流水灯编程练习电路

第一章 绪论1.1 课题背景经过长期市场调查，发现大部分热水器还处在低端技术水平，只能加热至 100摄氏度，自动断电，不再有任何保温动作，如果加热后一点时间过去了，顾客还想使用热水的话只能再重新把水烧开。这样做既浪费顾客时间又浪费电能。在时间和电能上不能有效利用。看到这一现象，我便想到能否用我已经学过的知识设计一款能够控制温度的热水器，试水温保持在一定范围内，做到热水随用随接，方便快捷。1.2 硬件介绍考虑到此电路设计涉及到对水温的检测和对加热系统的控制主要硬件有：AT89C51 芯片一块，DS18B20 数字传感器芯片一块，4 位 LED数码管两块等。1.2.1 AT89C5 单片机概述AT89C51是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable andErasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图 1-1 AT89C51引脚图1.2.2 AT89C51 单片机特性与 MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：10 年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部 RAM32可编程 I/O线两个 16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 1.2.3 AT89C51 单片机管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0 口为一个 8位漏级开路双向 I/O口，每脚可吸收 8TTL门电流。当 P1口的管脚第一次写 1时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 电子 2008 本 综合实践 2 设计报告（论文）3为数据/地址的第八位。在 FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时，P0输出原码，此时 P0外部必须被拉高。P1口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。P1 口管脚写入 1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8位双向 I/O口，P2 口缓冲器可接收，输出 4个TTL门电流，当 P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3 口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4个 TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为 AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0外部输入）P3.5 T1（记时器 1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在 SFR8EH地址上置 0。此时， ALE只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。1.3 软件介绍1.3.1 概述 Proteus 软 件 是 英 国 Labcenter electronics 公 司 出 版 的 EDA 工 具 软 件 （ 该 软件 中 国 总 代 理 为 广 州 风 标 电 子 技 术 有 限 公 司 ） 。 它 不 仅 具 有 其 它 EDA 工 具 软 件 的 仿真 功 能 ， 还 能 仿 真 单 片 机 及 外 围 器 件 。 它 是 目 前 最 好 的 仿 真 单 片 机 及 外 围 器 件 的 工 具 。虽 然 目 前 国 内 推 广 刚 起 步 ， 但 已 受 到 单 片 机 爱 好 者 、 从 事 单 片 机 教 学 的 教 师 、 致 力 于单 片 机 开 发 应 用 的 科 技 工 作 者 的 青 睐 。 Proteus 是 世 界 上 著 名 的 EDA 工 具 (仿 真 软 件 )，从 原 理 图 布 图 、 代 码 调 试 到 单 片 机 与 外 围 电 路 协 同 仿 真 ， 一 键 切 换 到 PCB 设 计 ， 真正 实 现 了 从 概 念 到 产 品 的 完 整 设 计 。 