項目1 認識編程載體――單片機和編程開發環境 1
1．1 單片機的應用及主要類型 1
1．2 單片機外形與框架 3
1．2．1 內部結構框圖和主要部件 3
1．2．2 引腳：數據輸入/輸出通道 4
1．3 C51語言及其開發環境簡介 5
1．3．1 C語言的歷史及特點 5
1．3．2 C51的Keil ?Vision3開發環境簡介 6
1．4任務1：Keil C應用入門――單片機輸出“Hello C51” 6
1．4．1 建立工程、設計程序、編譯 6
1．4．2 Keil的初步調試：查看串口輸出“Hello C51” 11
1．5 任務2：結構化程序設計――建立函數概念 12
1．5．1 僅由main()函數構成的Ｃ語言程序 13
1．5．2 由main()函數和max()構成的Ｃ語言程序 13
1．5．3 C51程序的一般結構 13
1．5．4 規範書寫程序語句 14
1．5．5 程序設計流程圖 14
1．6 單片機硬件知識補充 15
1．6．1 存儲器：永久程序和臨時數據的住所 15
1．6．2 I/O（輸入/輸出）口結構、功能 21
1．6．3 I/O口的負載能力 24
1．7 知識小結 25
習題與思考1 25
項目2 多變的花樣燈 26
2．1 任務1：點亮一個燈 26
2．1．1 一位引腳定義和應用 26
2．1．2 一組引腳定義、輸入/輸出1字節數據 28
2．1．3 亮燈邏輯 28
2．1．4 PROTEUS件操作 29
2．1．5 亮一個燈的電路、程序設計 33
2．1．6 編譯、代碼下載、仿真、測判 34
2．1．7 STC單片機代碼下載 35
2．1．8 實物制作與上電測試 39
2．1．9 進階設計與思路點撥1：亮多個燈 39
2．1．10 進階設計與思路點撥2：用簡易數碼管顯示自己的學號 40
2．2 任務2：有規律變化的花樣燈――亮點流動 41
2．2．1 任務要求與分析 41
2．2．2 頭文件reg51．h解讀 42
2．2．3 亮點流動的程序設計――依序而下 43
2．2．4 編譯、代碼下載、仿真、測判 44
2．2．5 應用移位庫函數_crol_設計亮點流動程序 44
2．3 任務3：有規律變化的花樣燈一一亮起來 46
2．3．1 任務要求與分析 46
2．3．2用“位”運算符實現一一亮燈 46
2．3．3 預處理：條件編譯#if、#else、#endif等 48
2．3．4 設計延時函數頭文件“dly05s．h” 48
2．3．5 流程與程序設計 49
2．3．6 編譯、代碼下載、仿真、測判 49
2．3．7 進階設計與思路點撥3：1～8個燈逐一熄滅 49
2．4 任務4：有規律變化的花樣燈――高低4位交替閃爍 50
2．4．1 任務要求與分析 50
2．4．2 流程與程序設計 51
2．4．3 編譯、代碼下載、仿真、測判 51
2．4．4 進階設計與思路點撥4：兩個亮點相向或相背運動 51
2．4．5 進階設計與思路點撥5：用移位函數實現兩個亮點相向運動 54
2．4．6 進階設計與思路點撥6：用移位函數實現兩個亮點相背運動 54
2．5 任務5：3種效果的花樣燈設計 55
2．5．1 任務與要求 55
2．5．2 流程與程序設計 55
2．5．3 編譯、代碼下載、仿真、測判 56
2．5．4 在Keil中進行延時程序調試 56
2．6 算術運算、賦值運算 58
2．6．1 算術運算 58
2．6．2 賦值及復合賦值運算 59
2．7 初識函數 60
2．7．1 函數格式 60
2．7．2 函數的調用中參數的傳遞 60
2．7．3 自定義函數的聲明 61
2．7．4 預處理：#include 引用庫、自定義函數 61
2．7．5 設計變時長的延時函數頭文件Dly_nms．h 62
2．7．6 進階設計與思路點撥7：變速流水燈 63
2．8 知識小結 63
習題與思考2 63
項目3 鍵控花樣燈 65
3．1 任務1：鍵控燈1（用if語句實現） 65
3．1．1 任務要求與分析 65
3．1．2 if條件語句結構 66
3．1．3 關繫運算符和關繫表達式 68
3．1．4 程序流程及程序設計 68
3．1．5 仿真、分析、記錄 69
3．2 任務2：鍵控燈2（用if-else語句實現） 69
3．2．1 任務要求與分析 69
3．2．2 程序流程及程序設計 70
3．2．3 仿真、分析、記錄 70
3．3 任務3：鍵控燈3（用if-else-if多分支語句實現） 71
3．3．1 任務要求與分析 71
3．3．2 程序流程及程序設計 72
3．3．3 仿真、分析、記錄 72
3．4 任務4：鍵控燈4（用if嵌套語句實現） 72
3．4．1 任務要求與分析 72
3．4．2 if語句嵌套 73
3．4．3 程序流程及程序設計 73
3．4．4 仿真、分析、記錄 74
3．5 任務5：鍵控燈5（用switch多分支語句實現） 74
3．5．1 任務要求與分析 74
3．5．2 switch語句 75
3．5．3 程序流程與程序設計 76
3．5．4 仿真、分析、記錄 77
3．5．5 PROTEUS單步調試 77
3．5．6 進階設計1 80
3．6 任務6：學習循環結構，求 81
3．6．1 goto語句 81
3．6．2 while語句 82
3．6．3 do-while語句 83
3．6．4 for語句 83
3．6．5 循環結構的嵌套與跳轉 84
3．6．6 break語句 85
3．6．7 continue語句 85
3．7 任務7：鍵控燈6（用for、while語句實現） 85
3．7．1 任務要求與分析 85
3．7．2 程序流程與程序設計 86
3．7．3 仿真、分析、記錄 87
3．7．4 進階設計2 87
3．8 任務8：鍵控燈7（用for、break語句實現） 88
3．8．1 任務要求與分析 88
3．8．2 程序流程與程序設計 88
3．8．3 仿真、分析、記錄 89
3．8．4 將break改成continue的變化 89
