單片機課程設計方案實驗報告文件

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51單片機應用設計與仿真

基于KeilC與Proteus

院校

成都理工大學工程技術學院

專業(yè)

測控技術與儀器

學號

200920303235

姓名

李剛

指導老師

趙老師

成績

目錄

第一章 51單片機結構和原理…………………２

１.１５１單片機的結構…………………２

第二章 相關編程軟件與仿真軟件的介紹………３

2.1從標準C轉向KeilC…………………３

2.2KeilC上機的基本方法…………………３

2.3Proteus簡介……………４

第三章 基于單片機的PID溫度控制系統(tǒng)………５

3.1PID溫控器簡介……………５

3.28051存儲系統(tǒng)擴展和PID溫控器的存儲系統(tǒng)設計………………５

3.2.1PID溫控器存儲系統(tǒng)設計…………………5

3.3人機接口和PID溫控器的輸入/輸出設計及仿真…６

3.3.1八段LED顯示器……………6

3.3.2LED顯示器的顯示方式………8

3.3.3PID溫控器LED顯示及仿真…………………9

３.３.４鍵盤監(jiān)測基本原理………12

3.3.5PID溫控器的鍵盤設計及其Proteus仿真…13

3.3.6PID溫控器的爐溫采樣接口及仿真………16

第四章 總結與展望……………22

參考文獻………………22

第一章 51單片機結構和原理

單片微型計算機簡稱單片機，也稱為微控制器(MicroControllerUnit),英文縮寫為MCU.單片機的結構及功能均是按照工業(yè)控制要求而設計的，它把微型計算機的宮格功能部件（中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、輸入輸出I/O接口、定時器/計數器以及串行通信接口等）集成在一塊芯片上，構成一個完整的微型計算機，故又稱為單片微型計算機。除工業(yè)領域外，單片機還廣泛應用于各種民用電子、電器之中。

MCS-51是由美國INTEL公司20世紀80年代生產的一系列8位單片機的總稱，此系列單片機包括很多型號，如：8031、8051、8751、8032、8052等，其中8051是最早最典型的產品。該系列其他單片機都是在8051的基礎上進行功能的增、減改變而來的，所以人們習慣用8051來稱呼ＭＣＳ－８０５１系列單片機，而其中的８０３１在２０世紀８０年代末９０年代初是我國最流行的單片機之一。ＩＮＴＥＬ公司后來將MCS-51的核心技術授權給了其他公司，現在生產8051內核單片機的公司，主要有ATMEL、WINBOND、NXP、ＮＣＤＲＡＧＯＮ等。

隨著技術的發(fā)展，各種高性能的１６位、３２位ＭＣＵ不斷出現，但以８０５１、ＰＩＣ、ＡＶＧ以及ＭＣ６８ＨＣ等系列為典型代表的８位ＭＣＵ，由于成本低、開發(fā)工具完善、易學易用等特點，仍具有強大的生命力和極高的實使用價值。

１.１５１單片機的結構

1.1.1１基本結構

８０５１單片機的基本結構為：

8位CPU，片內振蕩器。

4KB程序存儲器ROM（4096個8位淹沒ROM）。

128字節(jié)的數據存儲器RAM（128個8位淹沒RAM）。

21個特殊功能寄存器。

32條I/O口線。

外部數據存儲器尋址空間為64KB。外部程序存儲器尋址空間為64KB。

2個16位的可編程定時/計數器。

中斷結構：具有5個中斷源，2個優(yōu)先級。

一個全雙工串行通信口。

有位尋址功能，適于布爾處理的位處理機制。

1.2.18051單片機引腳圖

圖表

SEQ圖表\*ARABIC

1

at89c51單片機

第二章 相關編程與仿真軟件的介紹

常用的單片機語言有很多，如：匯編、C語言、BASIC、C++等，對51單片機而言，使用最為廣泛的還是匯編語言和C語言。有經驗的程序員用匯編語言可以寫出高效率的程序，但每種語言都有自己個子的特點。

