《单片机系统设计与制作》-任务2

任务导入本任务通过单片机闪烁灯的设计与制作，使学生了解单片机输入/输出(I/O)端口的工作原理，以及发光二极管和接口电路的工作原理;掌握单片机常用开发工具、仿真软件和编程器的使用。与此同时，在设计电路并安装印制电路板(或万能板)、进行电路元器件安装、进行电路参数测试与调整的过程中，进一步锻炼学生印制板制作、焊接技术等技能;加深对电子产品生产流程的认识。任务学习目标见表2.1.返回知识链接一、单片机I/O端口结构在51系列单片机中，有4个双向并行I/O口P0~P3，每个端口都由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。单片机与外部设备交换信息时，都是通过端口进行的。在进行写端口操作时，CPU将内部总线的数据经锁存器和输出驱动器送到端口引脚;在进行读端口操作时，CPU将端口锁存器或引脚数据经输入缓冲器传送至内部数据总线。4个I/O端口都可作输入/输出口使用，其中P0口和P2口还可用于对外部存储器或外部扩展设备的访问。下一页返回知识链接在扩展外部存储器或外部设备时，把pou作为地址/数据总线接口使用，分时输出外部存储器或外部设备的低8位地址和8位数据。当扩展的外部存储器或外部设备的地址为16位时，把P2口用作地址总线接口，输出高8位地址。P3口除可作通用I/O口外，其各位还可作为第二功能使用。1.P0口图2.1所示为P0口的位结构图。2.P1口图2.2所示为P1口的位结构图。3.P2口图2.3所示为P2口的位结构图。上一页下一页返回知识链接4.P3口图2.4所示为P3口的位结构图。二、Keil集成开发软件的使用①单击图标进入KeilC51后，屏幕如图2.5所示，编辑界面如图2.6所示。②建立一个新工程。单击“Project”菜单，在弹出的下拉菜单中选中“NewProject”选项，屏幕如图2.7所示。③选择要保存的路径，输入工程文件的名字，比如:保存到C51目录里，工程文件的名字为C51，如图2.8所示，然后单击“保存”按钮。上一页下一页返回知识链接④这时会弹出一个对话框，要求选择单片机的型号，读者可以根据自己使用的单片机来选择。KeilC51几乎支持所有51内核的单片机，这里还是以大家用得比较多Atmel的89C52来说明，如图2.9所示，选择89C52之后，右边栏是对这个单片机的基本说明，然后单击“确定”按钮。⑤完成上一步骤后，屏幕如图2.10所示。到现在为止，还没有编写一句程序，下面开始编写第一个程序。⑥在图2.11中，单击“File”菜单，在下拉菜单中单击“New”选项，屏幕如图2.11所示。新建文件后，屏幕如图2.12所示。上一页下一页返回知识链接此时光标在编辑窗口里闪烁，便可以键入用户的应用程序了，但最好首先保存该空白的文件。单击菜单上的“File”，在下拉菜单中单击“SaveAs”选项，屏幕如图2.13所示。在“文件名”栏右侧的编辑框中，键入欲使用的文件名，同时，必须键入正确的扩展名。注意，如果用C语言编写程序，则扩展名为(.c);如果用汇编语言编写程序，则扩展名为(.asm)。然后单击“保存”按钮。⑦回到编辑界面后，单击“Target1”前面的“+”号，然后在“SourceCroup1”上右击，弹出如图2.14所示菜单。单击“AddFiletoGroup‘SourceCroup1屏幕如图2.15所示。选中“Tcx1.c"，然后单击"Add"，屏幕如图2.16所示。上一页下一页返回知识链接⑧输入C语言的源程序。在输入程序时，要事先保存待编辑的文件，即KeilC51会自动识别关键字，并以不同的颜色提示用户加以注意，这样会使用户少犯错误，有利于提高编程效率。⑨单击“Project”菜单，在下拉菜单中单击(或者直接单击图标）后，如图2.17所示，单击“Output”，选中“CreateHEXFile”选项，使程序编译后产生HEX代码，供下载器使用，把程序下载到单片机中就可以查看程序运行的结果了。三、Proteus仿真软件的使用ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。上一页下一页返回知识链接该软件的特点如下。①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真的结合。②支持主流单片机系统的仿真。③提供软件调试功能。支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51等软件。④具有强大的原理图绘制功能。1.Proteus7Professional界面简介安装完Proteus后，单击ISIS7快捷方式，运行ISIS7Professional，会出现如图2.18所示界面。上一页下一页返回知识链接

ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，包括标题栏、主菜单栏、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口和原理图编辑窗口。对窗口内各部分进行中文说明，如图2.18所示，各部分的功能简单介绍如下。

(1)原理图编辑窗口(TheEditingWindow)顾名思义，它是用来绘制原理图的。蓝色方框内为可编辑区，元件要放到它里面。注意，这个窗口是没有滚动条的，可用预览窗口来改变原理图的可视范围。

(2)预览窗口(TheOverviewWindow)上一页下一页返回知识链接它可显示两个内容:一个是当在元件列表中选择一个元件时，它会显示该元件的预览图;另一个是当鼠标指针落在原理图编辑窗口时(即放置元件到原理图编辑窗口后或在原理图编辑窗口中单击鼠标后)，它会显示整张原理图的缩略图，并会显示一个绿色的方框，绿色方框里面的内容就是当前原理图窗口中显示的内容，因此，可通过用鼠标在它上面单击来改变绿色方框的位置，从而改变原理图的可视范围。(3)模型选择工具栏(ModeSelectorToolbar)

主要模型(MainModes)选择元件(components(默认选择)、放置连接点、放置标签(使用总线时会用到)、放置文本、用于绘制总线、用于放置子电路、用于即时编辑元件参数。上一页下一页返回知识链接配件(Gadgets):终端接口(terminals)、器件引脚、图标模型、录音机、信号发生器(generators)、电压探针、电流探针、虚拟仪表。2D图形(2DGraphics)

:画直线、画方框、画圆、画圆弧、画多边形、画文本、画符号、画原点。

(4)元件列表(TheOlyeetSelector用于挑选元件(components)、终端接口(terminale)、信号发生器(generators)、仿真图表(graph)等。(5)方向工具栏(OrientationToolbar)旋转:旋转角度只能是90°的整数倍。翻转:完成水平翻转和垂直翻转。上一页下一页返回知识链接使用方法:先右击元件，再单击(左击)相应的旋转图标。(6)仿真工具栏仿真控制按钮:运行、单步运行、暂停、停止。2.操作实例利用Proteus仿真如图2.19所示电路的运行结果。

