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现代电子技术实验 —— 综合实验之单片机部分

现代电子技术实验 —— 综合实验之单片机部分. 习友宝. 目录. 1. 本课程简介及要求. 2. 实验开发板介绍. 3. C51 程序设计简介. 4. 开发环境与实验例程. 1. 本课程简介及要求. 1 ）课程性质 必修课程：纳入本科培养方案。 综合：先修课程的综合；体现在模拟与数字、硬件与软件技术等的 综合 。 实验：实践动手完成相应的 设计 。 2 ）课程目的 实践能力与工程素质的培养。 3 ）教学方式 学生为主，教师为辅：教师讲解后，学生 自主完成 ，教师值班指导。

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现代电子技术实验 —— 综合实验之单片机部分

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  1. 现代电子技术实验——综合实验之单片机部分 习友宝

  2. 目录 1. 本课程简介及要求 2. 实验开发板介绍 3. C51程序设计简介 4. 开发环境与实验例程

  3. 1. 本课程简介及要求 1）课程性质 必修课程：纳入本科培养方案。 综合：先修课程的综合；体现在模拟与数字、硬件与软件技术等的综合。 实验：实践动手完成相应的设计。 2）课程目的 实践能力与工程素质的培养。 3）教学方式 学生为主，教师为辅：教师讲解后，学生自主完成，教师值班指导。 时间：2周（第1周讲课3次，第2周五考试，其余时间开放，每天上午9：00～晚上9：00）。

  4. 4）考核方式 平时设计（含设计报告）50分；考试（现场完成，1小时）50分。 考虑完成时间因素。 5）课程内容 具有实际工程应用背景的小课题。 模拟实际电子设备或系统的设计。 目前，主要基于FPGA或单片机两种开发工具。这里主要介绍基于单片机的综合应用。 单片机选型：增强型51单片机。

  5. 5）课程内容（续） 硬件：提供统一的单片机开发实验板，但需理解其设计原理、常用芯片、接口设计等。 软件：完成基于开发板的程序设计。 编程语言：C51（面向51单片机的C语言）。

  6. 6）平时设计题目 基本要求： （1）程序运行后，在8位数码管的高2位显示自己的学号；低4位显示“秒表计时器”（定时中断实现），显示从“00.00”开始，即00秒00（1/100秒，即10ms）。要求：用定时中断实现（不用Delay()函数）。 （2）当“秒表计时器”显示到“10.00”（即10秒）时，启动TLC549 A/D转换器进行电压测量（输入电压来自电位器，调节范围0~2.49V，单位：V），并将电压值显示在8位数码管的低3位。高2位仍显示学号。 （3）根据显示的电压值来调节一个发光二极管指示灯的亮度（如LED1），即电压为零时，完全不亮，电压为最大2.49V时，全亮。 要求能够线性调节，即A/D转换器TLC549为8bit，理论上可对应256级亮度。提示：用PWM控制，PWM波频率适当即可，建议取2.56ms或25.6ms的周期，亮度等级为25级。

  7. （4）调节电位器，若电压超过2.00V，则声光报警，即用另一个发光二极管指示灯（如LED2）闪烁（亮0.5s、灭0.5s）；蜂鸣器响（用500Hz方波驱动）；若输入电压低于2.00V后，则撤销声光报警。（4）调节电位器，若电压超过2.00V，则声光报警，即用另一个发光二极管指示灯（如LED2）闪烁（亮0.5s、灭0.5s）；蜂鸣器响（用500Hz方波驱动）；若输入电压低于2.00V后，则撤销声光报警。 （5）设置一个按键，当按下该按键时，蜂鸣器响0.1秒（按键提示音），同时启动LM75A数字温度传感器完成温度的测量，并将温度值（2位整数1位小数）显示在低3位数码管上。高2位仍显示学号。 （6）再次按下该键时，蜂鸣器响0.1秒，同时再回到电压测量状态。 扩展要求： （7）对电压测量值进行简单的数据处理，如去除尖峰干扰的平均滤波：每12个测量值数据为一组，去掉最大值和最小值后的10个测量值进行算术平均后，作为显示值。为不影响测量结果的实时性，还可进行滚动滤波。 （8）其他：LCD、扩展接口。 设计报告要求： 按科技论文规范。

