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好书共享-《实例解读51单片机完全学习与应用》

第1章 单片机在哪里  
实例解读 51 单片机  
完全学习与应用  
配教学视频)  
杨 欣 张延强 张铠麟 编著  
Yang X Zhang Y Q Zhang K L  
·诺克斯 王玉凤 刘湘黔 主审  
NoKes L  
Wang Y F Liu X Q  
Publishing House of Electronics Industry  
北京·BEIJING  
1
实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
内 容 简 介  
本书集单片机基础知识、单片机系统设计、电路知识及实验方法、工艺设计、电子元器件、Proteus/μ  
Vision 软件介绍等诸多内容于一身,实用性强。这些内容不是简单的顺序堆砌,而是以单片机基础知识和  
系统应用为主线,在其中完美地穿插与之相关的模拟电路、数字电路、电子元器件、软件知识,真正做到  
将单片机系统设计所需要的方方面面知识有机地融为一个整体,实现不需要过多电路基础就能深度学习单  
片机基础知识和上手单片机系统设计与开发的目的。  
全书语言生动、插图形象、实例丰富,精心安排的知识铺垫可帮助读者循序渐进地理解单片机基础  
知识,丰富的实例将单片机原理、编程及应用构成一个整体。非常适合单片机初学者作为学习用书,对于  
正在学习或学过单片机课程,却还不会编程、不会应用的读者,本书也将会是你“拨云见日”的有益参考  
书。  
未经许可,不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。  
版权所有,侵权必究。  
图书在版编目(CIP)数据  
实例解读 51 单片机完全学习与应用/杨欣,张延强,张铠麟编著. —北京:电子工业出版社,2011.4  
配教学视频  
ISBN 978-7-121-13111-0  
. ①实…. ①杨… ②张… ③张…. ①单片微型计算机.TP368.1  
中国版本图书馆 CIP 数据核字(2011)第 044806 号  
策划编辑:陈韦凯  
责任编辑:李雪梅  
刷:  
订:  
出版发行:电子工业出版社  
北京市海淀区万寿路173 信箱 邮编 100036  
本:787×1 092 1/16 印张:37 字数:877.3 千字  
次:2010 4 月第1 次印刷  
数:4 000 册  
定价:68.00 元(含DVD 光盘1 张)  
凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题,请向购买书店调换。若书店售缺,请与本社发行部联系,  
联系及邮购电话:(01088254888。  
质量投诉请发邮件至zlts@phei.com.cn,盗版侵权举报请发邮件至dbqq@phei.com.cn。  
服务热线:(01088258888。  
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第1章 单片机在哪里  
目 录  
1 篇  
单片机是什么?单片机有何用?如何系统学习单片机?单片机系统设计的流程是怎样的,需要掌握哪  
些辅助软件?本篇将针对这些问题一一阐述,为读者掀开单片机完全学习与应用的华丽序幕。  
1 单片机在哪里  
3
2 如何成为单片机系统设计师 13  
3 单片机系统登场 30  
4 单片机系统设计辅助软件 74  
2 篇  
单片机的内部结构是怎样的?单片机开发经常会用到哪些电子技术和元器件知识?还有那困扰了很  
多人的单片机编程语言……本篇将生动地通过诸多实例带出单片机的基础知识,在遇到相关模拟电路、数  
字电路、元器件知识时会有及时的补充说明,带领读者一点点揭开单片机的神秘面纱。  
5 单片机的触角——I/O 口  
101  
6 七段数码管显示  
7 解剖单片机 136  
8 单片机与汇编指令  
118  
168  
3 篇  
之所以单片机能成为控制核心,设计出包罗万象的应用系统来,是因为开发者利用了单片机提供的种  
种功能及各种外设。本篇将介绍单片机的各种功能,加上诸如传感器、模数转换、扫描显示、串行、中断  
的应用思维,结合更多的元器件、电子电路知识,为读者逐个解开实际的单片机系统的秘密。  
9 传感器及模拟信号的处理 219  
10 ADCDAC 251  
11 时间的计算  
12 扫描与显示  
13 串行沟通 379  
14 中断的魅力  
283  
322  
416  
4 篇  
为帮助读者设计出更为丰富的单片机系统,解决复杂的实际问题,更多的外设(如电动机、各类存储  
器、继电器、红外管等)都在本篇的一个个实例中展示出来。通过本篇,除了学到贴近实际的单片机综合  
系统开发本领外,还希望读者学会站在一个新的高度来思考未来的单片机系统设计,能够在单片机系统设  
计与开发中独自远航。  
15 单片机控制外设的本领  
16 数据的保存 483  
447  
3
实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
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(RAMROM 567  
附录L NMEA 协议消息字段含义 569  
4
第1章 单片机在哪里  
第 1 单片机在哪里  
虽然许多朋友不知道什么是单片机(microcontroller/MCU),也不知道它长什么样子,  
但它每天都与我们擦肩而过。  
就拿家里的电冰箱来说,它的控制电路里就有单片机。如图 1-1 所示为电冰箱的系统  
结构框图。用户通过控制面板上的温度设置按钮设定冰箱内的温度,比如 5。单片机接  
收冰箱箱体内温度传感器实测的冰箱内温度,比如 9,并驱动显示器显示出测试。很明  
显,冰箱箱体内的温度(9)高于设定温度(5),如果再不降温,冰箱里的牛奶恐怕很  
快就会变质。于是,单片机启动压缩机开始制冷,降低箱体内温度。当温度传感器所测温  
度降到5时,单片机就关闭压缩机。  
电冰箱  
温度显示器  
冰箱箱体内  
控制面板  
9
5
单片机  
温度设置按钮  
温度传感器  
启动  
压缩机  
1-1 电冰箱与单片机  
1-1 中箭头方向表示了“谁”给“谁”传送信号,比如温度传感器向单片机传递温  
度信号,所以箭头指向单片机;又比如单片机向压缩机传递启动/停止信号,所以箭头指向  
压缩机。可以想象,在许多家用电器中,都会有单片机这个“管家婆”在不断接收信号并  
发出控制指令,以协调各个机构有序工作,实现整体功能。  
1.1 寻找单片机  
很难想像一个偶像剧导演在他的处女作之前没有看过任何的偶像剧。所以,在学习一  
门技术或设计一个系统前,先对技术或系统的整体进行感性认识大有裨益。这样的认识可  
以让我们很快爬到巨人的肩膀之上,而不是在一开始就被单片机硬件结构或指令折磨。  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
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.1.1 电磁炉与单片机  
今天,电磁炉就像多年前的微波炉一样逐步在家庭中普及。拿一个功能简单的电磁炉  
来说,如图1-2 所示,它可以通过加、减按钮( )设定加热温度。每次按下加按钮  
时,指示灯向右跳一位,表示设定温度升高。同时驱动电路向电磁线圈输出更大的功率以  
提高加热温度。如果每次按下减按钮时,指示灯向左跳一位,表示设定温度降低,驱动电  
路减小输出功率以降低温度。  
指示灯  
1
00120 150 200℃  
减按钮 加按钮  
电磁炉  
P1.4  
P1.0  
P1.1  
P1.5  
P1.2  
P1.3  
涮锅  
单片机  
P1.6  
电磁线圈  
驱动电路  
按钮及指示灯  
1-2 电磁炉与单片机  
下次用电磁炉吃涮锅时记得想起单片机正在为我们服务。从图 1-2 可以看到,加、减  
按钮按下时向单片机送入相应的信号,单片机根据这个信号判断我们控制温度的意图。4  
个温度指示灯分别被单片机控制着,提高温度时熄灭当前的指示灯并点亮相邻右侧的指示  
灯,同时向驱动电路输出增加输出功率的信号。  
这里我们学习一下关于输入、输出的知识。图 1-2 中,相对单片机来说,加、减按钮  
是输入设备,因为它们把用户的按钮操作“告诉”单片机,信号从按钮进入单片机;4 个  
指示灯为输出设备,因为它们在单片机的控制下指示状态,电磁线圈的驱动电路也是这样,  
信号从单片机出发。于是可归纳电磁炉系统的输入、输出设备如下。  
?
