单片机项目设计.docx

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单片机项目设计

单片机项目设计指导

适用专业：

电气自动化技术

应用电子技术

学习情景一：

快速掌握PROTEUS的用法

为了更快掌握PROTEUS设计与仿真操作，我们先从一简单实例入手。

让我们首先来熟悉一下仿真软件的主界面：

图5－1仿真软件的主界面

运行protues的ISIS模块，进入仿真软件的主界面，如图5－1所示，区域①为菜单及工具栏，区域②为元器件预览区，区域③为对象选择器窗口，区域④为编辑窗口，区域⑤为绘图工具栏，区域⑥为元器件调整工具栏，区域⑦为运行工具条。

Proteus是一种集单片机仿真和SPICE分析于一身的仿真软件。

其功能非常强大，不仅能仿真模拟电路、数字电路以及模拟数字混合电路，更重要的是可以仿真51系列、AVR、PIC等常用主流单片机。

Protues提供了丰富的资源：

（1）Proteus拥有的元器件资源：

Proteus可提供30多种元件库，超过8000种模拟、数字元器件。

（2）Proteus可提供的仿真仪表资源：

仿真仪器仪表的数量、类型和质量是衡量仿真实验室是否合格的一个关键因素。

Proteus可提供常用的示波器（本文的实例中示波器被用来观察产生的波形）、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。

以下简要罗列了proteus中常用元器件和仿真仪表中英文对照表：

7407驱动门  

1N914二极管  

74Ls00与非门 

74LS04非门

74LS08与门  

74LS390TTL双十进制计数器 

7SEG4针BCD-LED输出从0-9对应于4根线的BCD码

7SEG3-8译码器电路BCD-7SEG转换电路    

AND与门  

BATTERY电池/电池组  

BUS总线  

CAP电容  

CAPACITOR电容器  

CLOCK时钟信号源  

CRYSTAL晶振  

FUSE保险丝  

GROUND地  

LAMP灯  

LED-RED红色发光二极管  

LM016L2行16列液晶可显示2行16列英文字符，有8位数据总线D0-D7，RS，R/W，EN三个控制端口（共14线），工作电压为5V。

LOGICANALYSER逻辑分析器  

LOGICPROBE逻辑探针  

LOGICPROBE[BIG]逻辑探针用来显示连接位置的逻辑状态

LOGICSTATE逻辑状态用鼠标点击,可改变该方框连接位置的逻辑状态

LOGICTOGGLE逻辑触发  

MOTOR马达  

OR或门 

POT-LIN三引线可变电阻器

POWER电源

RES电阻 

RESISTOR电阻器  

SWITCH按钮手动按一下一个状态

VOLTMETER伏特计 

VOLTMETER-MILLImV伏特计

VTERM串行口终端  

Electromechanical电机 

Inductors变压器  

LaplacePrimitives拉普拉斯变换

Miscellaneous各种器件AERIAL-天线；ATAHDD；ATMEGA64；BATTERY；CELL；CRYSTAL-晶振；FUSE；METER-仪表；

Optoelectronics各种发光器件发光二极管，LED，液晶等等

Resistors各种电阻  

SimulatorPrimitives常用的器件  

Speakers&Sounders  扬声器

Switches&Relays开关，继电器，键盘

Transistors晶体管（三极管，场效应管）

TTL74series 

TTL74ALSseries 

TTL74ASseries 

TTL74Fseries 

TTL74HCseries 

TTL74HCTseries 

TTL74LSseries 

TTL74Sseries 

此模拟电路集成芯片 

Capacitors电容集合 

Connectors排座，排插 

DataConvertersADC,DAC

DebuggingTools调试工具  

下面开始我们的第一个任务：

1．1子情境内容：

让单片机动起来，用单片机控制一个LED灯闪烁发光。

用P1口的第一个引脚控制一个LED灯，1秒钟闪烁一次。

1．2子情境目标：

通过此子情境的练习，快速掌握PROTEUS的基本用法

1．3子情境步骤

1．3．1步骤一：

PROTEUS电路设计

整个设计都是在ISIS编辑区中完成的。

（1）单击工具栏上的“新建”按钮

，新建一个设计文档。

单击“保存”按钮

，弹出如图5－2所示的“SaveISISDesigneFile”对话框，在文件名框中输入“LED”（简单实例的文件名），再单击“保存”按钮，完成新建设计文件操作，其后缀名自动为.DSN。

