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牛丽婷：单片机教学实验箱的开发与研究
单片机教学实验箱的开发与研究
应用物理0802 牛丽婷 指导老师 王学
摘要：在本文中，这个仿真实验箱的设计是为了方便8051单片机的学习，LED灯的仿真示例是AT89C51的一个很基础的应用，大家通过这个实验可以了解Keil μVision编程软件和Proteus 7 Professional仿真软件的使用。这里包含了流水灯，用指拨开关设置音调，音乐播放，秒表和LCD汉子显示以及点阵的滚动显示，电子密码锁等很多有趣的实验，可以增添初学者对单片机的兴趣。
关键词：单片机，仿真， AT89C51，实验箱
Abstract: In this paper, functional based simulator has been designed to facilitate the study of the 8051 microcontroller, The simulation example of LED lamp is a basing application about AT89C51. everyone have some knowledge about the use of Keil μVision programming software and Proteus 7 Professional simulation software. This includes water lights,the switch setting tone, music player, a stopwatch and LCD Chinese characters display and dot matrix rolling display, electronic password lock and many other interesting experiments, can be added to the interest of microcontroller beginners.
Keywords: Microprocessor, Simulation, AT89C51, Experimental box
前言
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，有乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（PUSH）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源，内有128个RAM单元及4K的ROM、16位定时计数器、4个8位并行输入口[5]。汇编语言 (Assembly Language)是面向机器的程序设计语言.是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言，比机器语言易于读写、调试和修改[11]。仿真实验箱包括流水灯、音乐播放、秒表、LCD显示、LED滚动显示、电子密码锁等应用。
1 实例介绍
1.1 流水灯
1.1.1 LED灯的仿真示例
实验要求能对Keil软件和Proteus软件有初步的认识和了解，学会使用Keil软件进行简单的程序编写和调试、链接，学会使用Proteus软件进行简单的实验仿真。单片机仿真实验箱要用到Keil软件和Proteus软件。下面介绍仿真实验的基本步骤[11]。

图1 启动 Keil μVision后的界面
（1）建立源文件和工程
打开Keil软件，出现如图1所示的界面。单击File→New，开启一个新的源程序编辑窗口，将下面的源程序输入其中。
CLR P1.0
HERE：SJMP HERE
END
输入完毕后，单击File→Save，给该文件取名保存。一般汇编程序以“.asm”或“.A51”为扩展名，如图2所示。

图2 源程序的保存
在项目开发中，除源程序外，还需要选择CPU，确定编译/汇编、链接的参数，制定调试的方法等。为管理和使用方便，Keil使用工程将所需设置的参数和文件都加在一个工程中，只对工程进行编译和链接等操作。建立工程的步骤如下：单击Project→New Project，出现创建新工程的对话框，如图3所示。要求起一个工程名并保存，一般应把工程和源文件保存在同一个文件夹中。进入下一步，选择目标CPU，如图4所示，这里选择Atmel公司的89C51为例，单击“确定”按钮可返回主界面。

图3 新工程的建立
工程建好后，会出现如图5所示的对话框，询问是否要将80C51的标准启动代码源程序复制到工程所在文件夹，并将这一源程序文件加入到工程中。使用C语言编程且要修改启动代码时应选“是”，使用汇编语言则应选择“否”。
（2）将源程序加入到工程中
单击工程工作空间Target1下方的Source Group1，使其反白显示，然后单击鼠标右键，在出现的快捷菜单中选择Add Files to Group ‘Source Group1’，出现如图6所示的对话窗口。Keil默认加入C源文件，因此要加入汇编语言源文件，需单击“文件类型”下拉列表右侧的下三角按钮，选“Asm Source file（*.s*；*.src；*.a*）”项，才能将文件夹下的*.asm文件显示出来。将这个文件加入到工程中。如果不再需要其他文件，单击Close按钮关闭这个对话框。

图4 为工程选择目标CPU

图5询问是否需要将8051的标准启动代码源程序复制到工程所在文件夹

图6 加入文件对话框
关闭对话框后回到主界面，刚加入的文件名出现在工程管理器的Source Group 1下一级。工程建好后，还要对工程做出进一步的设置，以满足每个工程个性化的要求。如图7，单击Output标签进入输出设置选项卡，一般设置都取默认值。如图8，要选中Greate HEX file。设置完毕后单击“确定”返回主界面，工程文件建立、设置完毕。

图7 存储器使用等状况的设置

图8 对输出进行控制
设置好工程后，即可进行编译、链接。编译过程中的信息将出现在输出窗口的Build页。如果源程序中有语法错误，则会出现错误报告。源程序每修改一次都要再次编译，最终得到如图9所示
图9 编译、链接后得到正确的结果
的结果，提示生成了HEX格式的文件，在此过程中还会生成一些其他文件用于Keil的仿真与调试。单击桌面“开始→所有程序→Proteus 7 Professional”打开Proteus软件。如图10所示，单击左侧的器件选择按钮，将出现如图11所示的Pick Device对话框，其中左侧的Category列表框中为器件的分类。
器件选择按钮