2.1從標準C轉向KeilC

C51是專門為51系列單片機設計的，根據51單片機自身的特點進行了若干擴展，與ANSIC在語法和庫函數方面存在稍許差別，但絕大部分是兼容的。但在學習中，使用最多的還是KeilC8.08uVision3。

2.2KeilC上機的基本方法

2.2.1uVision3中編程的基本步驟

☆在uVision3集成開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建一個新項目（Project），并為該項目選定合適的單片機型號。

☆利用uVision3的文件編譯器編寫C語言（或者匯編語言）源程序文件，并將文件添加到項目中去。

☆通過uVision3的各種選項，配置Cx51編譯器、Ax51宏編譯器、BL51/Lx51連接定位器以Debug調試器的功能。

☆利用uVision3的構造功能對項目中的源程序文件進行編譯鏈接，生成絕對目標代碼和可選的HEX格式的可執(zhí)行文件，如果出現編譯鏈接錯誤則返回上一步，修改源程序中的錯誤后重新構造整個項目。

☆將沒有錯誤的絕對目標代碼裝入uVision3調試器進行仿真調試，調試成功后用編程器將可執(zhí)行文件寫入到單片機應用系統(tǒng)的程序存儲器或者單片機內部的FlashROM中。

2.2.2uVision上機注意事項

◎C51源程序汗?jié)h字注釋內容時，刪除、插入漢字會出現亂碼。解決方法為：選擇Edit|Configuration菜單項，彈出界面，將C源程序文本字體選擇為DotumChe,此字體可避免出現漢字亂碼現象。

◎原版的KeilC編譯器會忽略編碼為0xFD的字符，當編寫中文顯示程序時會出現問題，應安裝針對這一問題的專用補丁，許多KeilC安裝包都含有該補丁程序，安裝時間可根據幫助文件安裝該補丁。

2.3Proteus簡介

Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)仿真軟件，組合了高級原理圖設計工具ISIS、混合模式SPICE仿真、PCB設計以及自動布線而形成了一個完整的電子設計系統(tǒng)。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析各種模擬和數字電路，并且對ＰＣ機的硬件配置要求不高。

2.3.1Proteus與KeilC的聯合仿真

目前，單片機仿真軟件很多，ProteusISIS與其他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，也能夠仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其他電路的工作情況。一次在仿真和程序調試時，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容的改變，而是從工程師的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。同事，當原理圖調試成功后，利用ProteusARES軟件，很容易獲得PCB圖，為今后的制造提供了方便。

Keil是美國KeilSoftware公司開發(fā)的，是目前世界上最好的51單片機的匯編和C語言的開發(fā)工具。它支持匯編、C語言以及混合編程，同時具備功能強大的軟件仿真，在軟件模擬仿真方式下不需要任何單片機硬件即可完成用戶程序仿真調試；雖然Keil也提供了硬件仿真（用Monitor51協(xié)議，需要硬件支持）功能，但我們在利用它的硬件仿真功能的時候，它會受到一定的限制。如果我們將ProteusISIS與Keil整合起來使用，充分利用各自的仿真功能，單片機軟硬件的調試將變的十分有效。

打開LED.dsn，刪除LED設計頁中的ULA2003A驅動部分，在LED設計頁新建一個子電路LED_DRIVER，為該子電路見撒謊那個輸入/輸出端子。移動鼠標指針帶子電路上。按Ctrl+C計入子電路所在的設計頁，原ULA2003驅動部分加上相應的端子。由于LED的驅動部分有多中方案，將來采用別的方案時不需要做任何的修改。用BUTTON元件繪出鍵盤的部分，并為行掃描線和列掃描線上的端子命名，此處不采用Proteus中現成的鍵盤模型是為了是讀者更透徹的理解鍵盤的設計和按鍵識別的原理，但在商業(yè)產品的開發(fā)中可購買現成的鍵盤模塊。

第三章 基于單片機的PID溫度控制系統(tǒng)

