《单片机技术及 仿真与应用》-1

第１章初识５１单片机及其开发环境56837１.５μＶｉｓｉｏｎ４开发环境介绍１.６Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真环境简介１.７５１单片机基本电路１.８５１系列单片机返回１.１微型机与单片机微型计算机系统一般包括中央处理单元（ＣＰＵ）、存储器（Ｍｅｍｏｒｙ）及输入／输出单元（Ｉ／Ｏ）三大部分，如图１.１所示。ＣＰＵ正如人的大脑一样，控制整个计算机系统的运行。存储器则是存放系统运行所需的程序及数据，包括只读存储器（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ，ＲＯＭ）及随机存取存储器（ＲａｎｄｏｎＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ，ＲＡＭ）。通常ＲＯＭ用来存储程序或永久性的数据，称为程序存储器；ＲＡＭ则是用来暂时存储程序执行时的数据，称为数据存储器。Ｉ／Ｏ是微型计算机系统与外部沟通的管道，其中包括输入端口与输出端口。这三部分分别由不同的元器件组成，然后把它们组装在电路板上，形成一个微型计算机系统。下一页返回１.１微型机与单片机单片微型计算机（即单片机或微控制器）就是把中央处理单元、存储器、输入／输出单元等全部放置在一个芯片里，如图１.２所示，只要再配置几个小元件，如电阻器、电容器、石英晶体、连接器等，就成为一个完整的微型计算机系统。因此整个系统的体积小、成本低、可靠性高，成为目前微型计算机控制系统的主流。上一页返回１.２５１单片机的基本结构概述５１单片机发展至今，虽然有许多厂商各自开发了不同的兼容芯片，但其基本结构变化不大，图１.３为标准的５１单片机结构图。本章先介绍５１单片机的基本结构、引脚、基本电路及５１系列等，其中引脚结构需要熟记，本书提供记忆技巧，很快记住４０个引脚和基本电路。返回１.３５１单片机的引脚与封装１.ＰＤＩＰ４０与ＰＤＩＰ４２５１单片机在教学过程中最常用的是４０个引脚双列直插式封装（ＰｌａｓｔｉｃＤｕａｌＩｎｌｉｎｅＰａｃｋａｇｅ，简称ＰＤＩＰ），如图１.４所示，还有一种双列直插式封装如图１.５所示，即ＰＤＩＰ４２。ＰＤＩＰ４０与ＰＤＩＰ４２引脚数量不相同，尺寸差异也很大。ＰＤＩＰ４０特别适用于学校培训机构使用，但由于体积较大，制作成本较高，很少在商业里使用。根据上述要诀，很容易记住这些引脚的位置和基本功能。需要补充说明的是，５１单片机的４０个引脚里有很多是复用引脚，简单讲就是多用途的引脚，以３９脚到３２脚为例，一般情图１.６ＱＦＰ封装况下为Ｐ０；若是连接外部存储器时，则当成ＡＤ０～ＡＤ７引脚，而ＡＤ０～ＡＤ７就是地址引脚与数据引脚混合的复用引脚，但如果不接外部存储器时就可以当它不存在。下一页返回１.３５１单片机的引脚与封装２.ＱＦＰ与ＰＬＣＣ封装５１单片机的ＱＦＰ封装有ＰＱＦＰ和ＴＱＦＰ两种，均为扁平的４４引脚表贴式封装，其体积小，成本低，是目前商业主流，学校和培训结构几乎不用，其引脚如图１.６所示。５１单片机中，ＰＬＣＣ也是一种常用的封装方式，也为４４引脚表贴式封装，其引脚封装顺序与ＱＦＰ类似，如图１.７所示，但这种封装可直接卡在电路板上，如图１.８所示，适用于实验室及大批量生产。上一页返回１.４一个简单ＬＥＤ灯循环点亮实验一、实验目的（１）了解５１单片机的开发过程，获得单片机系统制作的感性认识。（２）了解５１单片机的汇编语言和Ｃ语言编程结构。