單片機論文

1、<p><b>　　摘   要</b></p><p>　　單片機作為嵌入式系統(tǒng)的核心器件，廣泛應用于儀器儀表，家用電器，醫(yī)用設備的智能化管理和過程控制等領域。其系統(tǒng)設計包括硬件電路設計、軟件設計和系統(tǒng)調(diào)試三個過程。其中硬件電路設計要進行電路板制作、元器件焊接并且反復調(diào)試，開發(fā)板成本高，開發(fā)周期長。 特別是對于大量的初學者而言，還可能由于設計的經(jīng)驗的不

2、足導致系統(tǒng)無法正常工作甚至損壞。將Proteus作為單片機系統(tǒng)仿真工具，可以很好地解決這個問題，使用 Proteus 進行系統(tǒng)虛擬開發(fā)、仿真設計，成功之后再制作電路板，會縮短開發(fā)周期，提高設計效率，降低開發(fā)成本，這些因素對于產(chǎn)品設計非常重要。本文以一個典型的單片機應用設計為例，使用 Proteus這一強大的EDA工具作為開發(fā)的主要支撐環(huán)境，描述了系統(tǒng)從設計、仿真到實際制作的過程。</p><p>　　關鍵詞：單片

3、機 嵌入式 仿真 Proteus </p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 項目背景分析</p><p>　　單片機作為嵌入式系統(tǒng)的核心器件,其系統(tǒng)設計包括硬件電路設計和程序設計兩個方面,軟件調(diào)試一般必須在電路板制作完成、元器件焊接完畢之后進行,而且電路板的制作、元器件的安裝、焊接費時費力。如果采用單片機

4、系統(tǒng)仿真軟件 Proteus,則不用制作具體的電路板也能夠完成以上工作。使用 Proteus進行系統(tǒng)開發(fā)成功之后再進行實際制作,可以提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)速度,而這些因素對于企業(yè)來講是非常重要的。</p><p>　　1.2 技術發(fā)展趨勢</p><p>　　現(xiàn)代科技的發(fā)展，促進了計算機技術在軟件和硬件上的飛速發(fā)展，利用計算機軟件的仿真技術，可以充分地仿真諸如電路的工作等實際

5、的工程問題。目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲透到科學研究、工程設計、軍事技術、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術以及人們的日常生活等方方面面中。由于社會對掌握嵌入式技術人才的大量需求，使得嵌入式軟硬件工程師成為未來幾年內(nèi)最為熱門的職業(yè)之一，相當一部分高校已開設嵌入式系統(tǒng)的相關課程。 </p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是理論與實踐結合密切的課程。但對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的愛好者而言，往往沒有足夠的資金購買昂貴的開發(fā)板來進行開發(fā)，這時可以

6、選擇通過軟件仿真來學習嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。Proteus是目前最好的能夠虛擬嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中常用的處理器和外圍器件的EDA工具。</p><p>　　Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和

7、結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。</p><p>　　2 Proteus軟件 </p><p>　　2.1 Proteus 簡介</p><p>　　Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司開發(fā)EDA工具軟件，在全球得到了廣泛應用。 Proteus軟件功能強大，它集電路設計、制版及仿真

8、等多種功能于一身，不僅能夠?qū)﹄姽ぁ㈦娮蛹夹g學科涉及的電路進行設計與分析，還能對微處理器進行設計與仿真，并且功能齊全， 界面多彩，是近年來備受電子設計愛好者青睞的一種新型電子線路設計與仿真軟件。Proteus 是一個基于ProSPIC混合模型仿真器，完整的嵌入式系統(tǒng)軟硬件設計仿真平臺，它包含ISIS和ARES應用軟件，其中ISIS是智能原理圖輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)設計與仿真的基本平臺；ARES是高級PCB布線編輯軟件。</p>&l

9、t;p><b>　　其主要特點如下：</b></p><p>　?。?1 ）可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，支持許多型號的單片機仿真以及各種外圍芯片，并且能像其它的EDA軟件那樣進行電路分析，如模擬分析、數(shù)字分析、混合信號分析、頻率分析等；</p><p>　?。?2 ） 提供了虛擬示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、計數(shù)器、電表、虛擬終端等虛擬儀器儀表供選擇

10、用；</p><p>　?。?3 ） 能夠進行SCH原理圖與PCB印制板電路圖的設計；</p><p>　　（ 4 ） 能夠無縫整合其它優(yōu)秀的第三方單片機開發(fā)工具如KeilμVision，并進行聯(lián)調(diào)，以使達到更好的仿真效果。</p><p>　　2.2 Proteus應用方式</p><p>　　（1）運行proteus的ISIS程序后，進入