3.1PID溫控器簡介

PID溫控器原理圖

電爐內的熱電阻溫度傳感器測出的溫度信號經運算放大器放大和模/數轉換后，由8051讀出電阻爐爐溫，控制程序根據當前爐溫和目標溫度的偏差，按照一定的控制方法控制開關K的開與斷，提供適當的加熱功率，以使爐溫盡快趨近目標溫度。PID溫控器還通過串口與PC通信，以實現遠程監(jiān)控。LED和鍵盤用于人機接口，交流電過零檢測部分可使8051只在正弦交流電零點附近控制開關K的通與斷，以避免對交流電斬波而造成干擾。

本設計是接口技術、應用系統(tǒng)設計、Proteus仿真的結合，介紹存儲系統(tǒng)、人機接口、數據采集、串口通信等知識及其在PID溫控器設計中的應用于仿真，從個子系統(tǒng)開始，設計并逐步完善，直至整個應用系統(tǒng)的實現。

3.28051存儲系統(tǒng)擴展和PID溫控器的存儲系統(tǒng)設計

3.2.1PID溫控器存儲系統(tǒng)設計

PID溫控器的存儲系統(tǒng)設計中使用了一片3-8譯碼器74LS138來產生各芯片所需的片選信號。6264

信號來自于74LS138的輸出。另外，要是為低電平選中6264，則C、B、A的輸出應為011，由此可以計算出6264的二進制地址范圍為0110000000000000~0111111111111111,寫成十六進制為0x6000~0x7fff，2764的地址范圍為0x0000~0x1fff。

下圖為溫控系統(tǒng)的仿真原理圖

溫控系統(tǒng)擴展圖

3.3人機接口和PID溫控器的輸入/輸出設計及仿真

鍵盤和顯示器是最常用的人機交互設備，在單片機系統(tǒng)中顯示器常用筆段式LED或者多段式液晶LCD做顯示設備，如微波爐、洗衣機、DVD等家用電器采用此類顯示方式。輸出內容較復雜的系統(tǒng)也有才有字符型點陣式LED、字符型LCD等，這里只介紹八段LED顯示器，可用于數字和部分字符顯示。

3.3.1八段LED顯示器

下圖為筆段式八段LED數碼管原理圖。LED顯示器有共陰極和共陽極之分，其中的每段為一個發(fā)光二極管，常用的有紅綠兩種。共陰極LED的com公共端應接低電平，割斷引腳接高電平則該段點亮，接低電平則該段熄滅。共陽極LED與其相反。

不考慮com端，可知共陽極顯示字符0時的各段二進制編碼為11000000，寫成十六進制為0xC0。

以下是以C語言形式給出的共陽極LED能顯示的部分數字和字符編碼，課直接用在C51程序中。

unsignedcharcodeLED_CODES[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,

0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff,0x0c,0x89,0x7f,0xbf};

段位置以編號

共陽極LED

共陰極LED

3.3.2LED顯示器的顯示方式

實際使用LED時，一般將幾個八段顯示器排列成一組使用，其中的一個LED顯示器被稱為一位。

多位LED顯示器的顯示方式分為靜態(tài)方式和動態(tài)掃描方式。靜態(tài)方式中各LED的段引腳和com端都獨立接線，這種方式的好處是程序相對簡單，顯示無閃爍；缺點是功耗大。采用動態(tài)掃描時，各LED的段引

腳鏈接在一起，而com段獨立，程序是通過控制各LED的com端的電平來決定點亮某一位LED。其優(yōu)點是功耗小，缺點為編程相對復雜，當CPU負擔較重時可能達不到理想的刷新速度，導致效果變差。

LED靜態(tài)顯示仿真圖

測試程序代碼：

/*LED靜態(tài)顯示程序段*/

#include<absacc.h>

#include<reg51.h>

unsignedcharcodeLED_CODES[]={

0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,

0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,

0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,

0x8e,0xff,0x0c,0x89,0x7f,0xbf};

voidmain()

{XBYTE[0X0100]=LED_CODES[9];

XBYTE[0X0200]=LED_CODES[6];

