单片机仿真

来源：刀刀网

本科生课程论文（设计）比赛记分牌设计

专业电气工程及其自动化班级电气四班学生姓名陈昌伟、高灏明、铁守龙

赵世玉、石兴邓、涂恒林

联系方式 1 5 8 9 3 7 3 0 7 1 3

2014年 06月

1.1 课程设计任务书 ........................................................................ 2 1.2 第七组课程设计分工表 ............................................................ 3 1.3 课题分析 .................................................................................... 4

1.3.1 设计的目的和意义..................................................................................... 4 1.3.2 Proteus软件.............................................................................................. 5

1.4 硬件设计分析 ............................................................................ 6

1.4.1 总体方案设计............................................................................................. 6 1.4.2 单片机的选型............................................................................................. 6 1.4.3 单片机的时钟电路..................................................................................... 7 1.4.4 单片机的复位电路..................................................................................... 7 1.4.5 单片机的晶振电路..................................................................................... 8 1.4.6 单片机的按键电路..................................................................................... 9 1.4.7 蜂鸣器的驱动电路..................................................................................... 9 1.4.8 数码管特性及使用..................................................................................... 9 1.4.9 系统总体电路........................................................................................... 10

1.5 软件设计分析 .......................................................................... 11

1.5.1 软件系统总体设计方案........................................................................... 11 1.5.2 软件系统加1，减1流程图.................................................................... 11 1.5.3 数据传送指令........................................................................................... 12 1.5.4 算术指令................................................................................................... 12 1.5.5 逻辑指令................................................................................................... 13 1.5.6 控制转移类指令....................................................................................... 13 1.5.7 位变量指令............................................................................................... 13

1.6 仿真分析 .................................................................................. 14

1.6.1 仿真调试................................................................................................... 14 1.6.2 仿真结果................................................................................................... 14

1.7 总结 .......................................................................................... 15 1.8 附录 .......................................................................................... 16 参考文献 .......................................................................................... 18

1.1 课程设计任务书

学生姓名：陈昌伟、高灏明、铁守龙、赵世玉、石兴邓、涂恒林专业班级：电气工程及其自动化四班指导教师：李娜工作单位：电气工程及其自动化题目：比赛记分牌设计一、设计要求：

1．启动时显示为0分，计分范围为0~100分。 2．得分时加上相应的分数，失分时剪去相应的分数。 3．刷新分数的按键按下时，伴随提示音。

二、主要功能模块:

比赛记分牌系统主要功能模块包括单片机主控模块、显示模块、按键模块、电源模块等部分组成。根据具体情况选择合适型号的单片机，蜂鸣器、数码管等硬件设备进行设计。

三、要求完成的主要任务：

1. 根据功能要求完成硬件电路设计，提供硬件电路图。

2. 使用汇编或者C语言完成软件部分设计，实现相应功能。要求程序加注释并提供软件流程图。

3. 使用Proteus软件进行系统仿真，并提供仿真截图，测试数据，误差分析。

四、时间安排：

2014.4.15～2014.4.21 收集资料，确定设计方案 2014.4.22～2014.5.26 系统设计

2014.5.27～2014.6.10 撰写课程设计论文及提交

指导教师签名：年月日

1.2 第七组课程设计分工表

组号姓名学号选题（题目）分数陈昌伟（组长） 0602110416 显示模块；硬件电路与汇编的整合与调试；proteus软件的学习;word电子档的整理；程序的编写高灏明电源电路模块；proteus软件0602110422 的学习;课题分析的文字编辑；铁守龙第七组赵世玉按键电路模块； proteus软件 0602110429 的学习；汇编程序的调试 word电子档的整理；复位电路的学习； proteus软0602110431 件的学习； PPT的制作与答辩单片机主控电路； proteus软件的学习；PPT的制作；汇0602110435 编的整合与调试； word电子档的整理石兴邓涂恒林

