單片機原理實用教程：基於Proteus虛擬仿真(第4版)（簡體書）

本書是電子信息與電氣學科規劃教材，並獲得全國電子信息類優秀教材獎。本書系統地闡述基於Proteus虛擬仿真技術的8051單片機原理與接口技術，包括8051單片機基本組成、中斷系統、定時器/計數器、串行口，8051指令系統，匯編語言及高級語言Keil C51應用程序設計技術，鍵盤與顯示器接口技術，DAC及ADC接口技術等。本書給出匯編語言和C語言編程範例，以及相應的Proteus虛擬仿真電路圖，以實例方式介紹基於Proteus平臺進行單片機應用系統設計的方法，還介紹了具有在線仿真調試功能的STC15系列新型Flash單片機的功能特點與應用方法。本書可作為高等學校自動化、電子信息工程、計算機應用等相關專業單片機原理與應用課程的教材，也可供廣大從事單片機應用系統開發的工程技術人員閱讀。

徐愛鈞，教授，2003年至今就職于長江大學，是湖北省精品課程“單片機原理及應用”負責人。湖北省自動化學會理事。曾出版多部圖書。

前 言
隨著單片機應用技術的普及，希望學習單片機的人越來越多。在全國高等教育的工科院校中，已普遍開設單片機原理與應用相關課程。由於單片機本身的特點，傳統教學方法很難在教學中體現單片機的實際運行過程，尤其是一些涉及硬件的操作，如定時器/計數器控制、外圍功能接口設計等，僅在課堂上空對空的講述很難讓學生理解，教學效果欠佳。Proteus軟件的出現帶來了契機，利用Proteus虛擬仿真技術，可以通過PC現場繪製原理圖，並直接在原理圖上編寫調試應用程序，配合各種虛擬儀錶來展現整個單片機系統的運行過程，很好地解決了長期以來困擾單片機教學中軟件和硬件無法很好結合的難題，使單片機的學習過程變得形象直觀。
早期單片機應用開發大多採用匯編語言編程。匯編語言是一種直接針對硬件的機器語言，其編程效率不高，程序不易移植和維護。現在已經普遍採用C語言進行單片機應用編程，C語言具有類似自然語言的特點，它既能直接操作機器硬件，又可以提高編程效率。德國Keil公司推出的C51被公認為是一個很有效的單片機C語言編程工具。Proteus虛擬硬件平臺可以與Keil C51完美結合，在原理圖中直接調入C語言編寫的應用程序，進行源代碼仿真調試，實現對系統性能的綜合評估，驗證各項技術指標。
深圳宏晶科技有限公司研發的STC系列增強型8051單片機，是中國本土單片機領域內的佼佼者，其推出的STC15系列單片機具有ISP（在系統編程）、IAP（在應用編程）和在線仿真調試功能，為單片機的學習和開發應用提供了更為方便的手段。結合Proteus軟件平臺，在成功進行虛擬仿真並獲得期望結果的條件下，再利用STC15系列單片機製作實際硬件系統，進行在線調試，可以獲得事半功倍的效果。
本書是電子信息與電氣學科規劃教材，並獲得全國電子信息類優秀教材獎。本書在第3版的基礎上進行了修訂，在構思及選材上，注意儘量符合單片機應用系統的發展要求，增加了Keil C51應用程序設計的內容，給出了大量Proteus仿真設計實例，並同時給出了匯編語言和C語言程序代碼，方便讀者對照學習。
全書共分為11章。
第1章闡述8051單片機的基本組成，包括8051單片機的特點與基本結構、存儲器結構、CPU時序、複位信號與複位電路、並行I/O口結構，還介紹了深圳宏晶科技有限公司推出的STC系列新型8051單片機。
第2章闡述Proteus虛擬仿真技術，介紹在ISIS集成環境中繪製原理電路圖、匯編語言及C語言源代碼調試方法，以及與Keil環境連線仿真。
第3章闡述8051單片機的指令系統與匯編語言程序設計。
第4章闡述Keil C51應用程序設計，介紹了C51的基本語句、數據類型、Keil C51對ANSI C的擴展，以及庫函數等。
第5章～第7章分別闡述8051單片機的中斷系統、定時器/計數器及串行口的工作原理與應用方法。
第8章闡述8051單片機系統擴展的方法。
第9章闡述鍵盤與顯示器接口技術，介紹LED/LCD顯示器、矩陣鍵盤與單片機的接口方法。
第10章闡述DAC及ADC接口技術，介紹傳統並行接口及新型串行接口DAC、ADC與單片機的接口方法。
第11章給出6個完整的Proteus虛擬仿真設計實例及其彙編和C51源程序。
本書配有Proteus設計範例，通過學習，讀者可以較快地掌握單片機基本原理及接口應用技術，為實際工作打下堅實的基礎。
本書包含配套教學資源包，讀者可登錄華信教育資源網（www.hxedu.com.cn），註冊後免費下載。為幫助讀者更好地理解所講內容，本書還製作了部分例子的虛擬仿真演示視頻，讀者可掃描二維碼觀看，程序源代碼可掃描二維碼下載。
在本書修訂過程中，熊曉東負責第1章～第2章的編寫，徐陽負責第3章～第4章的編寫，羅明璋負責第5章～第8章的編寫，彭秀華、劉冰、楊青勝、肖恩凱、鄭鵬鵬、黃存堅、范林、方小玲、楊新浩、牛宣雲、鄭玉章等參加了其他部分章節的編寫和程序調試工作，全書由徐愛鈞負責完成統稿。編寫過程中得到廣州風標電子技術有限公司（Proteus中國大陸總代理）匡載華總經理的大力支持和熱情幫助，在此一併表示感謝。由於作者水平有限，書中難免有錯誤和不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。Proteus的DEMO軟件可在Proteus官方網站（www.labcenter.co.uk）下載，或者與廣州風標電子技術有限公司聯繫。