?
输入设备(箭头指向单片机):加、减按钮。  
输出设备(箭头指向设备):4 个指示灯、电磁线圈的驱动电路。  
看看图1-1 是不是也能归纳出一个类似的输入、输出设备清单来?  
人体也是一个充满“输入”和“输出”的系统。最简单的一个例子就是我们过马路,  
眼睛左右环视看看有没有车,视觉信号输入大脑。大脑判断如果没有车,就快速穿过马路。  
这里,眼睛就是输入设备,大脑相当于单片机,双腿就是输出设备。和人体一样,单片机  
系统的生命也就体现在接收输入信号,经过分析和判断后,控制输出设备执行操作。  
6
第1章 单片机在哪里  
1
.1.2 MP3 播放机与单片机  
想不到吧,MP3 播放机与单片机也有紧密的联系。如图1-3 所示为一台MP3 播放机的  
系统框图,下载音乐时,单片机通过USB 口( )与计算机通信,把音乐文件下载到存  
储器中。单片机把音乐文件名输出到液晶屏上显示,用户根据液晶屏上的列表找到想要听  
的音乐并操作播放按钮,单片机就把存储器中相应的音乐文件调出来进行解码,并通过  
DAC 及驱动电路把音乐文件变换成声音信号,最后通过耳机播放出来。  
液晶屏  
播放/暂停等按钮  
USB 口  
单片机  
MP3 播放机  
存储器  
DAC 及驱动电路  
液晶屏  
播放/暂停等按钮  
耳机  
1-3 MP3 播放机与单片机  
1-3 所示的MP3 播放机中,单片机就好像核心控制者,统管着液晶屏、USB 口、存  
储器、DAC 及驱动电路、按钮等外部设备,并有序地在这些设备中传递、交换数据或信号。  
试想如果没了单片机,图中这些外设相互之间因为没有了协调和控制就无法实现MP3 播放  
机的功能。  
1-3 中的USB 口与单片机、存储器与单片机之间进行数据交换时是双向的,也就是  
说单片机可以向USB 口和存储器发送数据,反过来,单片机也可以接收它们发送过来的数  
据,所以在图中以双向箭头表示数据传递的方向。而液晶屏只是接收单片机发送的显示数  
据、播放/暂停等按钮只是向单片机发送按钮的控制信号,所以都采用单向箭头。  
1
.1.3 更多单片机  
除了以上几个例子外,单片机还隐藏在我们日常生活的许多电子产品中,如鼠标、遥  
控器、洗衣机、机器人等。如果试着打开一些设备的外壳就会发现单片机的身影,如图1-4  
所示。综观这些电子产品都有一个特点,它们都有输入或输出设备。比如鼠标的按键、遥  
控器的按键等是输入设备;洗衣机的电动机、机器人的执行机构是输出设备。形形色色的  
输入设备和输出设备都在单片机的控制下协调工作。  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
a)鼠标中的单片机  
b)遥控器中的单片机  
c)洗衣机中的单片机 (d)机器人中的单片机  
1-4 单片机  
1.2 学习单片机  
单片机的学习与其他任何一门技术的学习过程是相似的,都讲究熟能生巧。要想“熟”,  
就需要多多接触。但是有比这个更重要的问题需要考虑,就是我们捧起这本书学习单片机  
的目的是什么?要达到什么目标?  
1
.2.1 掌握单片机基础知识  
许多读者在阅读本书以前对单片机学习感到特别困难,原因是一些理论教材过于抽象,  
不能贴近一般人的理解过程。本书尽力去舒解大家学习单片机的困难,通过轻松愉悦地方  
式展示单片机的魅力,同时把教材中知识点用实例的形式进行传授。  
本书中凡是看到在标题后面带有一个自行车的标记,如图 1-5 所示,表示这是一般教  
材都会介绍的单片机知识点,提醒大家需要理解和掌握。这些知识点也是理解单片机基础  
知识和单片机系统开发的基本要求,最好能对其有清楚的认识。  
5
.1.1 I/O 口的整体印象  
1-5 自行车代表单片机基础知识  
如果能掌握“ ”部分的内容,再回头去看经典教材中的单片机内容就容易得多了。  
1
.2.2 理解单片机系统  
单片机与单片机系统有联系又有区别。很明显,前者是后者的基础,后者是前者的应用。  
8
第1章 单片机在哪里  
如果只是为了应付单片机自身内容的考试,恐怕许多情况下还是以单片机本身的知识  
为主。但如果我们学习本书的目的是在考试之余理解单片机系统,或者说是看到某个产品  
能大概画出类似图1-11-21-3 所示的系统框图来,又或者说是看到单片机系统的电路图  
能一五一十地说出各个模块的功能,那光有单片机基础知识还不够,还要学习单片机系统  
的一些基本组成。  
所以,如果在本书标题后看到一个摩托车的标记,如图 1-6 所示,表示这一部分的内  
容比“ ”的高一级,涉及单片机系统的知识讲解,对于理解单片机工作过程和系统组成  
有很大的帮助。这些知识点同时还是设计单片机系统的一些现成模块参考。  
7
.4.1 什么是键盘  
1-6 摩托车代表单片机系统知识  
1
.2.3 成为单片机系统设计师  
单片机学习的最高境界就是把已有的知识和经验应用到解决实际问题当中,换句话说  
就是能够设计单片机系统。  
设计有着很高的要求,需要在掌握单片机基础知识和系统组成原理之上,经过考查具  
体问题,规划出一个可实施的单片机系统来。  
本书系统的内容和大量实例的实践将把单片机系统设计的内容和盘托出。在本书中如  
果发现标题后有一个汽车的标记,如图1-7 所示,表示这是一个“上档次”的内容——它能  
提供实际单片机系统设计的思路和参考。  
1
2.3.5 点阵屏幕的应用  
1-7 汽车代表实际单片机系统设计的思路和参考  
1.3 单片机之家  
就像汽车有奇瑞、大众、奔驰等许多不同的品牌一样,单片机也有许多品牌和特性。  
虽然本书多以型号为 AT89S51 的单片机为例(它是 Atmel 公司的以 Intel 8051 为体系结构  
的 8 位单片机),但是不妨在一开始就把眼光打开,看看世界上还有哪些厂商在制造单片机。  
1
.3.1 Intel 8051 单片机  
Intel 8051 单片机于1980 年由Intel(英特尔)公司首先研制出来并应用于嵌入式系统  
中。在20 世纪80 年代和90 年代早期,Intel 公司的Intel 8051 单片机风靡一时,但很快被  
9
实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
