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“單片機與PLC”是電子科技大學開設的一門創新課程。“單片機原理”不僅是目前各大專院校電子信息相關專業的一門重要課程,同時也是一名電子類工程師應該掌握的三大技術之一; “PLC”是機械電子、控制專業的重要課程。隨著高等教育改革的不斷深入,為了培養學生的實踐和創新能力,電子科技大學開設了該創新課程。“單片機與PLC”課程以單片機原理、實驗、開發為主線,介紹了微機原理的基本概念、單片機設計原理和PLC設計的基本知識,實驗和開發的基本方法。本書以“單片機與PLC”課程為背景編寫,可以作為高等院校相關專業的本科生或研究生的教材,也可作為創新課程教材或PLC自學教材。單片機又名單片微控制器,是一種重要的嵌入式計算機; PLC又名可編程邏輯控制器,是一種重要的工業計算機。單片機和PLC本屬于兩個不同領域,單片機屬于微機原理的范疇,而PLC屬于數字電路的范疇,但二者又有著較強的內在聯系。單片機可以作為PLC硬件設計的一個方案,對于理解PLC的語言編程頗有益處,而PLC又可以作為一個應用實例,反向理解程序的模塊化、監控程序等問題。此外,單片機和PLC都屬于電子信息類專業基礎課的講解內容,融會學習有助于培養學生的實踐能力、創新能力和新產品設計開發能力,為將來從事電子產品的設計開發、檢測和維護等工作奠定堅實的基礎。1993年,我在北京航空航天大學第一次接觸單片機,我對自己說這一定會成為改變世界的重要技術。從那時起我就迷上了單片機原理與應用。1995年,我第一次接觸單片機開發,并開發了一臺雷達模擬測試儀,從此進入單片機技術的殿堂。2005年,根據帶本專科畢業設計的經歷,我發現許多學生之所以沒有掌握好單片機原理,也不清楚該如何應用,是因為他們很難理解單片機的一些概念,而這些概念與計算機原理有本質區別,很難從微機原理的知識引申到單片機學習中,如定時器等單片機集成的功能電路的使用、單片機的系統知識。通過與學生一起討論單片機設計的原理及應用,改變了他們對單片機原理的理解,使他們很快就掌握了單片機應用系統設計的技巧。最讓我欣慰的是,憑借著熟練的設計技巧,他們都順利找到了心儀的工作。我想這就是知識改變命運,我也希望能改變更多人的命運,所以編寫了《單片機原理及應用》一書。《單片機原理及應用》一書出版后,由于原理講解清楚細致,受到廣大讀者和教師的廣泛歡迎,被多所高校選用為教材和參考書(如被山東大學列為本科教材,且作為研究生入學考試參考教材),再版3次,發行了2萬余冊。2012年,考慮到單片機知識發展和開發的需要,我編寫了第二本教材《單片機原理及系統設計實用教程》,書中增加了許多新技術及應用實例,在內容上更重視開發。自2009年起,我開設了“單片機和PLC”課程。之后,每年和學生一起學習、討論單片機和PLC知識,每年都有新的感悟和理解,希望與人分享。特別是近年來,網絡上出現了一些輕松學單片機的書籍和視頻后,更引起了我的反思: 能否將教材內容寫得更輕松、簡明、系統?如何才能更容易理解、更為規范?如何才能將應用與學習結合起來,培養學生的動手能力?多年過去了,回首再看,還是覺得已經編寫的教材中存在很多缺陷和不足,很多理念也發生了變化,促使我再編寫一本相關教材,即《單片機與PLC實例教程》。本書將原理、實驗、應用相結合,在單片機以及多種新技術的基礎上, 結合項目開發的實際經驗編寫。為了保障書中例子的嚴謹性和規范性,書中的全部內容都對應開發有學習開發板或硬件模塊,并實際測試過,讀者可以輕松而快速地參考設計。書中涉及的所有學習開發板或硬件模塊都可以在網上購買。本書采用混編的方式,將全部知識點、講解和實驗混編成16章,讀者可以邊學邊做,輕松掌握全部課程知識。