单片机应用系统设计与开发.pdf

公选课单片机应用系统设计与开发主讲：张宏伟.电子技术锡焊技艺常用元器件及仪器 单片机系统设计概述 单片机开发系统的使用 单片机系统设计实例单片机开发系统的使用 一、Keil软件使用八C51基础知识、基于C51的一个设计实例四、Proteus使用，、Keil软件使用使用C语言肯定要使用到C编译器，以便把写好 的C程序编译为机器码，这样单片机才能执行 编写好的程序。KEIL UVISI0N2是众多单片机 应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多 不同公司的MCS51架构的芯片，它集编辑，编 译，仿真等于一体，它的界面和常用的微软 VC+的界面相似，界面友好，易学易用，在调 试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。,（工）新建工程点击Project菜单,选择New Project,输入项 目名称，扩展名为uv2,以后我们可以直接点 击此文件以打开先前做的项目。娥 pVisionZFile Edit View Project Debug Peripherals Tools SVCS，New Project.Import pVision 1 Project.Open ProjectClose ProjectFile Extensions；Books and EnvironmentTargets；Group与 Files,一Select Device For Target.(2)选择所要的单片机这里我们选择常用的Ateml公司的AT89c51。(3)创建新的程序文件或加入旧程&序受件 点击图中的新建文件的快捷按钮，出现一个新 的文字编辑窗口，这个操作也可通过菜单File-New或快捷键Ctr 1+N来实现。输入程序代码保存文件。这时你会发现程序有了不同 的颜色，说明KEIL的C语法 检查生效了。偿国昌感卜91二日为 Target 1 Source Group 1皆 Textl(4)将程序文件加入项目中 右击Source Group 1文件夹图标,少文件等操作。选择Add File to Group Source 件窗口选择需添加的文件。可以在项目中增加减Group r,在弹出文加 test-HisionZFile Edit View Project Debug窗百m解尉电电Peripherals Tools SVC5 Window Help|二!iQ|亘妄4%私聃袤圜西甚I 6奴Target日行 Target 11自D:MyDat注其它我的文章C51KSoura|include Select Device for Target Target 1*Options for Group Source Group 1Open File筋i Rebuild targetl：l：l Build target F7Translate File矗 Stop buildAdd Files to Group Source Group 1Targets Groups,Files.Remove Group Source Group 1 and its Filest男生H 0$(5)编译运行程序图中1、2、3都是编译按钮-1是用于编译单个文件-2是编译当前项目-3是重新编译 在3右边的是停止编译按钮 5是菜单中的相应项 在4中可以看到编译的信息等，以 后我们要查错就靠它了。6是开启关闭调试模式”的按 钮，快捷键为Ctrl+F5。管 test-BBision2File Edit View Project Debug Peripheral_筐idm。旭昌6JI-。Q-1 z 再Target 1-y Sourc 国t昌Files 于New Project.Import pi Vision 1 ProjectOpen ProjectClose ProjectFile Extensions Books.Targets Groups,Files.Select Device for Targe Remove ItemOptions for Target*Tar Clear Group and File Of2d dBuild tare g Build target J linkiig119 函 Rebuild all target files Program S:Translate D:MyDataJ H test-(v-1 国 Stop build40(6)进入调试模式 1为运行，2为停止，3是复位，模拟芯片的复位按4可以打开的串行调试窗口(如5)。(7)生成HEX文件 KEIL UVISI0N2来编译生成用 于烧写芯片的HEX文件。右击项目文件夹，弹出项目 功能菜单，选Options for Target7 TargetU晒 test-Wlision2File Edit View Project Debug Peripherals ToolsJ悒百m即/船噌|a 口|工虐骸凶豳尸木Target 1g D:MyData1h jU Us.I+Select Device for Target Target 1Options for Target Target 1Open File 倒 Rebuild target I：X|Build targetTranslate File 后 Stop buildF-Add Files to Group.,Targets GroupsFiles,Remove Item(7)生成HEX文件转到Output选项页，1是选择编译输出的路径，2是 设置生成的文件名，3是决定是否要创建HEX文件。