图10 单击器件选择按钮
单击其中的Microprocess ICs，可在Sub-category列表框中找到8051 Family，单击后，在中间的列表框中就出现了所有可用的8051系列CPU，找到AT89C51芯片，单击该芯片名，在对话框的右侧分别显示该元件的电路原理图和封装图。选中芯片后单击“OK”按钮，或双击AT89C51，回到主界面，可以看到列表框中多出了AT89C51芯片，用同样的方法选中RESPACK-8和LED-BIBY。
在DEVICES列表中单击元件名，然后将鼠标移动到绘图区，鼠标形状变为笔状，在任意位置单击鼠标，则该元件出现在这一位置，并且自动命名。AT89C51元件被自动命名为U1。LED-BIBY即LED灯被命名为D1。单击元件，使其加亮显示，然后单击鼠标右键，可以变换元件的位置，使其合理放置。

图11 选择所需要的器件
单击左侧工具栏中的第八个按钮，切换到TERMINALS（终端模式），如图12所示。单击POWER即可既可增加一个电源端，双击该电源端，即出现Edit Terminal Label对话框。单击String后的下拉箭头，选中其中的VCC项即可。在绘图区加入电源，用线连接好。

图12 终端模式
单击U1以选中AT89C51芯片，再次单击该芯片，或者双击U1即出现如图13所示的Edit Component对话框。

图13 编辑元件对话框
这个对话框中需要设置Program File，即选择该芯片的运行程序。单击Program File后面的类似文件夹形状的按钮，找到先前生成的led灯.hex文件，选好后，还可以设置Clock Frequency，其默认值为12MHz，可设成自己需要的频率，选好程序文件后，单击程序窗口左下角的“运行”按钮，即可看见LED灯被点亮，如图14所示。

图14 程序运行结果
1.1.2 流水灯
返回
开始
取数0FEH加入A中
将数送入P1，A中的内容左移一次
调用延时子程序
流水灯是一个大家常见的小玩具，在这个实验中将八个灯围成圆形，当灯以不同的方式点亮时，可以变出各种花样，通过这个实验可以了解单片机内部的结构及I/O口的作用。流水灯的流程图如图15所示。
图15流水灯的流程图
按照上文步骤操作后，运行可以看到灯按不同的方式点亮，效果如图16所示。

图16 流水灯运行的效果图
1.2 音乐播放
1.2.1 用指拨开关设置音调
随着社会的发展，音乐逐渐成了我们生活中很重要的一部分，电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，这里用AT89C51单片机为核心控制元件，在主控模块上设有7个按键和扬声器，用来设置音调，介绍了电子琴的基本原理。音名与频率的关系[11]如表1所示。
表1 音名与频率的关系
音名
C4
D4
E4
F4
G4
A4
B4
频率/Hz
262
294
330
349
392
440
494
实验所用的系统晶振为12MHz，由产生方波的定时时间与延时常数的对应关系，得音名与设置的R7的值[11]如表2所示。其中指拨开关接在P2口，扬声器接P1.0引脚。用指拨开关设置音调的流程图如图17所示
表2 音名与设置的R7的值
音名
设置
C4
D4
E4
F4
G4
A4
B4
时间/μs
3817
3401
3030
2865
2551
2273
2024
常数/次
954
850
757
716
637
568
506
R7值
188
170
151
143
127
113
101
Y
N
开始
判断P2接口是否为低电平？
把立即数送入R7中
P1.0接高电平
延时
图17 用指拨开关设置音调的流程图
按照上文步骤操作运行后，用鼠标单击指拨开关，将各位分别至于ON的位置，可以听到扬声器的声音发生了变化。运行时示波器显示的方波会随着音调发生变化。

图18 用指拨开关设置音调的仿真电路
1.2.2 简单音乐盒
设计一个特殊的“音乐播放器”，核心器件用AT89C51单片机，利用定时器产生 “Do”、“Re”、“Me”等音阶在内的各种频率声音。将各个音阶连接在一起，便可组成一支曲子或是演奏一段旋律。这里以音乐“千年缘”作为示例。简单音乐盒的流程图如图19所示。
开始
设定定时器工作模式
中断允许
音符、节拍表格地址送入DPTR
调用T0中断子程序
调用T1中断子程序
结束
图19 简单音乐盒的流程图