二、实验要求８个ＬＥＤ灯Ｄ１～Ｄ８由单片机控制，先是全亮，然后Ｄ１～Ｄ８依次由单片机的Ｐ２口控制被点亮。三、电路图系统电路如图１.９所示。依次点亮过程如图１.１０所示。四、程序流程图程序的流程图如图１.１１所示。下一页返回１.４一个简单ＬＥＤ灯循环点亮实验五、程序设计在μＶｉｓｉｏｎ４中新建工程，加入汇编程序ｃｈ０１.ａｓｍ或Ｃ５１程序ｃｈ０１.ｃ，μＶｉｓｉｏｎ４开发环境在１.５节介绍。在Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真环境下绘制图１.９，仿真运行该实验，Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真环境在１.６节介绍。汇编语言参考程序如下：上一页下一页返回１.４一个简单ＬＥＤ灯循环点亮实验上一页下一页返回１.４一个简单ＬＥＤ灯循环点亮实验Ｃ语言参考程序如下。上一页下一页返回１.４一个简单ＬＥＤ灯循环点亮实验上一页返回１.５μＶｉｓｉｏｎ４开发环境介绍１.５.１μＶｉｓｉｏｎ４开发界面μＶｉｓｉｏｎ４的开发界面如图１.１２所示，包含一个５１单片机开发环境所必需的工具，如文件编辑、片内外设所连接窗口（如Ｐ０～Ｐ３运行观察窗口）、运行信息窗口、存储器信息显示窗口、调试等工具。为便于工程运行，可以展开寄存器（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）窗口、存储器信息显示窗口和变量观察窗口进行监视，还可以打开其他许多窗口进行调试。μＶｉｓｉｏｎ４把一个项目当作一个工程来开发，开发过程分为两个阶段，第一阶段是编辑程序，编译工程（ｂｕｉｌｄ），生成目标程序和可执行文件，如.ＨＥＸ文件；第二阶段，对编译生成的可执行文件进行调试和仿真。具体运行过程如下。下一页返回１.５μＶｉｓｉｏｎ４开发环境介绍１.新建工程新建一个文件夹，如ｔｅｓｔ０１，用以保存同一工程下的相关文件。在Ｐｒｏｊｅｃｔ菜单下选择ＮｅｗＰｒｏｊｅｃｔ选项，在弹出窗口中，输入工程名ｔｅｓｔ１，系统自动添加扩展名。２.设置工程单击Ｐｒｏｊｅｃｔ菜单下的“ＯｐｔｉｏｎｓｆｏｒＴａｒｇｅｔ‘Ｔａｒｇｅｔ１’”选项，弹出工程设置窗口，如图１.１３所示。或在工程窗口中右键单击Ｔａｒｇｅｔ１，在弹出菜单中选择“ＯｐｔｉｏｎｓｆｏｒＴａｒｇｅｔ‘Ｔａｒｇｅｔ１’”。上一页下一页返回１.５μＶｉｓｉｏｎ４开发环境介绍１.５.２演示步骤（１）新建文件夹：ｔｅｓｔ０１。（２）在文件夹ｔｅｓｔ０１中，新建工程ｔｅｓｔ１（工程的扩展名会自动添加）。（３）将１.４节ｃｈ０１.ａｓｍ文件复制到文件夹ｔｅｓｔ０１中，并添加到工程ｔｅｓｔ１中。（４）在Ｐｒｏｊｅｃｔ菜单的下拉选项中，单击“ＯｐｔｉｏｎｓｆｏｒＴａｒｇｅｔ‘Ｔａｒｇｅｔ１’”，在设置窗口中进行以下操作：上一页下一页返回１.５μＶｉｓｉｏｎ４开发环境介绍（５）在Ｐｒｏｊｅｃｔ菜单下，选择“ＲｅｂｕｉｌｄａｌｌＴａｒｇｅｔｆｉｌｅｓ”选项，生成文件ｔｅｓｔ１.ｈｅｘ，该文件可以下载到目标机上进行仿真调试。（６）选择Ｄｅｂｕｇ菜单下的“Ｓｔａｒｔ／ＳｔｏｐＤｅｂｕｇＳｅｓｓｉｏｎ”选项，进入调试状态。（７）选择Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ菜单下“Ｉ／ＯＰｏｒｔｓ”选项上的“Ｐｏｒｔ２”。（８）在Ｄｅｂｕｇ菜单下以Ｓｔｅｐ（单步）方式运行，观察Ｐｏｒｔ２窗口变化状态。也可以使用Ｒｕｎ（连续运行）方式，观察ＬＥＤ状态变化。上一页返回１.６Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真环境简介１.６.１Ｐｒｏｔｅｕｓ的安装目前，较新的版本是Ｐｒｏｔｅｕｓ８.０，其可适用于ＸＰ和Ｗｉｎ７用户。Ｐｒｏｔｅｕｓ７.８是稍早用于ＸＰ用户的版本，下面分别介绍Ｐｒｏｔｅｕｓ７.８和Ｐｒｏｔｅｕｓ８.０的安装。（１）在Ｋｅｉｌ目录下的Ｃ５１／ＢＩＮ文件夹中，查看是否有ＶＤＭ５１.ＤＬＬ文件，若没有，将其复制到Ｋｅｉｌ目录下的Ｃ５１／ＢＩＮ文件夹中。（２）查看Ｋｅｉｌ目录下的ＴＯＯＬＳ.ｉｎｉ文件，是否有ＴＤＲＶ３＝ＢＩＮ＼ＶＤＭ５１.ＤＬＬ（“ＰｒｏｔｅｕｓＶＳＭＳｉｍｕｌａｔｏｒ”）的字样，字符串“ＴＤＲＶ”后面的数字要按照顺序排列，保证不能重复，要根据自己的情况设置该语句，如图１.１４所示，表示在ＫｅｉｌμＶｉｓｉｏｎ４可以选择用“ＰｒｏｔｅｕｓＶＳＭＳｉｍｕｌａｔｏｒ”进行仿真。下一页返回１.６Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真环境简介Ｐｒｏｔｅｕｓ８.０安装主要有以下步骤：（１）下载好压缩包，并进行解压，运行“Ｓｅｔｕｐ.ｅｘｅ”安装程序，勾选“Ｉａｃｃｅｐｔｔｈｅｔｅｒｍｓｏｆ..”之类的选项框，单击“Ｎｅｘｔ”按键弹出如图１.１５所示的界面，选择第一个“Ｕｓｅａｌｏｃａｌｌｙｉｎｓｔａｌｌｅｄｌｉｃｅｎｓｅｋｅｙ”，意思是说使用本地的授权文件。（２）单击“Ｎｅｘｔ”→“Ｎｅｘｔ”两下，弹出如图１.１６所示的界面。（３）单击“ＢｒｏｗｓｅＦｏｒＫｅｙＦｉｌｅ”按键，找到解压包的Ｃｒａｃｋ目录下的ＬＩＣＥＮＣＥ.ｌｘｋ文件，单击“Ｉｎｓｔａｌｌ”按键后在弹出的提示框单击“是”按键。界面如图１.１７所示。上一页下一页返回１.６Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真环境简介（４）单击“Ｃｌｏｓｅ”按键关闭，弹出如图１.１８所示的界面，意思是问要不要导入Ｐｒｏｔｅｕｓ７的配件文件，把三项全部选中。（５）单击“Ｎｅｘｔ”按键后，再单击“Ｔｙｐｉｃａｌ”，选择典型安装模式，如图１.１９所示。（６）然后按提示操作，单击“Ｎｅｘｔ”按键，直到安装结束。接下来两步操作很重要，请仔细看。（７）找到解压包的Ｃｒａｃｋ目录下的“ｂｉｎ”文件夹，复制整个文件夹到Ｐｒｏｔｅｕｓ８.０的安装目录，一般为“Ｃ：＼ＰｒｏｇｒａｍＦｉｌｅｓ＼ＬａｂｃｅｎｔｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＼Ｐｒｏｔｅｕｓ８Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ”。上一页下一页返回１.６Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真环境简介（８）找到解压包的Ｃｒａｃｋ目录下的“ＭＯＤＥＬＳ”文件夹，复制整个文件夹到“Ｃ：＼ＤｏｃｕｍｅｎｔｓａｎｄＳｅｔｔｉｎｇｓ＼ＡｌｌＵｓｅｒｓ＼ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＤａｔａ＼ＬａｂｃｅｎｔｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＼Ｐｒｏｔｅｕｓ８Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ”目录