C51单片机应用与C语言程序设计（第3版）——基于机器人工程对象的项目实践.pdf

教育部2009年高职高专计算机教指委优秀教材 工作导向创新实践教材 国家高职示范院校核心课程教材 C51 单片机应用与 C 语言程序设计（第 3 版）基于机器人工程对象的项目实践 秦志强 编著 董 燕 副主编 曹升洋 主 审 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书以两轮小型移动机器人的制作与编程项目为主线，通过循序渐进地构建机器人的控制器和传感器电路，并对机器人实现编程和控制，将 C51 单片机的外围接口特性、内部结构原理、综合应用设计和 C 语言程序设计等知识和技能传授给学生，彻底打破了传统的先理论后实验的教学方法和教学体系结构，解决了单片机原理与应用，以及 C 语言程序设计等核心专业基础课程抽象、枯燥与教学效果差的老大难问题。本书可作为职业教育的“单片机技术与应用”及“嵌入式 C 语言程序设计”两门课程的学习教材和教学参考书，也可以作为本科院校工程训练、电子制作的实践教材和相应专业课程的实验配套教材，同时还可以供广大希望从事嵌入式系统开发和 C 语言程序设计的学生或者个人自学使用。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 C51 单片机应用与 C 语言程序设计:基于机器人工程对象的项目实践/秦志强编著.3 版.北京：电子工业出版社，2016.2 工作导向创新实践教材 ISBN 978-7-121-28159-4 .C .秦 .单片微型计算机C 语言程序设计高等学校教材 .TP368.1 TP312 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2016）第 029027 号 策划编辑：王昭松 责任编辑：靳 平 印 刷：装 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 开 本：787980 1/16 印张：15.25 字数：350 千字 版 次：2007 年 12 月第 1 版 版 次：2009 年 2 月第 2 版 版 次：2016 年 2 月第 3 版 印 次：2016 年 2 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：34.00 元 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：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 本书自 2009 年 2 月再版以来，又得到了许多高等院校和职业技术学院的关心与厚爱，并提出了不少宝贵意见，为此向所有使用过此书的教师、学生和其他读者表示衷心的感谢。在 6 年多的时间里，高等工程教育改革又取得了很大的进展，对于本书的要求也越来越高。为了让本书的理念更好地与专业结合，2012 年 9 月，作者与湖南机电职业技术学院合作，在本书的基础上修订出版了两本机电一体化创新实践教材：C 语言原来可以这样学和单片机技术及应用，通过“应用单片机学习 C 语言，再用 C 语言学习单片机”的方法，将这两门机电一体化专业基础课程的教学深度和广度大大地推进了一步。另外，为了让本书能够更好地满足本科 C 语言课程的教学需要，作者又于 2013 年 8 月与北京石油化工学院合作，在此书的基础上编辑出版了计算机类本科规划教材机器人辅助 C 程序设计。工作导向的概念，不只是一个简单的概念游戏，而是包含了深刻的哲理。学习的目的，特别是对于未来想从事工程师职业的学生而言，不仅仅是学习某一个知识体系，如单片机的知识体系或者 C 语言的知识体系，而是应该更进一步获得如何利用这些知识去解决生产实际问题的能力，也就是动手能力。传统的单片机和 C 语言教材基本上都是为了给学生建立知识体系的，教学的结果却是不仅知识体系建立不起来，动手能力就更不用提了。工程是为了解决问题，这种解决问题的能力只有从实践中才能获得。当然，单纯的实践也无法获得真正的能力，关键是如何从实践的经验和体会中，归纳出共性的知识，建立起知识体系，然后再将这些知识重新应用到新的实践当中去。这也是我们在未来实际工作中所必须采取的学习和工作方法。因此，如何在大学 3 年或者 4 年中，掌握这种自我学习和提高的方法，是工程教育改革的根本目的。而相应教材的编写，就应该按照这种学习和工作的方法来进行。做到了这一点，才真正实践了工作导向的哲学理念：实践、归纳、推理和再实践。任何核心知识和技能的获得，单单靠一两本好的教材是无法实现的。单片机和 C 语言是目前工程教育中两门最为基本，也是最为核心的课程。要学会利用单片机和 C 语言去解决实际问题，单凭这一本教材的实践和学习是远远不够的。特别是对于初次接触单片机和 C 语言的同学或者个人而言，也许这本教材仍然会让你感觉比较困难，这时建议你先学习和实践本系列教材的基础机器人制作与编程（第 2 版）。通过基础机器人的制作与编程，你可以先掌握编程的基本思路和方法，并了解单片机的输入和输出接口特性。然后再利用本教材重复同样的学习过程。通过类比和分析，就可以归纳出单片机和计算机编程的核心知识和技能。同时，因为对于同样的项目和课题采用了不同的单片机和编程语言去实现，也让你能够从中掌握并理解分析问题和解决问题的根本方法。与本教材一起出版的还有AVR 单片机与小型机器人制作（第 2 版），该教材完成的实践项目与本教材几乎相同，目的是让同学们可以根据自己的需要选择硬件平台。要进一步深入学习单片机技术及应用，就可以选择本人编写的 机电一体化创新实践教材单片机技术及应用。只有学习完单片机和 C 语言，我们才有可能进一步学习 ARM、VC 和 Linux 等高级嵌入式课程。无论是本科还是高职学生，这个规律都很难打破。