本书以“大课程”、“理实融合”和“引导式”教学为宗旨,将常规的三门课程(C 语言、单片机和嵌入式系统)有机地融为一体,这样不仅提高了教学效率,还能使课程教学变得更为系统、生动。本书共分9 章,主要内容包括:单片机与嵌入式系统概述,MCS-51 系列单片机基本原理,单片机开发与仿真环境搭建,C51 语言程序设计,MCS-51 系列单片机内部资源、常用接口及应用,ARM 嵌入式微处理器及应用(基于STM32 处理器),嵌入式实时操作系统μC/ OS-Ⅱ概述,单片机应用中的典型技术,应用系统举例。

本书配套丰富的数字化资源,系统全面、有机动态建设和更新在线课程等教学资源,注重教材、实验(条件)、教学方法和教学手段有机结合。

本书适合作为高等院校电子信息类及相关专业的本科、研究生教材,也可作为相关工程技术人员的参考书。

单片机与嵌入式系统几乎无所不在,在各种各样的系统中起着核心的控制作用,如火箭、导弹、飞机、潜水艇、高铁、汽车、水表、电表和煤气表等。因而“ 单片机与嵌入式系统”是高等院校所有涉电专业———自动化、电子工程、生物医学工程、物联网、测控等专业的核心课程。同时,“单片机与嵌入式系统” 课程又与C 语言、操作系统等密不可分,具有内容庞杂的特点,但目前与其他课程一样,受到课时数大幅度压缩的影响,教学面临极为严峻的窘境。因此,急需一种全新的、适应当前教学改革的教材。该教材需要服从于教学要求,提供较为完整的知识体系,方便学生自学,而不是为“照本宣科”提供“本”。

基于此,编者提出了破解目前教学困境的思路:“大课程”、“理实融合”和“引导式”教学:

(1)“大课程”意味着在课程体系甚至专业学科的层面考虑课程设置、教学方法,破解

课程的割裂和重叠等难题。

(2)“理实融合”符合人类的认知规律,有助于学生提高学习效果和效率。

(3)“引导式”教学:授之以渔,培养学生的“ 科学思维” 和“ 工程思维”,打破“ 程式化”和“满堂灌”的形式主义教学惯性,培养具有全面素养的人才。具体到本书,主要体现在:

(1)大课程:本书将常规的三门课程,即C 语言、单片机和嵌入式系统有机地融为一体,这样不仅提高了教学效率,还能使课程教学变得更为系统、生动。

(2)理实融合:书中采用多种形式、难易不等的实验,既与知识点密切相关,又有一定自由发挥的空间。体现在:

实践诱发学习兴趣:学习的最高境界和最好状态;

实践提供感性认识:有助于理解和避免指鹿为马;

实践促进理论学习:书到用时方恨少;

实践检验学习成效:学以致用,体现学习的目的。

理实融合最重要的作用是提高学生“主动学习”的积极性和培养“自主学习”的能力。

(3)“引导式”教学:本书方便任课老师精心安排教学内容和方式,特别是对于“单片机与嵌入式系统”这样实践性极强的课程,可通过边教边实践、先实践后教和只实践(让学生自主完成探索式实践和学习) 等多种教学形式完成,教材只是为这样的教学提供有效支撑。

本书配套丰富的数字化资源[ 可登录中国铁道出版社教育资源数字化平台( https: / /www. tdpress. com/51eds)获取],系统全面、有机动态建设和更新在线课程等教学资源,注重教材、实验(条件)、教学方法和教学手段有机结合。

本书由天津大学李刚、林凌,广西医科大学陈妮,广州医科大学招展奇任主编,由天津农学院元伟、天津理工大学中环信息学院王似玉、长治医学院郝文延、湖南工业大学陈柱、广州医科大学刘洋、内蒙古医科大学李忠贤、天津理工大学张祖锋、天津大学孙敬来任副主编。