11、該仿真軟件的主界面。在工作前，要設置view菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pick devices窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對位置，元件參數(shù)設置，元器件間連線，編寫程序；在source菜單Define code generationtools菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴展名等項目；在source菜單的Add/remove sourc

12、e files命令下，加入單片機硬件電路的對應程序；通過debug菜單的相應命令仿真程序和電路的運行情況。</p><p>　?。?）Proteus軟件所提供的調(diào)試手段</p><p>　　Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。</p><p>　　對于單片機硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus 提供了兩種方法：一

13、種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對軟件的分步調(diào)試以看具體的執(zhí)行情況。</p><p>　　對于總體執(zhí)行效果的調(diào)試方法，只需要執(zhí)行debug菜單下的execute菜單項或F12快捷鍵啟動執(zhí)行，用debug菜單下的pause animation菜單項或pause鍵暫停系統(tǒng)的運行；或用debug菜單下的stop animation 菜單項或shift-break組合鍵停止系統(tǒng)的運行。其運行方式也可以選擇工具欄中的相應工具進

14、行。</p><p>　　對于軟件的分步調(diào)試，應先執(zhí)行debug菜單下的start/restart debugging 菜單項命令，此時可以選擇step over 、step into 和 step out命令執(zhí)行程序(可以用快捷鍵F10、F11和ctrl+F11)，執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進入子程序執(zhí)行和跳出子程序執(zhí)行。在執(zhí)行了start / restart debuging命令后，在debug菜單的下面要出現(xiàn)仿

15、真中所涉及到的軟件列表和單片機的系統(tǒng)資源等，可供調(diào)試時分析和查看。</p><p>　　3 Keil C51軟件</p><p>　　單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種Keil軟件圖標是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于MCS-51單片機的匯編

16、軟件有早期的A51，隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。運行Keil軟件需要Pentium或以上的CP

17、U，16MB或更多RAM、20M以上空閑的硬盤空間、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對于使用51系列單片機的愛好者來說是十分必要的，如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選（目前在國內(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真機也很可能只支持該軟件），即使不</p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)概述</b></p><p&g

18、t;　　Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。</p><p>　　Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生

19、成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細介紹Keil C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。</p><p>　　1. Keil C51單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結構</p><p>　　C51工具包的整體結構，如圖(1)所示，其中uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境

20、(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉換成標準的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調(diào)試，也可以直接寫

21、入程序存貯器如EPROM中。</p><p>　　2.使用獨立的Keil仿真器時，注意事項</p><p>　　仿真器標配11.0592MHz的晶振，但用戶可以在仿真器上的晶振插孔中換插其他頻率的晶振?！　?lt;/p><p>　　仿真器上的復位按鈕只復位仿真芯片，不復位目標系統(tǒng)。 </p><p>　　仿真芯片的31腳（/EA）已接至高電平，所

22、以仿真時只能使用片內(nèi)ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插針中的31腳并不與仿真芯片的31腳相連，故該仿真器仍可插入到擴展有外部ROM（其CPU的/EA引腳接至低電平）的目標系統(tǒng)中使用。</p><p>　　3.2 keilC51的編譯過程</p><p>　　μVision2包含一個項目管理器，它可以使8051應用系統(tǒng)設計變得簡單。要創(chuàng)建一個應用，需要按下列步驟進行操作。</p

23、><p>　　啟動μVision2，創(chuàng)建一個項目文件并從器件庫中選擇一個器件。</p><p>　　新建一個源文件并把它加入到項目中。</p><p>　　增加并配置選擇的期間的啟動代碼。</p><p>　　針對目標硬件設置工具選項。</p><p>　　編譯項目并生成可以編程PROM的HEX文件。</p>

24、<p>　　編譯后，C51編譯器產(chǎn)生一個列表文件。文件中包含源代碼、指示信息、匯編清單和字符表。</p><p>　　C51編譯器產(chǎn)生行號，編譯時的時間和日期；</p><p>　　編譯器的運行和產(chǎn)生的目標文件的信息被記錄在案；</p><p>　　列表文件在每個源代碼前沒包含行號和{}的嵌套層數(shù)；</p><p>　　如果錯誤或

25、可能錯誤的代碼存在，一個錯誤或警告信息將顯示出來；</p><p>　　選擇在μVision2-options for taget-listing中的Assembly code代碼指示選項，將在列表文件的匯編代碼處加入源代碼所在的行號；</p><p>　　存儲器一覽表提供了8051存儲器占用信息；</p><p>　　程序中的錯誤和警告總數(shù)包括在文件的結尾處。&l