  8. 7）参考资料 （1）51单片机参考书（主要了解单片机结构和内部资源） （2）C语言、C51程序设计参考书 （3）本课程的电子版资料，包括实验指导书、实验例程、主要元器件数据手册（datasheet）、软件资料等 （4）网络资源

  9. 2. 实验开发板介绍 （1）开发板上单片机的选型 P89LV51RD2：80C51 内核的ISP低功耗增强型单片机 含64kB flash和1024字节的数据RAM；另8KB 引导 flash（用来支持 ISP 和 IAP 功能） 可选择X2方式：每个机器周期6个时钟 3V工作电压，操作频率为0～33MHz，兼容TTL和CMOS逻辑电平 SPI（串行外围接口）和增强型UART PCA（可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较 4个8位I/O口，3个高电流P1口（16mA） 3个16位定时器/计数器 可编程看门狗定时器（WDT） 8个中断源，4个中断优先级 2个DPTR寄存器 低功耗模式、掉电模式，外部中断唤醒、空闲模式 详见其datasheet。

  10. P89LV51RD2内部功能图

  11. P89LV51RD2 TQFP44封装 引脚图

  12. （3）开发板主要特性和板载资源

  13. 外接+5V供电，板上主电源为+3.3V。 开发板在PC机 Windows 环境软件开发工具 Keil uVision的支持下，不需要安装特别的驱动程序，通过RS232串口就能够方便地进行硬件在线仿真、调试，支持单步、全速、断点、跳出、变量观察、外围设备访问等仿真功能。 设置跳线选择，所有4个端口P1、P3、P0、P2可作为普通I/O口；或P3口第二功能、 P0、P2口作为数据/地址。 晶振频率：为常用的11.0592MHz。 复位方式：RC上电复位、按键复位 外部32KB静态RAM（U9，IS62LV256），地址为0x0000~0x7FFF，其中0x0000~0x03ff(1kB)可设置为片内或片外。 8个LED灯、8位拨动开关、8个按键、8个共阳极数码管、蜂鸣器

  14. 扩展并行输出接口（74HC573）、输入（74HC245） 实时时钟（PCF8563） 64kb（8kB）EEPROM存储器（AT24LC64 ） 1-Wire总线的数字温度计（DS18B20 ） I2C接口的数字温度计（LM75A ） 8位串行接口的逐次比较式A/D转换器（TLC549 ） 提供128x64 LCD模块接口，可并行连接或串行连接。 扩展功能连接(8位数据线、高8位地址线、3.3V电源线)。 可完成的主要实验内容有： 基本：LED灯、拨动开关、键盘、蜂鸣器、LED动态扫描显示、液晶屏、I2C总线、EEPROM数据存储、数字温度计、电压测量、频率测量、电子钟，等等。 扩展：LCD显示；其他测量与控制，如直流电机、步进电机应用

  15. 开发板主要芯片

  16. （4）开发板原理图介绍 （4）开发板原理图－1

  17. （4）开发板原理图－2

  18. 地址分配 外部扩展RAM: CS_=A15：0x0000~0x7fff I/O地址：0x8000~0xbfff, 0xc000~0xffff（可用于扩展） 地址译码电路：

  19. 各端口地址如下：

  20. P1口线 的分配

  21. 跳线设置:

  22. 3. C51程序设计简介 1）C51与标准C语言的差异 兼容标准C：语法、结构、程序设计方法等相同 具有特殊性：面向51单片机，与单片机的硬件资源相关 库函数：特定的库函数 数据类型：增加了面向单片机的特殊数据类型，如位操作的位类型、寄存器类型等 变量存储模式：与51单片机的存储器密切相关 函数：增加了用于处理单片机中断的中断函数 专用编译器：如常用的Keil，代码紧凑、使用方便。 集成开发环境：编辑、编译、调试。如常用的Keil uVision。

