譚艷春 朱又敏 劉目磊

摘 要：單片機技術(shù)日益成熟，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、交通控制、智能儀表等眾多領(lǐng)域。為了進一步研究并拓展單片機的應(yīng)用，本文利用80C51單片機、KeilC51和Proteus軟件對花樣流水燈系統(tǒng)進行了完整的軟硬件開發(fā)與設(shè)計。Proteus在線仿真驗證了系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性和正確性。該系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)具有良好的可移植性，可根據(jù)實際需求生成不同的智能派生產(chǎn)品，具有較強的實際指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：KeilC51；Proteus；單片機；LED流水燈；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A

文章編號：2096-1472（2018）-11-14-03

1 引言（Introduction）

單片機無論從組成還是邏輯功能上都具有微機系統(tǒng)的特性，是一門實踐性很強的軟硬件結(jié)合的技術(shù)，且體積小巧，因此可以嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中作為指揮決策中心，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化[1-3]。目前比較流行的單片機仿真軟件和集成開發(fā)軟件分別為Proteus和Keil。

Proteus不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。Keil是德國Keil Software公司出品的單片機集成開發(fā)環(huán)境，該軟件支持51單片機的所有兼容機，它包括了C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理及一個功能強大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的所有開發(fā)模塊[4-7]。

2 硬件電路設(shè)計（Design of hardware circuit）

該系統(tǒng)的硬件電路主要包括時鐘電路（采用內(nèi)部時鐘方式，晶振頻率為12MHz）、復(fù)位電路、輸入和輸出電路四部分。其中輸入電路是四個按鈕開關(guān)K1—K4，并通過四輸入與門74AS21將按鍵信息從外部中斷引腳0（P3.2）讀入系統(tǒng)，以觸發(fā)中斷，讓CPU及時響應(yīng)按鍵操作。由于80C51單片機P0口的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)問題，P0口作為I/O時必須接上拉電阻。輸出部分由八個共陽型發(fā)光二極管及限流電阻（200Ω）組成。利用Proteus仿真軟件生成的硬件電路如圖1所示。

按鈕開關(guān)K1—K4對應(yīng)的功能如下。

（1）K1：啟動按鈕，當K1按下時，流水燈自上而下，又自下而上輪流被點亮，即D1→D2→D3…D8→D7→D6→D5…D1，反復(fù)重復(fù)，直到有新的按鍵按下，閃爍間隔是50ms。簡記為模式1方式。

（2）K2：當K2按下時，流水燈自上而下，又自下而上間隔被點亮，即D1→D3→D5→D7→D8→D6→D4→D2，反復(fù)重復(fù)，直到有新的按鍵按下，閃爍間隔是50ms。簡記為模式2方式。

（3）K3：當K3按下時，D1、D3、D5和D7同時被點亮，然后D2、D6、D4、D8同時被點亮，反復(fù)重復(fù)，直到有新的按鍵按下，間隔是1s。簡記為模式3方式。

（4）K4：關(guān)閉按鈕，當K4按下時，流水燈D1—D8同時被點亮，閃爍三次（間隔為100ms）后，全部熄滅。簡記為模式4方式。

3 KeilC51環(huán)境下的編程（Programming in the KeilC51）

3.1 軟件編程要點分析

（1）通過P0口的低四位引腳將按鍵信息讀取進來，由電路連接方式可知，無按鍵按下時，四個引腳全部為高電平，若有按鍵按下，對應(yīng)的引腳將由高電平變?yōu)榈碗娖??？衫弥噶頟0&0x0f獲取P0口低四位引腳電平的變化信息。

（2）定義位變量on_off、style1、style2，根據(jù)這三個位電平的變化來控制程序的轉(zhuǎn)移。這里需用到關(guān)鍵字bit，而不是sbit，雖然二者都可以進行位定義，區(qū)別在于sbit只能用來對特殊功能寄存器的位進行定義，如以下寫法bit on_off；sbit botton1=P3^2是正確的，而sbit on_off；bit botton1=P3^2是錯誤的。

（3）P2口接的是共陽極LED發(fā)光二級管，因此只有對應(yīng)引腳輸出低電平時等才會被點亮，可將D1、D2、D3…D8被點亮時P2口對應(yīng)的輸出放到一個數(shù)組中，即led[]={0xfe，0xfd，0xfb，0xf7，0xef，0xdf，0xbf，0x7f}。

（4）該系統(tǒng)可通過查詢法和中斷法兩種思路來實現(xiàn)。與查詢法相比，中斷法具有以下優(yōu)點：首先，只有在按鍵按下時，CPU才執(zhí)行相關(guān)的中斷程序，而其他時間是不占用CPU的時間；其次，中斷法可以更及時快速地響應(yīng)按鍵操作。因此，為了提高CPU的工作效率，本系統(tǒng)采用中斷掃描方式進行設(shè)計實現(xiàn)。

（5）關(guān)于中斷方式的幾點說明：（1）要使用外部中斷，必須將中斷允許打開，即對中斷允許寄存器IE進行正確設(shè)置。IE的字節(jié)地址為A8H，所以即可以字節(jié)操作，又可以位操作，如要開啟外部中斷0，即可寫IE=0x81H，也可寫EX0=1，EA=1，二者的作用是等同的。（2）外部中斷包括電平觸發(fā)（ITx=0）（外部中斷源接P3.2腳時，x=0；外部中斷源接P3.3腳時，x=1）和邊沿觸發(fā)（ITx=1）兩種觸發(fā)方式。其中邊沿觸發(fā)的外部中斷請求，在CPU響應(yīng)中斷后，自動由硬件對中斷請求標志位EIx清0，即系統(tǒng)自動撤銷中斷請求；而電平觸發(fā)的外部中斷請求，硬件不能自動對中斷請求標志位EIx清0，必須在撤銷P3.2或P3.3引腳上的低電平后，再利用軟件對中斷請求標志位清0，比較繁瑣。因此本系統(tǒng)采用邊沿觸發(fā)方式。