20 多个其他制造商如Atmel(爱特梅尔)、Infineon Technologies(英飞凌)、Maxim Integrated  
Products(美信)、NXP(恩智浦)、Nuvoton(新唐科技)、ST Microelectronics(意法半导  
体)、Texas Instruments(得州仪器)等生产的运算更快、功能更强大的8051 兼容型单片机  
所取代。  
如图1-8 所示分别为Intel 公司的P8051AH 型单片机和Atmel 公司的AT89S51 型单片  
机(8051 兼容型单片机),从外观上看它们没有什么两样,并都呈现出集成电路特有的外  
观——黑色硬塑料或其他材料制成“外套”的两侧有整齐排列的金属管脚,尺寸为 52mm  
长)×15mm(宽)。另外,从图中看到单片机两侧整齐排列的管脚可以猜想它们一定是控  
制外设、交换数据的通道。  
1
元硬币  
P8051AH  
外套”  
AT89S51  
“外套”  
管脚  
管脚  
1-8 Intel 公司的P8051AH 型单片机和Atmel 公司的AT89S51 型单片机  
1
.3.2 PIC 单片机  
PIC 单片机是Microchip Technology(微芯半导体)公司研制的一大类单片机的总称。  
注意,“PIC”不要拆成3 个字母PIC 来读,而应该读成“辟可”(发音)。这3 个字母  
是可编程界面控制器(Programmable Interface Controller)的缩写。  
PIC 单片机的低功耗、广泛用途使其成为产品设计和爱好者首选的控制器,从它诞生  
至今,Microchip Technology 公司已经出厂近百亿个PIC 单片机。如图1-9 所示为PIC 单片  
机家族的一小部分单片机,这个家族的单片机在汽车电子、以太网、家电、机电一体化、  
USB、仪器仪表等产品中有着非常广泛的应用。  
1-9 PIC 单片机家族  
1
0
第1章 单片机在哪里  
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.3.3 AVR 单片机  
AVR 是单片机设计及体系结构中的新生儿,它由 Atmel 公司于 1996 研制出来。目前  
AVR UC3XMEGAmegaAVRtinyAVR 等几大系列过百种型号的单片机可供设计时  
选择。  
其中 tinyAVR 系列以小封装、微功耗、运算速度快等特点成为 AVR 中的一个亮点,  
tiny”本身的意思就是“微小”。如图1-10 所示,ATTiny13 型单片机的个头还没有一个硬  
币大,使用它构成的一个小型单片机系统简单得惊人——元器件数量不到10 个。  
ATTiny13  
ATTiny13  
小型AVR 单片机系统  
1-10 AVR 系列单片机中的ATTiny 13  
1
.3.4 其他单片机  
除了上述几种主流单片机外,还有以下若干个类别的单片机适用于不同场合,如果将  
来在设计中有需要,可以到这些单片机生产商网站上获得相关信息。  
?
?
?
?
ARM 系列单片机。  
ST Microelectronics 公司的ST 系列单片机。  
Freescale 公司的单片机系列。  
Texas Instruments 公司的单片机系列。  
可惜的是中国目前还没有自己成熟的单片机产品,引用Intel 视觉计算事业部首席高级  
华人工程师江宏的话:“中国的半导体行业与世界先进水平的差距目前依然很大,我国半导  
体公司与世界著名公司不在一个数量级上。”  
更多的常用单片机型号、制造商可参考:配书盘\参考资料\1-常用单片机列表.pdf  
1.4 应用体验——数字温度计  
温度计是日常生活最常用的测温装置,玻璃管型的温度计由中空的玻璃管里灌注水银  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
或酒精制成,由于液体的热胀冷缩作用,水银或酒精的液面会在玻璃管内上升或下降,液  
面的位置指到玻璃管外的刻度就可以读出实测温度来。另一种常见的温度计是数显型温度  
计,或者称为数字温度计,它没有水银或酒精作为温度指示,取而代之的是电子器件。  
1
.4.1 数字温度计工作原理  
拿测量体温的体温计来说,如图1-11 所示为普通玻璃管和数字体温计的外观,数字型  
由温度传感器(采集温度)、温度显示屏(显示实测结果)、开关、内部电路等组成。  
开关  
刻度  
温度显示屏  
水银  
温度传感器  
a)普通玻璃管体温计  
b)数字体温计  
1-11 普通体温计与数字体温计  
普通体温计的原理我们已经知道了,而数字温度计的原理可从图1-12 所示的系统框图  
解释一下:腋下的体表皮肤温度由温度传感器采集,温度传感器把体温这个物理量进行某  
种变换后形成电信号,这个电信号是连续的模拟信号,需要转换成数字信号才能显示。于是  
模数转换和显示处理电路实现转换并输出到液晶屏显示。这里许多细节将会在本书慢慢展  
开,我们现在只要有个大致的印象即可。  
信号采集  
信号处理及转换  
显示  
(温度传感器)  
(模数转换和显示处理电路)  
(液晶屏)  
1-12 数字体温计的系统组成  
如图1-12 所示的系统是一个典型的数据采集单片机系统,后面会看到单片机在其中如  
何实现控制和处理功能的。  
1
.4.2 体验数字温度计  
接下来是体验数字温度计的时刻了。用计算机打开本书附带光盘中的“视频导读”  
文件夹,其中有每一章的教学视频(包括应用体验环节的视频)。打开“第 1 单片  
机在哪里.avi”文件,拖动视频播放进度到 1.4 节,即可观察视频中是如何演示数字温  
度计系统的。  
1
2
第1章 单片机在哪里  
1.5 实例解读——装小球系统  
单片机系统除了存在于日常生活外,在工业生产等领域也有着广泛的应用。本章的最  
后,我们将通过一个工厂里的装小球系统,分析一下单片机系统如何控制流水线工作,实  
现特定功能。  
1
.5.1 需求分析  
本书每一章的最后一节为一个单片机系统应用的实例分析。实例从需求分析开始,按  