(1)绘制原理图绘制原理图要在原理图编辑窗口中的蓝色方框内完成。原理图编辑窗口的操作是不同于常用的Windows应用程序的，正确的操作是:用左键放置元件;右键选择元件;双击右键删除元件;右键拖选多个元件;先右键后左键编辑元件属性;上一页下一页返回知识链接先右键后左键拖动元件;连线用左键，删除用右键;改连接线:先右击连线，再左键拖动;滚轮(中键)缩放原理图。单击“P”按钮，出现挑选元件对话框电路图的绘制，涉及的按钮分别为:将所需元器件加入到对象选择器窗口。单击对象选择器按钮，如图2.20所示。弹出“PickDevices”页面，在MicroprocessorICs库中查找或在“Keywords”中输入AT89CS1，系统在对象库中进行搜索查找，并将搜索结果显示在“Results”中，如图2.21所示。在“Results”栏的列表项中，双击“AT89C51”，则可将“AT89CS1”添加至元件列表中。上一页下一页返回知识链接最后，按图进行连线。(2)添加仿真文件先右击AT89C51，再左击，在出现的对话框中，单击”ProgramFile“，出现文件浏览对话框，找到编译后的十六进制文件，如P1.hex文件，单击“确定”，完成添加文件，在"ClockFrequency”中把频率改为11.0592MHz，单击”OK”退出。(3)仿真单击开始仿真。(4)KeilC与Proteus连接调试上一页下一页返回知识链接双击“KeiluVision2”图标，进入KeilVision2集成开发环境，创建一个新项目(Pro-ject)，并为该项目选定合适的单片机CPU器件(如Atmel公司的AT89C51)，并为该项目加入KeilC51或ASM51源程序。单击“Project”菜单中的“OptionsforTarget”选项或者单击工具栏的“optionfortarget”按钮，弹出窗口，单击"Output"，在“CreateHEXFile”前打钩，单击"Debug”按钮，出现如图2.22所示页面。在出现的对话框的右栏上部的下拉菜单里选中“ProteusVSMSimulator”，并且单击"Use”前面表明选中的小圆点。上一页下一页返回知识链接再单击“Settings”按钮，设置通信接口，在“Host”后面添上“127.0.0.1”，如果使用的不是同一台电脑，则需要在这里添上另一台电脑的IP地址(另一台电脑也应安装Pro-teus)。在“Port”后面添加“8000”。设置好后如图2.23所示，单击“OK”按钮即可。最后将工程编译，进入调试状态，并运行。进入Proteus的ISIS,鼠标单击菜单“Debug”，选中“UseRemoteDebugMonitor”，如图2.23所示。此后，便可实现KeilC与Proteu*连接调试。单击仿真运行开始按钮，能清楚地观察到P0。所接的发光二极管在闪烁，仿真运行界面如图2.24所示。上一页下一页返回知识链接四、常用编程器的使用本书以炜煌WH-SODA编程器为例，如图2.25所示。编程器可编程目前常用的MCS-51系列单片机，包括INTEL,PHILIPS,ATMEL和L(;公司生产的各型单片机17种。编程算法严格按各型号单片机厂家提供的编程算法执行。

1.单片机编程的常规步骤安装WH-SODA编程软件后，双击图标，烧写程序步骤如下。①使用编译软件把汇编语言源程序编译成BIN格式文件，或由EPROM等存储器读出存盘，产生BIN格式文件。②在编程器监控状态下，把芯片插在插座上并锁紧。上一页下一页返回知识链接③进行芯片型号选择操作，如图2.26所示。④进行芯片全空检查操作。89系列非空应执行“芯片擦除操作”，87系列非空应使用紫外线擦除。⑤进行芯片固化操作。固化首地址通常为0.⑥进行芯片校验操作。⑦进行单片机加密操作。用户视情况选择不同的加密等级或不加密。⑧在编程器监控状态下，拔下芯片。此操作根据器件的编程特性自动完成对器件的编程操作，可提高芯片的编程效率。上一页下一页返回知识链接如果此时序列号发生器处于工作状态，在每次自动编程成功后，序列号自动加1。单击按钮可实现自动编程，将程序烧写至单片机中，如图2.27所示。2.注意事项①不能在三个插座上同时插有两个或两个以上器件。②芯片型号要与选定的编程型号一致。③编程器处于忙状态时不能插拔芯片。3.固化失败常见原因①电源电压超差。电源变换器电压要求:210~230V②芯片没有擦干净。上一页下一页返回任务实施一、任务分析本任务要求在单片机最小系统的基础上控制单个LED闪烁发光，在P1.0端口上接一个发光二极管D1，使D1不停地一亮一灭，一亮一灭的时间间隔为0.25。用KeilC51,Proteus等作开发工具，进行仿真，并在一块万能板或PCB上制作分立元件电路，如图2.28所示。下载程序并测试好，最后需完成项目报告。1.总体方案设计单片机控制单个LED闪烁灯的电路，主要包括单片机的最小系统和LED灯。单片机控制单个LED闪烁灯方框图如图2.29所示。下一页返回任务实施2.硬件电路设计只需在单片机最小系统的基础上，在P0口接1个220Ω电阻驱动的发光二极管。原理图如图2.30所示。3.软件设计(1)程序流程图程序流程图如图2.31所示。(2)汇编程序上一页下一页返回任务实施上一页下一页返回任务实施(3)C语言程序上一页下一页返回任务实施4.电路仿真利用Proteus仿真软件对系统进行电路仿真，仿真结果如图2.32所示，P1.0端口上的发光二极管D1以0.2s时间间隔闪烁。二、安装与调试1.任务所需设备、工具、材料任务所需设备、工具、材料见表2.2。2.系统安装参照原理图和装配图，具体安装步骤如下。①检查元器件质量。②在万能板(或PCB板)上焊接好元器件。上一页下一页返回任务实施③检查焊接电路。④用编程器将.hex文件烧写至单片机。⑤将单片机插入IC座。3.系统调试