图5－2保存ISIS设计文件

（2）选取元器件

此简单实例需要如下元器件：

单片机：

AT89C51

发光二极管：

LED-RED

瓷片电容：

CAP*

电阻：

RES*

晶振：

CRYSTAL

按钮：

BUTTON

单击图5－3中的“P”按钮

，弹出如图5－4所示的选取元器件对话框，在此对话框左上角“keywords（关键词）”一栏中输入元器件名称，如“AT89C52”，系统在对象库中进行搜索查找，并将与关键词匹配的元器件显示在“Results”中。

在“Results”栏中的列表项中，双击“AT89C51”，则可将“AT89C52”添加至对象选择器窗口。

按照此方法完成其它元器件的选取，如果忘记关键词的完整写法，可以用“*”代替，如“CRY*”可以找到晶振。

被选取的元器件都加入到ISIS对象选择器中。

如图5－5所示。

图5－3单击“P”按钮选取元器件

图5－4选取元器件窗口

图5－5选取元器件均加入到ISIS对象选择器中

（3）放置元器件至图形编辑窗口

在对象选择器窗口中，选中AT89C51，将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放置的位置、单击鼠标左键，该对象被完成放置。

同理，将BUTTON、RES等放置到图形编辑窗口中。

如图5-6所示。

若元器件方向需要调整，先在ISIS对象选择器窗口中单击选中该元器件，再单击工具栏上相应的转向按钮

，把元器件旋转到合适的方向后再将其放置于图形编辑窗口。

若对象位置需要移动，将鼠标移到该对象上，单击鼠标右键，此时我们已经注意到，该对象的颜色已变至红色，表明该对象已被选中，按下鼠标左键，拖动鼠标，将对象移至新位置后，松开鼠标，完成移动操作。

通过一系列的移动、旋转、放置等操作，将元器件放在ISIS编辑窗口中合适的位置。

如图5－6所示。

（4）放置终端（电源、地）

放置电源操作：

单击工具栏中的终端按钮

，在对象选择器窗口中选择“POWER”如图5－7所示，再在编辑区中要放电源的位置单击完成。

放置地（GROUND）的操作与此类似。

图5－6各元器件放在ISIS编辑窗口中合适的位置

图5－7放置终端符号

（5）元器件之间的连线

Proteus的智能化可以在你想要画线的时候进行自动检测。

下面，我们来操作将电阻R1的右端连接到LED显示器的左端，如图5－6所示。

当鼠标的指针靠近R1右端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“□”号，表明找到了R1的连接点，单击鼠标左键，移动鼠标（不用拖动鼠标），将鼠标的指针靠近LED的左端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“□”号，表明找到了LED显示器的连接点，单击鼠标左键完成电阻R1和LED的连线。