26、t;/p><p>　　4 硬件電路原器件介紹</p><p>　　4.1 AT89C51單片機</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程

27、可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示。</p><p&

28、gt;　　圖1 AT89C51單片機外觀及引腳分布</p><p>　　4.2 AT89C51單片機原理</p><p>　　目前最常用的單片機為MCS-51，是由美國INTEL公司（生產(chǎn)CPU的英特爾）生產(chǎn)的，89C51是這幾年在我國非常流行的單片機，它是由美國ATMEL公司開發(fā)生產(chǎn)的，其內(nèi)核兼容MCS-51單片機。為此，眾多的廠商都介入了以80C51為代表的8位單片機的發(fā)展，如Phil

29、ips、Siemens（Infineon）、Dallas、ATMEL等公司，我們把這些公司生產(chǎn)的與80C51兼容的單片機統(tǒng)稱為80C51系列。特別是在近年來，80C51系列又有了許多發(fā)展，推出了一些新產(chǎn)品，主要是改善單片機的控制功能，如內(nèi)部集成了高速I/O口、ADC、PWM、WDT等，以及低電壓、微功耗、電磁兼容、串行擴展總線和控制網(wǎng)絡總線性能等。</p><p>　　盡管我們常說，單片機是將中原處理器CPU、存

30、儲器和I/O接口電路等主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，但由于工藝和其他的、方面的原因，很多功能部件。于是，用戶通常的做法是根據(jù)系統(tǒng)設計的需要在外圍擴展功能芯片。隨著集成電路技術的快速發(fā)展和“以人為本”思想在單片機設計上的體現(xiàn)，很多單片機生產(chǎn)廠家充分考慮到用戶的需求，將一些常用的功能部件，如A/D（模/數(shù)轉換器）、D/A(數(shù)/模轉換器)、PWM（脈沖產(chǎn)生器）以及LCD（液晶）驅(qū)動器等集成到芯片內(nèi)部，盡量做到單片機化；同時

31、，用戶還可以提出要求，由廠家量身定做（SOC設計）或自行設計。80C51單片機的結構框圖如圖2所示。</p><p>　　圖2 80C51單片機原理圖</p><p><b>　　5 仿真實驗</b></p><p>　　電路圖如圖3所示，本次仿真實驗選用1+2主從式單片機系統(tǒng)，圖中TERMINAL是Proteus提供的用于觀察串行通信數(shù)據(jù)的

32、虛擬儀器，使用時只需將其TXD和RXD端分別與單片機的TXD和RXD相連。</p><p>　　程序設計方法：主機在主函數(shù)中以查詢法進行按鍵檢測，并以鍵值作為發(fā)送函數(shù)的傳遞參數(shù)。在發(fā)送函數(shù)中查詢TI標志位，分兩步發(fā)送地址幀和數(shù)據(jù)幀；子機在初始化后進入等待狀態(tài)。在中斷接收函數(shù)中，先對地址幀進行判斷，隨后將接收的字符轉化為數(shù)組順序號，通過查表輸出其顯示字模。</p><p><b>

33、　　程序如下：</b></p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　圖3 1+2主從式單片機系統(tǒng)原理圖</p><p>　　#define NODE1_ADDR 1</p><p>　　#

34、define NODE2_ADDR 2</p><p>　　uchar KeyValue=0;</p><p>　　uchar code str[]="0123456789ABCDEF";</p><p>　　uchar pointer_1=0,pointer_2=0;</p><p>　　void delay(uchar

35、 time)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar i,j;</p><p>　　for(i=0;i<130;i++)</p><p>　　for(j=0;j<time;j++);</p><p><b>　　}</b></

36、p><p>　　void proc_key(uchar node_number)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　delay(200);</p><p>　　SCON=0xc0;</p><p>　　TMOD=0x20;</p><p>　　TH1=

37、TL1=0xfd;</p><p><b>　　TR1=1;</b></p><p><b>　　TB8=1;</b></p><p>　　SBUF=node_number;</p><p>　　while(TI==0);</p><p><b>　　TI=0;&l

38、t;/b></p><p><b>　　TB8=0;</b></p><p>　　switch(node_number)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　case 1:</b></p><p><b>

39、　　{</b></p><p>　　SBUF=str[pointer_1++];</p><p>　　if(pointer_1>=16)pointer_1=0;</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　}</b></p><