照实际当中开发单片机系统的流程来逐步展开。前几章由于准备知识不够,实例解读还不  
会涉及具体的电路图和单片机程序。  
需求分析可以解释为系统的功能或系统要帮助客户解决什么问题。去做任何一件事情  
都有一个原因、一个目的,单片机系统设计时也一样。我们需要先搞清楚将要设计的系统  
实现什么功能,解决什么实际问题,如果不明确则设计无从谈起。  
本节我们将要设计的是一个装小球生产线上的单片机控制系统。某工厂有一条如图1-13  
所示的装小球生产线,小球被传送带运送并掉入下方的纸箱中,纸箱在另一条传送带上被运  
送,每个纸箱装满10 个小球后就换下一个纸箱装球。  
1-13 装小球生产线  
1
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
现在需要设计一个单片机控制系统,实现以上的小球装箱要求,并实时显示当前装球  
的纸箱序号和已装的小球数。  
1
.5.2 系统框架  
为了实现每个纸箱装满 10 个球就换下一个纸箱装球,单片机需要知道小球掉落的数  
量。这就需要借助一个叫红外传感器的器件( ),如图1-13 所示。  
红外传感器就在小球传送带一端的上方,每当一个小球经过红外传感器下方掉落时,  
红外传感器发射的红外线被小球反射回来,从而红外传感器向单片机发送一个信号。单片  
机只要计算这个信号就知道有多少个小球掉落到纸箱中。同时在小球个数显示器上实时显  
示小球数。  
当单片机计算发现有10 个小球掉落后,则向小球传送带的电动机1发送一个停止信号,  
这样小球就不会再掉落。接着单片机向纸箱传送带的电动机 2 发送一个启动信号,传送下  
一个纸箱到接球位置上。同时,单片机把显示器上小球数清零,并在小球箱数上增加 1,  
并开始新一轮的装球、计数、显示过程。  
根据这个工作流程的描述,我们可以把系统框图规划一下,如图1-14 所示。为了增加  
系统的灵活性,我们添加了一个键盘。键盘可以输入每个纸箱所需要装小球的数量,这样  
单片机可根据键盘的输入控制小球传送带运送小球掉落纸箱的数量。  
1-14 装小球生产线单片机控制系统框图  
1-14 是根据需求分析规划的系统框图,目前或许我们还不具备设计这个系统具体电  
路图、单片机程序的能力,但只要跟随本书的讲解,完成实验,设计并制作类似的系统将  
不在话下。  
1
4
第4章 单片机系统设计辅助软件  
第2章 如何成为单片机系统设计师  
单片机实在不是一个可以完全割裂出来学习的内容,如果把它与其他学科分割出来谈  
就成了一本很枯燥的教科书。如图 2-1 所示,一个电子系统,比如机器人,其背后蕴涵的  
知识往往是相当丰富的。既有模拟电路、数字电路,还有嵌入式系统、机电一体化等。或  
许有的读者学习过模拟电路、数字电路的知识,这两部分知识将成为单片机系统设计非常  
好的基础。即使没有深入学习过模拟、数字电路也能较轻松地学习本书,我们会适时地介  
绍一些与单片机有关的模拟、数字电路知识。  
纳米技术  
图像处理  
通信技术  
机电一体化  
嵌入式系统(单片机等)  
模拟电路  
数字电路  
2-1 机器人背后的知识  
不想成为将军的士兵不是好士兵,不想设计单片机系统的读者不算真正的单片机系统  
设计师。如果只是为了应付考试,将来并不一定会实际设计单片机系统,那我们还是建议  
大家除了学习“ ”章节,最好也阅读一下带“ ”的章节,因为对单片机系统的了解可  
以帮助消化单片机自身的知识。  
2.1 需要准备哪些  
单片机系统设计师是一个需求比较大的职业,目前在北京等大城市,一个高水平的单  
片机系统设计师月薪 8000 元是没有问题的。万丈高楼平地起,没有过多接触单片机的读  
者,需要给自己充什么样的电才能在人才竞争中获胜。  
2
.1.1 综合素质  
一个高水平的单片机系统设计师,需要“修炼”除单片机以外的多方面技能。如图2-2  
所示的是一个典型的单片机系统——电子血压计,测量时将一个密封的袖带套在上臂上,  
1
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
按下按钮启动血压测量后,单片机控制气泵工作,向袖带中打气从而增加其中的压力。当  
压力达到200mmHg(毫米汞柱,压力单位的一种)左右时即停止打气并缓慢放气,在气压  
下降的过程中,压力传感器实时监测袖带中的压力变化,通过ADC 进行模数转换后送给单  
片机分析,从而计算出收缩压(高压)和舒张压(低压)。  
按钮  
电子血压计  
袖带  
袖带  
蜂鸣器  
液晶屏  
单片机  
气泵  
存储器  
压力传感器  
ADC  
USB 口  
2-2 电子血压计  
以上描述的测量过程不理解也没有什么关系,我们只是用电子血压计展示一下单片机  
系统在日常生活中都有哪些应用。  
如果我们接到研制一台类似如图 2-2 所示的电子血压计样机的项目,甲方承诺的报酬  
5 万元,周期为3 个月。为了赚到这些钱,同时也为了学习单片机系统开发,我们揽下  
这个活。只有在赚钱和时间的双重压力下,学习才会更具效率。但是要把这台电子血压计  
样机设计出来我们需要具备的素质如下。  
?
生理学、解剖学。毕竟这是一个与医疗设备有联系的项目,需要知道血压测量的原  
理是什么、从袖带中测量的压力信号的大致特点是什么。但是并不要求我们的生理  
学、解剖学知识达到临床医生的水平,而是通过相关的资料获得这一部分的知识即  
可,必要的时候与有相关经验的行家讨论,可以达到事半功倍的效果。  
模拟电路、数字电路。模拟电路知识可以教会我们在设计图2-2 所示的电子血压计  
时如何选择压力传感器、如何放大压力信号、如何控制气泵等问题。而数字电路是  
理解液晶屏、存储器、USB 口等工作原理和设计方法的基础。更为全面的模拟、  
数字电路指导可以参考笔者的《电子设计从零开始》(第2 版,清华大学出版社)。  
单片机。显然,图2-2 中各种外部设计都在单片机的控制下协调工作,形成系统功  
能。单片机如何控制外设、如何分析从压力传感器送来的压力信号等问题都有待在  
单片机的学习中得到答案。  
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?
?