3．9 任務9：一位示意計數器設計 90
3．9．1 任務要求與分析 90
3．9．2 程序流程與程序設計 91
3．9．3 仿真、分析、記錄 91
3．9．4 進階設計3：兩位示意計數器設計 91
3．9．5 進階設計4：兩位十進制計數器設計 91
3．10 知識小結 92
習題與思考3 92
項目4 邏輯思維訓練 95
4．1 任務1：用printf語句輸出各種類型數據 95
4．1．1 數據是對描述對像的數學抽像 95
4．1．2 C51的數據類型 96
4．1．3 標識符與關鍵字 97
4．1．4 常量與變量 97
4．1．5 宏定義（#define）、數據類型的重新命名（typedef） 99
4．1．6 C51的輸入/輸出函數 100
4．1．7 從單片機串口輸出各種數據 102
4．1．8 數據的存儲器類型 104
4．1．9 C51變量的存儲模式（編譯模式） 105
4．1．10 在Keil中查看各變量的存儲地址及數值 105
4．2 任務2：歌星大賽計分――簡單統計運算 107
4．2．1 任務要求與分析 107
4．2．2 算法設計 108
4．2．3 流程與程序設計 108
4．2．4 PROTEUS串口輸出測試電路設計 109
4．2．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 110
4．3 任務3：求車號是多少――推理 111
4．3．1 任務要求與分析 111
4．3．2 算法設計 111
4．3．3 外部函數調用――關鍵字extern 112
4．3．4 流程與程序設計 112
4．3．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 113
4．3．6 進階設計與思路點撥1：角谷猜想 114
4．4 任務4：誰是罪犯――邏輯運算 114
4．4．1 任務要求與分析 114
4．4．2 邏輯運算、條件運算 115
4．4．3 算法設計 116
4．4．4 流程與程序設計 118
4．4．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 119
4．4．6 進階設計與思路點撥2：新娘和新? 119
4．5 任務5：百錢百雞問題――窮舉、組合 120
4．5．1 任務要求與分析 120
4．5．2 算法設計 120
4．5．3 流程與程序設計 121
4．5．4 編譯、代碼下載、仿真、測判 122
4．5．5 進階設計與思路點撥3：換錢幣 122
4．6 任務6：數據從小到大排序――數組應用 122
4．6．1 任務要求與分析 122
4．6．2 數組 123
4．6．3 算法設計 125
4．6．4 流程與程序設計 126
4．6．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 127
4．6．6 進階設計與思路點撥4：從大到小排序 127
4．7 任務7：求解約瑟夫問題――結構數組應用 128
4．7．1 任務要求與分析 128
4．7．2 結構體、結構數組 128
4．7．3 算法設計 130
4．7．4 流程與程序設計 131
4．7．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 132
4．7．6 進階設計與思路點撥5：數3出局 132
4．8 局部變量、全局變量、外部變量 133
4．9 知識小結 135
習題與思考4 135
項目5 定時器/計數器、中斷應用 138
5．1 任務1：用外中斷干擾流水燈 138
5．1．1 任務要求與分析 138
5．1．2 中斷繫統簡介 139
5．1．3 中斷控制寄存器 140
5．1．4 中斷過程 141
5．1．5 清除中斷請求的補充 142
5．1．6 中斷函數的編寫 143
5．1．7 算法設計 144
5．1．8 程序設計 144
5．1．9 編譯、代碼下載、仿真、測判 145
5．2 任務2：兩個外中斷干擾流水燈 145
5．2．1 任務要求與分析 145
5．2．2 中斷嵌套 146
5．2．3 程序設計 146
5．2．4 編譯、代碼下載、仿真、測判 147
5．2．5 進階設計 1 148
5．3 任務3：多少個小球――計數器應用 148
5．3．1 任務要求與分析 148
5．3．2 定時器/計數器T0、T1 149
5．3．3 定時器/計數器的控制及工作方式 150
5．3．4 定時器/計數器的計數容量及初值 152
5．3．5 定時器/計數器應用的基本步驟 153
5．3．6 認識數碼管、設計電路 154
5．3．7 子任務：單個數碼管循環顯示手機短號 156
5．3．8 算法與程序設計 157
5．3．9 編譯、代碼下載、仿真、測判 158
5．3．10 進階設計2：999個小球，如何顯示？ 158
5．3．11 虛擬數字時鐘信號 應用 159
5．4 任務4：定時產生2500Hz方波 160
5．4．1 任務要求與分析 160
5．4．2 查詢方式下的程序框架 160
5．4．3 查詢方式下程序流程及程序設計 161
5．4．4 用虛擬示波器觀測信號周期 162
5．4．5 定時中斷方式下程序設計 164
5．4．6 編譯、代碼下載、仿真、測判 165
5．4．7 聽單片機發聲 165
5．5 任務5：秒閃燈――長時間定時（應用static） 165
5．5．1 任務要求與分析 165
5．5．2 算法設計 166
5．5．3 程序設計 166
5．5．4 C51變量的存儲類型 167
5．5．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 168
5．5．6 進階設計3：看誰耳尖手快――反應時間測試 168
5．5．7 進階設計4：可反復測試反應時間的設計 169
5．6 任務6：T0定時產生不同頻率的方波（推算公約數） 169