40、p><b>　　case 2:</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　SBUF=str[pointer_2++];</p><p>　　if(pointer_2>=16)pointer_2=0;</p><p><b>　　break;</b

41、></p><p><b>　　}</b></p><p>　　default:break;</p><p>　　while(TI==0);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p><b>　　}</b></p>

42、<p><b>　　}</b></p><p><b>　　main ()</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b>&l

43、t;/p><p><b>　　P1=0xff;</b></p><p>　　while(P1==0xff);</p><p>　　switch(P1)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0xfe:proc_key(NODE1_ADDR);bre

44、ak;</p><p>　　case 0xef:proc_key(NODE2_ADDR);break;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　#incl

45、ude<reg51.h></p><p>　　#define NODE1_ADDR 1</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　sbit P3_7=P3^7;</p><p>　　uchar code table[16]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0

46、x92,0x82,0xf8,</p><p>　　0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};</p><p>　　void display(uchar ch)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if((ch>=48)&&(ch<

47、=57))P2=table[ch-48];</p><p>　　else if((ch>=65)&&(ch<=70))P2=table[ch-55];</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　main()</b></p><p><b

48、>　　{</b></p><p>　　SCON=0xf0;</p><p>　　TMOD=0x20;</p><p>　　TH1=TL1=0xfd;</p><p><b>　　TR1=1;</b></p><p><b>　　ES=1;</b></p

49、><p><b>　　EA=1;</b></p><p>　　while(1);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void receive(void) interrupt 4</p><p><b>　　{</b></p

50、><p><b>　　RI=0;</b></p><p>　　if(RB8==1)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(SBUF==NODE1_ADDR)</p><p><b>　　{</b></p><p

51、><b>　　SM2=0;</b></p><p>　　P3_7=!P3_7;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>

52、;　　display(SBUF);</p><p><b>　　SM2=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#define NODE2_ADDR 2</p><p>　　

53、#define uchar unsigned char</p><p>　　sbit P3_7=P3^7;</p><p>　　uchar code table[16]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,</p><p>　　0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};</p

54、><p>　　void display(uchar ch)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if((ch>=48)&&(ch<=57))P2=table[ch-48];</p><p>　　else if((ch>=65)&&(ch<=70

55、))P2=table[ch-55];</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　SCON=0xf0;</p><p>　　TMOD=0x20;&

56、lt;/p><p>　　TH1=TL1=0xfd;</p><p><b>　　TR1=1;</b></p><p><b>　　ES=1;</b></p><p><b>　　EA=1;</b></p><p>　　while(1);</p>

57、;<p><b>　　}</b></p><p>　　void receive(void) interrupt 4</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　RI=0;</b></p><p>　　if(RB8==1)</p>

58、<p><b>　　{</b></p><p>　　if(SBUF==NODE2_ADDR)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　SM2=0;</b></p><p>　　P3_7=!P3_7;</p><p&g

59、t;<b>　　}</b></p><p><b>　　return;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　display(SBUF);</p><p><b>　　SM2=1;</b></p><p&g

60、t;<b>　　}</b></p><p>　　仿真的運行結果如圖4所示：</p><p><b>　　圖4仿真運行結果</b></p><p>　　可以看出，除地址編號外，兩個子機的程序完全相同。通過仿真結果來看，主機發(fā)送的字符與從機接收的字符完全一致。</p><p><b>　　6

61、學習體會</b></p><p>　　時光飛逝，一轉眼10周的課程進尾聲了。說起仿真實驗，我認為最重要的就是做好設計的預習，認真的研究書本上的題目，選一個自己有興趣的題目。其次，老師對實驗的講解要一絲不茍的去聽去想，因為只有都明白了，做起實驗就會事半功倍，如果沒弄明白，就迷迷糊糊的去選題目做設計，到頭來一點收獲也沒有。最后，要重視程序的模塊化，修改的方便，也要注重程序的調(diào)試，掌握其方法。</p&

62、gt;<p>　　在這次難得的課程設計過程中我鍛煉了自己的思考能力和動手能力。通過題目選擇和設計電路的過程中，加強了我思考問題的完整性和實際生活聯(lián)系的可行性。在方案設計選擇和芯片的選擇上，培養(yǎng)了我們綜合應用單片機的能力，對單片機的各個管腳的功能也有了進一步的認識。還鍛煉我們個人的查閱技術資料的能力，動手能力，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。并且我們熟練掌握了有關器件的性能及測試方法。 再次感謝老師的輔導以及同學的幫助，是