由Proteus仿真入門(mén)單片機(jī)學(xué)習(xí)

——以“單片機(jī)89C2051 輸出口的正弦波輸出設(shè)計(jì)”為例

摘要：以學(xué)習(xí)單片機(jī)為目的，為在沒(méi)有仿真器和目標(biāo)板的情況下對(duì)單片機(jī)內(nèi)部程序運(yùn)行時(shí)有感性的認(rèn)識(shí)，以常用的89C2051 單片機(jī)為核心，利用Proteus 仿真軟件的硬件仿真模塊建立一個(gè)正弦波發(fā)生電路，并運(yùn)用C 語(yǔ)言編寫(xiě)相應(yīng)程序，結(jié)合所設(shè)計(jì)電路在Proteus 仿真軟件的軟件仿真功能進(jìn)行了綜合仿真，并把仿真結(jié)果和實(shí)際電路與程序運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行了比較。據(jù)此，通過(guò)從實(shí)踐出發(fā)來(lái)，把實(shí)踐與理論結(jié)合在一起的學(xué)習(xí)方法來(lái)達(dá)到入門(mén)單片機(jī)知識(shí)。

1 引言

       對(duì)于單片機(jī)的學(xué)習(xí)，由于其比較抽象，特別是在編寫(xiě)程序時(shí)，完全只是憑借程序員周密的邏輯思維來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，為了讓程序設(shè)計(jì)員更好的理解和調(diào)試其所設(shè)計(jì)的程序，所有單片機(jī)生產(chǎn)廠家都針對(duì)他們的單片機(jī)系列設(shè)計(jì)生產(chǎn)了相應(yīng)的仿真器。然而這些仿真器的價(jià)格卻不菲，無(wú)凝這是初次學(xué)習(xí)單片機(jī)時(shí)重要考慮的因素。而目前隨著我國(guó)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，我們所有生活上所用到、見(jiàn)到的電子產(chǎn)品都離不開(kāi)單片機(jī)的身影，這也愈加激起我們對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)熱情。然而在具體學(xué)習(xí)這門(mén)技術(shù)時(shí)，特別是高校教學(xué)時(shí)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備不夠和教學(xué)課時(shí)少等原因，往往都是采用純理論性的或集體性的實(shí)驗(yàn)。而通過(guò)這種學(xué)習(xí)之后，以我個(gè)人在校學(xué)習(xí)時(shí)的經(jīng)歷和對(duì)一些高校學(xué)生的了解，大部分學(xué)習(xí)者最終都是知識(shí)考試過(guò)了關(guān)，卻什么都不會(huì)。針對(duì)這一現(xiàn)象，在此本文提倡運(yùn)用仿真的方法結(jié)合具體的設(shè)計(jì)來(lái)學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)。

目前國(guó)外很多軟件設(shè)計(jì)公司都針對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)了許多仿真軟件，這使得單片機(jī)學(xué)習(xí)者只需要一臺(tái)個(gè)人電腦就可以完成單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，大大降低了我們的學(xué)習(xí)成本，方便了我們的學(xué)習(xí)。其中，Proteus[1]是由英國(guó)Labcenter 公司開(kāi)發(fā)的具有硬件電路分析、實(shí)物仿真軟件和程序仿真功能的仿真軟件。通過(guò)軟件安裝在個(gè)人電腦后，可以實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)和SPICE 電路相結(jié)合的仿真。在此運(yùn)用該仿真軟件，設(shè)計(jì)以AT89C2051[2]的P1 口輸出正弦波為目的的硬件電路和相應(yīng)程序，通過(guò)這一具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，把理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，以期引導(dǎo)入門(mén)單片機(jī)學(xué)習(xí)。

2設(shè)計(jì)Proteus里的仿真電路

為了對(duì)單片機(jī)內(nèi)部程序運(yùn)行時(shí)有感性上的理解，在此利用Proteus7 Professional 下的ISIS7 Professional 仿真電路設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了如下圖1 所示的電路，該電路所預(yù)達(dá)到的功能是通過(guò)單片機(jī)AM89C2051 的P10-P17 口輸出準(zhǔn)正弦波并通過(guò)虛擬示波器顯示出來(lái)，為了避免可能由電路元器件引起后面的調(diào)試工作，電路所有采用的元器件都采用軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里的元器件。

 
圖1 Proteus 中基于AT89C2051 單片機(jī)的準(zhǔn)正弦波電路[!--empirenews.page--]

圖1 所示電路的核心部件是信號(hào)處理器U1，雙擊它時(shí)可對(duì)它進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，完成相應(yīng)的設(shè)定后其功能就完全可以用來(lái)履行已燒入程序代碼的CPU 的功能；時(shí)鐘電路有晶體振蕩器Y1 和瓷片電容C7、C8 組成；信號(hào)由U1 的P10-P17 這8 個(gè)輸出口輸出，信號(hào)再經(jīng)過(guò)上來(lái)電阻RP1、R1-R8 分壓輸出和通過(guò)電壓跟隨器電路轉(zhuǎn)化成近似于正弦波信號(hào)。

電阻R1 至R8 滿(mǎn)足如下方程：

于是得出S0-S8 分別約為：0、0.0381、0.1464、0.3087、0.5、0.6913、0.8536、0.7619和1。S(n)值確定后，作出S(n)的值在EXCEL 里折線圖如圖2 所示,從圖表中可以看出其形狀類(lèi)似于正弦信號(hào)在-90°到+90°象限內(nèi)的波形。再依據(jù)以上結(jié)果，由式（3）可計(jì)算出R1-R8 的阻值關(guān)系，并按照常用電阻阻值規(guī)則，可取定如圖1 電路圖所示電阻阻值。