5．6．1 任務要求與分析 169
5．6．2 算法設計 170
5．6．3 程序流程及程序設計 170
5．6．4 編譯、代碼下載、仿真、測判 171
5．6．5 進階設計5：矩形波設計 172
5．7 任務7：測量正脈衝寬度（巧用GATE位） 172
5．7．1 任務要求與分析 172
5．7．2 算法設計 172
5．7．3 程序流程及程序設計 173
5．7．4 編譯、代碼下載、仿真、測判 174
5．7．5 虛擬脈衝發生器 應用 174
5．7．6 進階設計6：測量負脈衝的寬度 175
5．8 任務8：鍵控PWM調光燈 175
5．8．1 任務要求與分析 175
5．8．2 算法設計 176
5．8．3 程序流程及程序設計 177
5．8．4 編譯、代碼下載、仿真、測判 177
5．8．5 進階設計7：呼吸燈 178
5．9 知識小結 178
習題與思考5 178
項目6 動態掃描技術的應用 180
6．1任務1：並聯數碼管顯示生日 180
6．1．1任務要求與分析 180
6．1．2 算法設計 181
6．1．3 程序結構設計 181
6．1．4 流程與程序設計 182
6．1．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 183
6．1．6 進階設計1：輪流顯示生日與手機短號 183
6．2 任務2：可調時鐘 184
6．2．1 任務要求與分析 184
6．2．2 算法設計 184
6．2．3 程序結構設計 184
6．2．4 流程與程序設計 185
6．2．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 187
6．2．6 進階設計2：設計12小時制的時鐘 188
6．3 任務3：多功能秒表――一鍵多功能 188
6．3．1 任務要求與分析 188
6．3．2 算法設計 189
6．3．3 程序結構設計 189
6．3．4 流程與程序設計 189
6．3．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 191
6．4 任務4：矩陣鍵盤識別 192
6．4．1 任務要求與分析 192
6．4．2 電路設計 192
6．4．3 算法設計 193
6．4．4 程序結構設計 194
6．4．5 程序設計：key16．h 194
6．4．6 編譯、代碼下載、仿真、測判 195
6．4．7 進階設計3：以七段數碼管顯示鍵值 196
6．5 任務5：打地鼠遊戲機設計 196
6．5．1 任務要求與分析 196
6．5．2 算法設計 196
6．5．3 程序結構設計 196
6．5．4 流程與程序設計 197
6．5．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 199
6．5．6 進階設計4：競級打地鼠遊戲設計 199
6．6 指針及其應用 199
6．6．1 為什麼要設置指針 199
6．6．2 指針的運算符、定義 200
6．6．3 應用指針作為參數實現“傳址” 201
6．6．4 指針與數組 202
6．6．5 指針與函數 203
6．7 知識小結 204
習題與思考6 205
項目7 單片機唱歌及串行數據傳輸 206
7．1 任務1：生日快樂歌 206
7．1．1 任務要求與分析 206
7．1．2 音樂數據準備 206
7．1．3 程序結構設計 208
7．1．4 程序設計 209
7．1．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 210
7．2 任務2：595串出3位數據 210
7．2．1 任務要求與分析 210
7．2．2 74HC595簡介 211
7．2．3 單片機串口通信簡介 213
7．2．4 程序框架及程序設計 215
7．2．5 編譯、代碼下載、仿真、測判 216
7．2．6 進階設計1：串出自己的手機長號數字 216
7．3 任務3：用595串行控制8×8點陣顯示I?U 216
7．3．1 任務要求與分析 216
7．3．2 程序框架與程序設計 218
7．3．3 編譯、代碼下載、仿真、測判 219
7．3．4 進階設計2：我的點陣圖形設計 219
7．3．5 進階設計3：人行道點陣小人指示燈設計 219
7．4 任務4：雙單片機間串行通信 220
7．4．1 任務要求與分析 220
7．4．2 串口工作方式1及波特率計算 220
7．4．3 程序框架及程序設計 221
7．4．4 編譯、代碼下載、仿真、測判 223
7．4．5 用串口調試助手監測目標板上的數據 223
7．5 知識小結 224
習題與思考7 224
項目8 AD及DA接口應用 225
8．1 任務1：LCD顯示的簡易電壓表 225
8．1．1 任務要求與分析 225
8．1．2 程序規劃 226
8．1．3 LCM1602簡介 226
8．1．4 LCD顯示的頭文件lcd1602．h設計 228
8．1．5 ADC0831簡介及時序 230
8．1．6 ADC0831的頭文件adc0831．h設計 231
8．1．7 C51對存儲器和外設的絕對地址訪問 232
8．1．8 主程序設計 233
8．1．9 編譯、代碼下載、仿真、測判 234
8．1．10 進階設計1：在LCD上顯示自己的姓名、學號 234
8．2 任務2：簡易波形發生器 234
8．2．1 任務要求與分析 234
8．2．2 DAC0832簡介 235
8．2．3 程序流程與程序設計 236
8．2．4 編譯、代碼下載、仿真、測判 237
8．2．5 進階設計2：設計一可調頻率1～20kHz的方波發生器 238
8．3 知識小結 238
習題與思考 238
附錄A 開發板原理圖、使用說明 239
附錄B C51程序設計實踐報告要求 242
附錄C C51的運算符優先級及結合性 243
參考文獻 244

