ..... 7
1.2.2 微型计算机系统的组成 ................ 9
1.2.3 微型计算机系统的应用与发展 .... 10
1.3 嵌入式计算机系统 ........................10
1.3.1 嵌入式系统的定义与特点 .......... 10
1.3.2 嵌入式系统的结构 ...................... 11
1.3.3 嵌入式系统的应用与发展 .......... 12
第 2 章 计算机基础知识 .........................16
2.1 计算机中的数制与编码 ................16
2.1.1 数制及转换方法 .......................... 16
2.1.2 计算机中数的表示及运算 .......... 19
2.1.3 计算机中的常用编码 .................. 21
2.2 计算机的基本组成电路 ................24
2.2.1 逻辑门电路 .................................. 24
2.2.2 触发器电路 .................................. 25
2.2.3 三态输出电路 .............................. 27
2.2.4 寄存器电路 .................................. 27
2.2.5 存储器电路 .................................. 28
2.2.6 时序及时钟电路 .......................... 29
第 3 章 微型计算机的基本结构和工作原理 ....................................32
3.1 微型计算机的基本结构 ................32
3.2 微处理器 ........................................33
3.2.1 控制器 .......................................... 34
3.2.2 运算器 .......................................... 34 3.3 存储器 ............................................34
3.3.1 存储器的分类 .............................. 34
3.3.2 存储器结构及寻址 ...................... 35
3.4 IO接口电路 ...................................37
3.4.1 接口电路功能 .............................. 37
3.4.2 IO接口电路分类 ......................... 38
3.4.3 接口电路控制方式 ...................... 38
3.5 总线及其工作原理 ........................39
3.5.1 总线工作原理 .............................. 39
3.5.2 总线特性 ...................................... 40
3.5.3 总线分类 ...................................... 40
3.6 指令与程序概述 ............................41
3.6.1 指令系统简介 .............................. 41
3.6.2 程序设计语言 .............................. 42
3.6.3 微型计算机工作过程 .................. 44
第 4 章 单片机概论 ................................46
4.1 单片机的特点及发展概况 ............46
4.1.1 单片机 微控制器嵌入式应用的概念 .................................. 46
4.1.2 单片机的特点和应用 .................. 47
4.1.3 单片机的历史与发展 .................. 50
4.2 常用单片机系列介绍 ....................51
4.2.1 MCS-51系列单片机 .................... 52
4.2.2 80C51系列单片机 ....................... 53
4.2.3 STC系列单片机 ........................... 55
4.2.4 CY7C680XX系列单片机 ............ 57
4.2.5 C8051系列单片机 ....................... 62
第 5 章 MCS-51 单片机结构和时序 .......67
5.1 MCS-51单片机结构.......................67
5.1.1 MCS-51单片机的结构 ................ 67
5.1.2 MCS-51的封装与引脚 ................ 69
5.1.3 CPU的结构 .................................. 71 5.1.4 存储器结构 .................................. 75
5.1.5 输入输出端口结构 ..................... 82
5.1.6 定时器计数器 ............................. 87
5.1.7 中断系统 ...................................... 87
5.2 时序 ................................................87
5.2.1 振荡器和时钟电路 ...................... 88
5.2.2 CPU取指令，执行指令周期时序 ...................................... 90