  23. 2）C51的数据类型 与标准C一样，有基本数据类型、组合数据类型；但char型与short型相同，float型与double型相同。 C51的特定数据类型（如特殊功能寄存器型、位类型） （1）字符型（“字节型”）：char signed char（默认）：带符号字节数据，补码表示的数值范围：(1000 0000) -128~+127 (0111 1111)。 unsigned char：无符号字节数据或字符（ASCII码），可表示0~255。 因此，我们可称其为“字节型”。

  24. （2）整形：int singed int（默认）：存放一个双字节数据， 补码表示的数值范围为：-32768~+32767； unsigned int：存放一个双字节无符号数，数值范围为0~65535。 （3） 长整型：long singed long（默认）：存放一个4字节数据； unsigned long：存放一个4字节无符号数据。 注：由于所定义的不同类型的变量，需要占用单片机内存，所以尽量选用满足变量范围的类型。

  25. （4） 浮点型：float float：4个字节表示，格式符合IEEE-754标准的单精度浮点型数据； C51中，double双精度浮点型和long double与float相同； 包含指数和尾数两部分，最高位为符号位，“1”表示负数，“0”表示正数，其次的8位为阶码，最后的23位为尾数的有效数位，由于尾数的整数部分隐含为“1”，所以尾数的精度为24位。 浮点数均为带符号数。

  26. 注：单片机的数据处理尽量采用整数，而不用小数（浮点型）；对小数的处理，将其小数点移位变成整数即可。注：单片机的数据处理尽量采用整数，而不用小数（浮点型）；对小数的处理，将其小数点移位变成整数即可。 如：8位A/D转换器测电压： unsigned int Vx; unsigned char V100,V10,V1; NADC = ReadADC(); Vx=[(NADC)/256]*2.50V，其中Vref=2.50V Vx=(NADC*250)/256; V100 = Vx/100; //百位数 V10 = (Vx-100*V100)/10; //十位数 V1 = (Vx-100*V100)%10; //个位数 小数点隐含在百位数。

  27. （5）指针型：* *：指针型变量中存放的是指向另一个数据的地址。 如：int a, b,*p; //指针变量的声明，p是指向整形变量的指针变量 p = &a; //指针变量赋初值 b = *p; //相当于 b = a; 实际应用中，常将单片机外部存储器或I/O端口的访问用指针操作。

  28. （6）特殊功能寄存器型：sfr或sfr16 C51扩展的数据类型。 sfr：字节型特殊功能寄存器类型，可访问51单片机内部所有特殊功能寄存器； sfr16：双字节型特殊功能寄存器类型，可访问51单片机内部所有双字节的特殊功能寄存器。 在reg51.h（或reg52.h）头文件中，已有标准51单片机寄存器的声明，因此，C51程序的开头都是：#include <reg51.h>，这样，在程序中就可直接使用单片机的特殊功能寄存器了。 对于特定型号单片机的特殊功能寄存器，就需要用sfr或sfr16重新定义。

  29. （7）位类型：bit型 C51扩展的数据类型。可用于访问51单片机中的可寻址的位单元，占一个二进制位，其值为’0’或’1’。 bit型：bit定义的位变量，其位地址是可以变化的； sbit型：sbit定义的位变量与51单片机的一个可寻址位单元或可位寻址的字节单元（如可位寻址的特殊功能寄存器）中的某一位相联系，其对应的位地址是不可变化的。 常用于设定程序中的一些“标志位”。如： bdata unsigned char flags; //定义可位寻址的字节 sbit int10ms_flag = flags^0; //定义标志位 或者：bitbdata int10ms_flag; 又如：sbit LED = P1^0; //定义LED由P1.0控制

  30. C51的基本数据类型

  31. （8）变量类型的转换 数据运算中出现数据类型不一致时，就需要转换； 隐式转换，按如下优先级： bitcharintlongfloat signedunsigned 强制类型转换：“（）” 如：unsigned char a; unsigned int b=256; a = (unsigned char)b; //此时，a=0

  32. （9）组合数据类型 包括数组类型、结构类型、联合类型、枚举类型等。 数组： 一维数据，如： unsigned char disp_buf[8]; 字符数组，如：unsigned char string[10]; 数组常与指针一起用； 二维数组。