电子工艺。学习和设计单片机系统并不能让一台电子血压计的样机从天上掉下来。  
把设计“投胎”成一台实际的样机,靠的是电子工艺。就这台电子血压计的样机来  
说,电子工艺涉及电路原理图设计与绘制、印制电路板设计与绘制、印制电路板的  
加工及焊装、机壳加工等。  
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系统调试。通过各种工艺把电路板制作出来后,第一次试机不太可能达到设计的要  
求。这就需要我们对试机时产生的参数、现象进行分析,进行相应的调整后再实验,  
直到系统的运行参数和功能达到客户的需求为止。  
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第4章 单片机系统设计辅助软件  
以上几个综合素质是一个高水平单片机设计师所必须具备的,看起来似乎我们欠缺的  
东西还很多,但是要知道《蒙娜丽莎》并不是达芬奇第一次作画时就完成的,恐怕他生平  
第一次画画不过是在纸上乱画的一些线条。但是如果没有这些线条,就不会有最后的成功。  
所以,也不能奢望图 2-2 所示的电子血压计会在几天之内设计出来,而要先潜心地研究一  
些“线条”。  
边学边实践是快速掌握单片机的捷径。立志于设计单片机系统的朋友千万不要等到阅  
读完本书的全部内容再开始动手,而应该尽量跟随介绍利用Proteus 仿真和使用单片机学习  
板(网上或电子市场有许多基于51 单片机的学习板)进行实训体验,这样就可以自己设计  
一些简单的单片机系统了。  
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.1.2 软件工具  
今天无论是学习模拟、数字电路知识,还是单片机系统开发都与20 世纪有了根本的变  
化,因为我们手上有了计算机和网络这两个强有力的伙伴。20 世纪可能花一周时间到图书  
馆才能找到的一个知识点、一个参考电路,今天只要在网上就能轻松获得了。  
除了利用计算机获得信息外,一些应用软件可以帮助我们绘制电路图、仿真电路、设  
计印制电路板图、开发单片机程序。这些应用软件在单片机系统开发中经常涉及。  
就拿绘制电路图和设计印制电路板图来说,这是两个非常基本的技能。说了半天的单  
片机系统设计,有一半以上的功夫都会落在系统的电路设计和电路板的制作上。也就是说  
为了在3 个月内赚到5 万元,除了要把电子血压计的电路图设计出来,还要设计印制电路  
板,并焊装元器件进行调试。最后完成的电子血压计样机,连同系统电路图、印制电路板  
图、程序代码等都是项目的核心秘密,通常都会转交给甲方。  
可以帮助设计电路图、印制电路板图的软件有很多,常用的如Altium Designer Protel)、  
AutoCADPowerPCB 等。这些软件并不比 Office 一类软件难到哪里去,只要我们知道设  
计的原理,它们不过是工具而已。由于篇幅有限,本书并不展开讲这些软件的使用方法,  
有兴趣的朋友可以参考专门介绍电路设计与仿真的参考书。  
至于说开发单片机程序的软件,将在第4 章中着重介绍。  
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.1.3 硬件工具之一:面包板  
面包板(breadboard)是一种最常用的电子实验工具,它和我们吃的面包绝对没有任何  
关系,而是元器件实现电气连接的载体。如图2-3a)所示是一个定时电路,图(b)是根  
据这个电路在面包板搭出的实验电路。在面包板上根据电路图描述的电气连接关系插上了  
实际的元器件和导线,用实际的电子元器件和它们之间的连线实践了电路图。  
接通电源,我们就可以在面包板上观察电路的现象是不是与设计的一致。利用面包板  
进行电路实验,以验证电路图设计的正确性,这在电子电路设计中经常用到。  
2-4a)是一种常用的面包板(长175mm×53mm×10mm),如果要实验的器件  
非常多,一块面包板插不完,可以使用多块面包板并利用它们之间的扣相互挂扣在一起形  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
成一个大面积的面包板(图2-4b))。  
电位器  
导线  
电阻  
电容  
集成电路  
集成电路  
发光二极管  
电池  
P
面包板  
a)电路图  
b)面包板搭出的实验电路  
2-3 面包板实验  
面包板1  
面包板2  
a)中号面包板  
b)大号面包板  
2-4 面包板  
面包板的表面有规则排列的供插装元器件的插孔,如图 2-5 所示,在面包板中间有一  
条中心分隔槽把它分成上、下两个部分。电路如果有集成电路,就把它跨在中心分隔槽上。  
集成电路的上排管脚插到上半部分插孔中,下排管脚插到下半部分插孔中,如图 2-5 所示  
的集成电路MCP23S08 一样。  
面包板上的插孔不是独立的,而是具有一定的电气连接:中心分隔槽把面包板分成上、  
下两部分,上半部分每列5 个插孔之间是导通的,下半部分每列5 个插孔之间也是导通的。  
而上、下部分插孔之间不导通。  
另外,在面包板上、下边缘一般还各有两排用于接电源的电源正极排孔和电源负极排  
孔,每一排的插孔都是互相导通的。有的面包板电源排孔还会分成左、右两个部分,每个  
部分之间的排孔导通而与另一部分绝缘。  
根据面包板自身的电气连接加上导线就可以实现器件与器件之间的电气连接。图 2-5  
中,集成电路MCP23S08 的第9 管脚插到了某插孔中,由于同列插孔导通,所以在第9 管  
脚同列插孔用一根导线(图中标有“①”的导线)连接到了面包板的电源负极排孔。这样,  
集成电路MCP23S08 的第9 管脚就实现了与电源负极相连。按照这种方法,可实现非常灵  
活的电气连接,从而形成功能电路。  
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第4章 单片机系统设计辅助软件  
2-5 面包板结构示意图  
面板上的插孔可以夹住元器件金属管脚,如图 2-6 所示,只要轻轻地把元器件的管脚  
推入插孔中即可。面包板的连接非常灵活,如图中的电阻 1,它一支管脚插在电源正极排  
孔上,与电路的电源正极导通;另一支管脚插在下半部分的插孔中,而该插孔下方用一根  
导线跨接到第3 列插孔中,而三极管1 e 极插于同列插孔中,这样就实现了电阻1 与三  
极管1 e 极的电气连接。  
2-6 面包板的插接  
用于插面包板的导线可以使用如图2-7 所示  
的面包板专用跳线(breadboard jumper),这种跳  
线有不同长度和不同颜色。跳线两头是类似元器  
件管脚的金属针,具有一定的硬度,所以很容易  
就插到面包板的插孔中。跳线的使用很方便,在  
需要进行电气连接的地方用它跨接就可以了。如  
果没有这种跳线,也可以使用单股的硬芯导线实  
现连接,只不过要用剥线钳去掉导线两端的绝缘  
皮而把露出的导线芯插到插孔中。  
无论是使用面包板跳线或导线,都要养成使  
2-7 面包板专用跳线  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