5.3 单片机的工作方式 ........................92
5.3.1 复位操作 ...................................... 92
5.3.2 程序执行方式 .............................. 94
5.3.3 低功耗工作方式 .......................... 94
第 6 章 MCS-51 单片机指令系统 ...........97
6.1 指令系统简介 ................................97
6.1.1 指令概述 ...................................... 97
6.1.2 指令格式 ...................................... 97
6.1.3 指令的分类 .................................. 97
6.1.4 指令中的符号 .............................. 98
6.2 MCS-51的寻址方式.......................99
6.2.1 立即寻址（ImmediateAddressing） ................................ 99
6.2.2 直接寻址（DirectAddressing） .............................. 100
6.2.3 寄存器寻址（RegisterAddressing） .............................. 100
6.2.4 寄存器间接寻址（RegisterIndirect Addressing） ................ 101
6.2.5 基址寄存器加变址寄存器的间接寻址（Base Register Plus IndexR egister Indirect Addressing） ... 102
6.2.6 相对寻址 .................................... 102
6.2.7 位寻址 ........................................ 103
6.3 MCS-51指令系统.........................104
6.3.1 数据传送类指令 ........................ 104
6.3.2 算术运算类指令 ........................ 110
6.3.3 逻辑运算类指令 ........................ 116
6.3.4 控制转移类指令 ........................ 120
6.3.5 布尔变量操作类指令 ................ 127 第 7 章 汇编语言程序设计 ...................131
7.1 汇编语言语句的格式 ..................131
7.2 伪指令 ..........................................132
7.2.1 汇编起始指令（ORG） ............ 132
7.2.2 汇编结束命令（END） ............ 132
7.2.3 赋值命令（EQU） .................... 132
7.2.4 数据地址赋值命令（DATA） . 133
7.2.5 定义字节指令（DB） .............. 133
7.2.6 定义字命令（DW） ................. 133
7.2.7 定义空间命令（DS） ............... 134
7.2.8 位地址符号命令（BIT） .......... 134
7.3 汇编语言源程序的编程和汇编
......................................................134
7.3.1 源程序编辑 ................................ 135
7.3.2 源程序汇编 ................................ 135
7.4 汇编语言程序设计方法 ..............136
7.4.1 简单程序 .................................... 136
7.4.2 分支程序 .................................... 137
7.4.3 循环程序 .................................... 139
7.4.4 查表程序 .................................... 142
7.4.5 子程序 ........................................ 143
7.5 综合编程举例 ..............................145
7.5.1 算术运算类程序 ........................ 145
7.5.2 代码转换类程序 ........................ 150
7.5.3 查表程序 .................................... 153
7.5.4 软件看门狗 ................................ 154
7.5.5 数字滤波程序 ............................ 156
第 8 章 嵌入式单片机高级 C51程序设计 ..................................160
8.1 嵌入式高级C语言编程概述 ........160
8.2 嵌入式C语言编译环境介绍 ........160
8.2.1 Keil C集成开发环境介绍 ......... 161
8.2.2 Keil C工程的建立与设置 ......... 163
8.3 Keil C51与标准C .........................168
8.3.1 Keil C51扩展关键字 ................. 168
