《单片机原理及应用》实验指导书.docx
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《单片机原理及应用》实验指导书
《单片机原理及应用》
实验教学指导书
陈玮编
莆田学院信息工程学院
2015年9月
目录
实验一仿真系统搭建1
实验二实验系统编程应用7
实验三流水灯实验9
实验四LED数码管显示实验11
实验五键盘实验13
实验六中断系统实验15
实验七51定时器实验17
实验一仿真系统搭建
一、实验目的
了解实验设备的软硬件组成，包括keil单片机仿真软件的安装、设置与使用，单片机仿真调试软件的安装、设置与使用，单片机仿真器的功能、结构与使用，51单片机实验板的电路结构、工作原理与使用。
熟悉使用keil单片机仿真软件、仿真调试软件和实验板进行协调工作的方法。
熟悉使用至少两种单片机仿真系统建立、设置、调试工作项目的方法。
二、实验原理
整个实验系统由仿真调试软件（keil单片机仿真软件、伟福仿真调试软件）、单片机仿真头（伟福仿真器）和单片机最小板（51单片机实验板）组成或使用Proteus仿真系统进行硬件仿真。
仿真软件进行项目的管理设置，仿真器进行软件的下载与单片机的仿真（IAP），实验板搭载建立各种外围电路。
主要掌握的软件有KEIL编程软件、Proteus硬件仿真软件和其他一些差用软件及硬件构造。
整个实验系统使用时，若使用硬件仿真，第一步安装KEIL软件，第二步安装星研系列仿真调试软件，第三步将仿真器的数据口和电源口连接微机及实验板，进行仿真器驱动安装。
第四步将仿真头插入实验板插座（注意仿真头三角箭头标注引脚为第一脚），开机调试。
若使用软件仿真，第一步安装KEIL软件，第二步安装Proteus硬件仿真软件，然后用Proteus硬件仿真软件进行电路构建，最后进行程序调试。
1、Keil软件的安装设置：
启动后，点击Project菜单新建项目。
新建项目后，选择仿真单片机型号，并新建或加入程序文件。
编写加入C语言程序后就可以对项目进行设置，进而使用Project菜单进行编译、连接和调试运行等操作。
图1-7项目设置
项目的设置包括Target菜单中的单片机振荡频率，debug菜单中的仿真方法。
2、伟福仿真调试软件安装后为了与Keil软件协调工作所必须的设置：
第一步：
设置前的准备
在设置前，必须先安装好VW调试软件和Keil调试环境，选择好安装路径。
并在伟福的仿真器设置中选择KEIL的安装路径作为编译器路径。
第二步：
安装V8/V5/SH51/SP51仿真器在Keil硬件驱动
启动VW调试环境，打开“帮助”菜单下的“安装KEIL驱动”，在弹出的对话框中正确选择已经安装的keil安装路径。
第三步：
调试模式设置
在KeiluVision2中打开项目，选择Project\OptionsforTarget
切换到“Debug”选项卡，将默认的UseSimulator（使用软件模拟器）切换到Use...“XXX”，选择“伟福V系列仿真器”（WAVEVseriesDriver为英文版），然后将以下的两项都选中：
LoadApplicationatSta，Gotillmain，然后点击Settings，进入仿真器设置对话框。
3、proteus软件的安装设置：
安装Proteus7.2以上版本后，安装注册的key
安装完毕后运行
就可以打开如下proteus仿真电路软件界面。
在原理图编辑窗口中，将拾取的各种元器件放入并进行连线完成电路的设计。
然后在keil软件中编写程序并通过optionsforTarget菜单配置生成HEX文件，最后在proteus仿真电路中的单片机模块左键双击，弹出如下对话框，在programfile栏中选择前面生成的HEX文件即可进行仿真调试。
三、实验设备与器件
硬件：
微机、单片机仿真器、单片机实验板、连线若干
软件：
KEILC51单片机仿真调试软件，伟福V系列仿真调试软件，Proteus仿真软件
四、实验内容
分析了解单片机仿真平台的构成与搭建的基本知识，了解几种常见单片机仿真平台的构成与基本原理。