理想很丰满,实现却是异常艰难。编者尽了最大努力,力求编写一本全新的教材,为教改贡献我们的力量。如有不当之处,还请不吝指正。

编 者

2024 年12 月于北洋园

第1 章 单片机与嵌入式系统概述  1
  1. 1  单片机的基本概念  1
    1. 1. 1  单片机的组成结构  1
    1. 1. 2  单片机的工作原理  2
    1. 1. 3  单片机的应用领域  2
  1. 2  嵌入式系统的基本概念  2
    1. 2. 1  嵌入式系统的组成  3
    1. 2. 2  嵌入式系统的特点  3
    1. 2. 3  嵌入式系统的发展趋势  4
  1. 3  单片机与嵌入式系统的关系  4
  1. 4  单片机与嵌入式系统的发展历程  5
    1. 4. 1  单片机的发展历程  5
    1. 4. 2  嵌入式系统的发展历程  5
  习题  6
第2 章 MCS-51 系列单片机基本原理  7
  2. 1  MCS-51 系列单片机简介  7
    2. 1. 1  MCS-51 系列单片机的发展  7
    2. 1. 2  MCS-51 系列单片机的型号及其功能、分类  8
  2. 2  MCS-51 系列单片机的结构  9
    2. 2. 1  MCS-51 系列单片机的中央处理器  9
    2. 2. 2  MCS-51 系列单片机的端口  10
    2. 2. 3  MCS-51 系列单片机存储体系结构  13
    2. 2. 4  MCS-51 系列单片机的定时/计数器  15
    2. 2. 5  MCS-51 系列单片机的中断系统  15
  2. 3  MCS-51 系列单片机片外存储器的扩展应用  16
    2. 3. 1  标准扩展  16
    2. 3. 2  MCS-51 系列单片机大容量数据空间的扩展  17
    2. 3. 3  MCS-51 的 IAP 功能扩展  19
  2. 4  新型的 MCS-51 器件  21
    2. 4. 1  高速的新型 MCS-51 器件  21
Ⅱ 单片机与嵌入式系统原理与应用
  2. 4. 2  小体积的新型 MCS-51 器件  22
    2. 4. 3  大容量的新型 MCS-51 器件  23
    2. 4. 4  有特殊片上资源的新型 MCS-51 器件  23
  习题  24
第3 章 单片机开发与仿真环境搭建 26
  3. 1  Keil 软件安装  26
    3. 1. 1  安装步骤  26
    3. 1. 2  安装 STM32 芯片包 29
  3. 2  创建 C51 单片机工程  31
  3. 3  创建 STM32 工程 35
  3. 4  程序的仿真、调试  43
  3. 5  51 程序的下载 46
  3. 6  STM32 程序的下载  47
  3. 7  Proteus 软件的安装及功能简介 47
    3. 7. 1  Proteus 软件的安装步骤 47
    3. 7. 2  Proteus 软件功能简介 52
    3. 7. 3  Proteus ISIS 编辑环境简介  53
    3. 7. 4  电路原理图的设计方法和步骤  55
  习题  64
第4 章 C51 语言程序设计  65
  4. 1  C51 程序设计基础  65
    4. 1. 1  C 语言特点及程序结构  65
    4. 1. 2  MCS-51 系列单片机与 C 语言  69
  4. 2  C51 的数据类型  69
    4. 2. 1  C51 的基本数据类型  69
    4. 2. 2  C51 构造数据类型  72
  4. 3  C51 的运算量  82
    4. 3. 1  常量  82
    4. 3. 2  变量  84
    4. 3. 3  绝对地址的访问  88
  4. 4  C51 的运算符及表达式  90
    4. 4. 1  算术运算符和算术表达式  91
    4. 4. 2  赋值运算符和赋值表达式  93
    4. 4. 3  关系运算符和关系表达式  95
    4. 4. 4  逻辑运算符和逻辑表达式  96
    4. 4. 5  位运算符、逗号运算符、条件运算符、指针与地址运算符  98
  4. 5  表达式语句及复合语句  99
    4. 5. 1  表达式语句  99
    4. 5. 2  复合语句  100
  4. 6  C51 的输入和输出  100
    4. 6. 1  格式输入函数 scanf()  101