前 言

程序設計是理工科專業學生都要學習的課程。C語言既有高級語言的特性，接近自然語言和數學公式計算機語言，又有直接操縱硬件的能力，並以其豐富靈活的控制和數據結構、簡潔高效的語句表達、清晰的程序結構和良好的可移植性被選為程序設計首選語言。程序設計學習是有難度的，鋻於高職學生的學習特點和就業崗位的針對性，程序設計類課程更需要針對性地應用落地學習纔更有效。且C語言也是智能控制產品或繫統的軟件開發首選編程語言，故本書將C語言程序設計與最基礎的51內核單片機知識融合。

本教材有如下特點：

1. 重漁——程序設計方法

曾有學生在有程序設計內容的課堂上問“你是怎麼想到的？”他這是求捕魚之法，而不是簡單的“怎麼寫？”“求魚”！這一問也道出了程序設計教學的根本所在——“教學生如何想到的思維方法，進而訓練其編程能力”。故“思維訓練”是本教材的核心，按照程序開發流程：問題→算法設計→數據抽像→流程設計→語句選擇→程序書寫→調試、測試與判定→總結，解決學生 “怎麼想？（思想方法）怎麼寫（編程落地）？”的疑問，培養學生分析和解決問題的捕魚能力，而不是直接給魚，即“例程”！同時，本書也努力建立全局意識，先整體後模塊，通過算法設計、程序框架、程序流程等強調從整體上把控設計，而不是隻記得零星的句式或語法；還特地安排強化邏輯思維訓練項目，包括“歌星大賽計分”、“推理車號”、“誰是罪犯”、“百錢百雞”、“數據排序”等任務，既為掌握程序設計的思想和方法來培養程序員，更重要的是訓練思維解決實際問題，培養學生探索創新精神和實踐能力。這對每個人都非常有用。