XBYTE[0X0300]=LED_CODES[3];

while(1);

}

仿真結果如下圖：

3.3.3PID溫控器LED顯示及仿真

下圖為PID溫控器LED顯示部分的Proteus仿真原理圖。8255A是一個教復雜的并行接口芯片，在PID溫控器主要用作I/O口擴展，用于LED的顯示。在編程時應注意，由于8255A的復位時間較長，字應用程序訪問8255A之前，應有足夠的延時保證8255A已正確復位。

PID溫控器LED顯示仿真原理圖

圖中有6位動態(tài)掃描共陰極LED，它們的段引腳A～G、DP是并聯在一起的；引腳1~6位是各位LED的com端，相互獨立。8255A端口C經74LS244的相同輸出S0～S7作為LED的段驅動信號，當某位LED各段全部點亮時，com端電流會達到120~150mA，所以，選用驅動能力較強的ULN2003A作為驅動器件。8255Ａ端口Ｂ的ＰＢ０～ＰＢ５經ＵＬＮ２００３Ａ反相后的輸出Ｂ０～Ｂ５，作為ＬＥＤ的位選信號，排阻Ｒ１０～Ｒ１

５作為ＵＬＮ２００３Ａ的下拉電阻。

測試程序：

／＊顯示頭文件＊／

………………………

/*display.h*/

#definebase0x0000

#defineport_a(base)

#defineport_b(base+1)

#defineport_c(base+2)

#defineport_control(base+3)

#defineleds6

#defineca0

#definecc1

voidturn_on(charled,charchnumber,charmode);

voidledsoff();

voidonebyone(chardatas[]);

externvoidinit8255();

unsignedcharcodeselect[];

unsignedcharcodeled_codes[];

/*顯示Ｃ程序*/

………………………

/*display.c*/

#include"absacc.h"

#include"reg51.h"

#include"display.h"

unsignedcharcodeselect[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20};

unsignedcharcodeled_codes[]={0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,

0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,0xFF,0x0C,0x89,0x7F,0xBF};

voidinit8255()

{unsignedchari,j;

for(j=0;j<10;j++)

for(i=0;i<255;i++)

XBYTE[port_control]=0x90;

ledsoff();

}

voidturn_on(charled,charchnumber,charmode)

{if(mode==ca)

XBYTE[port_c]=led_codes[chnumber];

Else

XBYTE[port_c]=～led_codes[chnumber];

XBYTE[port_b]=select[led];

}

voidledsoff()

{XBYTE[port_b]=0x00;}

/*PID溫控器LED動態(tài)顯示*/

………………………

/*main.c*/

#include"reg51.h"

#include"display.h"

voidmain()

{unsignedintm;

unsignedchari;

init8255();

i=leds-1;

while(1)

{

ledsoff();

for(m=1000;m!=0;m--);

turn_on(i,i,cc);

for(m=1000;m!=0;m--);

if(i==0)i=leds-1;

elsei--;

}

}

仿真結果如下圖：

ＰＩＤ溫控器ＬＥＤ動態(tài)顯示運行效果圖

３.３.４鍵盤監(jiān)測基本原理

鍵盤猶如一個開關，其原理圖如下圖。當鍵盤未閉合時，Ａ點為高電平，當Ｋ閉合后，電路導通，Ａ點電平

拉低，如將Ａ點以某種方式介入計算機系統(tǒng)，計算機就可以通過檢測Ａ點電平的高低來判別Ｋ鍵是否閉合。

在鍵的按下和松動過程中，電平都有一個抖動的過程，會引發(fā)鍵的誤檢測。電平抖動過程一般持續(xù)５～１０

ｍｓ，對抖動過程的處理有硬件消抖和軟件消抖，在鍵較少時可采用硬件方式。但當按鍵較多時適合用軟件消抖方式，如矩陣式鍵盤。

１）．獨立式鍵盤

下圖是獨立式鍵盤的接線示意圖。其優(yōu)點是電路簡單，檢測方便；缺點是與矩陣鍵盤相比，占用太多I／O口,浪費資源。

獨立式鍵盤

2）矩陣式鍵盤

下圖是矩陣式鍵盤原理圖。圖中的鍵盤為4行4列共16個鍵，行掃描線為X0、X1、X2，X3，列掃描線為Y0、Y1、Y2、Y3。矩陣鍵盤的識別有行掃描法和行反轉法兩種。