安装并设置keil单片机编程软件与Proteus仿真软件（或伟福仿真器调试平台）、AGSI软件仿真板，并使之协调工作。
设置完成后，在keil单片机仿真软件上建立C语言的工作项目与程序文件，并进行简单的调试。
进而熟悉几种仿真软件以及各种调试命令。
五、评分标准
实验时实验的完成情况
实验报告的书写
实验二实验系统编程应用
一、实验目的
熟悉使用keil仿真软件、伟福仿真调试软件编写C51单片机程序的编写过程以及调试运行步骤。
熟悉在C51中各种类型变量的定义方法，以及各种常用程序结构的编写方法。
学习编写基本的单片机程序。
二、实验原理
C51定义的任何数据类型必须以一定的存储类型定位，在8051的某一存储区中。
说明的一般格式：
<数据类型><存储类型>变量名
C51对单片机的不同存储区域定义了不同的存储类型，它们的关系如下：
存储类型
对应的存储区域
data
bdata
idata
xdata
Code
直接寻址片内RAM（128字节）
可位寻址的片内RAM（16字节），允许位与字节混合访问
间接寻址片内RAM，可访问全部片内RAM（256字节）
片外RAM（64K）
程序存储区（64K）
另外8051单片机片内还有有21个特殊功能寄存器（SFR），它们分布在片内RAM的高128字节中，特殊功能寄存器中还有11个可位寻址的寄存器。
在C51中，特殊功能寄存器是通过关键字sfr来定义，而其中可位寻址的位则用sbit来定义。
大部分特殊功能寄存器及其可位寻址的位的定义在reg51.h、reg52.h等相应的头文件中已给出，使用时只需在源文件中包含相应的头文件，即可使用SFR及其可寻址的位；而对于未定义的位，使用之前必须先定义。
另外在C51中增加了位数据类型。
位变量用关键字bit来定义，它的值是一个二进制位。
三、实验设备与器件
微机，KEILC51单片机仿真调试软件，伟福V系列仿真调试软件等。
四、实验内容
使用KEIL或伟福单片机仿真调试软件完成以下程序的编写，要求使用C51编写并进行调试观察各个变量的存放情况及结果：
19805×24503的编程。
有两个数a和b（类型不限），根据位变量c，d的内容转向不同子程序C=0，d=0则m=a+b；C=1，d=0则m=a-b；C=0，d=1则m=a*bC=1，d=1则m=a/b。
*定义变量a,b,c其中a为内部RAM的可位寻址区的字符变量；b为外部数据存储区浮点型变量；c为一个位变量；写出他们的完整定义。
*编程将内部数据存储区的20H单元和35H单元的数据相乘，结果存到外部数据存储区中（位置不限）。
*完成以下表达式P1.2=P1.4*ACC.0+ACC.7
五、评分标准
实验时实验的完成情况
实验报告的书写
实验三流水灯实验
一、实验目的
进一步熟悉keil仿真软件、proteus仿真软件的使用。
了解并熟悉单片机I/O口和LED灯的电路结构，学会构建简单的流水灯电路。
掌握C51中单片机I/O口的编程方法和使用I/O口进行输入输出的注意事项。
二、实验原理
MCS-51系列单片机有四组8位并行I/O口，记作P0、P1、P2和P3。
每组I/O口内部都有8位数据输入缓冲器、8位数据输出锁存器及数据输出驱动等电路。
四组并行I/O端口即可以按字节操作，又可以按位操作。
当系统没有扩展外部器件时，I/O端口用作双向输入输出口；当系统作外部扩展时，使用P0、P2口作系统地址和数据总线、P3口有第二功能，与MCS-51的内部功能器件配合使用。
本实验用到的P1口内部结构如图3-1所示。
作输出时：
输出0时，将0输出到内部总线上，在写锁存器信号控制下写入锁存器，锁存器的反向输出端输出1，下面的场效应管导通，输出引脚成低电平。
输出1时，下面的场效应管截止，上面的上拉电阻使输出为1。
作输入时：
P1端口引脚信号通过一个输入三态缓冲器接入内部总线，再读引脚信号控制下，引脚电平出现在内部总线上。
为了能读到真实的引脚信号，下面的场效应管必须截止，即锁存器的内容必须是1。
为了能正确读取引脚信号，锁存器必须先写1。
