微控制器原理及接口控制技術

第1章 緒論 ................................................................................................................................................................ 1
1.1 電子計算機概述 ..................................................................................................................... 1
1.1.1 電子計算機結構 ......................................................................................................... 1
1.1.2 微型計算機的組成 ..................................................................................................... 2
1.1.3 微控制器及其結構 ..................................................................................................... 2
1.1.4 微控制器的發展過程及趨勢 ..................................................................................... 3
1.1.5 微控制器的特點及應用 ............................................................................................. 4
1.2 數制與編碼 ............................................................................................................................. 5
1.2.1 數制 ............................................................................................................................. 5
1.2.2 數制的轉換 ................................................................................................................. 6
1.2.3 編碼 ............................................................................................................................. 8
1.3 微型計算機控制系統的組成 ............................................................................................... 10
1.3.1 微型計算機控制系統的硬件結構 ............................................................................ 11
1.3.2 微型計算機控制系統的軟件 ................................................................................... 12
1.4 微型計算機控制系統的分類 ............................................................................................... 13
1.4.1 操作指導控制系統 ................................................................................................... 13
1.4.2 直接數字控制系統 ................................................................................................... 13
1.4.3 計算機監督系統 ....................................................................................................... 14
1.4.4 嵌入式系統 ............................................................................................................... 15
1.4.5 物聯網系統（ITS） ................................................................................................. 17
1.4.6 現場總線控制系統（FCS） .................................................................................... 19
1.5 微控制器應用系統開發簡述 ............................................................................................... 21
【本章小結】 ................................................................................................................................ 21
【習題】 ........................................................................................................................................ 22
第2章 80 C51的基本結構和工作原理 ....................................................................................................... 23
2.1 80C51的基本結構 ................................................................................................................. 23
2.1.1 80C51的結構簡圖 .................................................................................................... 24
2.1.2 80C51外部引腳 ........................................................................................................ 24
2.2 80C51的CPU ........................................................................................................................ 25
2.2.1 運算器 ........................................................................................................................ 26
2.2.2 控制器 ........................................................................................................................ 27
2.2.3 其他寄存器 ................................................................................................................ 28
2.3 80C51的存儲器..................................................................................................................... 29
2.3.1 80C51的ROM .......................................................................................................... 29
2.3.2 80C51的RAM .......................................................................................................... 30
2.3.3 80C51的特殊功能寄存器（SFR） .......................................................................... 31
2.4 80C51的並行I/O端口 ......................................................................................................... 32
2.4.1 P1口 ........................................................................................................................... 33
2.4.2 P2口 ........................................................................................................................... 34
2.4.3 P3口 ........................................................................................................................... 34
2.4.4 P0口 ........................................................................................................................... 35
2.5 時鐘電路和復位電路 ............................................................................................................ 36
2.5.1 時鐘電路 .................................................................................................................... 36
2.5.2 復位狀態和復位電路 ................................................................................................ 37
【本章小結】 ................................................................................................................................. 38
【習題】 ......................................................................................................................................... 38
第3章 MCS-51微控制器的指令系統 ......................................................................................................... 40
3.1 指令系統概述 ........................................................................................................................ 40
3.1.1 指令的書寫格式 ........................................................................................................ 40
3.1.2 指令符號 .................................................................................................................... 41
3.1.3 指令的字節數 ............................................................................................................ 42
3.2 51單片機的尋址方式 ........................................................................................................... 44
3.2.1 寄存器尋址方式 ........................................................................................................ 44
3.2.2 直接尋址方式 ............................................................................................................ 44
3.2.3 立即尋址方式 ............................................................................................................ 45
3.2.4 寄存器間接尋址方式 ................................................................................................ 45
3.2.5 基址變址尋址方式 .................................................................................................... 46
3.2.6 相對尋址方式 ............................................................................................................ 46
3.2.7 位尋址方式 ................................................................................................................ 47
3.3 數據傳送類指令 .................................................................................................................... 47
