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第1篇 序幕3

第1章 单片机在哪里3

1.1.寻找单片机3

1.1.1电磁炉与单片机4

1.1.2 MP3播放机与单片机5

1.1.3更多单片机5

1.2.学习单片机6

1.2.1掌握单片机基础知识6

1.2.2理解单片机系统6

1.2.3成为单片机系统设计师7

1.3.单片机之家7

1.3.1 Intel 8051单片机7

1.3.2 PIC单片机8

1.3.3 AVR单片机9

1.3.4其他单片机9

1.4.应用体验——数字温度计9

1.4.1数字温度计工作原理10

1.4.2体验数字温度计10

1.5.实例解读——装小球系统11

1.5.1需求分析11

1.5.2系统框架12

第2章 如何成为单片机系统设计师13

2.1.需要准备哪些13

2.1.1综合素质13

2.1.2软件工具15

2.1.3硬件工具之一：面包板15

2.1.4硬件工具之二：万用板和印制电路板18

2.1.5焊接工具19

2.1.6焊接方法21

2.2.单片机系统设计流程22

2.2.1需求分析22

2.2.2电路设计23

2.2.3程序设计24

2.2.4系统调试24

2.3.应用体验——单片机控制下的发光二极管25

2.3.1发光二极管工作原理25

2.3.2单片机的控制26

2.3.3体验单片机控制发光二极管26

2.4.实例解读——反应时间测试仪27

2.4.1需求分析27

2.4.2电路设计27

2.4.3程序设计28

第3章 单片机系统登场30

3.1.单片机系统组成30

3.1.1单片机本身31

3.1.2系统的构成31

3.2.单片机系统抽丝剥茧32

3.2.1 AT89S51单片机的“外衣”33

3.2.2 AT89S51单片机的管脚34

3.2.3常见外设36

3.3.元器件插曲之一：变压器38

3.3.1变压器基础知识38

3.3.2电源变压器39

3.4.元器件插曲之二：二极管与整流40

3.4.1二极管基础知识40

3.4.2整流40

3.4.3整流全桥42

3.5.元器件插曲之三：电容43

3.5.1电容基础知识43

3.5.2电容的种类44

3.5.3电源滤波46

3.6.元器件插曲之四：三端稳压与单片机系统电源47

3.6.1三端稳压基础知识47

3.6.2单片机系统电源方案一：自制直流稳压电源48

3.6.3单片机系统电源方案二：电源适配器48

3.6.4单片机系统电源方案三：USB口供电49

3.7.元器件插曲之五：晶振与振荡器50

3.7.1晶振基础知识50

3.7.2振荡器51

3.8.诠释单片机最简系统52

3.8.1单片机最简系统52

3.8.2电源端（VCC、 GND）52

3.8.3时钟信号端（XTAL 1、XTAL2）53

3.8.4复位端（RST）54

3.8.5外部程序存储器访问控制端（EA/VPP）55

3.8.6从最简系统出发56

3.9.元器件插曲之六：电阻56

3.9.1电阻基础知识56

3.9.2电阻的参数和种类58

3.9.3电阻的分压、限流、上拉作用59

3.10.从单片机最简系统开始设计60

3.10.1发光二极管交替发光61

3.10.2程序设计61

3.10.3初见汇编语言63

3.10.4初识指令64

3.10.5立即数65

3.11.应用体验——发光二极管的交替发光66

3.11.1控制交替发光的原理66

3.11.2体验交替发光66

3.12.元器件插曲之七：开关66

3.12.1开关基础知识66

3.12.2常用开关67

3.13.实例解读——与发光二极管的交互68

3.13.1需求分析68

3.13.2电路设计69

3.13.3程序设计69

3.13.4延时子程序72

第4章 单片机系统设计辅助软件74

4.1 Proteus单片机系统仿真软件74

4.1.1 Proteus软件界面75

4.1.2用Proteus仿真76

4.2 μVision单片机程序开发82

4.2.1 μVision软件界面83

4.2.2新建和保存项目83

4.2.3向项目中添加文件84

4.2.4汇编程序，生成执行代码87

4.2.5生成下载到单片机的执行代码HEX文件88