通过C51程序的编写，可以使I/O口的每根引脚在不同的时间输出不同的0、1信号，从而控制外部的设备。
三、实验设备与器件
硬件：
微机、单片机仿真器、单片机实验板、连线若干
软件：
KEILC51单片机仿真调试软件，proteus系列仿真调试软件
四、实验内容
用proteus或其他仿真软硬件设计流水灯电路，将仿真实验板上51单片机的P1口的8根线与实验板上的8位LED灯连接，I/O口的一根引脚控制一个LED灯。
根据实验板上LED灯的硬件连接，编写程序使8个LED灯从最低位依次点亮，每次只亮一盏灯。
依此循环。
*在此基础上编写程序使用一根I/O线接一开关控制流水灯流向。
*在此基础上编写程序使8个LED灯从两边向中间循环点亮。
五、评分标准
实验时实验的完成情况
实验报告的书写
实验四LED数码管显示实验
一、实验目的
熟悉keil仿真软件、proteus仿真软件、软件仿真板的使用。
了解并熟悉一位数码管与多位LED数码管的电路结构、与单片机的连接方法及其应用原理。
学习proteus构建LED数码管显示电路的方法，掌握C51中单片机控制LED数码管动态显示的原理与编程方法。
二、实验原理
LED显示器是由发光二极管显示字段的显示器件。
在单片机应用系统中通常使用的是七段LED，这种显示器有共阴极与共阳极两种。
共阴极LED显示器的发光二极管阴极共地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，该发光二极管则点亮；共阳极LED显示器的发光二极管阳极并接。
七段LED数码管与单片机连接时，只要将一个8位并行输出口与显示器的发光二极管引脚相连即可。
8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符，通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。
多位七段LED数码管与单片机连接时将所有LED的段选线并联在一起，由一个八位I／O口控制，而位选线分别由相应的I／O口线控制。
如：
8位LED动态显示电路只需要两个八位I／O口。
其中一个控制段选码，另一个控制位选。
由于所有位的段选码皆由一个I／O控制，因此，在每个瞬间，多位LED只可能显示相同的字符。
要想每位显示不同的字符，必须采用动态扫描显示方式。
即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。
在此瞬间，位选控制I／O口在该显示位送入选通电平（共阴极送低电平、共阳极送高电平）以保证该位显示相应字符，段选控制I／O口输出相应字符段选码。
如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果。
不断循环送出相应的段选码、位选码，就可以获得视觉稳定的显示状态。
由人眼的视觉特性，每一位LED在一秒钟内点亮不少于30次，其效果和一直点亮相差不多。
三、实验设备与器件
硬件：
微机、单片机仿真器、单片机实验板、连线若干
软件：
KEILC51单片机仿真调试软件，proteus系列仿真调试软件
四、实验内容
用仿真软件构建一个6-8位的LED数码管显示电路，对软件仿真板中的多位LED数码管的极性进行判断。
使用实验板上51单片机的P2口做位选，P0口做段选，连接实验板上的6位LED数码管。
应用动态显示的原理，编写程序使6位LED数码管在开始时显示“654321”，过一段时间后自动改为显示“123456”。
五、评分标准
实验时实验的完成情况
实验报告的书写
实验五键盘实验
一、实验目的
熟悉keil仿真软件、proteus仿真软件的使用和实验板中行列式键盘的使用。
了解并熟悉行列式键盘的电路结构、与单片机的连接方法及其工作原理，理解掌握C51中单片机控制行列式键盘中判断按键是否按下、按键的识别、按键的消抖分别是如何实现的。
二、实验原理
键盘是单片机系统中通用的输入设备，用于向系统输入数据或控制信息。