 
圖2 S(n)的在Excel 里的折線圖

3 設(shè)計(jì)相應(yīng)程序

參照前面所設(shè)計(jì)電路，利用時(shí)間中斷程序來(lái)產(chǎn)生頻率為1KHz 的正弦波，所設(shè)計(jì)程序源代碼及相關(guān)注釋如下：

3.1定義P1端口的輸出值

首先定義P1 端口的輸出，P1 端口將按照數(shù)組P1_out[ ]給出的值不停的輸出，也類(lèi)似于P1 端口的P10 置“1”其他端口置“0”后不停的左移和右移。之所以該數(shù)組的大小為16是因?yàn)閷⑤敵稣也ㄖ芷谠跁r(shí)域上分成16 等分。

code char P1_out[16]=
{0x00,0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01,0x02,0x04,0x06,0x10,0x20,0x40,0x80};

3.2初始化時(shí)鐘中斷0和1

在此程序中主要是初始化有關(guān)時(shí)鐘中斷寄存器。

void int_init(void)
{ EA=0;//關(guān)閉所有中斷，以保證在調(diào)用此子程序時(shí)中斷不會(huì)發(fā)生
TMOD=0x11; //#00000001B ;定義時(shí)鐘中斷0 為16 位時(shí)鐘發(fā)生器
TCON=0x50; //#00010000B ; 使能時(shí)鐘中斷0
IE=0x0a; //#00000010B ; 運(yùn)行時(shí)鐘中斷0
IP=0x02; //#00000010B ; 時(shí)鐘中斷0 優(yōu)先
TL0= (65535-1000/16);
TH0= ((65535-1000/16)>>8); /*初始化時(shí)鐘中斷0 的計(jì)數(shù)寄存器，系統(tǒng)時(shí)鐘12MHz, 所以中斷計(jì)數(shù)時(shí)間為1us,中斷發(fā)生時(shí)間為1000/16X1us=1/16ms, 頻率為16KHz，除以16 是因?yàn)橐粋€(gè)周期被分成16 等分*/

EA=1; //允許中斷發(fā)生
} [!--empirenews.page--]

3.3主程序

#include
#include
#include
void main(void)
{
static short P1_out_cnt=0; //定義對(duì)P1 口輸出時(shí)計(jì)數(shù)
int_init(); //調(diào)用中斷初始化子程序
while(1) //下面為一個(gè)無(wú)限循環(huán)
{
_nop_();
}
}

3.4時(shí)鐘中斷子程序

void timer_0 (void) interrupt 1 using 1
{ TL0= (65535-1000/16);
TH0= ((65535-1000/16)>>8); //重置時(shí)鐘中斷0 的時(shí)間計(jì)數(shù)寄存器值
P1=P1_out[P1_out_cnt]; //P1 口按數(shù)組給定值輸出
P1_out_cnt++; //指向數(shù)組中下一個(gè)值
P1_out_cnt&=0x0f; //00001111B，保證0≤P1_out_cnt≤15
}

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

在以上工作完成之后，通過(guò)仿真軟件Proteus7 professional 下面的ISIS7 Professional 菜單窗口里對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，為了簡(jiǎn)單完成仿真，在此只對(duì)必要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：首先對(duì)Design/Configure Power Rail 下的電源Vcc=5V 和GND=0 進(jìn)行設(shè)定，其次是對(duì)Source/add or remove source code file 下的源程序代碼名和Code generation tool=ASEM51 進(jìn)行設(shè)定，在次是對(duì)雙擊單片機(jī)U1 彈出的菜單進(jìn)行Clock Frequency 和Program file 目標(biāo)代碼（有源代碼編譯后產(chǎn)生的HEX 后綴名文件）的設(shè)定。最后點(diǎn)擊Debug/Execute 便開(kāi)始仿真運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中可以看到電腦屏上電路圖中U1 輸出口的輸出狀態(tài)，虛擬示波器上顯示如圖3 所示的波形。

為了對(duì)所仿真的結(jié)果做進(jìn)一步的認(rèn)證，在此設(shè)計(jì)了實(shí)際的電路來(lái)與之加以比較，如圖4所示是按照?qǐng)D1 電路圖設(shè)計(jì)了實(shí)際電路板之后，用示波器對(duì)其輸出進(jìn)行測(cè)試所得實(shí)際波形，實(shí)驗(yàn)表明仿真的結(jié)果與實(shí)際的測(cè)試結(jié)果相一致。

圖3 仿真輸出波形

 
圖4 實(shí)際輸出波形

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)所設(shè)計(jì)的C 語(yǔ)言程序結(jié)合硬件電路的進(jìn)行了仿真，并通過(guò)虛擬示波器顯示了所設(shè)計(jì)程序運(yùn)行的結(jié)果，并比較了仿真與實(shí)際電路運(yùn)行輸出結(jié)果，表明了通過(guò)Proteus 仿真軟件可以達(dá)到與通過(guò)實(shí)際電路來(lái)學(xué)習(xí)單片機(jī)的效果。

完整的設(shè)計(jì)了一個(gè)項(xiàng)目的硬件電路和C 程序，通過(guò)真實(shí)具體的正弦波發(fā)生電路及其程序的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到學(xué)習(xí)單片機(jī)引路作用，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者對(duì)單片機(jī)工作原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)的理解，為單片機(jī)初學(xué)者提供了一種切實(shí)可行的方法。
 
附圖實(shí)際測(cè)試電路板
注：實(shí)際電路板上包涵了文中圖1 的電路