3.3.5PID溫控器的鍵盤設計及其Proteus仿真

PID溫控器鍵盤原理圖：

打開LED.dsn，刪除LED設計頁中的ULA2003A驅動部分，在LED設計頁新建一個子電路LED_DRIVER，為該子電路見撒謊那個輸入/輸出端子。移動鼠標指針帶子電路上。按Ctrl+C計入子電路所在的設計頁，原ULA2003驅動部分加上相應的端子。由于LED的驅動部分有多中方案，將來采用別的方案時不需要做任何的修改。

用BUTTON元件繪出鍵盤的部分，并為行掃描線和列掃描線上的端子命名，此處不采用Proteus中現成的鍵盤模型是為了是讀者更透徹的理解鍵盤的設計和按鍵識別的原理，但在商業(yè)產品的開發(fā)中可購買現成的鍵盤模塊。

測試程序：

/*按鍵按下識別子程序：keycheck*/

………………………

#include"absacc.h"

#include"display.h"

#include"reg51.h"

voiddelay()；

chari;

for(i=255;i!=0;i--);}

charkeycheck(char*row,char*col)

{unsignedchart1,t2,t3,i;

unsignedcharresult=0;

P1=0XF0;

t1=P1;

if(t1==0XF0)gotoexit;

for(i=11;i!=0;i--)

delay();

t1=P1;

if(t1==0XF0)gotoexit;

result=1;

/*求列號*/

t2=0X80;t1=~t1;

for(i=4;i!=0;i--)

{t3=t2&t1;

if(t3!=0)

{*col=i-1;break;}

elset2=t2>>1;}

t1=～t1;

t1=t1|0X0F;

P1=t1;

t1=P1;

/*求行號*/

t2=0X08;t1=～t1;

for(i=4;i!=0;i--)

{t3=t2&t1;

if(t3!=0)

{*row=i-1;break;}

elset2=t2>>1;}

exit:

returnresult;}

實驗仿真結果：

該鍵盤顯示的是第一行第一個鍵按下時的情景

３.３.６Ａ/Ｄ、Ｄ/Ａ轉換以及PID溫控器的溫度采集子系統(tǒng)

在計算機實時測量和智能化儀表等應用系統(tǒng)中，經常會遇到從時間到數值均連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、位移、速度等，與此相對應的電信號稱為模擬信號。因單片機只能處理數字量，因此這些模擬電信號必須轉化為離散的數字信號，才能被送給單片機進行相應的處理。將模擬信號轉化為數字量的器件稱為A/D轉換器，簡稱A/D。

A/D轉化器的主要技術指標

分辨率

分辨路是指輸出數字量變化的一個相鄰數碼所需要輸入模擬電壓的變化量。習慣上用輸出的二進制位數或BCD碼位數表示。例如，分辨率為12位的A/D轉換器，表示該轉化器的輸出數據可以用2^12個二進制數進行量化。分辨率用唄分數表示如下：

1/2^12*100%=1/4096*100%=0.0244%

故一個滿刻度為10V的12位A/D轉換器能夠分辨輸入電壓變化的最小值為2.4V。

量化誤差

量化誤差是指由A/D轉換器的優(yōu)先分辨率多引起的誤差。若不考慮其他誤差的影響，一個分辨率有限的A/D轉換器的階梯狀轉移特性曲線與具有無限分辨率的A/D轉換器轉移特性曲線（直線）之間的最大誤差，稱為誤差量化。提高分辨率能夠減少量化誤差。