4.3 μVision的调试及仿真功能89

4.3.1调试界面89

4.3.2虚拟逻辑分析仪89

4.4.应用体验——把程序下载到单片机里92

4.4.1下载器与单片机92

4.4.2体验下载过程92

4.5.实例解读——流水灯93

4.5.1需求分析93

4.5.2电路设计94

4.5.3软件设计94

第2篇 揭密101

第5章 单片机的触角——I/O口101

5.1.何谓I/O口101

5.1.1 I/O口的功能101

5.1.2 I/O口与单片机的关系102

5.1.3 I/O口的操作103

5.2.元器件插曲之八：场效应管104

5.2.1 JFET105

5.2.2 MOSFET106

5.3.元器件插曲之九：逻辑门106

5.3.1非门106

5.3.2或门107

5.3.3或非门107

5.3.4与门107

5.3.5与非门107

5.3.6异或门108

5.3.7缓冲器108

5.4.元器件插曲之十：锁存器与触发器108

5.4.1门控D锁存器109

5.4.2边沿D触发器109

5.5 I/O口结构探密110

5.5.1 P1口110

5.5.2 P3口110

5.5.3 P0口111

5.5.4 P2口112

5.5.5 I/O口小结112

5.6.应用体验——控制流水灯112

5.6.1功能与电路113

5.6.2体验控制流水灯113

5.7.实例解读——晃晃灯113

5.7.1原理分析114

5.7.2需求分析114

5.7.3电路设计114

5.7.4软件设计116

第6章 七段数码管显示118

6.1.二进制与数据118

6.1.1二进制与数字118

6.1.2二进制与语音119

6.1.3二进制与图像120

6.2.元器件插曲之十一：七段数码管121

6.2.1七段数码管原理121

6.2.2七段数码管显示数字122

6.3.应用体验——计时器123

6.3.1功能与电路124

6.3.2体验计时器124

6.4.元器件插曲之十二：蜂鸣器124

6.4.1蜂鸣器125

6.4.2蜂鸣器如何工作125

6.5.元器件插曲之十三：三极管及三极管开关125

6.5.1三极管基础125

6.5.2三极管的直流放大特性127

6.5.3三极管的直流增益128

6.5.4三极管的电流关系式128

6.5.5三极管开关129

6.6.实例解读——带声音提示的秒表130

6.6.1需求分析130

6.6.2电路设计130

6.6.3开关抖动的处理130

6.6.4计时中数字的增加132

6.6.5软件设计133

第7章 解剖单片机136

7.1.单片机的功耗136

7.1.1运行功耗137

7.1.2 I/O口驱动功耗137

7.1.3空闲模式137

7.1.4待机模式138

7.2.单片机内部结构138

7.2.1从I/O口到内部结构138

7.2.2数据在内部交换139

7.2.3算术逻辑单元（ALU）140

7.2.4在μVision中观察寄存器141

7.3.单片机的程序存储器142

7.3.1整体结构143

7.3.2程序下载到哪里144

7.3.3片内程序存储器144

7.3.4程序计数器PC145

7.3.5是片内还是片外程序存储器145

7.3.6在μVision中观察程序存储器147

7.4.单片机的数据存储器149

7.4.1片内数据存储器149

7.4.2工作寄存器区（00H～1FH）150

7.4.3位寻址区（20H～2FH）151

7.4.4开放区（30H～7FH）153

7.4.5在μVision中观察数据存储器153

7.5.单片机的特殊功能寄存器155

7.5.1特殊功能寄存器分布图155

7.5.2特殊功能寄存器的功能156

7.5.3特殊功能寄存器的字节操作158

7.5.4特殊功能寄存器的位操作158

7.5.5在μVision中观察特殊功能寄存器159

7.6.应用体验——用取表方式实现流水灯162

7.6.1取表法162

7.6.2取表法小结164

7.6.3体验流水灯165

7.7.实例解读——直接驱动七段数码管165

7.7.1需求分析165

7.7.2电路设计165

7.7.3软件设计166

第8章 单片机与汇编指令168

8.1.汇编语言真面目168

