徐涛完整版单片机设计.docx
《徐涛完整版单片机设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《徐涛完整版单片机设计.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
徐涛完整版单片机设计
新疆工业高等专科学校电气与信息工程系课程设计说明书
单片机开关控制LED
专业班级：
工业网络技术09-2班
学生姓名：
徐涛
指导教师：
杨峰
完成日期：
2011-6-4
新疆工业高等专科学校
电气与信息工程系课程设计任务书
2009/2012学年3学期2011年6月4日
专业
工业网络技术
班级
工业网络09-2
课程名称
单片机原理及应用
设计题目
单片机开关控制LED
指导教师
杨峰
起止时间
2011-5-30至2011-6-3
周数
1
设计地点
411教室
设计目的：
1、贯彻理论联系实际的教学原则，巩固已经学习过的单片机基础知识，提高学生的工程实践能力。
2、掌握单片机的C语言编程方法。
3、了解单片机仿真软件并掌握其使用方法。
4、加强组织性和纪律性，促进学生综合素质的全面提高。
设计任务或主要技术指标：
1、了解单片机原理及其编程方法。
2、熟练掌握单片机仿真软件（KeiluVision3和proteus7）。
3、通过编程和仿真实现相应控制任务。
设计进度与要求：
5.30布置设计任务，深入了解设计内容，阅读参考资料，收集有关资料。
5.31硬件方案设计及编程。
6.01实现方案，调试、仿真。
6.02编写设计说明书。
6.03答辩。
主要参考书及参考资料：
1、《电子技能训练》主编邓木生机业出版社械
2、《555时基电路识图》主编孙余凯吴鸣山等电子工业出版社
3、《模拟电子技术实践》主编王安成大连理工大学出版社
4、《电工电子技术实训教程》主编，，顾永杰上海交通大学出版社。
5、《单片机原理及应用》主编周国运中国水利水电出版社出版社
教研室主任（签名）系（部）主任（签名）年月日
新疆工业高等专科学校电气与信息工程系
课程设计评定意见
设计题目：
单片机开关控制LED
学生姓名：
徐涛专业工业网络技术班级工网09-2班
评定意见：
评定成绩：
指导教师（签名）：
年月日
评定意见参考提纲：
1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。
2.学生的勤勉态度。
3.设计或说明书的优缺点，包括：
学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。
摘要
1）摘要正文
本设计基于Protuse自动设计能力、高速有效的编辑功能、简捷方便的设计过程管理PDM，并且可以完整地实现单片机的仿真，从单片机概念设计到生成物理生产数据的全过程，以及这中间的所有分析、仿真和验证功能详细阐述了电路原理图的绘制、实现功能。
本设计还基于keil软件的使用编写程序，生成可被protuse软件识别的.hex文件,实现自己设计想要的功能。
以及在自学过程和制作过程中所遇到的种种问题。
并且给了相应的解决方法。
2）关键词：
Protuse软件；keil软件；仿真；程序；
1、单片机
1.1、单片机介绍
单片机在一块半导体材料上集成了CPU、存储器、I/O接口等各种功能部件，具有体积小、功耗低、价格便宜、功能强、可靠性好和使用方便灵活的特点,使单片机在工业控制、数据采集、智能化仪表、办公自动化以及家用电器方等各个领域中得到了越来越广泛的应用。
将单片机技术与测量控制技术相结合，可以使工业自动控制变得更方便、控制效果更佳。
在机电一体化方面，单片机也发挥了它的特殊作用，使许多传统产业发生了巨大的变化，使许多工业产品体积缩小，能耗降低，功能增加，操作方便。
由于单片机在如此广泛的领域里获得了应用,世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机,其中,MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术和高可靠性,占领了工业控制的主要市场。
特别是在我国,MCS-51系列单片机,成为单片机应用领域的主流。
1.2、单片机分类
目前的单片机分通用型和专用型两种。
MCS-51系列单片机是属于通用型的单片机，通用型的单片机把开发资源全部公开，用户可以根据自己的应用系统进行设计，适用面广，应用灵活。
制造单片机的材料也从TTL材料发展到CMOS材料，通常工作电压是5V，如5V±5%或5V±10%，也有3V/3.3V电压的产品，更低的可在1.5V工作。
现在单片机又出现了宽电压范围型，在2.5～6.5V内都可正常工作。
低功耗是单片机所追求的一个指标，目前低功耗单片机的静态电流可以低至μA或nA级。
有的单片机还有等待、关断、睡眠等多种工作模式以降低功耗。
单片机的低功耗在智能化仪表中有重要的应用。
封装有双列直插和贴片系列，体积变得更小，另外，单片机的时钟频率也达到20MHz以上。
单片机的种类很多，在工业中应用最广泛的是MCS-51系列单片机，MCS-51系列的片内程序存储器分掩膜ROM、EPROM和无ROM存储器三种。
一般情况下，片内有掩膜ROM的芯片用于程序已经固定的大批量生产场合。
片内带EPROM的适合于做样机，便于修改程序,做试验。
而外接EPROM的适用于做小批量产品或用于ROM大于8K的场合。
1.3、单片机应用：
1、单片机在数据处理中的应用
单片机在应用中的数据处理有数制转换的处理、查表计算、函数计算等多种运算。
可以利用单片机进行函数计算来处理数据，可以进行矩阵运算和微积分之类的复杂运算。
2、单片机在工业控制中的应用
在工业控制中的控制器，可以应用软件的方法，实现复杂的控制过程，改变控制算法方便。
有丰富的逻辑判断和位操作指令，可以在开关量控制、顺序控制、逻辑控制中发挥作用。
目前，在加热控制、电机控制、锅炉控制、汽车电器、数控机床等各个领域，单片机得到了广泛的使用，并取得了很好的效果。
3、智能化仪器
在仪表中引入单片机后，可以利用单片机完成数据的采集、处理、零位校正、数字显示、报警、记录打印等工作。
使仪表具有智能化的功能，有温度计、流量计、气体分析仪、转速表、电子秤、血压计、万用表、电度表等。
4、家用电器
在家电产品中，为了改善产品的性能，使操作使用更人性化，在电冰箱、微波炉、空调、电视机、音响设备、洗衣机、玩具中，大量使用了单片机技术。
单片机正在迅速渗透到各个方面，改变了原有产品的现状。
1.4、AT8951系列优点：
1、AT89C51系列：
内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。
它的处理对象不是字或字节而是位。
虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。