Options for Target Target 1,Devi ce|Target Output|Li sting|C51|A51axBL51 Locate|BL51 Mise|Debug|2feiect Toiler for 俄jects 1./1 1Name of Executable：testG Create Executable：f?Debug Informatio 17 Create HEX Fi：3 B Browse Informati 厂 Merge32KHEX|HEX-80HiHexfile=1 Files 苧|B.C Create Library：.test.LIBAfter MakeBuild target Target 1compiling test 1.c.linkingProgram Size:data=301 xdata=0 code=1100RZ Beep When Completecreating hex file from testtestu-0 Error(s)r 0 Warning(s).test Run User Program#1V Run User Program Build 卜 Command 入 Find in Files/确定 I 取消 IDefaults二、C51基础知识 1、标识符 标识符是用来标识源程序中某个对象的名字，这些对象可以是函数、变量、数组等。C语言对大小些敏感,如“Timerl”、“TIMER1”是完全不同定义的标识符。标识符由字符串、数字和下划线等组成注意 的是第一个字符必须是字母或下划线。标识符在命名时应当简单，含义清晰，这样有 助于阅读理解程序。二、C51基础知识 2、关键字关键字则是编程语言保留的特殊标识符，它们 具有固定名称和含义，在程序编写中不允许标 识符与关键字亦同。在KEIL uVision2中的关 键字除了有ANSI C标准的32个关键字外还根据 51单片机的特点扩展了相关的关键字。3、KEIL C51编译器所支持的数据类型数据类型长度值域unsigned char单字节0-255signed char单字节-128+127unsigned int双字节0-65535signed int双字节-32768+32767unsigned long四字节0-4294967295signed long四字节-2147483648 [phone]float四字节1.175494E-38 3.402823E+38*13字节对象的地址bit位0或1sfr单字节0255sfrl6双字节0-65535sbit位0或11)char字符类型 char类型的长度是一个字节，通常用于 定义处理字符数据的变量或常量。unsigned char：0255。signed char：字节中最高位字节表示数 据的符号，“0”表示正数，1”表示负 数，负数用补码表示。所能表示的数值 范围是-128+127。unsigned char常用于处理ASCII字符或 用于处理小于或等于255的整型数。2)int整型 int整型长度为两个字节，用于 存放一个双字节数据。signed int:-32768+32767 unsigned int:0-65535 3)long长整型 long长整型长度为四个字节，用于存放一个四字 节数据。分有signed long和unsigned long 4)float浮点型 float浮点型在十进制中具有7位有效数字，是符 合IEEE-754标准的单精度浮点型数据，占用四 个字节。5)*指针型 指针型本身就是一个变量，在这个变量中存放的 指向另一个数据的地址。6)bit位标量-bit位标量是C51编译器的一种扩充数据 类型，利用它可定义一个位标量，但不 能定义位指针，也不能定义位数组。-它的值是一个二进制位，不是。就是1,类似高级语言中的Boolean类型中的True 和False。7）sfr特殊功能寄存器 sfr也是一种扩充数据类型，点用一个内存单 元，值域为0 255。利用它可以访问51单片机 内部的所有特殊功能寄存器。如用sfr Pl=0 x90这一句定Pl为Pl端口在片 内的寄存器，在后面的语句中我们用以用 P1=255（对P1端口的所有引脚置高电平）之 类的语句来操作特殊功能寄存器。8)Sfrl6 16位特殊功能寄存器 sfrl6占用两个内存单元，值域为0 65535。sfrl6和sfr一样用于操 作特殊功能寄存器，所不同的是它 用于操作占两个字节的寄存器，好 定时器TO和T1。9)sbit可寻址位 sbit是C51中的一种扩充数据类型，利用 它可以访问芯片内部RAM中的可寻址位或 特殊功能寄存器中的可寻址位。