  33. 联合： 也称“共同体”，将不同数据类型组织成一个整体——联合变量；这些不同类型变量存储在单片机同一存储区。典型应用如： unsigned char ch_word_h,ch_word_l; union //union后的联合体名可省略 { unsigned char byte[2]; unsigned int word; }ch_word; //定义联合变量ch_word，以存储一个汉字 ch_word.word = 0x8090; //一个汉字编码（双字节，高位’1’） ch_word_h = ch_word.byte[0]; //取编码的高字节，应为0x80 ch_word_l = ch_word.byte[1]; //取编码的低字节，应为0x90 可以看到，51单片机是以低字节在前、高字节在后存储的

  34. 结构体： 将一类相关变量“归类”在一起。如： struct date { unsigned int year; unsigned char month , day; }d1; //定义结构体变量d1 注意与联合体的区别：结构体内变量分别独立存储（独立存在）；而联合体是共用同一存储区，对其中一个变量赋值，另外的变量也就有了相应的值。

  35. 枚举： 对于具有固定取值范围的变量，将其值一一列出，并用相应符号表示，这些符号具有从0开始的序列号值（整数，依次加1）。如： enum weekday //定义枚举类型，枚举名为weekday { Sun, //枚举元素，其后用’,’ Mon, Tue, Wed, Thu, Fri, Sat //最后一个元素不用’,’ } d1; //定义枚举变量d1 d1 = Sun; //d1的值实际为0

  36. （10）变量引用 当一个项目（project，即一个完整程序）中有多个源程序文件时，如果在一个文件中定义的变量需要在另一个文件中使用（“引用”）,需在该变量定义前加“extern”。 如：在file1.c中，定义： unsigned char key_value; 若在file2.c中需要使用key_value，则： extern unsigned char key_value;

  37. （11）数据类型的别名 用typedef为已有数据类型取别名，可增加程序的可读性，且简洁明了。如首先定义： typedef unsigned int uchar; typedef unsigned char uint; 其后就可用uint和uchar 定义变量了，如： uchar a1=0x12; uint a2=0x1234;

  38. （12）变量名的命名 规则：由字母、数字和下划线三种字符组成，且第一个字母必须为字母或下划线。 为提高程序的可读性，一般由多个英文单词（或缩写）连接而成。 注意规范： 多个英文单词的首字母大写，如：KeyValue 多个英文单词之间用下划线连接，如：key_value

  39. 3）C51的常数 整形常数：如100，-1；100L则为长整形——用4字节存储； 十六进制表示：如0x64； 浮点数常数（实型常数）：十进制表示，如1.23；指数表示，如1.234e2。 字符常数：对于可显示字符，加单引号表示，如’a’, ‘1’；对于不可显示字符，用转义字符（反斜杠“\”）表示，如’\n’表示换行，也可用其ASCII码值表示：’\x0a’。 字符串常数：加双引号，如“abc123”，注：字符串后有一个结束符’\x00’。

  40. 转义字符表

  41. 定义符号常数：const 如，在程序开头，定义： const float PI = 3.14159; 则程序中可用PI代替该常数。

  42. 4）变量的存储 程序中的变量，其在程序运行过程中，存在时间、作用范围以及对于单片机实际物理存储区域有所不同。 全局变量与局部变量： 全局变量：在源程序开头定义的变量，其作用范围为本文件中，其他文件需要引用的话，需加extern。 局部变量：函数中定义的变量，其作用范围为本函数中；函数执行时才分配（占用）内存空间，结束时释放。 尽量少定义全局变量：占内存；可靠性 有些固定的数据表（不需要改变其值），可加code，存储于程序存储器。如LED七段码表： code unsigned char disp_seg[] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x77,0x7c,0x39,0x5f,0x79,0x71};