2、AT89C51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理（作位处理时，合128个位，相应位地址为00H～7FH），使用极为灵活。
这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。
而实施这一处理（包括前面所有的位功能），只需用一条位操作指令即可。
3、AT89C51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。
八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。
而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。
作乘法时，只需一条指令就行了，即MULAB（两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。
积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中）。
很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便
4、AT89C51系列中，还有一条二进制-十进制调整指令DA，能将二进制变为BCD码，这对于十进制的计量十分方便。
而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行。
5、AT89C51系列I/O口特点：
AT89C51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。
当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。
低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。
其原因是高电平时該脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。
作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现，如上拉电阻，I/O脚不通，电流经R驱动LED发光；低电平时，I/O脚导通，电流由该脚入地，LED灭（I/O脚导通时对地的电压降小于1V，LED的域值1.5～1.8V）。
1.5、PIC系列
1、PIC单片机系列是美国微芯公司（Microchip）的产品。
CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令（视单片机的级别而定），属精简指令集。
而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，都比前者复杂。
采用Harvard双总线结构，运行速度快（指令周期约160～200ns），它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期（个别除外），这也是高效率运行的原因之一。
此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。
2、PIC系列单片机共分三个级别，即基本级、中级、高级。
其中又以中级的PIC16F873（A）、PIC16F877（A）用的最多。
3、PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。
I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器（TRISn,其中n对应各口，如A、B、C、D、E等），从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。
当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。
相对于51系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。
它的A/D为10位，能满足精度要求。
具有在线调试及编程（ISP）功能。
4、数据的传送和逻辑运算基本上都得通过工作寄存器W（相当于51系列的累加器A）来进行，而51系列的还可以通过寄存器相互之间直接传送（如：
MOV30H，20H；将寄存器20H的内容直接传送至寄存器30H中），因而PIC单片机的瓶颈现象比51系列还要严重，但价钱便宜、功耗低（但要频率够低）；程序代码空间很节省，对c语言支持不好；最实用的资源是a/d转换器（而且比单独的a/d便宜）；位性能较好（延迟上电复位、上电复位、掉电复位）；看门狗也不错,而且抗干扰性好,在许多应用中不用外加辅助电路；特别适用于低成本应用
1.6、AVR系列
1、AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。
它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。
AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。
而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。
通常时钟频率用4～8MHz，故最短指令执行时间为250～125ns。
该系列的型号较多，但可用下面三种为代表：
AT90S2313（简装型）、AT90S8515、AT90S8535（带A/D转换）。
2、通用寄存器一共32个（R0～R31），前16个寄存器（R0～R15）都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。
而在51系列中，它所有的通用寄存器（地址00～7FH）均可以直接与立即数打交道，显然要优于前者。
3、AVR系列没有类似累加器A的结构，它主要是通过R16～R31寄存器来实现A的功能。
在AVR中，没有像51系列的数据指针DPTR，而是由X（由R26、R27组成）、Y（由R28、R29组成）、Z（由R30、R31组成）三个16位的寄存器来完成数据指针的功能（相当于有三组DPTR），而且还能作后增量或先减量等的运行，如：
例5：
LDRd,X；将X所指的地址的内容装入寄存器Rd中。
LDRd,Y＋；将Y所指的地址的内容装入寄存器Rd中，然后Y的地址增1。
LDRd，－X；将X的地址减1所指的地址的内容装入寄存器Rd中。
4、在51系列中，所有的逻辑运算都必须在A中进行；而AVR却可以在任两个寄存器之间进行。