8.3.2 内存区域（Memory Areas） .... 169
8.3.3 特殊功能寄存器SFR ................. 170
8.3.4 存储类型标示符的声明 ............ 170
8.3.5 存储模式 .................................... 171 8.3.6 数据类型 .................................... 171
8.3.7 位变量与声明 ............................ 174
8.3.8 Keil C51指针 ............................. 174
8.3.9 Keil C51函数 ............................. 175
8.4 C51语言的程序流程控制 ............178
8.4.1 条件语句（if） .......................... 178
8.4.2 循环语句 .................................... 179
8.4.3 break语句、continue语句和goto语句.................................. 180
8.4.4 选择语句（switch） .................. 181
第 9 章 基于 Proteus ISIS 的现代嵌入式系统仿真技术 ................183
9.1 Proteus ISIS仿真系统介绍 ..........183
9.1.1 Proteus ISIS简介 ........................ 183
9.1.2 Proteus ISIS操作界面介绍 ........ 183
9.2 原理图绘制的方法和步骤 ..........188
9.2.1 基本操作 .................................... 188
9.2.2 创建新的设计文件 .................... 189
9.2.3 设置图纸类型 ............................ 190
9.2.4 图形编辑基本操作 .................... 190
9.2.5 将所需元器件加入对象选择器 ........................................ 193
9.2.6 放置元器件 ................................ 195
9.2.7 绘制总线 .................................... 196
9.2.8 元件间导线连接（Wiring Up Componentson the Schematic）............... 197
9.2.9 导线标注（Part Labels） .......... 197
9.3 Proteus VSM的电路分析 .............198
9.3.1 激励源 ........................................ 198
9.3.2 虚拟仪器 .................................... 202
9.3.3 探针 ............................................ 204
9.3.4 图表分析 .................................... 204
9.4 Proteus ISIS联合Keil C仿真8051及虚拟串口 ..........................207
9.4.1 Proteus ISIS与Keil C软件设置 .... 207
9.4.2 虚拟串口Virtual Serial PortDriver 6.0 ............................ 209
9.4.3 串口调试工具SSCOM及Secure CRT介绍 ........................ 210 9.4.4 基于Proteus ISIS的MCS-51最小仿真电路及相关设置 ........ 211
第 10 章 基本 51 内核单片机内部功能以及外部系统扩展和应用 .......213
10.1 定时计数器介绍及基于Proteus ISIS的仿真 ....................213
10.1.1 概述 .......................................... 213
10.1.2 定时计数器的控制字 ............. 214
10.1.3 定时计数器的4种工作模式 .... 215
10.1.4 定时计数器的编程及应用 ..... 218
10.2 中断系统 ....................................224
10.2.1 中断系统的组成及中断源 ...... 224
10.2.2 中断控制 .................................. 225
10.2.3 中断处理 .................................. 228
10.2.4 中断使用方法 .......................... 231
10.3 串行通信介绍及基于ProteusISIS的仿真 .................................233
10.3.1 串行口的结构与控制 .............. 233
10.3.2 串行口工作方式和波特率 ...... 236
10.3.3 基于Proteus ISIS的基本串行口应用仿真实例 .............. 239
10.3.4 串行口的扩展应用及基于Proteus ISIS的仿真实例 .......... 241
10.4 单片机的外部并行扩展 ............255
10.4.1 外部并行扩展性能 .................. 256
10.4.2 程序存储器的扩展 .................. 258
10.4.3 数据存储器的扩展 .................. 261