8.1.1汇编语言与高级语言169

8.1.2从汇编程序到执行代码169

8.1.3伪指令170

8.2.指令的执行173

8.2.1振荡周期、机器周期、指令周期173

8.2.2指令的执行174

8.3.寻址方式175

8.3.1直接寻址175

8.3.2间接寻址175

8.3.3寄存器寻址176

8.3.4寄存器特征寻址176

8.3.5立即寻址177

8.3.6变址寻址177

8.4.指令分类177

8.4.1指令概述177

8.4.2指令的长度178

8.5.算术运算指令179

8.5.1加法指令——ADD A，〈src-byte〉179

8.5.2带进位的加法指令——ADDCA， 〈src-byte〉180

8.5.3带借位的减法指令——SUBBA，〈src-byte〉181

8.5.4自增/自减指令——INC 〈byte〉/DEC 〈byte〉181

8.5.5乘法指令——MUL AB182

8.5.6 除法指令——DIV AB183

8.5.7十进制调整指令——DA A183

8.6.逻辑运算指令184

8.6.1与操作——ANL〈dest-byte〉，〈src-byte〉184

8.6.2或操作——ORL〈dest-byte〉，〈src-byte〉185

8.6.3异或操作——XRL 〈dest-byte〉，〈src-byte〉186

8.6.4累加器A清0操作——CLRA186

8.6.5累加器A取反操作——CPLA187

8.6.6累加器A位移动操作——RL、RLC、 RR、 RRC187

8.6.7累加器A高低位交换操作——SWAP A188

8.7.数据装载指令189

8.7.1片内数据装载指令——MOV〈dest〉， 〈src〉189

8.7.2数据指针DPTR装载指令—— MOV DPTR， #data16190

8.7.3堆栈指令——PUSH、 POP191

8.7.4数据交换指令——XCH、XCHD194

8.7.5片外数据装载指令——MOVX〈dest〉， 〈src〉195

8.7.6查表指令——MOVC 〈dest〉，〈src〉197

8.8.布尔指令198

8.8.1清0、置1、取反操作——CLR、SETB、 CPL198

8.8.2布尔逻辑运算指令——ANL、ORL199

8.8.3位数据装载指令——MOV〈dest-bit〉，〈src-bit〉200

8.8.4布尔跳转指令——JC、 JNC、JB、 JNB、 JBC200

8.9.调用子程序指令201

8.9.1长调用指令——LCALL201

8.9.2绝对调用指令——ACALL202

8.9.3返回指令——RET、 RETI203

8.10.跳转与循环指令203

8.10.1无条件跳转指令——LJMP、AJMP、 SJMP、 JMP203

8.10.2条件跳转指令——-JZ、 JNZ204

8.10.3比较跳转指令——CJNE〈dest-byte〉， 〈src-byte〉， rel205

8.10.4循环指令——DJNZ〈byte〉，〈rel-addr〉207

8.10.5无操作指令——NOP208

8.11.应用体验——七段数码管的串行控制技术208

8.11.1串行与并行传输208

8.11.2串行控制七段数码管209

8.11.3程序设计210

8.12.实例解读——指令应用（程序）实例211

8.12.1数据求和211

8.12.2减法与二进制的二补数212

8.12.3异或操作指令XRL用于比较寄存器数值213

8.12.4利用布尔指令产生矩形波信号214

8.12.5布尔指令应用于控制215

第3篇 解密219

第9章 传感器及模拟信号的处理219

9.1.元器件插曲之十四：运算放大器219

9.1.1运算放大器基础220

9.1.2运算放大器的参数221

9.1.3运算放大器的黄金守则222

9.2.基础运放电路223

9.2.1同相放大器223

9.2.2反相放大器224

9.2.3跟随器225

9.2.4向运放进行单电源供电226

9.3.比较器226

9.3.1过零比较器227

9.3.2非过零比较器227

9.3.3迟滞比较器（施密特触发器）228

9.4具有运算功能的运放电路229

9.4.1加法放大器229

9.4.2单运放差分放大器230