是 目 前 世 界 上 唯 一 将 电 路 仿 真 软 件 、 PCB 设 计软 件 和 虚 拟 模 型 仿 真 软 件 三 合 一 的 设 计 平 台 ， 其 处 理 器 模 型 支 持8051、 HC11、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、 AVR、 ARM、 8086 和 MSP430 等 ，2010 年 即 将 增 加 Cortex 和 DSP 系 列 处 理 器 ， 并 持 续 增 加 其 他 系 列 处 理 器 模 型 。 在 编译 方 面 ， 它 也 支 持 IAR、 Keil 和 MPLAB 等 多 种 编 译 器 。 1.3.2 其功能特点 Proteus 软 件 具 有 其 它 EDA 工 具 软 件 （ 例 ： multisim） 的 功 能 。 这 些 功 能 是 ： （ 1） 原 理 布 图 （ 2） PCB 自 动 或 人 工 布 线 （ 3） SPICE 电 路 仿 真 齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 电子 2008 本 综合实践 2 设计报告（论文）5革 命 性 的 特 点 （ 1） 互 动 的 电 路 仿 真 用 户 甚 至 可 以 实 时 采 用 诸 如 RAM， ROM， 键 盘 ， 马 达 ， LED， LCD， AD/DA， 部 分SPI 器 件 ， 部 分 IIC 器 件 。 （ 2） 仿 真 处 理 器 及 其 外 围 电 路 可 以 仿 真 51 系 列 、 AVR、 PIC、 ARM、 等 常 用 主 流 单 片 机 。 还 可 以 直 接 在 基 于 原理 图 的 虚 拟 原 型 上 编 程 ， 再 配 合 显 示 及 输 出 ， 能 看 到 运 行 后 输 入 输 出 的 效 果 。 配 合 系 统 配 置 的虚 拟 逻 辑 分 析 仪 、 示 波 器 等 ， Proteus 建 立 了 完 备 的 电 子 设 计 开 发 环 境 。 1.3.3 具有 4 大功能模块 （ 1） 智 能 原 理 图 设 计 （ ISIS） 丰 富 的 器 件 库 ： 超 过 27000 种 元 器 件 ， 可 方 便 地 创 建 新 元 件 ； 智 能 的 器 件 搜 索 ： 通 过 模 糊 搜 索 可 以 快 速 定 位 所 需 要 的 器 件 ； 智 能 化 的 连 线 功 能 ： 自 动 连 线 功 能 使 连 接 导 线 简 单 快 捷 ， 大 大 缩 短 绘 图 时 间 ； 支 持 总 线 结 构 ： 使 用 总 线 器 件 和 总 线 布 线 使 电 路 设 计 简 明 清 晰 ； 可 输 出 高 质 量 图 纸 ： 通 过 个 性 化 设 置 ， 可 以 生 成 印 刷 质 量 的 BMP 图 纸 ， 可 以 方便 地 供 WORD、 POWERPOINT 等 多 种 文 档 使 用 。 （ 2） 完 善 的 电 路 仿 真 功 能 （ Prospice） ProSPICE 混 合 仿 真 ： 基 于 工 业 标 准 SPICE3F5， 实 现 数 字 /模 拟 电 路 的 混 合 仿 真 ；超 过 27000 个 仿 真 器 件 ： 可 以 通 过 内 部 原 型 或 使 用 厂 家 的 SPICE 文 件 自 行 设计 仿 真 器 件 ， Labcenter 也 在 不 断 地 发 布 新 的 仿 真 器 件 ， 还 可 导 入 第 三 方 发 布 的 仿 真器 件 ； 多 样 的 激 励 源 ： 包 括 直 流 、 正 弦 、 脉 冲 、 分 段 线 性 脉 冲 、 音 频 （ 使 用 wav 文件 ） 、 指 数 信 号 、 单 频 FM、 数 字 时 钟 和 码 流 ， 还 支 持 文 件 形 式 的 信 号 输 入 ； 丰 富 的 虚 拟 仪 器 ： 13 种 虚 拟 仪 器 ， 面 板 操 作 逼 真 ， 如 示 波 器 、 逻 辑 分 析 仪 、 信号 发 生 器 、 直 流 电 压 /电 流 表 、 交 流 电 压 /电 流 表 、 数 字 图 案 发 生 器 、 频 率 计 /计 数器 、 逻 辑 探 头 、 虚 拟 终 端 、 SPI 调 试 器 、 I2C 调 试 器 等 ； 生 动 的 仿 真 显 示 ： 用 色 点 显 示 引 脚 的 数 字 电 平 ， 导 线 以 不 同 颜 色 表 示 其 对 地 电压 大 小 ， 结 合 动 态 器 件 （ 如 电 机 、 显 示 器 件 、 按 钮 ） 的 使 用 可 以 使 仿 真 更 加 直 观 、 生动 ； 高 级 图 形 仿 真 功 能 （ ASF） ： 基 于 图 标 的 分 析 可 以 精 确 分 析 电 路 的 多 项 指 标 ，包 括 工 作 点 、 瞬 态 特 性 、 频 率 特 性 、 传 输 特 性 、 噪 声 、 失 真 、 傅 立 叶 频 谱 分 析 等 ，还 可 以 进 行 一 致 性 分 析 ； （ 3） 独 特 的 单 片 机 协 同 仿 真 功 能 （ VSM） 支 持 主 流 的 CPU 类 型 ： 如ARM7、 8051/52、 AVR、 PIC10/12、 PIC16、 PIC18、 PIC24、 dsPIC33、 HC11、 BasicStamp、 8086、 MSP430 等 ， CPU 类 型 随 着 版 本 升 级 还 在 继 续 增 加 ， 如 即 将 支 持CORTEX、 DSP 处 理 器 ； 支 持 通 用 外 设 模 型 ： 如 字 符 LCD 模 块 、 图 形 LCD 模 块 、 LED 点 阵 、 LED 七 段 显示 模 块 、 键 盘 /按 键 、 直 流 /步 进 /伺 服 电 机 、 RS232 虚 拟 终 端 、 电 子 温 度 计 等 等 ， 其COMPIM（ COM 口 物 理 接 口 模 型 ） 还 可 以 使 仿 真 电 路 通 过 PC 机 串 口 和 外 部 电 路 实 现 双向 异 步 串 行 通 信 ； 实 时 仿 真 ： 支 持 UART/USART/EUSARTs 仿 真 、 中 断 仿 真 、 SPI/I2C 仿 真 、 MSSP仿 真 、 PSP 仿 真 、 RTC 仿 真 、 ADC 仿 真 、 CCP/ECCP 仿 真 ； 编 译 及 调 试 ： 支 持 单 片 机 汇 编 语 言 的 编 辑 /编 译 /源 码 级 仿 真 ， 内 带8051、 AVR、 PIC 的 汇 编 编 译 器 ， 也 可 以 与 第 三 方 集 成 编 译 环 境 （ 如 IAR、 Keil 和Hitech） 结 合 ， 进 行 高 级 语 言 的 源 码 级 仿 真 和 调 试 ； （ 4） 实 用 的 PCB 设 计 平 台 齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 电子 2008 本 综合实践 2 设计报告（论文）7原 理 图 到 PCB 的 快 速 通 道 ： 原 理 图 设 计 完 成 后 ， 一 键 便 可 进 入 ARES 的 PCB设 计 环 境 ， 实 现 从 概 念 到 产 品 的 完 整 设 计 ； 先 进 的 自 动 布 局 /布 线 功 能 ： 支 持 器 件 的 自 动 /人 工 布 局 ； 支 持 无 网 格 自 动 布线 或 人 工 布 线 ； 支 持 引 脚 交 换 /门 交 换 功 能 使 PCB 设 计 更 为 合 理 ； 完 整 的 PCB 设 计 功 能 ： 最 多 可 设 计 16 个 铜 箔 层 ， 2 个 丝 印 层 ， 4 个 机 械 层（ 含 板 边 ） ， 灵 活 的 布 线 策 略 供 用 户 设 置 ， 自 动 设 计 规 则 检 查 ， 3D 可 视 化 预 览 ； 多 种 输 出 格 式 的 支 持 ： 可 以 输 出 多 种 格 式 文 件 ， 包 括 Gerber 文 件 的 导 入 或 导出 ， 便 利 与 其 它 PCB 设 计 工 具 的 互 转 （ 如 protel） 和 PCB 板 的 设 计 和 加 工 。 1.3.4 Proteus 提供了丰富的资源 （ 1） Proteus 可 提 供 的 仿 真 元 器 件 资 源 ： 仿 真 数 字 和 模 拟 、 交 流 和 直 流 等 数 千种 元 器 件 ， 有 30 多 个 元 件 库 。 （ 2） Proteus 可 提 供 的 仿 真 仪 表 资 源 ： 示 波 器 、 逻 辑 分 析 仪 、 虚 拟 终 端 、 SPI调 试 器 、 I2C 调 试 器 、 信 号 发 生 器 、 模 式 发 生 器 、 交 直 流 电 压 表 、 交 直 流 电 流 表 。