-如先前我们定义了 sfr Pl=0 x90;sbit Pl-1=Pl A 1;/Pl_l为Pl中的PL 1引脚4、常量-常量是在程序运行过程中不能改变值的 量，而变量是可以在程序运行过程中不 断变化的量。变量的定义可以使用所有C51编译器支持 的数据类型-常量的数据类型只有整型、浮点型、字 符型、字符串型和位标量。4、常量-常量的数据类型说明：-1）整型常量 整型常量可以表示为：十进制，如123、0、-89等。.十六进制则以Ox开头如0 x34,-0 x3B等。长整型就在数字后面加字母L,如104L等。4、常量 2）浮点型常量：可分为十进制和指数表示形式。十进制由数字和小数点组成，如0.888,3345.345,0.0 等，整数或小数部分为0,可以省略但必须有小数点。指数表示形式为土数字.数字e土数字，口中的 内容为可选项，其中内容根据具体情况可有可无，但 其余部分必须有,如125e3,7e9,-3.0e-3o4、常量 2）浮点型常量：可分为十进制和指数表示形式。十进制由数字和小数点组成，如0.888,3345.345,0.0 等，整数或小数部分为0,可以省略但必须有小数点。指数表示形式为土数字.数字e土数字，口中的 内容为可选项，其中内容根据具体情况可有可无，但 其余部分必须有,如125e3,7e9,-3.0e-3o44、常量-3)字符型常量是 单引号内的字符，如，a，d，等，不 可以显示的控制字 符，可以在该字符 前面加一个反斜杠 叭”组成专用转义 字符。转义字符含义ASCII码（16/10 进制）o空字符(NULL)00H/0n换行符(LF)0AH/10r回车符(CR)0DH/13t水平制表符(HT)09H/9b退格符(BS)08H/8f换页符(FF)0CH/12单引号27H/39双引号22H/34反斜杠5CH/924、常量 4）字符串型常量由双引号内的字符组成，如 testJ0心等。当引号内的没有字符时，为 空字符串。在使用特殊字符时同样要使用转义 字符如双引号。在C中字符串常量是做为字符类型数组来处理 的，在存储字符串时系统会在字符串尾部加上。转义字符以作为该字符串的结束符。常量可用在不必改变值的场合，如固定的数据表，字 库等。常量的定义方式有几种，下面来加以说明。#difine False 0 x0;用预定义语句可以定义常量#dif ine True 0 x1;/这里定义False为 0,True为 1/在程序中用到False编译时自动 用0替换，同理True替换为1 unsigned int code a=100;这一句用code把a定义 在程序存储器中并赋值 const unsigned int c=100;用const定义c为无符 号int常量并赋值 以上两句它们的值都保存在程序存储器中，而程序存 储器在运行中是不允许被修改的，所以如果在这两句 后面用了类似a=110,a+这样的赋值语句，编译时将 会出错。5、变量-变量就是一种在程序执行过程中其值能不断变 化的量。要在程序中使用变量必须先用标识符 作为变量名，并指出所用的数据类型和存储模 式，这样编译系统才能为变量分配相应的存储 空间。5、变量-定义一个变量的格式如下：-存储种类数据类型存储器类型变量名表-在定义格式中除了数据类型和变量名表是必要的其它都是可选项。存储种类有四种：自动（auto），外部（extern）,静态（static）和寄存器（register）,缺省类型为自动（auto）。存储器类型的说明就是指定该变量在C51硬件 系统中所使用的存储区域，并在编译时准确的 定位。注意：在AT89c51芯片中RAM只有低128位，位于80H到 FFH的高128位则在52芯片中才有用，并和特殊 寄存器地址重叠。KEIL所能认别的存储器类型存储器类型说明data直接访问内部数据存储器（128字节），访问速度 最快bdata可位寻址内部数据存储器（16字节），允许位与 字节混合访问idata间接访问内部数据存储器（256字节），允许访 问全部内部地址pdata分页访问外部数据存储器（256字节），用M0VX Mi指令访问xdata外部数据存储器（64KB）,用MOVX QDPTR指令访问code程序存储器（64KB），用MOVC M+DPTR指令访问 如果省略存储器类型，系统则会按编译模式 SMALL,COMPACT或LARGE所规定的默认存储器类 型去指定变量的存储区域。无论什么存储模式都可以声明变量在任何的 8051存储区范围，然而把最常用的命令如循环 计数器和队列索引放在内部数据区可以显著的 提高系统性能。还有要指出的就是变量的存储种类与存储器类 型是完全无关的。SMALL存储模式把所有函数变量和局部数据段 放在8051系统的内部数据存储区这使访问数据 非常快，但SMALL存储模式的地址空间受限。在写小型的应用程序时，变量和数据放在data 内部数据存储器中是很好的因为访问速度快，但在较大的应用程序中data区最好只存放小的 变量、数据或常用的变量（如循环计数、数据 索引），而大的数据则放置在别的存储区域。COMPACT存储模式中所有的函数和程序变量和 局部数据段定位在8051系统的外部数据存储区。外部数据存储区可有最多256字节（一页），在本模式中外部数据存储区的短地址用 R0/Rlo LARGE存储模式所有函数和过程的变量和局部 数据段都定位在8051系统的外部数据区外部数 据区最多可有64KB,这要求用DPTR数据指针访 问数据。