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花样流水灯汇编
1.单片机的认识和介绍
单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机,单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
它最早是被用在工业控制领域。
而在此次设计中用的是AT89C51单片机,故只对它进行仔细的介绍。
1.1AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器。
是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
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。
与MCS-51兼容
1.1.1特性概述:
AT89C51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C51
1.1.2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P0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,它可以被定义为数据/地址的低八位。
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外部必须接上拉电阻。
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口作为低八位地址接收。
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:
口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(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
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低位字节。
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。
1.1.3内部结构
MCS-51系列单片机内部都采用模块式结构,其结构组成框图如图1.0所示
图1.0
1.1.4振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
1.1.5芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
2.所用软件介绍
2.1原理图绘制--Proteus软件
Proteus软件是英国Labcenterelectronics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,处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年又增加了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
2.1.1Proteus软件功能特点
(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
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
2.1.2Proteus软件基本操作
(1)选择元件:
P按钮
常用元件所在库及名称
名称所在库名元件名
51单片机MicroprocessorAT89C51
电阻Resistors
排阻ResistorsRESPACK
电容Capacitors
晶振MiscellaneousCRYSTAL
继电器Switches&RelaysG2R
三级管Transistors
7段数码管Optoelectronics7SEG-COM-AN(共阳)
7SEG-COM-CAT(共阴)
LED同上LED-BLUE/GREEN
两位、四位数码管同上7SEG-MPX2/MPX4
(2)选择要使用的元件
在PickDevice窗口双击相应元件名称,即可将元件添加到主界面左侧的列表中
(3)放置元件到绘图区
单击列表中的元件,然后在右侧的绘图区单击,即可将元件放置到绘图区。
(每单击一次鼠标就绘制一个元件,在绘图区空白处单击右键结束这种状态)
(4)删除元件
右击元件一次表示选中(被选中的元件呈红色),选中后再一次右击则是删除。
(5)移动元件
右击选中,然后用左键拖动。
(6)旋转元件
左下角旋转工具栏
(7)元件连线
在引脚上鼠标指针变成X状,单击,移动到目的引脚,再次单击。
(8)删除连线
同删除元件
(9)绘制电源和地
单击工具栏上的左起第8个工具(Inter-SheetTerminal),左侧工具栏显示TERMINALS,可在其中选择POWER或GROUND,像放置元件一样放置到绘图区
2.1.3电路仿真
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。
2.2编程软件—Keil软件
2.2.1Keil软件简介
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。
运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。
另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
2.2.2Keil软件系统的整体结构
C51工具包的整体结构,uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境(IDE),可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。
目标文件可由LIB51创建生成库文件,也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件,以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试,也可由仿真器使用直接对目标板进行调试,也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
2.2.3使用独立的Keil仿真器时,注意事项
(1)仿真器标配11.0592MHz的晶振,但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。
(2)仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片,不复位目标系统。
(3)仿真芯片的31脚(/EA)已接至高电平,所以仿真时只能使用片内ROM,不能使用片外ROM;但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连,故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM(其CPU的/EA引脚接至低电平)的目标系统中使用。
[1]
2.2.4Keil软件优点
1.KeilC51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
2.与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发,体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。
3.设计任务
用AT89C51单片机以及其他的一些元件组成一小的控制系统,来控制16个LED灯泡依次循环点亮就叫LED流水灯,它用在夜间建筑物装饰方面。
例如在建筑物的棱角上装上流水灯,可起到变换闪烁美不胜收的效果。
4.硬件电路设计
4.1设计原理图
如下图1.1所示,为花样流水灯原理图
图1.1
从原理图中可以看出,如果要让接在P1.0口的LED1亮起来,那么只要把P1.0口的电平变为低电平就可以了;相反,如果要接在P1.0口的LED1熄灭,就要把P1.0口的电平变为高电平;同理,接在P1.1~P1.7口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。
因此,要实现流水灯功能,我们只要将发光二极管LED1~LED8依次点亮、熄灭,8只LED灯便会一亮一暗的做流水灯了。
在此我们还应注意一点,由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短,我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间,否则我们就看不到“流水”效果了。
4.2单片机最小系统
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路.
下面给出一个51单片机的最小系统电路图.如图1.2所示
图1.2
4.2.1单片机
一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机。
4.2.2复位电路
复位电路由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C取10u,R取8.2K.当然也有其他取法的,而本设计用的就是C取10Uf,R取10K。
原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。
(1)复位电路的用途
单片机复位电路就好比电脑的重启部分,当电脑在使用中出现死机,按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。
单片机也一样,当单片机系统在运行中,受到环境干扰出现程序跑飞的时候,按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。
单片机复位电路如下图1.3所示
图1.3
(2)复位电路的工作原理
在书本上有介绍,51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现。
在单片机系统中,系统上电启动的时候复位一次,当按键按下的时候系统再次复位,如果释放后再按下,系统还会复位。
所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。
开机的时候单片机为复位
在电路图中,电容的的大小是10uF,电阻的大小是10k。
所以根据公式,可以算出电容充电到电源电压的0.7倍(单片机的电源是5V,所以充电到0.7倍即为3.5V),需要的时间是10K*10UF=0.1S。
也就是说在电脑启动的0.1S内,电容两端的电压时在0~3.5V增加。
这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少(串联电路各处电压之和为总电压)。
所以在0.1S内,RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。
在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号,而大于1.5V的电压信号为高电平信号。
所以在开机0.1S内,单片机系统自动复位(RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右)。
4.2.3晶振电路
晶振电路:
典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)。
单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF,并且电容离晶振越近越好,晶振离单片机越近越好4.P0口为开漏输出,作为输出口时需加上拉电阻,阻值一般为10k。
设置为定时器模式时,加1计数器是对内部机器周期计数(1个机器周期等于12个振荡周期,即计数频率为晶振频率的1/12)。
计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。
设置为计数器模式时,外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。
在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。
当某周期采样到一高电平输入,而下一周期又采样到一低电平时,则计数器加1,更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。
由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期,因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。
当晶振频率为12MHz时,最高计数频率不超过1/2MHz,即计数脉冲的周期要大于2ms。
4.3单片机接口电路设计
4.3.1振荡电路设计
用两个无极性电容,其值都为22PF两者相并联,再和一个值为12M的晶振相串联,引出的两端子分别接在单片机的XTAL1和XTAL2接口上。
XTAL1是反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
而XTAL2是来自反向振荡器的输出。
如图1.4所示
图1.4
4.3.2LED灯接口设计
用8个LED灯D2-D9和8个220的电阻R3-R10分别一一对应相串联,作为第一组并引出一条总线。
将P0口的各个串行接口也一一接在总线上。
因为P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,所以每脚可吸收8TTL门电流。
当P0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,它可以被定义为数据/地址的低八位。
而另一组LED灯接法和上一组一样,都是8个灯D10-D17与8个电阻R11-R18相串联,然后都接于总线上,在将P2口的8个串行接口也接于总线。
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。
如图1.5所示
图1.5
4.4电路元器件
4.4.1元器件选择
符号
名称
型号
数量
U1
单片机
AT89C51
1
X1
晶振
CRYSTAL/12M
1
R
电阻
RES/10K
17
C1C2
电容
POLYPRO22P
2
C3
电容
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