    4. 6. 2  格式输出函数 printf()  102
  4. 7  C51 程序基本结构与相关语句  103
    4. 7. 1  C51 程序基本结构 103
    4. 7. 2  if 语句 104
    4. 7. 3  switchcase 语句  107
    4. 7. 4  while 语句与 dowhile 语句  109
    4. 7. 5  for 语句  111
    4. 7. 6  循环的嵌套  113
    4. 7. 7  break、continue 和 return 语句  114
    4. 7. 8  goto 语句以及用 goto 语句构成循环  115
  4. 8  函    数  115
    4. 8. 1  函数的定义  115
    4. 8. 2  函数的调用与声明  118
    4. 8. 3  函数的嵌套与递归  120
  习题  121
第5 章 MCS-51 系列单片机内部资源、常用接口及应用  123
  5. 1  流水灯设计  123
    5. 1. 1  LED 介绍  123
    5. 1. 2  KEY 按键接口  124
    5. 1. 3  延时操作  125
    5. 1. 4  流水灯系统硬件电路设计与仿真实现  125
    5. 1. 5  流水灯系统程序设计思路  125
  5. 2  电子时钟设计  128
    5. 2. 1  定时/计数器的初始化编程及应用  129
    5. 2. 2  数码管原理及显示  129
    5. 2. 3  电子时钟系统硬件电路设计与仿真实现  130
    5. 2. 4  电子时钟系统程序设计思路  130
  5. 3  简易信号发生器设计  135
    5. 3. 1  DAC 转换器概述  135
    5. 3. 2  DAC0808 与 MCS-51 系列单片机的接口 136
    5. 3. 3  DAC 转换正弦波、三角波、方波程序设计  137
    5. 3. 4  简易信号发生器硬件电路设计与仿真实现  137
    5. 3. 5  简易信号发生器系统程序设计思路  138
  5. 4  串口电压采集系统设计  140
    5. 4. 1  A/ D 转换器概述  140
    5. 4. 2  ADC0832 与 MCS-51 系列单片机的接口  141
    5. 4. 3  LCD1602 液晶显示  141
    5. 4. 4  串口电压采集系统硬件电路设计与仿真实现  144
    5. 4. 5  串口电压采集系统程序设计思路  144
  习题  149
第6 章 ARM 嵌入式微处理器及应用(基于 STM32 微处理器)  151
  6. 1  ARM 体系架构与 STM32 微处理器 151
    6. 1. 1  ARM 架构发展历程与技术演进  151
    6. 1. 2  Cortex-M 系列内核介绍  153
    6. 1. 3  STM32 系列微处理器选型指南  154
  6. 2  Cortex-M3 内核架构解析(基于 STM32F103ZET6)  156
    6. 2. 1  处理器工作模式、工作状态及特权等级  157
    6. 2. 2  寄存器组织与异常处理机制  158
    6. 2. 3  Cortex-M3 寄存器地址映射  163
  6. 3  STM32F103ZET6 开发基础  164
    6. 3. 1  STM32F103ZET6 最小系统电路设计  165
    6. 3. 2  时钟系统与电源管理  165
    6. 3. 3  嵌套向量中断控制器(NVIC)及外部中断和事件控制器(EXTI) 167
  6. 4  GPIO 开发与应用  170
    6. 4. 1  GPIO 工作原理  170
    6. 4. 2  GPIO 输入模式介绍  172
    6. 4. 3  GPIO 输出模式介绍  173
    6. 4. 4  GPIO 复用功能介绍  174
  6. 5  定时器开发与应用  175
    6. 5. 1  基本定时器功能简介  175
    6. 5. 2  通用定时器功能简介  177
  6. 6  串口通信开发  181
    6. 6. 1  串口通信协议简介  181
    6. 6. 2  USART 工作原理  182
    6. 6. 3  串口通信配置  184