3.3.1 以累加器A為一方的傳送指令 ............................................................................... 48
3.3.2 不以累加器A為一方的傳送指令 ........................................................................... 49
3.3.3 用立即數置數的指令 ............................................................................................... 49
3.3.4 訪問片外RAM的傳送指令 .................................................................................... 49
3.3.5 基址寄存器加變址寄存器尋址指令 ....................................................................... 50
3.3.6 交換指令 ................................................................................................................... 50
3.3.7 進棧出棧指令 ........................................................................................................... 51
3.4 算術運算類指令 ................................................................................................................... 52
3.4.1 加法指令 ................................................................................................................... 52
3.4.2 減法指令 ................................................................................................................... 53
3.4.3 加1指令 ................................................................................................................... 53
3.4.4 減1指令 ................................................................................................................... 54
3.4.5 其他算術運算類指令 ............................................................................................... 54
3.5 邏輯運算類指令 ................................................................................................................... 55
3.5.1 與指令 ....................................................................................................................... 55
3.5.2 或指令 ....................................................................................................................... 56
3.5.3 異或指令 ................................................................................................................... 56
3.5.4 A操作指令 ............................................................................................................... 57
3.6 控制轉移類指令 ................................................................................................................... 58
3.6.1 無條件轉移指令 ....................................................................................................... 59
3.6.2 條件轉移指令 ........................................................................................................... 60
3.6.3 子程序調用指令 ....................................................................................................... 63
3.6.4 子程序返回指令 ....................................................................................................... 64
3.6.5 空操作指令 ............................................................................................................... 64
3.7 位操作類指令 ....................................................................................................................... 65
3.7.1 位操作類指令的特點和作用 ................................................................................... 65
3.7.2 位傳送指令 ............................................................................................................... 66
3.7.3 位邏輯操作指令 ....................................................................................................... 66
3.7.4 位條件轉移指令 ....................................................................................................... 67
【本章小結】 ................................................................................................................................ 68
【習題】 ........................................................................................................................................ 69
第4章 MCS-51微控制器的匯編語言程序設計 ...................................................................................... 71
4.1 概述 ....................................................................................................................................... 71
4.1.1 程序設計語言 ........................................................................................................... 71
4.1.2 匯編語言的格式 ....................................................................................................... 73
4.1.3 偽指令 ....................................................................................................................... 74
4.2 匯編語言程序設計步驟 ....................................................................................................... 76
4.3 基本程序結構 ....................................................................................................................... 77
4.3.1 順序程序 ................................................................................................................... 77
4.3.2 查表程序 .................................................................................................................... 78
4.3.3 分支程序 .................................................................................................................... 80
4.3.4 循環程序 .................................................................................................................... 84
4.3.5 子程序 ........................................................................................................................ 86
4.3.6 位操作程序 ................................................................................................................ 89
【本章小結】 ................................................................................................................................. 90
【習題】 ......................................................................................................................................... 90
第5章 MCS-51微控制器的中斷系統及定時/計數器 .......................................................................... 92
5.1 51單片機的中斷系統 ........................................................................................................... 92
5.1.1 中斷系統的結構 ........................................................................................................ 92
5.1.2 51單片機的中斷源 ................................................................................................... 94
5.1.3 51單片機中斷的控制 ............................................................................................... 95
5.2 51單片機中斷處理過程 ....................................................................................................... 97
5.2.1 中斷響應的條件和時間 ............................................................................................ 97
5.2.2 中斷響應過程 ............................................................................................................ 98
5.2.3 中斷返回 .................................................................................................................... 99
5.2.4 中斷程序舉例 ............................................................................................................ 99
5.3 51單片機的定時/計數器 .................................................................................................... 101
5.3.1 定時/計數器的結構和工作原理 ............................................................................. 101
5.3.2 定時/計數器的控制 ................................................................................................. 102
5.4 51單片機定時/計數器的工作方式 .................................................................................... 103
5.4.1 工作方式0 ............................................................................................................... 103