9.4.3仪表放大器232

9.5.滤波器234

9.5.1高通滤波器234

9.5.2低通滤波器235

9.5.3带通滤波器236

9.5.4带阻滤波器238

9.6.传感器238

9.6.1压力传感器239

9.6.2光电传感器242

9.6.3温度传感器243

9.7.应用体验——幅频变换245

9.7.1 MPX4115A压力传感器245

9.7.2幅频变换器247

9.8.实例解读——磁场强度的测量248

9.8.1霍尔传感器与磁场的测量248

9.8.2线性霍尔传感器3503248

9.8.3检测电路250

第10章ADC和DAC251

10.1.模数转换251

10.1.1从模拟信号到数字信号251

10.1.2电平指示器中的ADC253

10.2.元器件插曲之十五：ADC0804255

10.2.1管脚名称及功能255

10.2.2使能控制端255

10.2.3转换控制端256

10.2.4时钟信号256

10.2.5模拟输入电压范围256

10.2.6转换时间256

10.2.7接地257

10.2.8参考电平与分辨率257

10.3 ADC与单片机258

10.3.1单片机控制ADC0804258

10.3.2程序设计259

10.4.模拟信号的调理260

10.4.1电平变换电路260

10.4.2峰值检测器261

10.4.3绝对值电路262

10.4.4微分器和积分器263

10.4.5采样保持电路264

10.4.6接地问题266

10.5.数模转换268

10.5.1数模转换基础269

10.5.2 DAC0808269

10.5.3 DAC的程序控制270

10.6.如何选择ADC271

10.6.1常用ADC简介271

10.6.2如何确定位数273

10.6.3如何确定转换速率273

10.6.4如何确定是否需要采样保持器273

10.6.5如何确定工作电压和参考电平274

10.7.如何选择DAC274

10.7.1如何确定分辨率274

10.7.2如何确定线性度274

10.7.3如何确定转换精度274

10.7.4如何理解建立时间275

10.7.5按参数条件选择275

10.8.应用体验——DAC正弦波发生器276

10.8.1正弦信号公式276

10.8.2正弦波发生程序277

10.9.实例解读——数字温控系统278

10.9.1系统功能与硬件设计278

10.9.2程序设计278

第11章 时间的计算283

11.1.定时与计数283

11.1.1什么是定时283

11.1.2什么是计数284

11.1.3单片机的Timer285

11.2.与Timer有关的寄存器285

11.2.1 Timer实现的延时285

11.2.2 Timer模式控制寄存器TMOD286

11.2.3 Timer寄存器288

11.2.4 Timer控制寄存器TCON288

11.2.5 Timer用做定时/计数器小结288

11.3 Timer的工作模式1289

11.3.1模式1的特点289

11.3.2模式1的设置290

11.3.3模式1的计数初始值291

11.3.4设计模式1的计数初始值292

11.3.5利用Timer进行长时间定时294

11.4 Timer的工作模式0295

11.4.1模式0的特点295

11.4.2设计模式0的计数初始值296

11.5 Timer的工作模式2297

11.5.1模式2的特点297

11.5.2模式2的设置298

11.5.3设计模式2的计数初始值300

11.6 Timer的工作模式3300

11.6.1模式3的特点300

11.6.2模式3的设置301

11.6.3设计模式3的计数初始值303

11.6.4在μVision中观察Timer303

11.7.计数器305

11.7.1计数器的应用305

11.7.2计数器的设置306

11.7.3在μVision中操作计数器307

11.7.4计数器的计数初始值设定308

11.7.5各种模式下的计数器308

11.7.6计数脉冲的要求311

11.7.7 TMOD寄存器的门控位312

11.8.看门狗313

11.8.1什么是看门狗313

11.8.2单片机的内置看门狗313

11.9.应用体验——“叮咚”门铃315