在單片機原理部分,本書主要介紹MCS拟51系列單片機的基本結構、組成、中斷系統、存儲器以及匯編語言程序設計、并行口、串口、定時器以及相應的擴展和應用,簡單介紹了模擬量和數字量的相互轉換以及轉換器件與單片機的接口,同時綜合前面所學內容,列舉了單片機典型應用實例。在PLC部分,本書主要講解PLC組合邏輯控制、時序邏輯控制、主要元件、特殊功能元件編程、分支步進程序編寫。通過這些內容的學習,學生可對單片機開發和PLC開發有一個總體的認識,并在掌握基本硬件的基礎上用軟件實現相應的開發。本書在單片機原理部分采用雙語(匯編語言和C語言)教學。單片機的程序設計應該以C語言為主,以匯編語言為輔。采用C語言不必對單片機和硬件接口的結構有很深入的了解,編譯器可以自動完成變量的存儲單元的分配,編程者可以專注于應用軟件部分的設計,大大加快軟件的開發速度; 此外,還可以很容易地進行單片機的程序移植工作,有利于產品中單片機的重新選型。匯編語言主要在時間要求比較嚴格的模塊中使用。本書同時采用C語言和匯編語言進行講解,這樣做不但有助于理解單片機程序設計的實質,也有助于理解C語言在單片機中的應用技巧,這也是本書的一大特點。當然出于教學課時的考慮,也可以挑選一種語言來講解。本書在PLC部分主要采用梯形圖,因為梯形圖更為通用、直觀,且便于移植。本書堅持深入淺出的寫作風格,在內容和結構上進行了精心設計,力求讀者能在最短時間內實現從入門到精通。本書內容系統、全面且前沿。同時本書堅持實用性和權威性,書中提供大量實例,可以仿真驗證,并提供大量工程資料。一書在手,可輕松實現設計。為了降低價格,本書盡量精簡了內容,便于讀者學習參考。本書將匯編指令的操作數與機器指令的代碼并列、指令字節數與周期數并列,兩個并列再集于一圖。學習、復習、編程調試時“隨用隨查”。初學指令,先要跑面,重在識其全貌。指令不是學會而是用會的。編程時帶著問題進入場景,經過一遍遍地翻查找出最有效的指令,長期實踐定會熟能生巧。指令部分有意安排的一些范例是為入門時便于理解指令功能。感謝磁動力工作室、單片機開發聯盟、老古開發網的大力支持。感謝書中共享軟件的作者,以及各位參考文獻的作者,有些網絡資料無法查證作者,如果我引用了您的觀點,請與我聯系,我一定盡快更正參考文獻目錄,并表示感謝。由于作者水平有限,時間倉促,難免會有許多不足甚至錯誤,請各位專家多多批評指正。胡學海2020年8月于電子科技大學配套教學資源下載
教材的主要內容包括:單片機開發環境及實驗平臺;單片機顯示原理、接口、與傳輸指令;單片機的程序結構與編程; I/O口擴展與獨立鍵盤原理;單片機程序調用與矩陣式鍵盤原理;邏輯運算指令與程序;中斷系統原理;定時器與計數器;串口通訊及接口,智能傳感器設計,PLC開發環境及實驗平臺;PLC組合邏輯控制;PLC時序邏輯控制;PLC定時器、計數器編程等
緒論0.1單片機與PLC概述0.2基礎知識0.2.1數制0.2.2數制的轉換0.2.3數據類型及編碼0.3單片機簡介0.3.1單片機的結構和原理0.3.2單片機的應用系統結構0.3.3單片機的發展、應用和選型0.4PLC簡介0.4.1PLC的發展及應用0.4.2PLC的分類及選擇0.5習題第1章單片機基礎知識及開發環境1.1單片機基礎知識1.1.1匯編程序結構簡例1.1.2C語言程序結構簡例1.2單片機軟件開發環境1.2.1程序的開發流程1.2.2調試第2章單片機編程語言及顯示原理2.1單片機編程語言概述2.1.1匯編語言2.1.2高級語言2.2匯編語言的基本數據類型及數據傳送2.2.1基本數據類型2.2.2常用指令及符號2.2.3尋址方式2.2.4存儲空間的劃分2.2.5尋址空間2.2.6數據傳送指令2