10.5 可编程并行接口芯片8255 ........263
10.5.1 8255的内部结构 ...................... 264
10.5.2 8255的引脚功能 ...................... 265
10.5.3 8255的控制字、状态字 .......... 267
10.5.4 8255的工作方式及与MCS-51单片机的连接............. 268
10.6 串行外部总线扩展技术及基于Proteus ISIS的仿真 ............272
10.6.1 常用串行外部总线扩展技术概述 .................................. 272
10.6.2 AT93C465666 E 2 PROM特性 ................................... 276 10.6.3 AT93C46 E 2 PROM应用实例............................................ 281
10.6.4 SPI25AA010A的应用及基于Proteus ISIS的仿真实例 .......... 285
10.6.5 M24C04的应用及基于ProteusISIS的仿真实例 ....................... 287
10.7 键盘输入及其接口 ....................288
10.7.1 独立键盘接口 .......................... 288
10.7.2 矩阵式按键接口 ...................... 290
10.8 LED&LCD显示及显示器接口 ............................................295
10.8.1 LED显示及其接口 .................. 295
10.8.2 LCD液晶显示原理及其接口 .................................. 300
10.8.3 16X2字符型液晶1602A驱动仿真实例 .................................. 303
10.8.4 192X64图形点阵液晶TG19264A驱动仿真实例 .......................... 307
10.8.5 真空荧光显示器（VFD）及显示器接口 .......................... 309
10.9 基于GSM通信系统的电力接地线状态远程监控系统设计 ....321
10.9.1 电力接地线状态远程监控系统设计 .................................. 322
10.9.2 智能接地线监控装置（下位机）硬件设计 .............. 324
10.9.3 智能接地线监控装置软件设计 .................................. 326
第 11 章 基于 MCS-51 的 AD、DA 应用 ................................336
11.1 AD转换原理及应用 .................336
11.1.1 ADC转换原理及技术性能指标 .................................. 336
11.1.2 ADC0809与单片机的接口与应用 ................................. 337 11.1.5 TLC2543 AD转换器应用及基于Proteus ISIS的仿真实例 .. 348
11.2 DAC的接口及应用 ....................352
11.2.1 DAC转换器技术性能指标 ...... 352
11.2.2 DAC 0832与单片机的接口及应用 ...................................... 353
11.2.3 AD7520与单片机的接口及应用 ...................................... 356
第 12 章 单片机应用实例（四旋翼飞行器飞控系统的设计） ........359
12.1 四旋翼飞行器飞控系统原理介绍 ............................................359
12.1.1 四旋翼飞行器飞行控制原理 .................................. 359
12.1.2 四旋翼飞控技术架构 .............. 360
12.2 四旋翼飞行器基本工作原理 ....361
12.3 飞控硬件电路设计与器件选型 ................................362
12.3.1 飞控硬件总体设计框图 .......... 362
12.3.2 电机驱动电路设计 .................. 362
12.3.3 姿态传感器组电路设计 .......... 363
12.3.4 无线通信与遥感 ...................... 364
12.3.5 PPM与调速电路设计 .............. 365
12.4 飞行控制器软件设计 ................366
12.4.1 飞控程序的控制流程 .............. 366
12.4.2 飞控软件总体设计概要 .......... 366
12.4.3 姿态控制原理与算法 .............. 366
12.4.4 遥控数据接收PPM解码 .......... 367
12.4.5 姿态传感器数据采集与姿态解算 .............................. 368
12.5 飞控系统调试与实验 ................369
12.5.1 PPM解码调试与PWM调速原理 .................................. 369
12.5.2 电机驱动与PWM控制波形调试 .................................. 369
12.5.3 姿态解算实验 .......................... 370