Proteus具有线路自动路径功能（简称WAR），当选中两个连接点后，WAR将选择一个合适的路径连线。

WAR可通过使用标准工具栏里的“WAR”命令按钮

来关闭或打开，也可以在菜单栏的“Tools”下找到这个图标。

同理，我们可以完成其它连线。

在此过程的任何时刻，都可以按ESC键或者单击鼠标的右键来放弃画线。

（6）修改、设置元器件的属性

PROTEUS库中的元器件都有相应的属性，要设置修改元器件的属性，只需要双击ISIS编辑区中的该元器件。

例如，发光二极管的限流电阻R1，双击它弹出如图5－7所示的属性窗口，在窗口中已经将电阻的阻值修改为330欧姆。

图5－9是编辑完成的“简单实例”的电路。

图5－8设置限流电阻阻值为330欧姆

图5－9编辑完成的简单实例的电路图

1．3．2步骤二：

源程序设计与生成目标代码文件

（1）程序流程图

图5－10发光二极管闪烁的流程图

（2）源程序设计（略）

1．3．3步骤三：

PROTEUS仿真

（1）加载目标代码文件

双击编辑窗口的AT89C52器件，在弹出如图5—11所示属性编辑对话框ProgramFile一栏中单击打开按钮

，出现文件浏览对话框，找到FLASH_LED.HEX文件，单击“打开”按钮，完成添加文件。

在Clockfrequency栏中把频率设置为12MHZ，仿真系统则以12MHZ的时钟频率运行。

因为单片机运行的时钟频率以属性设置中的“Clockfrequency”为准，所以在编辑区设计MCS-51系列单片机系统电路时，可以略去单片机振荡电路，并且复位电路也可以略去。