键盘中一般矩阵式（行列式）键盘用得较多，适用于按键数量较多的场合。
矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行线、列线的交叉点上。
当键被按下，则其交点的行线和列线接通。
行和列可分别用两个I/O口来控制。
+5V
判断是否有键按下时，行线通过上拉电阻接＋5V上，而先使所有列线为低电平（I／O输出0），再读行线状态（输入口），当无键按下时，所有行线为高电平，即读到“全1”数据；当有某键按下时，总会有一根行线为低电平，即读到的数据不全为“1”。
按键的识别（识别键的行列位置）有两种方法：
扫描法和反转法。
反转法将行线接一并口，做输出方式；列线接一并口，做输入方式。
使所有行线为低电平（送全“0”），读入列线值，为“0”的那列，即按键所在列；反过来，使行线做输入方式，列线做输出方式。
将刚读到的列线值输出，然后读行线值，为“0”的那行，即按键所在行。
编程时使用P1=0x0f;m=P1;P1=0xf0;n=P1;mn=m|n;即可得到按键的键值，每一个按键都有自己唯一的键值。
按键或键盘都是一个机械开关，键的按下和放开是利用机械触点的闭合和断开来实现的。
由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合及断开瞬间均有一连串的抖动，抖动的时间长短由按键的机械特性决定，一般为5～10ms。
为了确保按键动作只确认一次，必须消除抖动的影响。
一般采用延时的方法。
三、实验设备与器件
硬件：
微机、单片机仿真器、单片机实验板、连线若干
软件：
KEILC51单片机仿真调试软件，proteus系列仿真调试软件
四、实验内容
使用proteus仿真软件构建一个行列式键盘，实验板上51单片机的P1口的高4位和低4位分别做行线和列线，构建一个4*4的行列式键盘。
应用行列式键盘的反转法识别按键的原理，编写程序控制至少3个按键，使每个按键按下时能在实验板的一个多位数码管中分别显示一个不同的数。
五、评分标准
实验时实验的完成情况
实验报告的书写
实验六中断系统实验
一、实验目的
熟悉keil仿真软件、proteus仿真软件的使用和单片机外部中断的使用。
了解并熟悉51单片机中中断的概念，中断处理系统的工作原理。
理解51单片机中断管理系统处理五种中断源，特别是对外部中断的设置与控制方法。
熟悉中断处理特别是外部中断处理的过程，掌握中断处理子程序的书写格式和使用方法。
二、实验原理
现代的计算机都具有实时处理功能，能对外部发生的事件如人工干预、外部事件及意外故障做出及时的响应或处理，这是依靠计算机的中断系统来实现的。
51单片机内部有一个中断管理系统，它能对内部的定时器事件、串行通信的发送和接收事件及外部事件（如键盘按键动作）等进行自动的检测判断，当有某个事件产生时，中断管理系统会置位相应标志通知CPU，请求CPU迅速去处理。
CPU检测到某个标志时，会停止当前正在处理的程序流程，转去处理所发生的事件（针对发生的事件，调用某一特定的函数，称为该事件的中断服务函数），处理完以后，再回到原来被中断的地方，继续执行原来的程序。
MCS－51单片机最典型的有5个中断源（外部中断0、1，内部定时器中断0、1，串口中断），具有两个中断优先级。
两个外部中断：
（P3.2—INT0、P3.3—INT1）上输入的外部中断源，低电平或负跳变有效，置位TCON中的IE0和IE1中断请求标志位。
通过外部中断源触发方式控制位IT可以使外部中断为电平触发方式（=0）或边沿触发方式（=1）。
另外控制中断允许寄存器IE可以开放中断。
使用MCS－51的中断，要为使用到的中断源编写中断服务程序。
C51为中断服务程序的编写提供了方便的方法。
C51的中断服务程序是一种特殊的函数，它的说明形式为：
void函数名（void）interruptnusingm
{函数体语句}
这里，interrupt和using是为编写C51中断服务程序而引入的关键字，interrupt表示该函数是一个中断服务函数，interrupt后的整数n表示该中断服务函数是对应哪一个中断源。