.3C51的程序結構及基本數據類型2.3.1源程序的結構2.3.2C語言的主要詞匯2.3.3數據類型2.3.4存儲種類和存儲器2.3.5絕對地址的訪問2.3.6賦值運算2.4單片機程序設計步驟2.5顯示器擴展原理2.5.1單片機LED顯示擴展2.5.2數字顯示實驗2.5.3單片機LCD1602顯示擴展2.6習題第3章單片機的程序結構與編程3.1宏匯編程序設計3.1.1偽指令3.1.2宏匯編語言格式3.2單片機程序結構設計3.2.1順序結構3.2.2分支結構3.2.3循環結構3.2.4子程序設計及調用3.2.5程序的控制轉移指令3.2.6查表程序及相應指令3.3C51程序結構3杄3杄1文件包含與編譯3.3.2C語句3.3.3分支結構3.3.4循環結構3杄3.5break和continue語句3杄2.6結構體與聯合體3.4函數3杄4.1函數的分類3杄4.2函數的定義3.4.3函數的調用3.4.4函數值3.4.5函數的遞歸調用3.5單片機軟件延時原理3.5.1單片機時序與指令周期3.5.2軟件延時函數的編寫3.5.3紅綠燈應用實驗3.6習題第4章I/O口擴展與鍵盤原理4.1總線擴展4.1.1并行總線擴展4.1.2指令運行時序及時分復用技術4.1.3數據存儲器擴展4.2單片機I/O應用原理4.2.1單片機I/O類型4.2.2MCS拟51系列單片機I/O口4.2.3利用并行I/O擴展芯片擴展4.2.4串行擴展4.3獨立按鍵的原理4.3.1按鍵的識別方法4.3.2按鍵的鍵抖及消除4.4獨立鍵盤實驗4.5矩陣鍵盤的擴展4.5.1矩陣鍵盤的工作原理4.5.2鍵值的編碼4.5.3矩陣式鍵盤實驗4.6監控程序4.6.1監控程序的作用及原理4.6.2監控程序的一般結構4.6.3初始化管理與任務管理4.6.4系統的自檢4.7習題第5章邏輯與運算指令及程序5.1單片機的標志位5.2邏輯及運算指令5.2.1算數操作指令5.2.2邏輯操作類指令5.2.3布爾變量操作類指令5.3C51的運算及表達式5.3.1基本運算符5.3.2算術表達式5.4C語言和匯編語言混合編程5.4.1混合編程的約定規則5.4.2在C語言中內嵌匯編5.4.3在匯編程序中內嵌C語言函數5.5簡單計算器實驗5.6習題第6章中斷系統原理6.1數據的輸入/輸出方式6.2單片機的中斷系統6.2.1中斷的定義與概念6.2.2單片機的中斷系統及其管理6.2.3中斷的處理與響應6.3中斷源的管理6.3.1中斷源6.3.2優先級6.3.3中斷向量6.3.4中斷源的控制6.4中斷服務程序6.5中斷實驗6.6習題第7章定時/計數器7.1定時/計數的原理7.2定時/計數器的控制7.2.1內部結構和功能7.2.2工作方式與模式控制寄存器TMOD7.2.3控制寄存器TCON7.2.4時間常數計算與初始值的設置7.3秒表實驗7.4習題第8章串行通信及接口技術8.1串行通信原理8.1.1并行通信與串行通信8.1.2串行通信的方式8.1.3異步通信與同步通信8.2單片機串行通信8.2.1串口工作方式及控制方法8.2.2波特率的設置及計算方法8.2.3串口初始化步驟總結8.3單片機與PC通信8.3.1接口電路8.3.2通信程序示例8.4常見的通信協議8.4.1RS拟232通信8.4.2RS拟485、RS拟422通信總線8.5單片機之間的通信8.5.1單機通信8.5.2多機通信8.6通信程序的調試8.7串行通信實驗8.8習題第9章A/D與D/A9.1A/D與D/A原理9.1.1A/D的原理與分類9.1.2D/A的原理與分類9.2單片機內置ADC與DAC的使用9.2.1STC15內置ADC9.2.2STC15內置DAC9.3A/D擴展9.3.1并行A/D擴展9.3.2串行A/D