5.4.2 工作方式1 ............................................................................................................... 104
5.4.3 工作方式2 ............................................................................................................... 105
5.4.4 工作方式3 ............................................................................................................... 105
5.4.5 定時/計數器用於外部中斷的擴展 ......................................................................... 106
5.4.6 定時/計數器應用舉例 ............................................................................................. 107
【本章小結】 ............................................................................................................................... 111
【習題】 ....................................................................................................................................... 111
第6章 微控制器的串行通信技術 ............................................................................................................... 113
6.1 串行通信的基本概念 .......................................................................................................... 113
6.1.1 數據通信 .................................................................................................................. 113
6.1.2 串行通信傳輸方式 .................................................................................................. 114
6.1.3 同步通信和異步通信 .............................................................................................. 114
6.1.4 波特率（Baud Rate） ............................................................................................. 116
6.1.5 三種標準串行通信接口 .......................................................................................... 116
6.2 串行口結構及其寄存器 ...................................................................................................... 119
6.3 串行口工作方式 ................................................................................................................. 121
6.3.1 方式0 ...................................................................................................................... 122
6.3.2 方式1 ...................................................................................................................... 123
6.3.3 方式2和方式3 ...................................................................................................... 125
6.4 串行口4種工作方式波特率設置 ...................................................................................... 126
6.5 串行口的編程和應用 ......................................................................................................... 128
6.5.1 串行口方式0的應用 ............................................................................................. 128
6.5.2 串行口方式1的應用 ............................................................................................. 130
6.5.3 串行口方式2和方式3的應用 .............................................................................. 131
6.6 串行口多機通信原理 ......................................................................................................... 133
【本章小結】 .............................................................................................................................. 135
【習題】 ...................................................................................................................................... 135
第7章 微控制器的系統擴展 ......................................................................................................................... 136
7.1 系統擴展原理 ..................................................................................................................... 136
7.2 擴展存儲器編址 ................................................................................................................. 139
7.2.1 線選法 ..................................................................................................................... 139
7.2.2 全地址譯碼法 ......................................................................................................... 141
7.2.3 部分地址譯碼法 ..................................................................................................... 145
7.3 程序存儲器擴展 ................................................................................................................. 146
7.3.1 程序存儲器介紹 ..................................................................................................... 146
7.3.2 程序存儲器擴展中常使用的地址鎖存器 ............................................................. 148
7.3.3 單片程序存儲器擴展 ............................................................................................. 149
7.3.4 單片機訪問片外程序存儲器的時序 ..................................................................... 150
7.4 數據存儲器擴展 ................................................................................................................. 151
7.4.1 數據存儲器介紹 ..................................................................................................... 151
7.4.2 單片數據存儲器擴展 ............................................................................................. 152
7.4.3 單片機訪問片外數據存儲器的時序 ..................................................................... 153
【本章小結】 .............................................................................................................................. 155
【習題】 ...................................................................................................................................... 155
第8章 微控制器模擬量輸入/輸出通道的接口技術 ........................................................................... 156
8.1 多路開關及采樣-保持器 .................................................................................................... 156
8.1.1 多路開關 ................................................................................................................. 157
8.1.2 采樣-保持器 ............................................................................................................ 161
8.2 模擬量輸出通道的接口技術 ............................................................................................. 163
8.2.1 8位D/A轉換器及其接口技術 .............................................................................. 163
8.2.2 高於8位的D/A轉換器及其接口技術 .................................................................. 171
8.3 模擬量輸入通道的接口技術 .................................................................................................. 173
8.3.1 8位A/D轉換器及其接口技術 ................................................................................... 173
8.3.2 高於8位的A/D轉換器及其接口技術 ................................................................................... 177
8.3.3 串行A/D轉換器TLC0831及其與微控制器的接口 ............................................ 181
【本章小結】 ............................................................................................................................... 183
【習題】 ....................................................................................................................................... 183
第9章 微控制器的人機接口技術 ............................................................................................................... 184
9.1 80C51與鍵盤的接口電路設計 ........................................................................................... 184
9.1.1 按鍵介紹 .................................................................................................................. 184
9.1.2 獨立式按鍵及其接口 .............................................................................................. 186
9.1.3 矩陣式按鍵及其接口 .............................................................................................. 188
9.2 80C51與LED的顯示電路設計 ......................................................................................... 189