2．理論、仿真、實踐相融合

針對高職學生樂於形像思維，適合在做中學的學習特點，本書應用最先進的單片機和嵌入式繫統及電子電路仿真軟件PROTEUS作為仿真教學與仿真實踐的平臺，將各種仿真調試工具融入其中，培養學生會想、會寫、會調、會測試的綜合能力。

仿真設計實踐使學習如虎添翼，通過仿真實踐快速完成程序設計，再經開發板實物測試，虛實無縫對接，使虛擬仿真落地生根，有效增強學習信心，培養學生程序設計能力。

3．趣味任務驅動，循序漸進

本書共設計了8個項目，包括42個任務、32個進階任務，實用、上手快，與實際接軌，即學即用。項目任務的選取融合了知識、技術、技能、趣味性，如對像與工具、花樣燈、鍵控燈、思維訓練、小球計數、秒閃燈、測量正脈衝寬度、看誰反應快、鍵控PWM調光燈、可調時鐘、多功能秒表、打地鼠遊戲、生日快樂歌、串口控制8×8點陣、LCD顯示的簡易電壓表、簡易波形發生器等。

遵循學習規律和人的發展規律，以項目為導向，將知識點與技能、技巧、規範融入任務中，化解學習難度，通過完成任務來學習知識、訓練技能、培養專業素養，力求讓讀者在完成每一個任務項目的實踐中解決若干個技術難點。整體內容組織由易到難，由淺入深，由單一到綜合，循序漸進，可操作性強。每一個任務都以步步高式層次化內容及組織安排，在進階設計環節設置了思路點撥，滿足不同能力學生的提升需求，舉一反三，觸類旁通。

4．注意工程意識的培養，強調編程書寫規範、模塊化設計

源碼編寫注重規範，有注釋有說明有層次，引導學生規範的意識。

全書共8個項目，項目1是認識編程載體——單片機和編程開發環境，項目2～3是花樣燈及鍵控燈，訓練單片機輸入/輸出口應用及C51的基本運算、函數和語句結構。項目4～5突出算法設計、流程設計及測試，項目4是邏輯思維訓練，包含數據類型、數據的存儲模式＆存儲器類型、外部函數調用、數組、窮舉、排序、邏輯運算、數據串口輸出檢測等；項目5主要是定時＆計數器、外中斷等內部資源應用。項目6～8為綜合應用，突出結構化程序設計、程序框架設計，包含的主要技術有指針應用、動態掃描、鍵盤、串口應用、LCD、串行AD、DA等。其中一些實用模塊頭文件如dly_nms.h、seg_dis.h、key16.h、lcd1602.h、ADC0831.h、serial_init.c可移植到其他項目中。各任務的源程序均通過仿真測試、實物運行成功，保證正確性。

5．強調程序調試

運行測試異常或運行有問題時需要進行調試，而源碼調試是解決問題的重要方法。本書講解了Keil調試、PROTEUS調試及用串口助手實時監測數據。

本書項目1及2.1～2.2節、6.3～6.6節由周靈彬編寫，2.3～2.7節及項目3.1～3.5節由劉紅兵編寫，3.6～3.9節及項目4由江偉編寫，項目5和附錄由蔣鳴東編寫，項目7～8由疏曉宇編寫。配套的實驗板由周靈彬設計，全書由周靈彬主編並統稿。何煒傑、周晨翔、羅鼕鼕、潘蒙坤、陳文俊、瀋翃等同學對本書所有程序進行了驗證與調試。

感謝徐愛鈞教授和王榮華工程師提出許多寶貴意見！

感謝張靖武教授鼓勵和指導！

感謝紹興職業技術學院與紹興市教育局的重視與政策支持！感謝家人的默默付出與支持！感謝可愛的同學的配合與建議！感謝廣州市風標電子技術有限公司、浙江利勃海爾中車交通公司、祈禧電器公司的大力支持！

本書可作為各類大專院校、高職高專院校、各類培訓用C51程序設計教學用書，也可作為單片機技術應用的愛好者、程序發燒友的自學用書。相信通過本書的學習，讀者能掌握51單片機的基本硬件知識，具備C51程序設計的基本技能。

由於作者水平有限，書中難免存在的謬誤之處，敬請讀者批評指正！

編 者

2016.6