擴展9.4D/A擴展9.4.1并行D/A擴展9.4.2串行D/A擴展9.5習題第10章單片機與數據采集10.1數據采集10.1.1采樣10.1.2量化10.1.3編碼10.2實驗開發板介紹10.3一階、二階傳感器的動態響應實驗設計10.3.1實驗的目的與原理10.3.2一階傳感器動態特性研究實驗內容10.3.3實驗現象10.3.4實驗思考題10.4習題第11章單片機與智能傳感器11.1智能傳感器11.1.1智能傳感器的定義與組成11.1.2智能傳感器的功能11.2智能傳感器的應用方向與前景11.3實驗開發板介紹11.4溫濕傳感器實驗11.4.1實驗原理11.4.2參考子程序11.4.3實驗現象11.4.4實驗思考題11.5超聲波測距傳感器實驗11.5.1實驗原理11.5.2參考子程序11.5.3實驗現象11.5.4實驗思考題11.6熱釋傳感器實驗11.6.1實驗原理11.6.2參考子程序11.6.3實驗現象11.6.4實驗思考題11.7智能聲敏傳感器實驗11.7.1實驗原理11.7.2參考子程序11.7.3實驗現象11.7.4實驗思考題11.8思考題第12章單片機與物聯網12.1物聯網12.1.1物聯網的定義12.1.2物聯網核心技術12.1.3物聯網應用、發展現狀及前景12.2無線藍牙通信12.2.1原理12.2.2實驗內容12.2.3參考子程序12.2.4實驗現象12.3無線Wi拟Fi通信12.3.1通信原理12.3.2實驗內容12.3.3參考子程序12.4ZigBee無線通信12.4.1ZigBee通信原理12.4.2實驗內容12.5綜合性挑戰實驗12.5.1顏色傳感器原理12.5.2方案設計12.6思考題第13章PLC開發環境及實驗平臺13.1PLC簡介13.1.1PLC的定義、起源與發展13.1.2PLC的分類13.1.3PLC的特點13.1.4PLC控制、繼電器和單片機控制的比較13.2PLC的組成與原理13.2.1PLC的基本組成13.2.2PLC的各部分說明13.2.3PLC的工作原理13.3PLC開發環境13.3.1PLC的主要開發工具13.3.2仿真軟件13.3.3GXDevelop編程軟件13.3.4在線監控及仿真13.4習題第14章PLC組合邏輯控制14.1PLC開發簡介14.1.1PLC的編程語言14.1.2PLC的編程器件14.1.3PLC系統的設計過程14.2PLC的梯形圖設計14.2.1梯形圖的符號與含義14.2.2定時器與計數器14.3組合邏輯控制的原理14.3.1邏輯函數與梯形圖之間的關系14.3.2布爾方程式的構建14.3.3組合邏輯的實現14.4組合邏輯控制實驗14.5習題第15章PLC的時序邏輯15.1時序邏輯基礎概念15.2時序邏輯的設計方法15.2.1激勵方程法15.2.2狀態設計法15.2.3狀態轉移圖的構成15.2.4狀態轉移圖向梯形圖的轉換15.2.5程序設計法15.3PLC常見時序控制15.3.1自鎖控制與電機控制15.3.2互鎖控制與電機保護(優先級)15.4步進電機實驗15.5搶答器實驗15.6習題第16章PLC的功能單元擴展16.1PLC功能單元擴展16.2定時器單元擴展16.2.1定時器與時間繼電器16.2.2定時器類型及擴展16.3計數器單元擴展16.3.1計數器指令16.3.2加減計數器16.3.3計數器級聯16.4定時器與計數器組合16.5交通燈實驗16.6習題附錄AHC拟05嵌入式藍牙串口通信模塊AT指令集附錄BESP8266Wi拟Fi模塊常用AT指令集B.1工作模式B.2應用領域B.3基礎AT指令B.3.1測試AT語法規則B.3.2Wi拟Fi功能AT指令B.3.3TCPIPAT指令B.3.4配置為服務器參考文獻