9.2.1 LED數碼管的顯示和接口 ..................................................................................... 190
9.2.2 LED大屏幕顯示器和接口 ..................................................................................... 194
9.3 80C51與蜂鳴器的接口電路設計 ....................................................................................... 196
9.4 80C51與液晶顯示器接口 ................................................................................................... 197
9.4.1 LCD顯示器的分類 ................................................................................................. 197
9.4.2 LCD 1602點陣字符型液晶顯示器 ........................................................................ 197
【本章小結】 ............................................................................................................................... 205
【習題】 ....................................................................................................................................... 205
第10章 常用外部電路控制程序的設計 ................................................................................................... 206
10.1 開關量輸出接口技術 ........................................................................................................ 206
10.1.1 光電隔離技術 ........................................................................................................ 206
10.1.2 繼電器輸出接口技術 ............................................................................................ 207
10.1.3 固態繼電器輸出接口技術 .................................................................................... 208
10.1.4 大功率場效應管開關接口技術 ............................................................................ 211
10.1.5 可控矽接口技術 .................................................................................................... 212
10.1.6 電磁閥接口技術 .................................................................................................... 214
10.2 電機控制接口技術 ............................................................................................................ 216
10.2.1 小功率直流電機調速原理 .................................................................................... 216
10.2.2 開環脈沖寬度調速系統 ........................................................................................ 218
10.2.3 PWM調速系統設計 .............................................................................................. 219
10.3 步進電機控制接口技術 .................................................................................................... 223
10.3.1 步進電機的工作原理 ............................................................................................ 224
10.3.2 步進電機控制系統的原理 .................................................................................... 225
10.3.3 步進電機與微型計算機的接口及程序設計 ........................................................ 228
10.3.4 步進電機步數及速度的確定方法 ....................................................................... 232
10.3.5 步進電機的變速控制 ........................................................................................... 233
【本章小結】 .............................................................................................................................. 235
【習題】 ...................................................................................................................................... 235
第11章 微控制器的應用系統設計方法 ................................................................................................... 240
11.1 單片機應用系統設計的步驟 ............................................................................................ 240
11.1.1 確定任務和總體規劃 ........................................................................................... 240
11.1.2 硬件設計 ............................................................................................................... 240
11.1.3 軟件設計 ............................................................................................................... 241
11.1.4 軟硬件聯合調試 ................................................................................................... 241
11.2 單片機應用系統的可靠性................................................................................................ 241
11.2.1 可靠性的概念 ....................................................................................................... 242
11.2.2 提高單片機應用系統可靠性的方法 .................................................................... 242
【本章小結】 .............................................................................................................................. 243
【習題】 ...................................................................................................................................... 243
第12章 實驗案例 .............................................................................................................................................. 244
12.1 校園教學樓紀念PCB設計 .............................................................................................. 244
12.1.1 系統需求分析與方案設計 ................................................................................... 244
12.1.2 系統硬件設計 ....................................................................................................... 245
12.1.3 PCB設計 ............................................................................................................... 247
12.1.4 軟件設計 ............................................................................................................... 250
12.1.5 硬件調試 ............................................................................................................... 257
12.2 數碼管電子時鐘 ............................................................................................................... 257
12.2.1 系統需求分析與方案設計 ................................................................................... 257
12.2.2 系統硬件設計 ....................................................................................................... 258
12.2.3 PCB設計 ............................................................................................................... 261
12.2.4 軟件設計 ............................................................................................................... 265
12.2.5 硬件調試 ............................................................................................................... 268
12.3 四線雙極性步進電機 ....................................................................................................... 269
12.3.1 系統需求分析與方案設計 ................................................................................... 269
12.3.2 系統硬件設計 ....................................................................................................... 270
12.3.3 PCB設計 ............................................................................................................... 273
12.3.4 軟件設計 ............................................................................................................... 275
12.3.5 硬件調試 ............................................................................................................... 278
【本章小結】 .............................................................................................................................. 280
附錄A MCS-51系列單片機指令系統表.....................................................................281
附錄B ASCII表..............................................................................................................282
附錄C 常用集成電路引腳圖.........................................................................................283
參考文獻..................................................................................................................................................................... 284