所以从子情境三开始就将振荡电路和复位电路省略。

图5－11加载目标代码文件窗口

（2）仿真。

单击按钮

，启动仿真，发光二极管间隔500毫秒闪烁。

图5—12仿真运行片段

红色方块代表低电平，蓝色方块代表高电平，灰色方块代表不确定电平

学习情景二：

用发光二极管实现流水灯乒乓球效果

2．1子情境目标：

（1）通过AT89C52单片机控制8个发光二极管，实现亮点由低位到高位再由高位到低位来回流动的乒乓球效果

（2）用PROTEUS设计、仿真以AT89C52为核心的放光二极管流水灯电路。

（3）掌握发光二极管的控制方法

2．2子情境步骤

2．2．1步骤一：

PROTEUS电路设计

（1）选取元器件：

按快捷键“P”按钮

，打开元器件选择窗口。

在关键词栏中输入元器件的关键词，选取需要的元器件。

①单片机：

AT89C52

②电阻、8排阻：

RES*

③红色发光二极管：

LED-RED

④瓷片电容：

CAP*

⑤晶振：

CRYSTAL

（2）放置元器件：

在对象选择器中单击选中AT89C52，在编辑区中合适的位置单击，器件AT89C52就被放置到编辑区中。

如果要改变元器件的放置方向，先在ISIS对象选择器中单击选中该元器件，再单击工具栏上相应的转向按钮

，把元器件旋转到合适的方向后再将其放置于图形编辑窗口。

（3）放置终端（电源、地）

放置电源操作：

单击工具栏中的终端按钮

，在对象选择器窗口中选择“POWER”，再在编辑区中要放电源的位置单击完成。

放置地（GROUND）的操作与此类似。

（4）元器件之间的连线

因为ISIS的智能化程度很高，只要单击所要连线的起点和终点。

例如元器件的引脚、终端等，在这两点间会自动生成一条线。

若要画折线，只要在转折点单击；若中途想取消连线，右击即可。

（5）元器件属性设置

PROTEUS库中的元器件都有相应的属性，要设置修改元器件的属性，只需要双击ISIS编辑区中的该元器件。

设置好的原理图如图5－13所示。

图5－13流水灯乒乓效果原理图

2．2．2步骤二：

源程序设计与目标代码文件生成

（1）程序流程图

（2）源程序设计

2．2．3步骤三：

PROTEUS仿真

加载目标代码文件，双击编辑窗口的AT89C51器件，在弹出属性编辑对话框ProgramFile一栏中单击打开按钮

，出现文件浏览对话框，找到pingpang.hex文件，单击“打开”按钮，完成添加文件。

单击按钮

，启动仿真，仿真运行片段如图5－15所示。

通过AT89C52单片机控制8个发光二极管，实现亮点由低位到高位再由高位到低位来回流动的乒乓球效果。

图5－15流水灯乒乓效果运行片段

学习情景三：

数码管动态扫描

3．1子情境内容：

利用动态扫描让四位数码管稳定的显示1234。

3．2子情境目标：

（1）掌握单片机控制四位数码管的动态扫描技术，包括程序设计和电

路设计，本任务的效果是让四位数码管稳定的显示1234。

（2）用PROTEUS进行电路设计和实时仿真

3．3知识点链接

（1）数码管动态扫描（动态扫描的定义以及与静态显示的区别）

动态显示的特点是将所有位数码管的段选线s一位数码管有效。

选亮数码管采用动态扫描显示。

所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。

（2）总线的应用

元器件与总线的连线

P0口的接线采用总线方式，详细如图5－17所示。

1选择总线按钮

2绘制总线：

与普通电线的绘制方法一样，选择合适的起点、终点单击。

如果终点在空白处，左键双击结束连线。

画总线的时候为了和一般的导线区分，我们一般喜欢画斜线来表示分支线。

此时我们需要自己决定走线路径，只需在想要拐点处单击鼠标左键即可。

在画斜线时，需要关闭线路自动路径功能

才好绘制。

Proteus的线路自动路径功能简称WAR，当选中两个连接点后，WAR将选择一个合适的路径连线。

WAR可通过使用标准工具栏里的“WAR”命令按钮

来关闭或打开，也可以在菜单栏的“Tools”下找到这个图标。

3给与总线连接的导线贴标签PARTLABELS

与P0口相连的线标签名依次为P00—P06，本电路中的P0口的上拉电阻通过总线与P0口相连，数码管也是通过总线与P0口相连，这些都需要标注，以表明正确的电气连接。

单击绘图工具栏中的导线标签按钮

，使之处于选中状态。

将鼠标置于图形编辑窗口的欲标标签的导线上，跟着鼠标的指针就会出现一个“×”号，表明找到了可以标注的导线，单击鼠标左键，弹出编辑导线标签窗口，如图5－16所示。

在“string”栏中，输入标签名称（如p00），单击“OK”按钮，结束对该导线的标签标定。

同理，可以标注其它导线的标签，如图5－16所示。

注意，在标定导线标签的过程中，相互接通的导线必须标注相同的标签名。

图5－16编辑导线标签窗口

3．4任务步骤

3．4．1步骤一：

PROTEUS电路设计，单片机控制四位共阴极数码管动态扫描显示的原理图如图5－17所示。

图5－17四位共阴极数码管动态扫描显示的原理图

1、选取元器件

①单片机：

AT89C52

②带公共端的排阻：

RESPACK-8

③四位共阴极数码管：

7SEG-MPX4-CC

2、放置元器件、放置电源和地、连线、元器件属性设置

数码管动态扫描显示的原理图如图5－17所示，整个电路设计操作都在ISIS平台中进行。

（1）带公共端的排阻（RESPACK-8）如图5－18所示，在本电路中作为P0的

上拉电阻，在如图5－19所示ComponentValue一栏中可更改阻值，例如本例中将阻值更改为200欧姆。

图5－18排阻图5－19排阻属性框

至此，我们便完成了整个电路图的绘制。

3．4．2步骤二：

源程序设计与目标代码文件生成

（1）程序流程图

图5－20数码管动态扫描的流程图

（2）源程序设计

3．4．3步骤三：

PROTEUS仿真

加载目标代码文件，双击编辑窗口的AT89C51器件，在弹出属性编辑对话框ProgramFile一栏中单击打开按钮

，出现文件浏览对话框，找到dongtai.hex文件，单击“打开”按钮，完成添加文件。

单击按钮

，启动仿真，仿真运行片段如图5－21所示。

通过AT89C52单片机控制四位数码管，实现让四位数码管稳定的显示“1234”的效果。

图5－21数码管动态扫描显示“1234”