例：数据类型 Char bit unsigned存储类型 data bdata char xdata变量varl;flags;vextor 10;6、运算符 与c语言基本相同：+-*/:（加减乘除）=:（位右移 位左移）&I:（按位与 按位或）-A:（按位异或按位取反）7、C51的基本语句与标准c语言基本相同:if switch/case while do-while f or选择语言多分支选择语言循环语言循环语言循环语言 8、C程序的规范化设计 在单片机C程序设计中，项目一般按功能进行结 构化设计。将一个项目划分为多个功能，每个功 能的相关程序放在一个C程序文档中，称之为一 个模块（group），对应的文件名即为模块名。一个模块通常由两个文档组成：一个为头文件*.h,对模块中的数据结构和函数 原型进行描述；另一个则为C文件*.c，对数据实例或对象定义,以及函数算法具体实现。（一）C51库函数与H头文件 C51编译器的运行库中包含有丰富的库函数，使用库函数可以大大简化用户的程序设计工作，提高焉程效翠。由于8051系列单片机本身的特点，某些库函数 的参数和调用格式与ANSI C标准有所不同。每个库函数都在相应的头文件中给出了函数原 型说明，用户如果需要使用库函数，必须在源 程序的开始处采用预处理器指令include将有 关的头文件包含进来。C51包含的头文件 常用有：reg51.h（定义特殊功能寄存器和位寄存器）；math.h数学函数库（定义常用数学运算）；absacc.h绝对地址访问头文件（定义一些宏用来对存储器空间进行绝对地址访问）intrins.h 内部函数库（包含变量循环移位、位操作等函数）（二）C51的程序结构 与一般C语言的结构相同，以main。函数为 程序人口，程序体中包含若干语句还可以包含 若干函数。C51的程序结构如下 全局变量说明 函数声明 Main()(-数据说明部分 语句执行部分，包括可能的函数调用语句等-函数类型 函数名(参数表)/*函数1*/(数据说明部分 语句执行部分，包括可能的函数调用语句等 函数类型 函数名(参数表)/*函数N*/(数据说明部分 语句执行部分，包括可能的函数调用语句等9、中断服务程序 函数名()interrupt n using m Void intOdemo(void)interrupt 0 using 2/*外部中断0的服务函数定义，使用第二组工 作寄存器组*/10、C51定义并行口 单片机内部并行口用sfr定义，外部并行口的 定义如何定义？对存储器空间进行绝对地址访问 例如：#include“absacc.h#define PA XBYTE Oxffec main()(PA=0 x3A;/*将数据3AH写入地址为Oxffee的存 错单元最或o端口*7三、基于C51的一个设计实例 设计一个流水灯 功能：1、控制8个LED发光二极管 2、每个灯闪烁周期100ms,8个灯依次循环闪烁。A120Ryi里一XTAL1XTAL2上-RSTPSEN ALE ES2_ T T 6_ 7_ TPl.0/12 P1.1/T2EX P1.2PI.3 P1.4 P1.5PI.6 P1.7P0.0/A3D P0.1/M31 P0.2/A32 P0.3/A33 P0.4/OI P0.5/A55 P0.6/C6P0.7/XJ7P2.山川P2W为 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/iHfD P3.3/iNTTP34HD P3.5EP3.6硬 P3.7/RD9-8-7-6-5-4-3-2-1-2-3-4-5-6-7-8-D-1-2-3 4-5-6-7-33333333 2222222 1*1TM寻AT89C52#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char uchar _crol_(uchar a,uchar n);/*函数原型*7void delay(uint t)延时0,l*n毫秒 0uint i;dofor(i=0;i23;i+)while(t-);void main(void)uint a=Oxfe;while(l)Pl=a;delay(lOOO);a=_crol_(a,l);Pl=Oxff;delay(lOOO);)Proteus的使用 Proteus是来自英国 Labcenter 司的嵌入式系统仿真开发软件，它 包括原理图布图、混合模式仿真、VSM嵌入式仿真以及PCB制板功能。（一）Proteus榄（二）原理图设计（三）PROTEUS微处理器仿真（四）Proteus和Kei 1联合调试（一）Proteus 概览ProSPICE 混合模式仿真器2ISIS设计仿真平台VSM嵌入式仿真ARES PCB制版在传统的CAD功能中添加了嵌入式系统的仿真可以完整地仿真微控制器以及相连的模拟和数 字电路Proteus 概览W4NDWAYAf.iTm/jminiTa41 _ _uso在Proteus中，从原理图设计、单片机编程、系统仿真到 PCB布线一气呵成。完成了从 概念到产品的整个过程。