編著者 于長江大學
2018年6月

目 錄
第1章 8051單片機的基本組成 1
1.1 8051單片機的特點與基本結構 1
1.2 8051單片機的存儲器結構 5
1.3 CPU時序 7
1.4 複位信號與複位電路 9
1.5 並行I/O口結構 10
1.6 STC系列新型8051單片機簡介 12
複習思考題1 16

第2章 Proteus虛擬仿真 17
2.1 集成環境ISIS 17
2.2 繪製原理圖 19
2.3 創建匯編語言源代碼仿真文件 21
2.4 在原理圖中進行源代碼仿真調試 23
2.5 原理圖與Keil環境連線仿真 25
複習思考題2 30

第3章 指令系統與匯編語言程序設計 31
3.1 指令助記符和字節數 31
3.2 尋址方式 32
3.2.1 寄存器尋址 32
3.2.2 直接尋址 33
3.2.3 立即尋址 33
3.2.4 寄存器間接尋址 34
3.2.5 變址尋址 34
3.2.6 相對尋址 35
3.2.7 位尋址 35
3.3 指令分類詳解 36
3.3.1 算術運算指令 36
3.3.2 邏輯運算指令 38
3.3.3 數據傳送指令 39
3.3.4 控制轉移指令 40
3.3.5 位操作指令 43
3.4 匯編語言程序格式與偽指令 43
3.5 應用程序設計 45
3.6 定點數運算子程序 47
複習思考題3 57

第4章 Keil C51應用程序設計 59
4.1 Keil C51程序設計的基本語法 59
4.1.1 Keil C51程序的一般結構 59
4.1.2 數據類型 60
4.1.3 常量、變量及其存儲模式 61
4.1.4 運算符與表達式 62
4.2 C51程序的基本語句 66
4.2.1 表達式語句 66
4.2.2 複合語句 66
4.2.3 條件語句 66
4.2.4 開關語句 67
4.2.5 循環語句 67
4.2.6 goto、break、continue語句 68
4.2.7 返回語句 69
4.3 函數 69
4.3.1 函數的定義與調用 69
4.3.2 中斷服務函數與寄存器組定義 70
4.4 Keil C51編譯器對ANSI C的擴展 71
4.4.1 存儲器類型與編譯模式 71
4.4.2 關於bit、sbit、sfr和sfr16數據類型 72
4.4.3 一般指針與基於存儲器的指針及其轉換 75
4.4.4 C51編譯器對ANSI C函數定義的擴展 76
4.5 C51編譯器的數據調用協議 79
4.5.1 數據在內存中的存儲格式 79
4.5.2 目標代碼的段管理 81
4.6 與匯編語言程序的接口 83
4.6.1 參數傳遞規則 83
4.6.2 C51與匯編語言混合編程舉例 87
4.7 絕對地址訪問 89
4.7.1 採用擴展關鍵字_at_或指針定義變量的絕對地址 89
4.7.2 採用預定義宏指定變量的絕對地址 90
4.8 Keil C51庫函數 91
4.8.1 本征庫函數 91
4.8.2 字符判斷轉換庫函數 91
4.8.3 輸入/輸出庫函數 92
4.8.4 字符串處理庫函數 93
4.8.5 類型轉換及內存分配庫函數 94
4.8.6 數學計算庫函數 95
複習思考題4 95