学习情景四：

定时/计数器的使用——方波发生器

4．1子情境内容：

用AT89C51单片机定时/计数器0的定时功能可构成一简单的方波发生器，实现周期为2s的方波，并能在虚拟示波器上直观地显示波形。

4．2子情境目标：

（1）通过用AT89C52单片机定时/计数器0的定时功能构成一简单的方波发生器，掌握定时器的基本用法。

（2）用PROTEUS进行电路设计和实时仿真

（3）学会使用虚拟示波器观察波形

4．3知识点链接

虚拟示波器的基本操作：

单击工具栏中的按钮

（虚拟仪器），在对象选择器列表中选择OSCILLOSCOPE（示波器），在ISIS编辑窗口中合适位置单击就可以将示波器放置好了。

最后将单片机的P1.0口与示波器的A通道相连，如图5－22所示。

4．4任务步骤

4．4．1步骤一：

PROTEUS电路设计，实现周期为2s的方波的原理图如图5－22所示。

图5－22方波发生器原理图

1、选取元器件

①单片机：

AT89C52

②电阻：

RES

③LED发光二极管：

LED-RED

2、放置元器件、放置电源和地、连线、元器件属性设置

方波发生器的原理图如图5－22所示，整个电路设计操作都在ISIS平台中进行。

与子情景3相似，故不详述。

（1）程序流程图

中断服务程序

主程序

图5－23方波发生器的流程图

（2）源程序设计

4．4．3步骤三：

PROTEUS仿真

加载目标代码文件，双击编辑窗口的AT89C51器件，在弹出属性编辑对话框ProgramFile一栏中单击打开按钮

，出现文件浏览对话框，找到fangbo.hex文件，单击“打开”按钮，完成添加文件。

单击按钮

，启动仿真，仿真运行片段如图5－24所示。

用AT89C51单片机定时/计数器0的定时功能可构成一简单的方波发生器，实现周期为2s的方波，并能在虚拟示波器上直观地显示波形。

我们可以适当调整示波器面板上的按钮来使波形最有利于我们观察。

调整好以后，系统产生的波形效果如图5－25所示。

转动如图5－26所示的A通道的转盘旋钮，可调整A通道的电压显示幅值，范围为2ms－20v/格，如图电压幅值为2v/格，从波形可以看出P1.0口输出电压近似为5V。