理 论 上 同 一 种 仪 器 可 以 在 一 个 电 路 中 随 意 的 调 用 。 （ 3） 除 了 现 实 存 在 的 仪 器 外 ， Proteus 还 提 供 了 一 个 图 形 显 示 功 能 ， 可 以 将 线路 上 变 化 的 信 号 ， 以 图 形 的 方 式 实 时 地 显 示 出 来 ， 其 作 用 与 示 波 器 相 似 ， 但 功 能 更 多 。这 些 虚 拟 仪 器 仪 表 具 有 理 想 的 参 数 指 标 ， 例 如 极 高 的 输 入 阻 抗 、 极 低 的 输 出 阻 抗 。 这些 都 尽 可 能 减 少 了 仪 器 对 测 量 结 果 的 影 响 。 （ 4） Proteus 可 提 供 的 调 试 手 段 Proteus 提 供 了 比 较 丰 富 的 测 试 信 号 用 于 电 路的 测 试 。 这 些 测 试 信 号 包 括 模 拟 信 号 和 数 字 信 号 。 1.3.5 电路功能仿真 在 PROTEUS 绘 制 好 原 理 图 后 ， 调 入 已 编 译 好 的 目 标 代 码 文 件 ： *.HEX， 可 以 在PROTEUS 的 原 理 图 中 看 到 模 拟 的 实 物 运 行 状 态 和 过 程 。 PROTEUS 是 单 片 机 课 堂 教 学 的 先 进 助 手 。 PROTEUS 不 仅 可 将 许 多 单 片 机 实 例 功 能 形 象 化 ， 也 可 将 许 多 单 片 机 实 例 运 行 过 程形 象 化 。 前 者 可 在 相 当 程 度 上 得 到 实 物 演 示 实 验 的 效 果 ， 后 者 则 是 实 物 演 示 实 验 难 以达 到 的 效 果 。 它 的 元 器 件 、 连 接 线 路 等 却 和 传 统 的 单 片 机 实 验 硬 件 高 度 对 应 。 这 在 相 当 程 度 上替 代 了 传 统 的 单 片 机 实 验 教 学 的 功 能 ， 例 ： 元 器 件 选 择 、 电 路 连 接 、 电 路 检 测 、 电路 修 改 、 软 件 调 试 、 运 行 结 果 等 。 课 程 设 计 、 毕 业 设 计 是 学 生 走 向 就 业 的 重 要 实 践 环 节 。 由 于 PROTEUS 提 供 了 实验 室 无 法 相 比 的 大 量 的 元 器 件 库 ， 提 供 了 修 改 电 路 设 计 的 灵 活 性 、 提 供 了 实 验 室 在 数量 、 质 量 上 难 以 相 比 的 虚 拟 仪 器 、 仪 表 ， 因 而 也 提 供 了 培 养 学 生 实 践 精 神 、 创 造 精 神的 平 台 随 着 科 技 的 发 展 ， “计 算 机 仿 真 技 术 ”已 成 为 许 多 设 计 部 门 重 要 的 前 期 设 计 手段 。 它 具 有 设 计 灵 活 ， 结 果 、 过 程 的 统 一 的 特 点 。 可 使 设 计 时 间 大 为 缩 短 、 耗 资 大 为减 少 ， 也 可 降 低 工 程 制 造 的 风 险 。 相 信 在 单 片 机 开 发 应 用 中 PROTEUS 也 能 茯 得 愈 来愈 广 泛 的 应 用 。 使 用 Proteus 软 件 进 行 单 片 机 系 统 仿 真 设 计 , 是 虚 拟 仿 真 技 术 和 计 算 机 多 媒 体 技 术相 结 合 的 综 合 运 用 ， 有 利 于 培 养 学 生 的 电 路 设 计 能 力 及 仿 真 软 件 的 操 作 能 力 ； 在 单片 机 课 程 设 计 和 全 国 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 中 ， 我 们 使 用 Proteus 开 发 环 境 对 学 生进 行 培 训 ， 在 不 需 要 硬 件 投 入 的 条 件 下 ， 学 生 普 遍 反 映 ， 对 单 片 机 的 学 习 比 单 纯 学 习书 本 知 识 更 容 易 接 受 ， 更 容 易 提 高 。 实 践 证 明 ， 在 使 用 Proteus 进 行 系 统 仿 真 开发 成 功 之 后 再 进 行 实 际 制 作 ， 能 极 大 提 高 单 片 机 系 统 设 计 效 率 。 因 此 ， Proteus 有较 高 的 推 广 利 用 价 值 。齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 电子 2008 本 综合实践 2 设计报告（论文）9第二章 设计原理单片机能正常运行少不了最小系统，由晶振和电容构成。