11.9.1功能及电路315

11.9.2“叮咚”声发生程序315

11.10.实例解读——频率计318

11.10.1利用计数器设计频率计318

11.10.2频率计的程序318

第12章 扫描与显示322

12.1.扫描多位七段数码管322

12.1.1动态扫描的原理323

12.1.2动态扫描操作指南325

12.1.3动态扫描方式程序326

12.2扫描键盘327

12.2.1什么是键盘327

12.2.2键盘的电路结构328

12.2.3键盘按键判断程序329

12.2.4键盘编码器芯片74C922332

12.3.扫描发光二极管点阵334

12.3.1显示原理334

12.3.2发光二极管点阵器件结构335

12.3.3发光二极管点阵与单片机电路336

12.3.4点阵显示程序336

12.3.5点阵屏幕的应用338

12.3.6点阵应用中的问题342

12.4液晶屏344

12.4.1液晶屏的应用344

12.4.2字符液晶屏345

12.4.3字符液晶屏显示原理346

12.4.4单片机与字符液晶屏的接口347

12.4.5字符液晶屏的控制程序349

12.4.6图形点阵液晶屏显示原理352

12.4.7单片机与图形点阵液晶屏的接口353

12.4.8图形点阵液晶屏的控制程序355

12.5.应用体验——电子时钟369

12.5.1功能及电路369

12.5.2时钟程序370

12.6.实例解读——带汉字字库的液晶屏374

12.6.1带汉字字库的液晶屏375

12.6.2带汉字字库的液晶屏管脚376

12.6.3单片机与带汉字字库的液晶屏377

第13章 串行沟通379

13.1.串行还是并行379

13.1.1串行与并行的比喻379

13.1.2串行与并行器件380

13.2.单片机串行数据交换381

13.2.1 AT89S51的串行口382

13.2.2串行流水灯383

13.2.3串行接收数据385

13.3.与串行通信有关的寄存器387

13.3.1串行口缓冲寄存器SBUF387

13.3.2串行口控制寄存器SCON387

13.4.串行口工作模式389

13.4.1模式0389

13.4.2模式1390

13.4.3模式2392

13.4.4模式3392

13.5.应用体验——双机通信393

13.5.1双机通信的应用393

13.5.2双机通信的通信链路393

13.5.3排队呼叫系统395

13.6.普通计算机的串行通信口398

13.6.1计算机串行口398

13.6.2本机串口实验400

13.6.3用Visual Basic设计串口通信程序401

13.7.实例解读——网络密码锁406

13.7.1串行口电平转换芯片406

13.7.2单片机与计算机串行通信实验408

13.7.3网络密码锁410

第14章 中断的魅力416

14.1.“打扰”单片机416

14.1.1外部中断一例417

14.1.2中断服务的指挥——中断向量表418

14.2中断的控制及处理419

14.2.1中断的响应及处理419

14.2.2中断使能寄存器IE421

14.3.外部中断0和外部中断1422

14.3.1外部中断信号输入端—INT0 和—INT1422

14.3.2外部中断的低电平触发423

14.3.3外部中断的下降沿触发424

14.3.4低电平与下降沿触发的区分426

14.4 Timer 0中断和Timer 1中断426

14.3.1 Timer和Timer中断427

14.3.2利用Timer中断作信号发生器427

14.5.串行通信中断428

14.5.1串行通信中断应用429

14.5.2发送中断和接收中断的判断429

14.6.应用体验——解放了的CPU431

14.6.1轮询与中断432

14.6.2中断优先级433

14.6.3利用Timer中断实现拉幕式显示436

14.7.实例解读——电子琴438

14.7.1音符与频率438

14.7.2电子琴电路设计439

14.7.3电子琴程序设计440

第4篇 远航447

第15章 单片机控制外设的本领447

15.1.元器件插曲之十六：继电器447

15.1.1继电器基础知识448

15.1.2单片机与继电器448