转动如图5－27所示的转盘旋钮，可调整时基。

如图时基为0.5s/格。

从图中我们能够看出，波形的周期为2s，这与我们设定的目标相一致。

图5－24方波发生器仿真运行图

图5－25示波器上显示的方波图

图5－26调节电压幅值图5－27调节时基

4．5扩展练习

将子情境中方波的周期更改为1秒，并能在虚拟示波器上直观地显示波形。

学习情景五：

单片机外部中断

5．1子情境内容：

外部中断是单片机的重要内容，本子情境用外部中断功能改变流水灯和数码管的显示状态。

没有发生中断时，数码管从0至F顺序显示，不断循环。

当有外部中断0发生时（在单片机P3.2引脚上有低电平），立即产生中断，数码管从0至F顺序显示的工作停下来，转去执行中断服务程序。

中断服务程序为：

流水灯上下来回流动3次。

完成中断服务程序后，返回主程序原断点处继续执行，数码管接着原来的数字继续顺序显示。

程序流程图如5－29所示。

5．2子情境目标：

（1）理解单片机的中断原理及中断过程

（2）用PROTEUS设计、仿真单片机的外部中断。

5．3知识点链接

5．4任务步骤

5．4．1步骤一：

PROTEUS电路设计，实现外部中断功能改变流水灯和数码管的显示状态的原理图如图5－28所示。

1、选取元器件

①单片机：

AT89C51

②电阻、排阻：

RES*

③LED发光二极管：

LED-RED

④按钮：

BUTTON

⑤带公共端共阳七段蓝色数码管：

7SEG-COM-AN-BLUE

2、放置元器件、放置电源和地、连线、元器件属性设置

外部中断实验的原理图如图5－28所示，整个电路设计操作都在ISIS平台中进行。

与子情景3相似，故不详述。

与LED串联的排阻阻值为1K欧姆，与数码管串联的电阻的阻值为330欧姆左右。

图5－28外部中断子情境原理图

5．4．2步骤二：

源程序设计与目标代码文件生成

（1）程序流程图

图5－29外部中断流程图

（2）源程序设计

5．4．3步骤三：

PROTEUS仿真

加载目标代码文件，双击编辑窗口的AT89C51器件，在弹出属性编辑对话框ProgramFile一栏中单击打开按钮

，出现文件浏览对话框，找到zhongduan.hex文件，单击“打开”按钮，完成添加文件。

单击按钮

，启动仿真，仿真运行片段如图5－30、5－31、5－32所示。

图5－30中是主程序的运行片段，主程序中数码管从0至F顺序显示

图5－31中，按下按钮后，在单片机P3.2引脚上有低电平，立即产生中断，数码管从0至F顺序显示的工作停下来，流水灯上下循环移动三次。

图5－32中，完成中断服务程序后，返回主程序原断点处继续执行，数码管接着原来的数字继续顺序显示。

图5－30主程序中数码管从0至F顺序显示

图5－31按下按钮后数码管停下来，流水灯上下循环移动三次

图5－32完成中断服务程序后，返回主程序原断点处继续执行，数码管接着原来的数字继续顺序显示。

5．5扩展练习

主程序中数码管从0至9顺序显示数字，中断发生后（在单片机P3.2引脚上有低电平），数码管从9至0反序显示。

学习情景六：

直流电机正反转

6．1子情境内容：

用单片机AT89C51控制直流电机正反转。

在此将由89C51的P2.0,P2.1通过晶体管控制继电器，当P2.0输出低电平，P2.1输出高电平时，三极管Q1导通，而三极管Q2截止，从而导致与Q1相连的继电器吸合，电机因两端产生电压而转动。

由P3.0,P3.1,P3.2控制电机的正传、反转和停止。

6．2子情境目标：

（1）掌握趋动电机正反转的电路

（2）用PROTEUS实现电机正反转电路的设计，并进行实时交互仿真

6．3知识点链接

二极管保护电路：

在图5－33中，在两个继电器的两端都反相接了一个二极管，这个二极管非常重要，当使用电磁继电器时必须接。

原因如下：

线圈通电正常工作时，二极管对电路不起作用。

当继电器线圈在断电的一瞬间会产生一个很强的反向电动势，在继电器线圈两端反相并联二极管就是用来消耗这个反向电动势的，通常这个二极管叫做消耗二极管，如果不加这个消耗二极管，反向电动势就会直接作用在趋动三极管上，很容易将三极管烧毁。

6．4任务步骤

6．4．1步骤一：

PROTEUS电路设计，实现用单片机AT89C51控制直流电机正反转原理图如图5－33所示。

图5－33直流电机正反转原理图

1、选取元器件

①单片机：

AT89C51

②电阻：

RES*

③直流电机：

MOTOR

④按钮：

BUTTON

⑤三极管：

NPN*

⑥继电器：

RELAY*

⑦二极管：

DIODE*

2、放置元器件、放置电源和地、连线、元器件属性设置

直流电机正反转的原理图如图5－33所示，整个电路设计操作都在ISIS平台中进行。

与子情景3相似，故不详述。

（1）关于元器件属性的设置在此实例中需要特别注意：

①三极管基极的限流电阻更改为1K欧姆

②双击电机图标，弹出如图5－34所示的电机属性对话框，在NominalVoltage一栏中将默认值更改为5v

4双击继电器图标，在弹出的如图5－35所示的继电器属性对话框中，在ComponentValue一栏中将默认值更改为5v

图5－34更改电机属性

图5－35更改继电器属性

6．4．2步骤二：

源程序设计与目标代码文件生成

（1）程序流程图

图5－36电机正反转流程