为此，我们后续推出了 STM32 等高端嵌入式教材，形成了从基础入门，到 8 位单片机 AVR 或者 C51 等基础嵌入式系统，再到 ARM 等高端嵌入式系统的系列化教材，让同学们可以从一个没有任何编程基础的学生循序渐进地成长为可以进行复杂嵌入式系统设计和开发的工程师。作者编写的系统化嵌入式系列教材如下所示。教材类型 教材名称 教学课时拓展空间 配套器材 工作导向创新实践教材 基础机器人制作与编程（第 2 版）40 学时 教育机器人大赛项目基础机器人制作与编程套件 C51 单片机应用与 C 语言程序设计（第 3 版）60 学时 教育机器人大赛项目C51 单片机应用与 C 语言综合教学机器人套件 机电一体化创新实践教材 C 语言原来可以这样学 50 学时 教育机器人大赛项目C 语言教学机器人套件 单片机技术及应用 50 学时 教育机器人大赛项目单片机教学拓展电子套件“十二五”职业教育国家规划教材 AVR 单片机与小型机器人制作（第 2 版）70 学时 各种传感器应用项目30 个 AVR 单片机与小型机器人制作套件 计算机类本科规划教材 机器人辅助 C 程序设计 60 学时 教育机器人大赛项目C 语言教学机器人套件 电子教材 Arduino机器人制作与编程入门教程40 学时 教育机器人大赛项目Arduino 教学机器人套件 STM32 机器人制作实践入门教程60 学时 教育机器人大赛项目STM32 教学机器人套件 因为是工作导向，所以每套教材都必须配套相应的器材边做边学方能达到最佳的教学效果。本表所有配套器材都可以在鸥鹏机器人电商网站 上找到。本版教材的结构和内容仍然保留了原版的风格和特点，即：寓教于乐，兴趣为先，采用机器人作为整本教材的项目实践内容，非常容易引起学生的兴趣和学习热情；机器人对象采用伺服舵机作为控制与驱动电机，非常容易控制，便于教师和学生入门，并将重点放在时序和逻辑的控制，而不是电机的复杂控制原理；基础传感器等耗材采用非常便宜和易于获得的触觉和红外传感器，便于学校降低成本，普及项目教学；每讲最后都有工程素质和技能归纳，启发学生进行知识的归纳和系统化。本教材修订之后，无论是高职院校还是大学本科，都可以采用，具体的教学安排完全可以根据学校原有的教学计划，只是上课的方式要进行调整，不必再单独开设理论和实验课程，最后的项目拓展课程可以根据每个学校的情况选择相应的中国教育机器人大赛项目，鼓励学校组织班级、校级竞赛，优胜者推荐参加国家级比赛，从而激励学生自主学习，提升学习效果。本教材的修订由电子工业出版社王昭松编辑发起，在此特别感谢她的努力与坚持。另外，还要特别感谢深圳市中科鸥鹏智能科技有限公司的同事们，没有他们的共同努力，本书不可能如此迅速地出第 3 版。限于时间与水平，书中难免有不妥之处，敬请读者批评指正。编著者 2015 年 10 月 10 日 目 录 第 1 讲 机器人大脑：从 BS2 微控制器到 C51 单片机 （1）单片机和微控制器 （1）学习单片机的意义 （2）C51 系列单片机 （2）机器人与 C51 单片机 （4）任务 1 获得软件 （4）任务 2 安装软件 （5）安装 Keil Vision2 （5）任务 3 硬件连接 （5）串口的连接 （6）USBASP 下载器的连接（6）电源的连接 （6）给教学板和单片机进行通电检查 （6）任务 4 第一个程序 （7）创建与编辑你的第一个程序 （7）例程：HelloRobot.c （9）程序调试 （11）下载可执行文件到单片机 （12）用串口调试软件查看单片机输出信息 （13）HelloRobot.c 是如何工作的 （14）printf 函数 （14）HelloRobotYourTurn.c 是如何工作的 （16）任务 5 做完实验关断电源 （19）第 2 讲 C51 接口与伺服电机控制 （20）C51 单片机的输入/输出接口 （20）任务 1 单灯闪烁控制 （21）LED 电路元件 （21）LED 电路搭建 （21）例程：HighLowLed.c （22）HighLowLed.c 是如何工作的 （22）VIII 任务 2 机器人伺服电机控制信号 （26）例程：BothServoClockwise.c （28）任务 3 计数并控制循环次数 （29）例程：ControlServoRunTimes.c （31）例程：BothServosThreeSeconds.c （32）任务 4 用计算机来控制机器人的运动 （33）例程：ControlServoWithComputer.c （34）ControlServoWithComputer.c 是如何工作的 （35）第 3 讲 C 语言函数与机器人巡航控制 （37）任务 1 基本巡航动作 （37）例程：RobotForwardThreeSeconds.c （38）RobotForwardThreeSeconds.c 是如何工作的 （38）向后走、原地转弯和绕轴旋转 （39）例程：ForwardLeftRightBackward.c （40）任务 2 匀加速/减速运动 （43）编写匀加速运动程序 （43）例程：StartAndStopWithRamping.c （44）任务 3 用函数调用简化运动程序 （46）例程：MovementsWithFunctions.c （49）例程：MovementsWithOneFuntion.c （51）任务 4 高级主题用数组建立复杂运动 （52）字符型数据 （53）数组 （54）例程：NavigationWithSwitch.c （56）NavigationWithSwitch.c 是如何工作的 （58）例程：NavigationWithValues.c （59）第 4 讲 C51 接口与触觉导航 （62）触觉导航与单片机输入接口 （62）任务 1 安装并测试机器人“胡须”（63）安装“胡须”（63）测试“胡须”（64）例程：TestWhiskers.c （64）位操作符 （65）if 语句 （66）IX？操作符 （66）任务 2 通过“胡须”导航 （69）编程使机器人基于“胡须”导航 （69）关系与逻辑运算符 （70）例程：RoamingWithWhiskers.c （71）“胡须”导航