轉換精度

轉換精度是指A/D轉換器的時間量化值與理想A/D轉換器的差值。轉換精度可以分為絕對精度和相對精度，是由非線性、零點刻度、滿量程刻度以及溫漂等因素所引起的誤差。

轉換速率

轉換速率就是指能夠重復進行數據轉換的速度，即每秒轉換的次數。而完成一次的A/D轉換所需要的時間，則是轉換速率的倒數。

A/DC0809芯片介紹

ADC0809為8位逐次逼近式A/D轉換器，CMOS工藝。ADC0809的綜合功能如下：

分辨率為8位；

最大不可調誤差為±1LSB；

單一的+5V供電，模擬輸入范圍為0-5V；

具有鎖存控制的8路模擬開關；

可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容；

功耗15mW；

不必進行零點和精度調整；

轉換速率取決于芯片的時鐘頻率。時鐘頻率范圍：10-1280kHz，當時鐘為500kHz時，轉換速率為128us。

3.3.6PID溫控器的爐溫采樣接口及仿真

PID溫控器A/D轉換原理

下圖是PID溫控器的仿真原理圖；

PID溫控器仿真Ａ／Ｄ轉換仿真局部圖

圖中的P1為ＣＰＵ訪問外數據存儲器空間地址０ｘ２ｘｘｘ時７４ＬＳ１３８的譯碼輸出，當ＣＰＵ寫０ｘ２ｘｘｘ時，可使ＡＤＣ０８０８鎖存數據總線上Ｄ0、Ｄ1、Ｄ2的輸入通道號，CPU讀0x2xxx時，可使A/D轉換結果讀到CPU中。

測試程序：

/*ADC0808的程序段*/

………………………

#include<ADC0808.c>

#include<display.h>

#include<absacc.h>

#include<REG51.H>

unsignedchargetData2

(unsignedcharADC_Chip,unsignedcharchannel)

{unsignedcharflag=0;

unsignedcharvalue=-1;

unsignedxdataale;

switch(ADC_Chip)

{caseADC_0808:

P3=P3|0x08;

XBYTE[ADC0808_START_PORT]=channel;

P3=P3&0xdf;

P3=P3|0x20;

P3=P3&0xdf;

flag=P3;

while(1)

{ale=1;

flag=flag&0x08;

if(flag==0)break;

flag=P3;}

value=XBYTE[ADC0808_DATA_PORT];

returnvalue;

break;}}

主程序

………………………

#include<ADC0808.C>

#include<display.h>

#include<REG51.H>

#include<absacc.h>

voidmain()

{

unsignedcharvalue;

unsignedintk;

charstrIndexs[6]={20,20,20,20,1,12};

Init8255();

while(1)

{

value=getData1(ADC_0808,1);

for(k=100;k!=0;k--)

dispStr(strIndexs,value,1);

LedsOff();

}

}

仿真結果：

3.3.7測溫放大電路與ADC0808的接口及仿真

在前面已經完成了測溫放大電路的分析和設計，現在考慮將其整合到前面的PID溫控器的仿真設計中，最終的仿真原理圖如下：

整體原理圖：

測溫仿真效果圖

測試程序：

測溫放大程序

………………………

#include<reg51.h>

#include<absacc.h>

#include<display.h>

#defineADC_08081

#defineADC0808_DATA_PORT0x2000

#defineADC0808_QUERY_PORT0x4000

#defineADC0808_START_PORT0x2000

voidturn_on_withdot(charled,charchnumber,charmode);

unsignedchargetdata2(unsignedcharADC_Chip,unsignedcharchannel)

{unsignedcharflag=0;

unsignedcharvalue=-1;

unsignedxdataale;

switch(ADC_Chip)

{caseADC_0808:

P3=P3|0x08;

XBYTE[ADC0808_START_PORT]=channel;

P3=P3&0xdf;

P3=P3|0x20;

P3=P3&0xdf;

flag=P3;

while(1)

{ale=1;

flag=flag&0x08;

if(flag==0)break;

flag=P3;

}

value=XBYTE[ADC0808_DATA_PORT];

returnvalue;

break;}

}

voidmain()

{

u