  43. 从作用范围来说，有自动(auto)、外部(extern)、静态(static)和寄存器(register)等4种。从作用范围来说，有自动(auto)、外部(extern)、静态(static)和寄存器(register)等4种。 自动变量，auto： 函数中的变量，可省略auto关键字，缺省为auto。 外部变量，extern： 文件外；函数外；占用固定内存空间。 静态变量，static： 函数体内定义：内部静态变量。典型应用，如在定时中断服务函数中，用一个静态变量来计定时中断的次数： static unsigned char int10ms_num=0; 函数外部定义：外部静态变量，本文件中有效。 寄存器变量，register： 对应单片机寄存器，速度快。如，可用于for(;;)循环变量； 可不专门声明，编译器可自动识别程序中频繁使用的变量。

  44. 变量的存储器类型 定义变量在单片机中的物理存储区域，缺省时编译器按具体编译模式默认指定存储区。如下表：

  45. 3种编译模式默认的存储器类型 small模式（小模式）：编译时函数参数和变量被默认在片内RAM中，存储器类型为data。 compact模式（紧凑模式）。编译时函数参数和变量被默认在片外RAM的低256字节空间，存储器类型为pdata。 large模式（大模式）。编译时函数参数和变量被默认在片外RAM的64K字节空间，存储器类型为xdata。 可在程序开头用预处理指令说明编译模式： #pragma small //编译模式：small 或：开发环境中设置。 一般均采用small模式。

  46. 5）绝对地址访问 对code、data、pdata和xdata空间进行绝对寻址（规定只能以无符号数方式访问）。 在absacc.h （absolute address access）头文件中，有如下宏定义： #define CBYTE ((unsigned char volatile code *) 0) #define DBYTE ((unsigned char volatile data *) 0) #define PBYTE ((unsigned char volatile pdata *) 0) #define XBYTE ((unsigned char volatile xdata *) 0) #define CWORD ((unsigned int volatile code *) 0) #define DWORD ((unsigned int volatile data *) 0) #define PWORD ((unsigned int volatile pdata *) 0) #define XWORD ((unsigned int volatile xdata *) 0)

  47. 以XBYTE为例，说明如下： #define XBYTE ((unsigned char volatile xdata *) 0) 0为常数，(unsigned char xdata *)为强制类型转换，将0转换为指向外部存储器的字节型指针； 关键字volatile修饰的变量，可防止编译器优化； 因此，XBYTE应该是一个指针，指向64kB外部存储器（或I/O）的0x0000地址； 对0x1234的访问（读/写、输入/输出）可用如下形式： unsigned char a=10,b; XBYTE[0x1234] = a; //读0x1234存储单元；或输入 b = XBYTE[0x1234] ; //写0x1234存储单元；或输出 用XWORD每次可访问一个字（相邻地址的2个字节）。

  48. 用指针实现绝对地址访问 #define pXBYTE (unsigned char xdata *) unsigned char xdata *pbyte;//定义指向xdata的指针 pbyte = pXBYTE(0x1234); //指针赋值为访问地址； //pbyte=0x1234也可，但加上强制类型转换更规范 *pbyte = 10; //写操作 用_at_访问 unsigned char xdata temp _at_ 0x1000; //在xdata //的0x1000单元定义字节变量temp(全局变量) temp = 10; //写操作

  49. 6）C51的运算符与表达式 （1）赋值运算符：= （2）算术运算符：+、-、*、/、% （3）关系运算符：>、<、>=、<=、==、!= （4）逻辑运算符：||、&&、! （5）位运算符：&、|、~、^、<<、>> （6）复合赋值运算符：在赋值运算符“=”的前面加上其它运算符： +=、-=、*=、/=、%=， 如a+=2; 相当于a=a+2; &=、|=、^=、~=， >>=、<<=， 如a>>=2; 相当于a=a>>2;

  50. （7）自加：++，自减：-- 如：a++; //相当于a=a+1; （8）逗号运算符：， 将多个（两个以上）表达式连接起来； 按从左至右的顺序依次计算出各表达式的值，而整个逗号表达式的值是最右边的表达式的值。 如： x=(a=1,b=2); //x的值为2 （9）条件运算符：?: 如：c=(a>b)?a:b; //当满足条件a>b时，c=a;否则c=b

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