第5章 中斷系統 97
5.1 中斷的概念 97
5.2 中斷系統的結構與中斷控制 98
5.3 中斷響應 101
5.4 中斷系統應用舉例 103
5.4.1 中斷源擴展 103
5.4.2 中斷嵌套 105
複習思考題5 108

第6章 定時器/計數器 109
6.1 定時器/計數器的工作方式與控制 109
6.2 定時器/計數器應用舉例 112
6.2.1 初值和最大定時時間計算 112
6.2.2 定時器方式應用 113
6.2.3 計數器方式應用 120
6.3 利用定時器產生音樂 122
複習思考題6 128

第7章 串行口 129
7.1 串行通信方式 129
7.2 串行口的工作方式與控制 130
7.3 串行口應用舉例 134
7.3.1 串口/並口轉換 134
7.3.2 單片機之間的通信 137
7.3.3 單片機與PC之間的通信 151
複習思考題7 154

第8章 8051單片機系統擴展 155
8.1 程序存儲器擴展 155
8.2 數據存儲器擴展 156
8.3 並行I/O口擴展 158
8.4 利用I2C總線進行系統擴展 170
8.5 8051單片機的節電工作方式 184
8.5.1 空閒和掉電工作方式 185
8.5.2 節電方式的應用 186
複習思考題8 187

第9章 鍵盤與顯示器接口技術 188
9.1 LED顯示器接口技術 188
9.1.1 七段LED數碼管顯示器 188
9.1.2 串行接口8位共陰極LED驅動器MAX7219 194
9.2 鍵盤接口技術 200
9.2.1 編碼鍵盤接口技術 201
9.2.2 非編碼鍵盤接口技術 204
9.2.3 鍵值分析 210
9.3 8279可編程鍵盤/顯示器芯片接口技術 213
9.3.1 8279的工作原理 213
9.3.2 8279的數據輸入、顯示輸出及命令格式 215
9.3.3 8279的接口方法 220
9.4 LCD接口技術 225
9.4.1 LCD的工作原理和驅動方式 226
9.4.2 點陣字符液晶顯示模塊接口技術 226
9.4.3 點陣圖形液晶顯示模塊接口技術 242
複習思考題9 252

第10章 DAC及ADC接口技術 253
10.1 ADC及DAC的主要技術指標 253
10.2 DAC接口技術 254
10.2.1 無內部鎖存器的DAC接口方法 255
10.2.2DAC0832與8051單片機的接口方法 256
10.2.3 DAC1208與8051單片機的接口方法 261
10.2.4 串行DAC與8051單片機的接口方法 263
10.2.5 利用DAC接口實現波形發生器 270
10.3 ADC接口技術 277
10.3.1 比較式ADC0809與8051單片機的接口方法 278
10.3.2 積分式ADC7135與8051單片機的接口方法 283
10.3.3 串行ADC與8051單片機的接口方法 291
複習思考題10 295

第11章 Proteus虛擬仿真設計實例 297
11.1 紅外遙控系統設計 297
11.1.1 功能要求 297
11.1.2 硬件電路設計 297
11.1.3 軟件程序設計 297
11.2 DS18B20多點溫度監測系統設計 303
11.2.1 功能要求 303
11.2.2 硬件電路設計 304
11.2.3 軟件程序設計 307
11.3 單片機SD卡讀/寫接口設計 315
11.3.1 功能要求 315
11.3.2 硬件電路設計 315
11.3.3 軟件程序設計 318
11.4 電子萬年曆設計 322
11.4.1 功能要求 322
11.4.2 硬件電路設計 322
11.4.3 軟件程序設計 324
11.5 電子密碼鎖設計 335
11.5.1 功能要求 335
11.5.2 硬件電路設計 336
11.5.3 軟件程序設計 336
11.6 點陣LED顯示屏設計 352
11.6.1 功能要求 352
11.6.2 硬件電路設計 352
11.6.3 軟件程序設計 353
複習思考題11 355
附錄A 8051指令表 356
附錄B Proteus中的常用元器件 361
參考文獻 362