0.0,AT89S51 24PC 0540o-4f nf-u ri R,cs 二/）（三）W4NDWAY微,irnp：/m.fiiAT.aiw1口R10（寸而“0月3C-白回勿勿图 1）终端接口：有VCC、地、输出、输入等接口 2）器件引脚：用于绘制各种引脚 3）仿真图表：用于各种分析,如Noise Analysis 4）录音机 5）信号发生器（generators）6）电压探针：使用仿真图表时要用到 7）电流探针：使用仿真图表时要用到 8）虚拟仪表：有示波器等2D图形(2D Graphics)-1*画各种直线 2*回各种方框 3*画各种圆 4*画各种圆弧 5*画各种多边形 6*画各种文本 7*画符号 8*画原点等/ODiCOAISl4、元件列表(The Object Selector)用于挑选元件(components)、终端接口(terminals)仿真图表(graph)信号发生器(generators)等。举例：当你选择“元仔”，单击“P”按钮 会打开挑选元件对话框，选择了 一个元件后,单击“0K”(或双击元件)，该元件会在元 件列表中显示，以后要用到该元件时只需 在元件列表中选择即可。5、方向工具栏(Orientation Toolbar)旋转CD厂：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。使用方法：先右键单击元件，再点击（左击）相应的旋转图标。6、仿真工具栏 仿真控制按钮 1*运行 2*单步运行 3*暂停 4*停止II 1原理图绘制操作简介-绘制原理图要在原理图编辑窗口中的蓝色方 框内完成。其操作不同于WINDOWS应用程 序。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；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；中键 放缩原理图。(三)PROTEUS微处理器仿真Proteus VSM是一*个基于ProSPICE混合模型仿 真器的，完整的嵌入式系统软、硬件设计仿 真平台。单片机系统的仿真是PROTEUS VSM的主要特色。用户可在Proteus中直接编辑、编译、调试代 码，并直观地看到仿真结果。CPU模型有ARM7(LPC21xx)、PIC、Atmel AVR、Motorola HCXX以及8051/8052系列。同时模型库中包含了LED/LCD显示、键盘、按 钮、开关、常用电机等通用外围设备。PROTEUS VSM仿真与分析示例L PWM电机控制动态效果51单片机仿真过程 1.绘制原理图.2.选择软件设计语言（汇编、C）编 写源代码.3.编译代码，生成目标文件。.4.装载HEX或OMF文件，仿真调试。第三方工具的应用直接使用第三方IDE(Integrated Development Environment)如：KeiFs uVision 2 WAVE6)开发源代码，并进行编辑，生成HEX文件后，切 换到Proteus VSM,再进行仿真。1、使用第三方IDE建立工程，编写C程序 2、编译生成HEX代码，加载至iJCPU当中。(无源 码调试信息)3、编译生成0MF格式代码，加载至4CPU当中。装载HEX或OMF文件，仿真调试。仿真调试LCD2实时显示系统输出结果!fl n fl Z I N G!R 仇Mual LFI032L._2 出 1.口 LNE59r-&HUJ QOQQQQOQC1 L-C2 33 p 33 p-X1 Q-qH-1.2MHz isiRn|:XTAL1XTA12RJBTAD(P.7ig.向ALEP3iyRXD PMVTXPPmMTFTO pm 3rHmP3.4HDP3ST1P3.GWR P3.?iTO说明：红色代表高电平，兰色代表低电平,灰色代表不确定电平(floating)o（四）Proteus和Keil联合调试 联调过程:1.运行驱动程序vdmagdi.exe 2.在Proteus中设计电路原理图,并选中Debug-use remote debug monitor3.在Keil环境下创建项目,编辑源程序（C或ASM）并编译为hex文件;Proteus和Keil联合调试 4.在Kei 1 中,设置Target-targetopt ion-debug,选用 Proteus VSMSimulator;5.在Proteus中将Keil生成的hex文 件加载给CPU;-6.在Keil中运行、调试程序，同时 在Proteus中观察运行结臬。PROTEUS 与 Keil 联调ZZFile Edit View Project Debug Peripherals Tools SVCS Window Help商自 序|2_漉淖n国州魁 ePROTEUS 同时进入运行状态LCD2IXlCiVFT!fi n A Z I H G!A virtual LH032L.Value0 x00昌 Files 苧 Regsx JaSM ASSIGN BreakDisableM(|ild Comm3nd 卜 ：0)rnmo n-EJ”MD 80512Keil处于运行状态Raza rrE3 r raaWP ra.nWII2-BWB5;-4FF-0(29-*16rL74LS373U3_o NANDJ