用不同颜色跳(导)线来连接不同电路节点的良好习惯。比如红色一般用来连接电源正极  
节点;黑色则用来连接电源负极(或地)节点等。按照不同颜色来连接不同节点,可以在  
电路调试或排除故障时快速定位。  
熟练使用面包板进行电路实验,可以使电路的验证及调试更具效率。由于器件和跳(导)  
线都是临时插在面包板插孔中的,可以很方便地更换器件或改动电气连接,所以在电路的  
验证和调试阶段常会用到面包板。  
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.1.4 硬件工具之二:万用板和印制电路板  
万用板(prototype board)是另一种接插元器件的实验工具(见图2-8a)),它与面  
包板完全不同。使用时,元器件插在万用板的一面,元器件管脚穿过万用板上的过孔(见  
2-8b)),在万用板另一面使用电烙铁焊接管脚与万用板上的焊盘,然后焊接导线并  
通过导线实现元器件之间的电气连接。元器件一般都安装在万用板的同一面,导线可以  
焊接在万用板的任意一面(见图2-8c))。  
元器件  
导线  
装配孔  
过孔及焊盘  
a)万用板  
b)万用板和元器件  
2-8 万用板  
c)导线连接元器件  
万用板上的元器件与导线都是通过焊接固定的,比面包板插元器件和导线来得牢固一  
些,但是如果要更换元器件或修改导线连接就不像面包板那么方便了。所以可视电路的制  
作需要选择使用万用板或面包板进行实验。  
一般来说,如果只是暂时连接电路验证设计的正确性或常常需要对电路参数进行修改,  
使用面包板会方便一些;如果电路没有什么缺陷,就可以利用万用板焊接电路以便在样机  
测试中使用。  
面包板和万用板一般只在电路设计、调试时使用,在成熟的电子产品中,电路的载体  
都是印制电路板(PCB),它是针对电路唯一设计出来的实现元器件焊装及电气连接的电路  
板。印制电路板是功能电路的最终表现形式,是电路设计的终极目标。  
电路原理图在软件中设计出来后,可在同一软件中设计生成印制电路板图。把印制电路板  
图交给电路板生产厂家就可以把印制电路板加工出来。如图2-9 所示为某电子产品的印制电路  
板,这个印制电路板现在还只是裸板,还没有任何元器件焊装在上面,只是在反面已经通过铜  
箔预先铺设好了该有的电气连接。而它的正面上印有与电路原理图对应的每一个元器件符号和  
序号,这样在进行焊装时方便把对应的电子元器件插进过孔并焊接在焊盘上,如图 2-10 所示  
大部分元器件已经焊装到印制电路板上,电子产品的电路板已经具备工作的基本条件了。  
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第4章 单片机系统设计辅助软件  
元器件符号  
元器件序号  
焊盘及过孔  
铜箔导线  
正面(丝印层)  
反面(铜箔层)  
2-9 某电子产品的印制电路板  
指示灯  
USB 充电口  
2-10 某电子产品的电路板  
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.1.5 焊接工具  
焊接实现了元器件管脚与焊盘之间的连接与固定,使用万用板实验或制作印制电路板  
时都离不开焊接。焊接看似简单,但却是电路板制作非常关键的一步,因为焊接质量的好  
坏直接影响了电路的稳定性。焊接涉及如图2-11 所示的常用工具,它们在焊接过程中的作  
用如下。  
电烙铁  
焊锡丝  
电烙铁架  
清洗海绵  
吸锡器  
尖嘴钳  
偏口钳  
镊子  
2-11 焊接常用工具  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
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电烙铁(soldering iron)。焊接主要利用电烙铁发热,把焊锡丝熔化在管脚与焊盘之  
间,所以电烙铁是焊接必不可少的工具。电烙铁一般使用220V AC 供电,通电几  
秒至几分钟后电烙铁头的温度就可达到焊锡丝的熔化温度(300℃~400℃)。电烙  
铁有不同的功率,一般可选用15W40W。注意在使用时一定要接好电烙铁的地线,  
否则很有可能因漏电而击穿元器件或使人触电。电烙铁通电后烙铁头(金属部分)  
温度很高,注意不要被烫伤。如果条件许可,还可以选用如图 2-12 所示的温控电  
烙铁台,它包括一个电烙铁、温控器、电烙铁架。这种设备可以精确控制电烙铁温  
度以提高焊接质量,同时保护一些对温度敏感的元器件在焊接中不会被烫坏。  
电烙铁架  
清洗海绵  
温度显示  
调温旋钮  
温控器  
电烙铁  
电源开关  
2-12 温控电烙铁台  
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电烙铁架(soldering iron stand)。电烙铁通电后温度较高,需要放置在专门的电烙  
铁架上才不会意外滚落,否则极易导致烫伤或火灾。如果电烙铁长时间不使用或操  
作人员离开时应当关闭电源,以免发生意外。在电烙铁架的底座上还有一块专门用  
于擦拭电烙铁头的清洗海绵(sponge pad,图2-11),在焊接过程中,电烙铁头常常  
会因氧化等原因产生“锅巴”而无法上锡继续焊接,这时可将电烙铁头在浸过水的  
清洗海绵上轻轻擦拭即可。  
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焊锡丝(cored solder)。焊锡丝是一种导体,是焊接的主要耗材。电烙铁对焊锡丝  
加热至熔化,当焊锡丝凝固后就会把元器件管脚与焊盘之间焊接起来,在固定的同  
时实现电气连接。焊锡丝中间已经混合有松香(助焊),所以使用起来非常方便。  
偏口钳(side-cutter)。用于截断元器件管脚或剪导线,也可用来代替剥线钳去掉导  
线外的绝缘皮。  
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尖嘴钳(long-nose pliers)。主要用于折弯元器件的管脚。  
吸锡器(solder sucker)。如果焊接有误或其他原因需要把已经焊接好的元器件从电  
路板上拔下来,可一边用电烙铁加热焊点使焊锡熔化,同时用吸锡器把熔化的锡吸  
走。多次重复吸锡过程一般就可以使元器件的管脚与焊盘脱离。  
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镊子(tweezers)。在焊接时可以夹住元器件,也可以用于取拿个头较小的元器件。  
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第4章 单片机系统设计辅助软件  
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.1.6 焊接方法  
准备好上述焊接工具后,就可以开始焊接器件了。从电子市场或网上购买回来的各种  
元器件,首先使用万用表对质量进行检测,以确保电路制作的成功率。然后按照先小后大  
的原则,把元器件逐一焊装到万用板或印制电路板上。  
焊装元器件只有两个步骤:第一,插元器件入过孔;第二,焊接元器件管脚与焊盘。  