数码管的学习； proteus软件 word电子档的整理 0602110437 的学习；3

1.3 课题分析

本设计是根据我们所学习的单片机课程，按照大纲要求对我们进行的一次课程检验，是进行单片机课程训练的必要任务，也对我们掌握单片机应用有很大的帮助。掌握单片机技术是一门不可或缺的技术，对我们将来的工作以及生活和学习都有很密切的联系。近年来，随着电子技术和微机计算机的迅速发展，单片机的档次不断提高，其应用领域也在不断的扩大，已在工业控制、尖端科学、智能仪器仪表、日用家电、汽车电子系统、办公自动化设备、个人信息终端及通信产品中得到了广泛的应用，成为现代电子系统中最重要的智能化的核心部件。

本单片机系统采用 ATC51 控制，整个硬件系统由 A/D、D/A 转换、LED显示、键盘、串行通信等模块组成。本设计只完成了单片机部分的开发设计，没有设计外部的采集和控制电路。因为没有外部采集电路，所以不能完成具体的测量功能，要完成具体的测量功能（如测量压力、温度、湿度）还要配上外部的各种传感器采集电路和相应的软件。若配上采集电路和相应的软件就能将测量结果用 LED 数码管十进制显示出来，其中包括了 A/D、D/A 转换，还可以用按键来控制，进行人机对话；系统中设置了 5 个按键，其中 1 个是复位键，其余的 4 个键，用程序来控制实现不同的功能。之所以没有设计外部采集电路是因为设计了外部采集电路系统的功能就比较单一，不方便系统功能的外部扩展。该系统还能实现单片机与 PC 机的串行通信和编程的下载、软件设计的时钟显示。关键词：单片机 ATC51，串行通信，A/D 转换，D/A 转换，LED数码管显示

1.3.1 设计的目的和意义

本次课程设计是运用《单片机原理及应用》课程及《模拟电子线路》、《数字电子线路》等专业基础课程之后进行的一次综合训练，其主要目的是加深学生对单片机软件技术和相关理论知识的理解，进一步熟悉51单片机系统设计的基本理论、方法和技能；掌握工程应用的基础和要求，力争做到理论与实际的统一；同时培养学生分析问题、解决问题的能力和完成系统设计的能力，并按要求

编写相关的技术文档和设计报告等。

目前记分牌在传统操作模式下，采用记分员手动翻动记分牌记分，工作方式单一。由于种种弊端，电子记分板已经开始在一些大型的体育场流行起来，不仅发展速度迅猛并会逐渐取代传统的电子记分牌。电子记分牌根据比赛的特点，采用单片机为核心控制LED数码管，具有亮度高、可视性好、功耗小、使用寿命长等优点；具有性能稳定，尺寸适中，运输安装方式灵活，物美价廉等特点，特别适用于中、小型体育馆和训练馆。

1.3.2 Proteus软件

Proteus不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。

在Proteus绘制好原理图后，调入添加已编好的源文件：*.ASM，可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

1.4 硬件设计分析

1.4.1 总体方案设计

基于ATC51单片机比赛记分牌由显示模块、按键模块、单片机主控模块、电源模块。根据具体情况选择合适型号的单片机，蜂鸣器、数码管等硬件设备进行设计，系统框图如图1。

电源复位电路ATC51单片机晶振电路显示电路按键电路图1 基于ATC51单片机比赛记分牌系统框图

1.4.2 单片机的选型

在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本部件的大规模集成电路，又称MCU。其以体积小、功能全、性价比等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。如果说C语言程序设计课程设计的基础课，那么单片机以其系统硬件构架完整、价格低廉、学生能动手等特点，成为工科学生硬件设计基础课。

1.4.3 单片机的时钟电路

单片机本身是一个复杂的同步时序系统，为保证同步工作方式的实现，单片机必须有时钟信号，以使其系统在时钟信号的控制下按时序协调工作。单片机的时钟电路由振荡电路和分频电路组成。其中震荡电路由反相器以及并联外接的石英晶体和电容构成，用于产生振荡脉冲。而分频电路则用于把振荡脉冲分频，以得到所需要的时钟信号。如图2所示。