单片机只能发出数字信号 1和 0来控制电路，此电路中 LED灯与排阻相连接后与电源正极连接，所以单片机发出 1表示灯亮，发出 0表示灯灭。此报告中以循环点亮为例，附录中附加一些其他点亮流水灯的程序。单片机发出的信号由锁存器锁存并发送给 LED灯，避免灯的非人为闪烁。原理图如下：图 2-1 流水灯电路原理图第三章 proteus 设计电路3.1 从 proteus 库中选取元件（ 1） AT89C51： 单 片 机 ；（ 2） 3WATT470R： 电 阻 ；（ 3） LED-GREEN： LED 发 光 二 极 管 ；（ 4） CAP:电 容 ；（ 5） CAP-ELEC: 电解电容；（ 6） RX8:排 阻 ；（ 7） 74HC573： 锁 存 器 ；（ 8） CRYSTAL:晶 振 。3.2 在 ISIS 编辑区中设计电路按 图 2-1 设 计 原 理 图 ， 在 ISIS 编 辑 区 中 进 行 设 计 ： 合 理 布 置 元 器 件 、 终 端 ， 并连 线 、 设 置 网 络 标 号 、 电 器 检 测 等 。 要 特 别 注 意 正 确 连 线 和 正 确 设 置 网 络 标 号 。图 3-1 流 水 灯 电 路 在 proteus 中 设 计 图齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 电子 2008 本 综合实践 2 设计报告（论文）11第四章 程序的设计和装载4.1 程序设计#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar temp;sbit beep=P23;void delay(uint);void main()temp=0xfe;P1=temp;while(1)temp=_crol_(temp,1);beep=0;delay(100);P1=0xff;beep=1;delay(100);P1=temp;delay(100);void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=574;y0;y-);4.2 程序装载（1）加载、编辑源程序将源程序通过菜单“SourceAdd/Remove Source Files”加载（格式为*.ASM） 、编辑。（2）源程序编译通过菜单“SourceBuild All”编译源程序并生成目标文件（格式为*.HEX） 。若编译失败，可对程序进行修改调试直至编译成功。（3）加载目标代码文件打开元件单片机属性窗口，在“Program File”栏中输入目标代码文件（格式为*.HEX） ；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率 12MHz。齐齐哈尔大学通信与电子工程学院 电子 2008 本 综合实践 2 设计报告（论文）13第五章 PROTEUS 仿真单击按钮 ，启动仿真，其仿真运行片段如图 5-1所示，当前实际温度比预设温度低，所以左上角的 LED发光管亮，上电并加热，若 DS18B20感受的实际温度从 36加到 90或以上时，则左上角的 LED发光管灭，断电并停止加热，当实际温度降低时（如小于 90时） ，则左上角的 LED发光管亮，上电并加热。仿真时，实际水温的加热升高或冷却下降是分别用鼠标指针单击 DS18B20调试器中的左按钮和右按钮来实现的。仿真图如下：图 5-1 灯 1 亮图 5-2 灯 2亮结论通过本次设计实验，使我对综合实践有了进一步的了解，使我在软件的设计水平上有了进一步的提高。在本次设计中，也碰到一些问题，主要是源程序文件较长，逻辑较前几次的设计都更为复杂，对于第一个问题，在程序输入的时候认真小心就足以克服，而对于第二个问题，则是通过认真研究教材，明确设计思想，看懂程序理清思路的方法克服的。通过本实验，我进一步提高了自己分析问题，解决问题的能力。尤其是在理论联系实际的方面，都为今后的学习和工作打下了坚实的基础。 ，通过自己设计的电路进行调试，应用到了我学过的电路原理、模拟电路、数字电路。这对一名作为学习电子专业的学生来说是必不可少的一课，在设计的过程当中对于电路元器件的选择更是让我们受益非浅，不但掌握了许多其他的我们不知道的元件的结构和电器性，还学习到了许多书本中没有的知识。经过苗老师的悉心指导，终于完成了这个作品，我们在制