15.2元器件插曲之十七：红外发光二极管449

15.2.1红外发光二极管基础知识450

15.2.2红外发光二极管的应用450

15.2.3红外计数器451

15.3.元器件插曲之十八：直流电动机453

15.3.1直流电动机基础知识453

15.3.2直流电动机的通断控制454

15.4什么是PWM（脉宽调制）454

15.4.1平均电压概念455

15.4.2 PWM与平均电压456

15.4.3产生PWM信号的方法457

15.5.直流电动机的运行控制459

15.5.1 PWM信号与直流电动机459

15.5.2直流电动机的转速、转向控制460

15.5.3单片机控制直流电动机462

15.5.4直流电动机的全面控制463

15.6.元器件插曲之十九：步进电动机466

15.6.1步进电动机基础知识466

15.6.2步进电动机的种类467

15.7.步进电动机的运行控制468

15.7.1步进电动机的控制方法468

15.7.2步进电动机与单片机470

15.8.应用体验——用PWM信号控制直流电动机472

15.8.1 L298驱动直流电动机473

15.8.2直流电动机控制程序473

15.9.实例解读——太阳跟随系统476

15.9.1为了获得最大的太阳光477

15.9.2系统电路477

15.9.3程序设计478

第16章 数据的保存483

16.1.片内与片外存储器483

16.1.1为什么要有片内、片外之分484

16.1.2电子密码锁的片外存储器484

16.1.3判断片外数据存储器或片外程序存储器485

16.1.4存储器容量的描述486

16.1.5存储器组织487

16.1.6访问速度488

16.1.7存储器的地址488

16.2.存储器操作及家族成员489

16.2.1读存储器与写存储器489

16.2.2存储器两大家族：RAM和ROM490

16.3.RAMs491

16.3.1 RAM家族491

16.3.2 SRAM的存储单元491

16.3.3 ASRAM（异步SRAM）492

16.3.4 SB SRAM（同步爆发式SRAM）495

16.3.5 Cache存储器（高速缓冲存储器）496

16.3.6 DRAM的存储单元496

16.4 ROMs499

16.4.1 ROM家族499

16.4.2 Mask ROM499

16.4.3 PROM501

16.4.4 UV EPROM502

16.4.5 EEPROM （E2PROM）503

16.4.6 Flash504

16.4.7 Flash存储器与其他存储器的比较506

16.5.单片机与片外程序存储器507

16.5.1片外程序存储器507

16.5.2单片机的—EA/VPP端508

16.5.3单片机的P0和P2508

16.5.4单片机的ALE/—PROG端509

16.5.5单片机的—PSEN端510

16.6.单片机与片外数据存储器510

16.6.1片外数据存储器511

16.6.2 EEPROM作片外数据存储器511

16.6.3 SRAM作片外数据存储器514

16.7.应用体验——扩展串行片外数据存储器515

16.7.1串行EEPROM516

16.7.2单片机与串行EEPROM接口516

16.7.3串行EEPROM的启动、停止操作517

16.7.4串行EEPROM的写操作518

16.7.5串行EEPROM的读操作520

16.7.6串行EEPROM的读/写程序521

16.8.实例解读——GPS（全球卫星定位系统）527

16.8.1身边的GPS设备527

16.8.2 GPS模块528

16.8.3 NMEA协议529

16.8.4单片机与GPS模块530

附录A光盘内容介绍532

附录B 51单片机指令集533

附录C指令的执行代码表537

附录D Proteus软件图标命令544

附录E AT89S51单片机特殊功能寄存器一览表545

附录F 51单片机汇编程序保留字554

附录G ASCII码表557

附录H主流电子元器件生产商网址561

附录I如何使用Windows计算器进行数制转换563

附录J钢琴琴键的发音频率565

附录K常用低容量存储器器件表（RAM、ROM）567

附录L NMEA协议消息字段含义569

参考文献572