3.2 程序流程圖

該系統(tǒng)的程序流程圖如圖2所示。

3.3 系統(tǒng)源代碼

該花樣流水燈系統(tǒng)的完整源代碼如下：

#include；頭文件reg51.h或reg52.h中包含了對8051型單片機特殊功能寄存器（SFR）名的集中說明。

Unsigned char led[]={0xfe，0xfd，0xfb，0xf7，0xef，0xdf，0xbf，0x7f}；

void delay（unsigned char time）；//延時函數(shù)的聲明

bit on_off=0， style1=0， style2=0；//定義位控制變量

button（） interrupt 0{ //中斷0函數(shù)

switch（P0&0x0f） {

case 0x0e： on_off=1， style1=1；break； //模式1方式的啟動條件

case 0x0d： on_off=1， style1=0； style2=1；break； //模式2方式的啟動條件

case 0x0b： on_off=1， style1=0；style2=0；break； //模式3方式的啟動條件

case 0x07： on_off=0；break； //模式4方式的啟動條件

}}

void main（） {

char i；

IT0=1；EX0=1；EA=1； //邊沿觸發(fā)、外部中斷0允許、總中斷允許

while（1） {

if （on_off）

if （style1） //模式1運行方式

for （i=0；i<=7；i++） {

P2=led[i]；

delay（5）；

}

for （i=6；i<=0；i--） {

P2=led[i]；

delay（5）；

}

else if （style2） //模式2運行方式

for （i=0；i<=7&i;%2==0；i++） {

P2=led[i]；

delay（5）；

}

for （i=7；i<=0&i;%2！=0；i--） {

P2=led[i]；

delay（5）；

}

else //模式3運行方式

P2=0x55；

delay（100）；

P2=0xaa；

delay（100）；

else //模式4運行方式

for （i=3；i<0；i--） {

P2=0x00；

delay（10）；

P2=0xff；

}}}

void delay（unsigned char time） { //定義延時函數(shù)

unsigned int i；

for（；time>0；time--）

for（i=10000；i>0；i--）；

}

3.4 系統(tǒng)的拓展

該系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)具有良好的可移植性，可根據(jù)實際需求生成不同的智能派生產(chǎn)品，主要可從流水燈的控制開關(guān)、閃爍節(jié)奏、閃爍花樣三個方面進行改變。

（1）流水燈控制開關(guān)的改變

首先控制開關(guān)的數(shù)量可以根據(jù)實際需要進行增減。80C51一共有四組I/O口P0、P1、P2、P3，它們的地址分別為80H、90H、A0H、B0H，都是8的整數(shù)倍，因此這32個引腳全部可以位操作。若是獨立按鍵，最多可以接（32—N）個；若是接行列式鍵盤開關(guān)，最多可以擴充為（32—N）2個，其中N為流水燈的數(shù)量。

其次控制開關(guān)的作用完全可以通過修改源代碼進行改變，無需進行硬件變動。

（2）流水燈閃爍節(jié)奏的改變

基本延時函數(shù)delay（unsigned char time）的定時時間為10000*機器周期，若采用12MHz晶振，機器周期則為1us，即delay（1）=10ms，delay（50）=500ms，delay（t）=10*tms。因此通過簡單的調(diào)用delay（t）函數(shù)并根據(jù)需要修改t的取值即可改變流水燈閃爍的快慢。

（3）流水燈閃爍花樣的改變

首先流水燈的數(shù)量可以根據(jù)實際需要進行增減，這點與控制開關(guān)相類似，不再累述。其次流水燈的閃爍花樣亦可通過修改源代碼實現(xiàn)。

4 程序加載及仿真演示（Program loading and simulation demonstration）

將調(diào)試過無語法錯誤的代碼文件*.HEX加載到Proteus原理圖的80C51單片機中，運行后，依次按下K1—K4，可以觀察到與預(yù)期一致的流水燈效果。由于文本的限制，無法展示系統(tǒng)運行的動態(tài)過程，故略。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文設(shè)計的花樣流水燈系統(tǒng)可以根據(jù)輸入信息的不同，按照預(yù)先設(shè)定的花樣（如燈亮持續(xù)時間、流向等）進行顯示。該流水燈系統(tǒng)可以應(yīng)用到裝飾、交通等生活中許多領(lǐng)域，并可以根據(jù)實際需求進行修改。借助這種通用框架結(jié)構(gòu)，很容易生成不同的智能派生產(chǎn)品，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。因此該系統(tǒng)具有較強的實際指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

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[7] 杜樹春.基于Proteus和Keil C51的單片機設(shè)計與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

作者簡介：

譚艷春（1980-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：系統(tǒng)設(shè)計，信號處理.

朱又敏（1966-），男，碩士，工程師.研究領(lǐng)域：射頻通信.本文通訊作者.

劉目磊（1980-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：雷達系統(tǒng)設(shè)計及故障分析.