本例的控制信号为P3.5引脚，电路如图20所示。按照上文所示步骤操作，运行后可以实现音乐播放。

图20 播放音乐“千年缘”的仿真电路图
1.3 点阵滚动显示
LED点阵显示器，以发光二极管为像素，16×16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多端口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16×16的点阵需要256/8=32个锁存器。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另一种称为动态扫描的显示方法，即逐行轮流点亮。16×16 LED点阵其实就是4块8×8点阵LED级联而成的，图21为8×8点阵LED外观及引脚图，其等效电路如图22所示，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。若想使左上角LED点亮，则令Y0=1，X0=0。应用时限流电阻可放在X轴或Y轴。而16×16就是在8×8原理的基础上将四块8×8级联而成
。以16×16点阵为例，把所有同一行的发光管的阴极连在一起，把所有同一列的发光管的阳极连在一起（共阴的接法），先送出对应第1列发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1列使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2列的数据并锁存，然后选通第2列使其燃亮相同的时间，然后熄灭；….第16列之后，又重新燃亮第1列，反复轮回。当轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能看到显示屏上稳定的图形。

图21 8×8点阵LED外观及引脚图

图22 8×8点阵LED等效电路
LED点阵显示模块进行的方法有两种：
(1）水平方向扫描：用一个P口输出列码决定哪一列能亮，用另一个P口输出行码，决定该列上哪个LED亮。能亮的列从左到右扫描完16列即显示出一帧完整的图像。

图23“北”字的显示点阵
（2）竖直方向扫描：用一个P口输出决定哪一行能亮，另一个P口输出列码决定该行上哪些LED灯亮。能亮的行从上向下扫描完16行即显示一帧完整的图像。
Y
N
开始
初始化
调用显示程序
调整数据指针
显示完？
汉字的显示一般采用图形的方式，事先提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字分左右两半，各占16B，左边为1、3、 5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一个字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。32个字节为“北”的显示点阵如图23所示。
图24 主程序流程图
这里要求设计一个16×16点阵LED汉字显示屏，显示屏各点亮度均匀、充足，显示的文字应稳定、清晰无串扰。主程序流程图如图24所示。

图25 点阵滚动显示效果图
按照上文操作，运行后会看见文字“欢迎乘坐邯郸市13路公共汽车，现在开往河北工程大学，请坐稳扶好，注意安全。”的滚动显示。效果如图25所示。
1.4 LCD汉字显示
在日常生活中，液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表等很多家用电子产品中都可以看到，这里以汉字显示为例介绍LCD液晶显示的基本原理。液晶显示汉字原理见1.4。
AMPIRE128×64管脚共18个。CS1为左半屏片选端，CS2为右半屏片选端；VCC接电源，GND接地，连接滑动变阻器的控制端，RS为数据指令选择信号端，H时输入数据，L时输入指令，R/W读写选择信号端，H时为读选择信号，L时为写选择信号，E为LCD使能端，DB0～DB7为数据传输端口。RST为复位端。－Vout和V0类似，都是液晶显示驱动电压端。其引脚图如图26所示。主程序流程图如图27所示

开始
LCD初始化
写LCD指令
写入显示坐标的指令
写入点阵数据
结束
图26 AMPIRE128×64的引脚图
图27 LCD汉字显示主程序流程图
按照上文操作后运行可以看见LCD显示屏上依次出现“谢谢老师”四个字。仿真效果如图28所示。
图28 LCD汉字显示效果图
1.5 演示实验
1. 秒表
本实验用单片机和数码管组成数字电子秒表。电路主要有控制器AT89C51，计时与显示电路和回零、启动和停表电路等。秒表的流程图如图29所示。
开始
给存储地址赋值
调用定时中断子程序
调用时间调整子程序
调用显示子程序
结束
按上文所示步骤操作，运行后可以实现时时间的调整、暂停和复位等操作。仿真效果如图30所示。
图29秒表的流程图

图30 秒表的仿真效果
2.万年历
现在所使用的万年历，记录一定时间范围内的具体阳历或阴历的日期的年历，方便有需要的人查询使用,实验电路主要有主控制器单片机、显示电路、温度检测电路和闹钟设置电路，如图31所示。运行后会显示日期、时间、温度、并且可以设置闹钟。

图31 万年历的仿真电路
3.电子密码锁
电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁电子产品。实验以AT89C51芯片为核心，通过编程来实现的。电子密码锁的仿真电路如图32所示。主要有主控制器AT89C51、密码输入电路、报警电路和液晶显示电路
图32 电子密码锁的仿真电路图
2 结论
本文对软件使用做了基本介绍，又配合了很多具体的实例分析，介绍了仿真的单片机教学实验箱达到的预期效果。由于自身学识水平有限，设计中仍有缺陷，需要在以后的学习中对以下方面做出改进。
1.秒表的计时不够精确，LCD显示的汉字歪歪扭扭，达不到更好的效果，点阵滚动显示的汉字不够清楚。
2.实验只是现实生活中所有运用的基础理论，距离设计的真正实现还有一定的差距。
参考文献
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