(1)硬件调试硬件调试是系统的基础，只有硬件能够全部正常工作后，才能在以此为基础的平台上加载软件，从而实现系统功能。电源部分提供整个电路所需的各种电压(包括AT89Cs1所需的稳压电源+5v)，由电源变压器和整流滤波电路及两个辅助稳压输出构成。上一页下一页返回任务实施电源变压器的功率由需要输出的电流大小决定，确保有充足的功率余量。先确定电源是否正确，单片机的电源引脚电压是否正确，是不是所有的接地引脚都接了地。如果单片机有内核电压的引脚，测试一下内核电压是否正确。检查LED灯是否接反或烧坏。测量晶振有没有起振，一般情况下，如果晶振起振，两个引脚都会有一点几伏的电压。检查复位电路有没有问题。测量单片机的ALE引脚，看是否有脉冲波输出，判断单片机是否工作，因为51单片机的ALE为地址锁存信号，每个机器周期输出两个正脉冲。上一页下一页返回任务实施

(2)软件调试如果硬件电路检查后没有问题，却实现不了设计要求，则可能是软件编程的问题。首先应检查主程序，然后是分段程序，要注意逻辑顺序、调用关系，以及涉及的标号，有时会因为一个标号而影响程序的执行。除此之外，还要熟悉各指令的用法，以免出错。还有一个容易忽略的问题就是，源程序生成的代码是否烧入单片机中。如果这一过程出错，则不能实现设计要求一也是情理之中的事。

(3)软、硬件联调软件调试主要是在系统软件编写时体现的，一般使用Keil进行软件的编写和调试。进行软件编写时，首先要分清软件应该分成哪些部分，不同的部分分开编写和调试是最方便的。上一页下一页返回任务实施在硬件调试正确和软件仿真也正确的前提下，就可以进行软硬件联调。首先，将调试好的程序通过下载器下载入单片机，然后上电看结果，观察系统是否能够实现所要的功能。如果不能，就先利用示波器观察单片机的时钟电路，看是否有信号，因为时钟电路是单片机工作的前提，所以一定要保证时钟电路正常。如果不能分析出是硬件问题还是软件问题，就重新检查软硬件。一般情况下，硬件电路可以通过万用表等工具来检测，如果硬件没有问题，则必然是软件问题，就应该重新检查软件。用这种方法调试系统直至完全正确。上一页返回任务总结与评价一、任务总结本制作在单片机的最小系统基础上，外接1个LED灯，适合初学者快速入门，迅速掌握单片机I/O口结构组成及工作原理。本制作元器件少，成功率高，修改和扩展性强。任务完成后需撰写设计总结报告，撰写设计报告是工程技术人员在产品设计过程中必须具备的能力。下一页返回任务总结与评价设计总结报告中应包括摘要、目录、正文、参考文献、附录等，其中正文要求有总体设计思路、硬件电路图、程序设计思路(含流程图)及程序清单、仿真调试结果、软硬件综合调试、测试及结果分析等。二、任务评价本任务的评价指标及评价内容在项目