（仅针对ＸＰ用户），如果是Ｗｉｎ７用户，将“ＭＯＤＥＬＳ”复制到“Ｃ：＼Ｕｓｅｒｓ＼ＡｌｌＵｓｅｒｓ＼ＬａｂｃｅｎｔｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＼Ｐｒｏｔｅｕｓ８Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ”目录，“Ｃ：＼ＤｏｃｕｍｅｎｔｓａｎｄＳｅｔｔｉｎｇｓ＼ＡｌｌＵｓｅｒｓ＼ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＤａｔａ”一般会隐藏的，如果无法找到，请做如下操作：选择工具菜单→文件夹选择→查看→把“显示所有文件和文件夹”选中。至此，安装Ｐｒｏｔｅｕｓ８.０完成。上一页下一页返回１.６Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真环境简介１.６.２Ｐｒｏｔｅｕｓ的使用在“开始”→“所有程序”→“Ｐｒｏｔｅｕｓ８Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ”中，选择“Ｐｒｏｔｅｕｓ８Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ”，进入Ｐｒｏｔｅｕｓ８.０开发界面，如图１.２０所示。或在“开始”→“所有程序”→“Ｐｒｏｔｅｕｓ７Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ”中，选择“ＩＳＩＳ７Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ”，进入Ｐｒｏｔｅｕｓ７.８开发界面。单击图１.２０中的ＩＳＩＳ快捷键，即可像Ｐｒｏｔｅｕｓ７进入ＩＳＩＳ开发界面一样。在ＰｒｏｔｅｕｓＩＳＩＳ开发界面中，如图１.２１所示，工作区是用来绘制原理图的地方。缩略图区是对工作区的一个概览。器件工具栏是常用公共器件的列表，里面含有大量的公共元器件，如常用的ＶＣＣ、ＧＮＤ、Ｂｕｓｅｓ（总线绘制工具）等，熟练使用会提高绘图效率。上一页下一页返回１.６Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真环境简介对５１单片机加载程序的办法，如图１.２３所示。在ＡＴ８９Ｃ５１单片机上单击右键，在弹出的窗口中选择“编辑属性”，在“编辑元件”选项对话框中单击“ＰｒｏｇｒａｍＦｉｌｅ”按钮，选择ＡＴ８９Ｃ５１单片机运行时所要运行的程序，与实物运行时一样，选择已将程序编译成十六进制的ｈｅｘ文件。若原理图已绘制完毕，且此时已将程序加载完毕，单击仿真工具条中的“开始”按钮，即可进行仿真。１.６.３μＶｉｓｉｏｎ４＋Ｐｒｏｔｅｕｓ运行单片机仿真Ｐｒｏｔｅｕｓ可直接运行μＶｉｓｉｏｎ编译好的目标文件达到仿真目的。首先，在μＶｉｓｉｏｎ下编译无误后，在工程设置选项卡的Ｄｅｂｕｇ选项页，选择“ＰｒｏｔｅｕｓＶＳＭＳｉｍｕｌａｔｏｒ”，不同软件版本，字符串“ＰｒｏｔｅｕｓＶＳＭＳｉｍｕｌａｔｏｒ”会有不同，但大致是一个意思。如果是本机的Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真，在“ＶＤＭＳｅｒｖｅｒＳｅｔｔｉｎｇｓ”中设置“Ｈｏｓｔ”为“１２７.０.０.１”，如图１.２４所示。上一页下一页返回１.６Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真环境简介最后，把ＰｒｏｔｅｕｓＩＳＩＳ和μＶｉｓｉｏｎ都打开，在μＶｉｓｉｏｎ中，单击开始调试按钮，ＰｒｏｔｅｕｓＩＳＩＳ和μＶｉｓｉｏｎ一起运行，开始仿真。在μＶｉｓｉｏｎ中单步执行，在ＰｒｏｔｅｕｓＩＳＩＳ中可以看到单步执行的效果，如图１.２６所示。在调试时，μＶｉｓｉｏｎ４版本下默认打开的是反汇编窗口，可以直接关闭或在调试模式下，单击“Ｖｉｅｗ”菜单下的“ＤｉｓａｓｓｅｍｂｌｙＷｉｎｄｏｗ”，关闭反汇编功能。上一页返回１.７５１单片机基本电路所谓“基本电路”是指５１单片机工作时最基本的连接线路，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路和存储器设置电路四部分，如图１.２７所示。１.电源电路将５１单片机４０脚接＋５Ｖ的ＶＣＣ，２０脚接地即可。２.时钟电路５１单片机内部已有振荡电路，只需将１８、１９脚连接石英晶体（Ｃｒｙｓｔａｌ）和微调电容（２个，３０ｐＦ左右）即可。对于８９Ｓ５１的时钟脉冲频率，Ａｔｍｅｌ公司提供的频率为０～２４ＭＨｚ，其他公司提供了４０ＭＨｚ的版本，甚至还有更高，但目前主要使用的还是１２ＭＨｚ，本书使用了１２ＭＨｚ和１１.０５９２ＭＨｚ两种。如不再设计一个振荡电路，大体采用图１.２７的接线方式即可。下一页返回１.７５１单片机基本电路３.复位电路当５１单片机的第９脚接高电平超过２个机器周期（１个机器周期含１２个脉冲周期，１２ＭＨｚ的晶振频率，其１个机器周期为１μｓ，参考后续章节）时，即产生复位。如图１.２７所示，当按键按下瞬间，电容器Ｃ上没有电荷，相当于短路，第９脚直接接到ＶＣＣ；当按键松开后，随时间增加，电容器上的电压逐渐增加，第９脚的电压逐渐降至低电平，此时５１单片机恢复常态。如果复位电路中的电阻为１００ｋΩ，电容为０.１μＦ，其时间常数就大于２μｓ，此时电容器旁边的按键就相当于一个手动复位键。上一页返回１.８５１系列单片机ＭＣＳ－５１系列（Ｍｉｃｒｏ－ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＳｙｓｔｅｍ）单片机分为基本型（５１系列）和增强型（５２系列）两大类。其最大的特点就是增强型（５２系列）是基本型（５１系列）内部存储器的容量加倍，外接的存储器容量不变，定时器／计数器增加一个，价格相差不大。本书只讲５１系列单片机的分类，按照片内ＲＯＭ区分，有四种类型，如表１.１所示。１.无ＲＯＭ类型８０３１单片机为无ＲＯＭ类型，使用时，其必须外接程序存储器，现已很少使用。２.ＭａｓｋＲＯＭ类型下一页返回１.８５１系列单片机８０５１单片机为ＭａｓｋＲＯＭ类型，程序直接放入这种类型单片机的程序存储器中。不能刻录程序，因此价格低廉，但这种单片机需要制作其特有光罩（Ｍａｓｋ），量大时才适合生产，如键盘里使用的单片机。３.ＥＰＲＯＭ类型８７５１单片机为ＥＰＲＯＭ类型，这种单片机可以通过紫外线擦除ＲＯＭ里的数据，从而使其可以运行不同的程序。如图１.２８所示，刻录时，通过芯片上的窗口，可看到芯片的内部与连接线，刻录完毕后，在窗口贴上黑色胶布以防数据消失。擦除时，使用紫外线照射窗口１５～３０ｍｉｎ即可。由于成本高，擦除麻烦，目前几乎很少使用。上一页下一页返回１.８５１系列单片机４.Ｅ２ＰＲＯＭ类型８９Ｃ５１／８９Ｓ５１单片机为使用Ｆｌａｓｈ技术的Ｅ２ＰＲＯＭ类型单片机，如图１.２９所示。其中８９Ｃ５１单片机使用５Ｖ及１２Ｖ电压刻录与擦除程序；而８９Ｓ５１只用５Ｖ电压刻录与擦除程序，已成为主流使