除表面贴型外,元器件都有针状的金属管脚,如图2-13 所示。所有元器件的管脚在焊  
接前最好用小刀或什锦锉将其表面的氧化层刮净,防止在焊接时发生虚焊。之后把元器件  
的管脚折弯使之能插入印制电路板上对应的过孔中,在管脚穿出一侧有焊盘。一般需要使  
元器件与印制电路板尽量紧贴。  
有时受空间等限制,元器件不能像图 2-13 那样“躺着”焊装,而改用图 2-14 所示的  
站立”式焊装方法。元器件的一个管脚折弯至与另一管脚平行,两个管脚都垂直于印制电  
路板,插入过孔后焊接。一般在元器件与印制电路板之间留出0.53mm 的间隙。  
元器件  
管脚  
过孔  
管脚  
印刷电路板  
0.5~3mm  
管脚焊接到焊盘上  
焊盘  
2-13 元器件的管脚和插入  
2-14 “站立”式焊装方法  
焊接时,从个头较小的电阻、瓷介电容等元器件开始(元器件会随后逐步展开介绍)。  
把元器件插入印制电路板的过孔,并从另一侧伸出。左手拇指和食指捏着焊锡丝,右手拿  
电烙铁(左撇子可反过来),先在电烙铁头上轻轻蹭一点焊锡以便更好的导热。接着把电烙  
铁头贴到管脚和焊盘之间,如图2-15 所示,等焊盘上的温度升高之后,一般会看到铜黄色  
的焊盘表面产生微小的泡泡,这时再把焊锡丝推到焊盘上。由于焊盘温度已经可以把焊锡  
丝熔化,所以焊锡丝很快熔化在管脚和焊盘之间,当焊点形成一个较为圆滑、饱满的锡点  
后立即把焊锡丝拿走,然后是电烙铁头。不一会,焊锡冷却而形成一个焊点。  
最后用偏口钳把过长的管脚剪去。注意先把大量焊锡丝熔化在电烙铁头上再蹭到焊盘  
上是不正确的。  
标准的焊点应该圆润而光滑,如图2-16 所示。而如果焊点呈豆腐渣样或在焊点表面出  
现蜂窝状小坑都是虚焊的表现,这说明焊点之下的元器件管脚和焊盘有可能根本没有焊接  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
上,这在焊接过程中是要绝对避免的。其他的问题,如焊锡过少或过多、出现毛刺等问题  
可通过多练习以积累控制焊锡量和焊接手法的经验来解决。  
管脚  
焊锡丝  
管脚  
焊锡丝  
电烙铁头  
电烙铁头  
焊盘  
印刷电路板  
印刷电路板  
元器件  
2-15 焊接  
×
×
×
×
焊点  
错误1:焊锡太少  
错误2:焊锡太多  
错误3:有毛刺  
错误4:虚焊  
2-16 注意焊点质量  
除了元器件与印制电路板之间的焊接外,常常还需要焊接两根导线或把导线焊接到接  
插件上。有一点需要注意,就是先在焊接双方的管脚或线头上上锡。也就是说先用电烙铁  
加热一方需要焊接的部位,接着用焊锡丝往上蹭一些锡。对焊接另一方也这样先上锡,这  
样一来,双方焊接部位在对接之前已经挂上了焊锡,接着把焊接部位贴在一起,用电烙铁  
加热,两者焊锡熔化即焊接在一起,冷却后就实现了电气连接。  
2.2 单片机系统设计流程  
准备好所需要的基础知识、软件工具、硬件工具后就具备了设计单片机系统的基础。  
接下来看看单片机系统设计的流程是什么,如何把以上这些知识、工具利用起来完成一个  
具有实际功能的单片机系统。  
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.2.1 需求分析  
需求分析是分析功能、确定参数要求的过程。无论在学习单片机系统设计或是将来设  
计一些解决实际问题的项目,明确最终要达到的功能非常重要。  
比如一个简单的单片机控制发光二极管的例子,功能确定为单片机控制一个发光二极  
管点亮500ms,熄灭500ms,再点亮500ms,再熄灭500ms……如此反复,如图2-17 所示。  
根据这个功能,可以设计一个系统框图,如图2-18 所示,这是世界上最简单的单片机  
控制系统。  
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第4章 单片机系统设计辅助软件  
单片机  
发光二极管  
2-17 单片机控制一个发光二极管的需求分析  
2-18 单片机控制一个发光二极管的系统框图  
2
.2.2 电路设计  
从系统框图出发,就可以利用所学知识把电路图设计出来。设计过程中单片机部分的  
电路可参考许多现成的电路功能模块,稍做修改就可以直接使用。  
2-19 是根据系统框图设计的一个电路图,左边阴影框里就是单片机,右边的是发光  
二极管。至于单片机为什么是这样设计、发光二极管为什么以这种方式连接,稍后我们还  
会有更详细的介绍。现在只要感受到系统需求分析形成的框图(图 2-18)已经根据经验设  
计成电路图(图2-19)即可。  
2-19 单片机控制一个发光二极管的电路图  
电路图设计出来后,就可以购买电路所需的元器件,并利用面包板、万用板等把实际  
的电路搭出来,以便接下来程序调试中有一个硬件平台。  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
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.2.3 程序设计  
有的朋友或许听说过,单片机实现功能靠的是程序。像图2-19 这样的电路搭建出来之  
后就好比一台没有软件的计算机,上电(接通电源)后各个元器件正常工作,但是对外不  
表现任何的功能。  
我们看到图2-19 中发光二极管与单片机的一个叫“P0.4AD4)”的管脚相连,这个管  
脚自己并不会产生如图2-17 所示的让发光二极管闪烁的功能,而需要我们设计控制单片机  
的程序并写入单片机中。  
单片机程序用汇编语言或 C51 语言编写(后面有详细介绍),有许多计算机上的应用  
软件可支持这两种语言的单片机程序开发,比如第4 章将要介绍的μVision 软件等。  
用汇编或C51 语言设计好的单片机程序,将通过一个连接计算机USB 口和单片机下载  
接口的下载器,下载到单片机中,如图2-20 所示。下载完成后,单片机启动时运行下载的  
程序就可以实现相应的控制功能了。  
2-20 下载程序  
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.2.4 系统调试  
在调试阶段,也就是“磨合”软件和硬件以便它们共同实现系统功能。当程序下载到  
单片机系统后,启动单片机运行程序,观察系统的“反应”和我们的设计是不是相符。  
比如图2-17 设计要求发光二极管以500ms 为间隔进行闪烁。当程序设计完成并下载到  
单片机之后,可能出现的问题是发光二极管不闪烁或闪烁的时间间隔不对。如果出现这些  
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第4章 单片机系统设计辅助软件  
与设计不符的实验效果,首先在保证硬件电路是正确的前提下,回到程序中找错误,修改  
后再下载到单片机系统中。如此反复,直到系统运转正常为止。  
2.3 应用体验——单片机控制下的发光二极管  
利用单片机控制发光二极管是一个非常简单而基础的应用。发光二极管的状态很直接,  
只有亮、灭两个状态,可以很好地表达信号的电平。而发发光二极管作为单片机的输出信  