12.5.4 PID飞控算法调试 .................... 370
12.5.5 自稳模式控制调试 .................. 370
12.5.6 飞控整机测试 .......................... 371
参考文献 ................................................372
111.1.5 TLC2543 AD转换器应用及
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| 內容試閱：
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单片机（Micro Controller Unit，微控制器）是采用超大规模集成电路技术制成的一种集成电路芯片。
微控制器具有出色的控制能力，配合程序，可以像人脑一样控制电路的运行。如果说数字电路和模拟电路是打开你电子世界的第一扇大门，那么单片机技术，则是让你电子的应用能力更进一步的阶梯。是否具备单片机应用技术将直接影响一个电子爱好者就业机会的多少。
电子技术的迅猛发展、超大规模集成电路设计技术及制造工艺的不断提高，单片机技术也得到迅速发展，人们生活对单片机类电子设备的依赖也日渐增加。目前，单片机技术已经渗透到国防、工业、农业等领域。在智能仪器仪表、工业检测控制、电力电子、汽车电子、机电一体化等方面得到了广泛应用。单片机技术快速发展，促使各种扩展型、增强型的单片机不断推出，美国 ATMEL 公司、Cypress、STC、飞利浦、西门子、美国 DALLAS 等公司推出与 MCS-51 兼容的增强型单片机，但万变不离其宗，都还是以 MCS-51 单片机为基础进行内核升级和外围设备升级的。本书以 MCS-51 单片机为基础进行讲解，MCS-51 系列的单片机品种多、规格齐、适应性强、应用技术资料多，便于初学者学习和使用。
随着教学课程的改革，许多学校开始撤销微型计算机原理课程，直接开设单片机原理及应用课程。由于没有微型计算机原理课程的先导，缺乏微型计算机系统及结构的知识铺垫，大部分初学者会觉得单片机技术入门困难、汇编语言难以理解。根据以上问题，本书编写时做了如下工作。
1．相对于传统的单片机书籍而言，本书增加了微型计算机系统及结构的内容，把计算机领域中两大重要分支嵌入式系统（单片机）和通用计算机系统（微型计算机）有机结合在一起，先介绍微机的基本概念及基础理论，再具体介绍单片机原理及应用，层层递进，有利于初学者迅速掌握单片机技术。
2．在编程语言方面，传统的单片机原理与应用课程普遍采用汇编语言教学，增大了学者对编程语言的学习难度且不利于工程项目的实际应用。汇编语言具有效率高，对硬件可操控性强的特点，但也有不易维护、可移植性很差的不足；C 语言具有易维护、可移植性好的优点，但无法直接对硬件控制，需要调用封装库，不利于初学者对单片机工作流程的理解。本书增加了嵌入式单片机高级 C51 程序设计的内容，在多数应用程序的编程中，采用汇编语言和 C51 的双语言编程教学。汇编语言程序设计的学习更有利于加强初学者对单片机的理解，而 C 语言的学习为大型项目开发做准备。双语言编程教学主要是优势互补，让学者对单片机尽快理解的同时，也对将来应用开发打下坚实的基础。
3．仿真及编译软件方面，本书选用 Proteus ISIS 仿真软件和 Keil Vision 编译软件。EDA 技术（Electronics Design Automation）的发展使得如今不需要产品板也可以在计算中建立系统模型进行软件调试，并且还可以通过 Proteus ISIS 建立和目标产品板相差不大的产品级功能仿真模型，大大减少了硬件的投入和软件调试的等待时间。Keil Vision 开发软件集编辑、编译和仿真于一体，支持汇编语言、PLM 语言和 C 语言的程序设计，界面友好，可快速上手，很适合单片机爱好者使用。
本书共分为 12 章，第 1 章为计算机概述；第 2 章介绍计算机基础知识；第 3 章介绍微型计算机的基本结构和工作原理。前三章讲述初学者相对较熟悉的计算机系统，并补充基础知识，让初学者循序渐进地对计算机结构和原理有所了解。第 4 章讲述了单片机概论及增强型 51 单片机系列介绍，在前面章节的基础上过渡到单片机原理的学习；第 5 章介绍 MCS-51
单片机的结构和时序；第 6 章介绍 MCS-51 单片机指令系统；第 7 章介绍汇编语言程序设计；
第 8 章介绍嵌入式单片机高级 C51 程序设计，读者有了汇编语言基础，对高级语言编程学习和理解就简单多了；第 9 章介绍基于 Proteus ISIS 现代嵌入式系统仿真技术；第 10 章介绍基本 51内核内部功能及外部系统扩展和高级应用；第 11 章介绍基于 MCS-51 的 AD、DA 应用；第 12 章以四旋翼飞行器飞控系统的设计项目为实例，讲述单片机应用系统的开发流程。
编写本书时，笔者深入浅出地讲解 51 单片机原理与应用技术。首先力求以本书为教材的学生能够对 MCS-51 单片机的主要技术有一个深入的理解，掌握知识的同时能灵活应用；其次，能让使用本书自学的学者快速地理解、掌握和应用单片机关键性技术；最后，希望正在从事单片机系统设计，具有一定实践经验的工程技术人员在阅读本书后也能得到一些帮助。
本书参考了各个系列单片机的最新资料，吸取了单片机开发应用的最新成果，具有较强的系统性、先进性和实用性。内容由浅入深，并配有相应的习题，便于读者学习和实践。
本书可作为高等院校电子信息、自动控制、电气工程、物联网、计算机应用以及机电一体化等工科专业的单片机课程教材，也可作相关工程技术人员的参考书。
本书由肖金球、黄伟军、雷岩编著，参加本书编写的还有冯翼、刘传洋等。南京东南大学信息科学与工程学院的李文渊教授和南京河海大学计算机与信息学院的曹宁教授审阅了全书，并提出了许多宝贵的意见和建议。另外，本教材在编写过程中得到了清华大学出版社的大力支持，邓艳编辑为本书提出了许多宝贵的建议。在本书出版之际，笔者对在本书编写过程中给予帮助的所有老师和同学表示真诚的感谢。
由于时间仓促，笔者水平有限，书中难免会存在疏漏和不足之处，殷切希望广大读者予以批评和指正。
编者
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