三、实验设备与器件
硬件：
微机、单片机仿真器、单片机实验板、连线若干
软件：
KEILC51单片机仿真调试软件，proteus系列仿真调试软件
四、实验内容
用proteus仿真软件设计一个仿真实验板，将实验板上单片机的INT1和INT0引脚和按键引脚相连，选将按键作为外部中断请求按键，用中断法判断按键，当所选按键被按下时，发出中断请求，引起外部中断。
自己设计一个被触发事件来验证中断的发生。
编写主程序和中断程序，完成以上要求。
五、评分标准
实验时实验的完成情况
实验报告的书写
实验七51定时器实验
一、实验目的
熟悉keil仿真软件、proteus仿真软件的使用和单片机定时程序的编写。
了解51单片机中定时、计数的概念，熟悉51单片机内部定时/计数器的结构与工作原理。
掌握中断方式处理定时/计数的工作过程，掌握定时/计数器在C51中的设置与程序的书写格式以及使用方法。
二、实验原理
8051型单片机有两个十六位定时/计数器T0、T1，有四种工作方式，跟定时/计数器相关的特殊功能寄存器有这样几个：
方式控制寄存器TMOD；
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
M1、M0的状态决定定时器的工作方式，定时和外部事件计数方式选择位C/T，GATE与TR0、TR1配合决定定时/计数器的启停。
加法计数寄存器TH0、TH1（高八位）TL0、TL1（低八位）；
定时/计数到标志TF0、TF1（中断控制寄存器TCON）；
定时/计数器启停控制位TR0、TR1（TCON）；
定时/计数器中断允许位ET0、ET1（中断允许寄存IE）；
定时/计数器中断优先级控制位PT0、PT1（中断优IP）。
MCS-51单片机定时计数器的工作原理如下图所示，
单片机内部的定时计数模块，在定时时，对工作频率的12分频进行计数，先记入TL后记入TH，直到溢出为止，根据TL、TH内的初值不同可以定出不同的时间；在计数工作方式时，对T0（T1）引脚的输入脉冲进行计数，将计数值记入TL、TH。
当定时/计数溢出时，会引起中断。
计数初值与定时时间的关系为：
T=12×（T_all–a）/fosc定时间隔为T，计数初值为a。
所以有计数初值a=–T×fosc/12，THx=a/256，TLx=a%256。
定时器均有一个最大定时时间，对于长时间的定时需要，可以将定时间隔为固定的较小时间，通过另设一全局变量ah1用于计数，累加固定的较小定时时间来进行。
使用MCS－51单片机的定时/计数器的步骤是：
1．设定TMOD，确定：
工作状态（用作定时器/计数器）；
工作方式；
控制方式。
2．设置合适的计数初值，以产生期望的定时间隔。
由于定时/计数器在方式0、方式1和方式2时的最大计数间隔取决于使用的晶振频率fosc，如下表所示，当需要的定时间隔较大时，要采用适当的方法，即将定时间隔分段处理。
3．确定定时/计数器工作于查询方式还是中断方式，若工作于中断方式，则在初始化时开放定时/计数器的中断及总中断：
ET0=1；EA=1；
还需要编写中断服务函数：
voidT0_srv（void）interrupt1using1
{
TL0=a%256；
TH0=a/256；
中断服务程序段}
4．启动定时器：
TR0（TR1）=1。
三、实验设备与器件
硬件：
微机、单片机仿真器、单片机实验板、连线若干
软件：
KEILC51单片机仿真调试软件，proteus系列仿真调试软件
四、实验内容
利用proteus仿真软件设计一个可以显示秒表时间的显示电路。
利用实验板上的一位LED数码管做显示，利用中断法编写定时程序，控制单片机定时器进行定时，所定时间为1S。
刚开始LED数码管显示0，每过1S数码管的显示值增加1，当显示到9时返回0，依此反复。
然后再设计00-59的两位秒表显示程序。
五、评分标准
实验时实验的完成情况
实验报告的书写
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