号指示器件,可以解释并延伸许多其他外设的控制应用。  
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.3.1 发光二极管工作原理  
发光二极管(LED,电路符号 )是一种最常用的指示器件,近几年因其成本下降和  
节能的特点大量使用在照明设备中。发光二极管有极性之分,当有足够的正向电流(正极  
流向负极的电流,约1030mA)通过时便会发光。  
发光二极管有不计其数的外形、尺寸、颜色(红、黄、绿、蓝、紫、白、橙等)供选  
择,图2-21 给出了一些常见的发光二极管外形、结构、应用实例,注意发光二极管是有正  
极和负极之分的,透过外壳可看到发光二极管内部的两片导体,一般来说,其中“大红旗”  
连接的管脚为负极,“小红旗”连接的管脚为正极。  
2-21 发光二极管  
尽管不同型号的发光二极管其正向压降及工作电流不尽相同,但绝大多数情况下都会  
为发光二极管串联一个限流电阻。拿一个正向压降为2.0V、工作电流为10mA 的发光二极  
管来说,图2-22 给出在不同电压下限流电阻的阻值,其他发光二极管可在此基础上对电阻  
进行适当调整。  
从图2-22 可以看出,如果给发光二极管的正极供电,负极接地,在正极和负极之间有  
电流流过发光二极管发光,而如果负极不是接地,而一个与正极供电差不多的高电平,发  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
光二极管就熄灭,这个特点就是单片机控制发光二极管的基础。  
2-22 发光二极管与限流电阻  
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.3.2 单片机的控制  
如图2-19 所示,我们把发光二极管D1 的负极连接在单片机的P0.4 口(35 管脚)上,  
电阻R1 起到限流的作用(限制电流),防止流过发光二极管D1 和单片机P0.4 口的电流过  
大。根据器件的连接关系分析知道:当单片机的 P0.4 口输出低电平时(接地),发光二极  
D1 正、负极之间获得电压而被点亮;当 P0.4 口输出高电平时(+5V),发光二极管 D1  
则熄灭。  
所以要实现如图2-17 所示的功能,即让发光二极管以500ms 为间隔闪烁,变成了让单  
片机的P0.4 口以500ms 为间隔输出高、低电平,如图2-23 所示。  
2-23 单片机控制发光二极管闪烁  
2
.3.3 体验单片机控制发光二极管  
接下来是体验单片机控制发光二极管的时刻了,和前面一样,可以打开本书附带光盘  
中的“视频导读”文件夹的“第 2 如何成为单片机系统工程师”文件,从视频的演示  
中体会单片机是如何控制发光二极管闪烁的。  
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第4章 单片机系统设计辅助软件  
2.4 实例解读——反应时间测试仪  
人对事件的反应是需要一定的时间的,比如短跑运动员听到发令枪响到起跑之间有一  
定的时间差,运动员的反应越快这个时间差就越小,当然短跑成绩也会越好。有许多仪器  
都可以测定这个时间,这里将要介绍一个利用单片机设计的反应时间测试仪,它能测定当  
测试者听到信号声后到按下按钮的时间差。  
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.4.1 需求分析  
反应时间测试仪的功能说穿了非常简单,如图2-24 所示,单片机向蜂鸣器输出一个很  
短的鸣响信号Vout(比如500ms),测试者听到这个信号后立即按下按钮开关向单片机输入  
一个信号 Vin,单片机只要计算出输出信号 Vout 与输入信号 Vin 之间的时间差就得到反应时  
间(以ms 为单位),最后输出到反应时间显示器上显示即可。  
2-24 反应时间测试仪系统框图  
在做这个测试时,一般人的反应时间会在 200500ms 之间,有的人可达到 200ms 以  
下,说明反应非常敏捷。  
2
.4.2 电路设计  
对于图2-24 规划的系统来说,因为实在没有过多的外设,所以电路图还是比较简单的,  
虽然后面章节我们才开始介绍单片机系统电路的具体知识,但现在不妨先对反应时间测试  
仪的电路图稍微分析一下。  
如图2-25 所示是反应时间测试仪的电路图,系统由4 个模块(部分)组成:单片机、  
蜂鸣器及驱动电路、按钮开关、反应时间显示器。  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
2-25 人的反应时间测试仪系统电路图  
2-25 中,每个模块与系统框图是一一对应的,单片机与其他模块之间的信号流向还  
有箭头表示,比如控制信号Vout 由单片机的P1.0 口流向蜂鸣器及驱动电路,按钮开关信号  
Vin 送入单片机的P1.7 口等。现在先不必急于搞清楚图 2-25 是怎么设计出来的,因为稍后  
会详细谈到。只要把系统框图和电路图对照看一看,找找其中的对应关系就可以。  
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.4.3 程序设计  
刚才说到单片机程序使用汇编或C51 语言来编写,这里我们先不谈具体的程序代码,  
而先来看看反应时间测试仪程序设计的思路。  
根据需求分析,我们知道首先得让蜂鸣器鸣响一会,这样可以让单片机P1.0 t1 时刻输  
出一个高电平使驱动电路工作从而使蜂鸣器鸣响,如图 2-26a)所示。同时单片机内部开  
始计时,等到按钮开关按下时,因开关的短路(图2-25P1.7 变成了低电平,此时为t2 时刻,  
单片机计时结束。单片机的计时时长(t2?t1)即为反应时间,只要输出到显示器显示即可。  
2-26b)把这个设计思路形成了一个流程图,这样更方便地描述程序的执行过程。  
单片机启动后(开始),单片机从 P1.0 口输出高电平,蜂鸣器鸣响,同时计时开始。  
在计时过程中单片机不断检测P1.7 口的电平,如果不为低电平就循环检测。如果检测出低  
电平表示按钮开关被按下,测试者对蜂鸣器的鸣响信号进行了反应。于是计时结束,单片  
机把时间计算出来并输出到显示器显示后,程序结束。  
后面我们还会详细介绍如何把图2-26b)所示的流程图设计成具体的程序代码,下载  
到单片机后就可以实现系统功能了。  
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第4章 单片机系统设计辅助软件  
a)设计思路  
b)流程图  
2-26 反应时间测试仪系统程序设计思路、流程图  
太大了,论坛有大小限制,要看后面的找书吧。  
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实例解读51单片机完全学习与应用(配教学视频)  
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文件时间(Date Time):2015/4/27 11:13:27
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