  6. 7  基础通信接口  186
    6. 7. 1  I2C 总线基础 186
    6. 7. 2  I2C 配置步骤 190
    6. 7. 3  I2C 通信应用 190
    6. 7. 4  SPI 通信基础  191
    6. 7. 5  SPI 配置步骤  193
    6. 7. 6  SPI 通信应用  193
  习题  195
第7 章 嵌入式实时操作系统 μC/ OS-Ⅱ概述  197
  7. 1  系统特点  197
  7. 2  系统组成  198
  7. 3  版本与发展  198
  7. 4  μC/ OS-Ⅱ核心组件与机制  198
  7. 5  μC/ OS-Ⅱ系统的移植  199
    7. 5. 1  移植前准备  199
    7. 5. 2  移植步骤  200
    7. 5. 3  配置与优化  200
    7. 5. 4  注意事项  201
  7. 6  基于 μC/ OS-Ⅱ的嵌入式应用开发步骤  201
  7. 7  μC/ OS-Ⅱ调试、测试技巧及故障排查 202
    7. 7. 1  调试技巧  202
    7. 7. 2  测试技巧  203
    7. 7. 3  故障排查  203
  7. 8  在不同类型单片机或嵌入式系统中部署μC/ OS-Ⅱ  203
    7. 8. 1  在89C52 上部署 μC/ OS-Ⅱ  204
    7. 8. 2  在 STM32 上部署 μC/ OS-Ⅱ 204
  7. 9  应用实例  205
    7. 9. 1  基于89C52 的温度巡检系统  205
    7. 9. 2  基于 STM32 的血氧饱和度和心率监测系统  208
  习题  213
第8 章 单片机应用中的典型技术  214
  8. 1  数据采集与传输技术  214
    8. 1. 1  交流信号数据采集与传输  215
    8. 1. 2  多通道数据采集与传输  221
    8. 1. 3  单片机数据的无线传输  224
  8. 2  FIR 数字滤波技术 228
    8. 2. 1  FIR 滤波器的实现原理 229
    8. 2. 2  基于51 单片机实现的 FIR 滤波器  231
    8. 2. 3  基于 STM32 单片机实现的 FIR 滤波器  234
  8. 3  频率测量技术  237
    8. 3. 1  频率测量技术的实现原理  237
    8. 3. 2  测量误差  238
Ⅵ 单片机与嵌入式系统原理与应用
  8. 3. 3  基于51 单片机实现的频率测量  239
    8. 3. 4  基于 STM32 单片机实现的频率测量  243
  习题  244
第9 章 应用系统举例  245
  9. 1  电动车超声多普勒测速仪  245
    9. 1. 1  测量原理  245
    9. 1. 2  测量原理系统框图  246
    9. 1. 3  主要单元电路  247
    9. 1. 4  单片机处理程序  251
  9. 2  快速纸张计数装置  253
    9. 2. 1  系统方案  253
    9. 2. 2  硬件设计  254
    9. 2. 3  软件设计  256
    9. 2. 4  系统测试  260
  9. 3  穿戴式心电装置  261
    9. 3. 1  背景知识  261
    9. 3. 2  系统设计  263
    9. 3. 3  ARM 系统及其与上位机通信  268
  9. 4  频分双波长血氧饱和度测量仪  270
    9. 4. 1  测量原理  270
    9. 4. 2  系统方案  272
    9. 4. 3  基于 LabVIEW 的上位机设计  281
  习题  285
附录 A 图形符号对照表  286

李刚，天津大学。 林凌，天津大学。 陈妮，广西医科大学。 招展奇，广州医科大学。

本书以“大课程”、“理实融合”和“引导式”教学为宗旨,将常规的三门课程(C 语言、单片机和嵌入式系统)有机地融为一体,这样不仅提高了教学效率,还能使课程教学变得更为系统、生动。本书共分9 章,主要内容包括:单片机与嵌入式系统概述,MCS-51 系列单片机基本原理,单片机开发与仿真环境搭建,C51 语言程序设计,MCS-51 系列单片机内部资源、常用接口及应用,ARM 嵌入式微处理器及应用(基于STM32 处理器),嵌入式实时操作系统μC/ OS-Ⅱ概述,单片机应用中的典型技术,应用系统举例。