5、AVR的专用寄存器集中在00～3F地址区间，无需像PIC那样得先进行选存储体的过程，使用起来比PIC方便。
AVR的片内RAM的地址区间为0060～$00DF（AT90S2313）和0060～025F（AT90S8515、AT90S8535），它们占用的是数据空间的地址，这些片内RAM仅仅是用来存储数据的，通常不具备通用寄存器的功能。
当程序复杂时，通用寄存器R0～R31就显得不够用；而51系列的通用寄存器多达128个（为AVR的4倍），编程时就不会有这种感觉。
6、AVR的I/O脚类似PIC，它也有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，高电平输出的电流在10mA左右，低电平吸入电流20mA。
虽不如PIC，但比51系列强。
7、以上的三种AVR型号其管脚与对应的51系列兼容，如AT90S2313与51系列的AT89C2051的管脚兼容（PDIP-20脚），AT90S8515、AT90S8535与51系列的AT89C51兼容（PDIP-40脚）等等。
1.7单片机类型
STC单片机：
STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快8~12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强.
PIC单片机：
是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片.
EMC单片机：
是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差.
ATMEL单片机（51单片机）：
ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式;AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机,也叫AVR单片机.
PHLIPIS51PLC系列单片机（51单片机）：
PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求.
HOLTEK单片机：
台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品.
TI公司单片机（51单片机）：
德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合;MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合
松翰单片机（SONIX）：
是台湾松翰公司的单片，大多为8位机，有一部分与PIC8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMWADC内振内部杂讯滤波。
缺点RAM空间过小，抗干扰较好。
1.8、中国主要应用51单片机的总类
自从单片机诞生至今，已经发展到70多个系列近500个机种。
目前国内外比较有名，而且影响较大的公司和它们的产品如下：
Intel公司的MCS-48，MCS-51，MCS-96系列产品；
Motorla公司的6801、6802、6803、6805、68HCC11系列产品；
Zilog公司的Z8、super-8系列产品；
仙童公司和Mostek公司的F8、3870系列产品；
NEC公司的μCOM-87系列产品；
Rockwell工地的6500、6501系列产品。
由于它们各具特色，因而在国际市场上都有一定的地位。
据国外资料，Intel公司的单片机在市场上占有量约为67％，其中MCS-51系列产品又占54％。
在我国所应用的单片机中仍然以MCS-48，MCS-51，MCS-96为主要系列。
如下图1-1
图1-1AT89C51
2、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。
2.1、功能介绍
Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：
multisim）的功能。
这些功能是：
（1）原理布图
（2）PCB自动或人工布线
（3）SPICE电路仿真
2.2、独有特点
（1）互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
（2）仿真处理器及其外围电路
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
2.3功能模块
（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。
2.5、丰富资源
（1）Proteus可提供的仿真元器件资源：
仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。
（2）Proteus可提供的仿真仪表资源：
示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。
理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。
（3）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。
这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。
这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。
（4）Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。
这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
仿真功能
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。
3、Keil
单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。
机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。
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）将这些部份组合在一起。
运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
KeilC51开发系统基本知识KeilC51开发系统基本知识
3.1、系统概述
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容
升级会员 