图2 时钟电路

1.4.4 单片机的复位电路

复位是单片机的初始化操作，其作用是使CPU中的各个部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。当单片机的ALE及两脚输出高电平，RST引脚高电平时，单片机复位。单片机的复位电路有上电复位和手动按钮复位两种形式，RST/VPD端的高电平直接由上电瞬间产生高电平则为上电复位；若通过按钮产生高电平复位信号称为手动按钮复位。在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位，如果这些复位端的复位电平要求与单片机的要求一致，则可以与之相连。复位后，P0—P3四个并行接口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不确定。如图3所示。

VccC31uF 图3 复位电路

1.4.5 单片机的晶振电路

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。如图4所示。

C130pFX1CRYSTALC230pF图4 晶振电路

1.4.6 单片机的按键电路

本次实验用了三个按键电路:复位电路、加一电路和减一电路。三个按键电路都是通过手动按下按键拉低电平来分别实现相应的复位及加减功能。

1.4.7 蜂鸣器的驱动电路

由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。如图5所示。

图5 蜂鸣器驱动电路

1.4.8 数码管特性及使用

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划\"a,b,c,d,e,f,g,dp\"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

1.4.9 系统总体电路

图6给出了系统硬件原理总图。

U2:A12U2:B740634+5v+5vU2:C574066U2:D974068U2:E74061110U2:F7406C11930pFU1X2CRYSTAL18XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD3938373635343332212223242526272810111213141516171312U3:A174062C2VCCXTAL2740630pF9+5VRSTU3:B34C310uFU3:C574066293031PSENALEEAU3:D740698+5vBUZ1SOUNDERQ1MJE34012345678U3:E11740610P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATC51U3:F74061312U4:A740612U4:B7406R24.7k3740 图6 系统硬件原理总图

1.5 软件设计分析

1.5.1 软件系统总体设计方案

单片机开始运行时显示选手0分，数码管显示00，主程序循环调用显示选手得分，当遇到中断时，调用中断程序，如果是P1则显示数字加1，如果是P2则显示数字减1。

1.5.2 软件系统加1，减1流程图

流程如图7所示。

中段开始中段开始显示数码加1显示数码减1声音提示 N声音提示N 按键释放？Y 按键释放？Y中断返回中断返回

图7 基于ATC51单片机比赛记分牌程序流程图

1.5.3 数据传送指令

MOV 移动

MOVC 程式记忆体移动

MOVX 外部RAM和扩展I/O口与累加器A的数据传送指令 PUSH 放入堆叠 POP 由堆叠取回 XCH 8 位元交换 XCHD 低4位元交换 SWAP 高低4位元交换

1.5.4 算术指令

INC 加一指令 DEC 减一指令

MUL （MUL AB乘法指令仅此一条）相乘指令 DA (DA A 只此一条指令)调整为十进数

1.5.5 逻辑指令

ANL 做AND（逻辑与）运算 ORL 做OR（逻辑或）运算 CLR 清除为0 CPL 取反指令 1.5.6 控制转移类指令

LCALL 长调用子程序 ACALL 绝对调用子程序 RET 由副程式返回 RETI 由中断副程式返回 AJMP 绝对转移 SJMP 相对转移

JMP @A+DPTR 散转，相对DPTR的间接转移

1.5.7 位变量指令

SETB 设定为1

ORG 程序开始，规定程序的起始地址 END 程序结束

EQU 等值指令（先赋值后使用）例：SUM EQU 30H BIT 位地址符号指令例：SAM BIT P1.0 RET 子程序返回指令 RETI 中断子程序返回指令

1.6 仿真分析

1.6.1 仿真调试

利用仿真工具Proteus进行仿真调试，除发现和解决程序错误外，也可以发现硬件故障。程序调试一般是一个模块一个模块的进行，一个子程序一个子程序的调试，最后连起来统调。在系统完成之际，调试过程中发现了一些问题。首先是数码管显示部分，在刚开始的时候数码管只显示部分，数字无法完全显示，我尝试了很多解决办法，但最后通过把原来电路的数码管g端子的电阻去掉之后，数字就完全显示了。其次加一按键按下时，蜂鸣器不发声音，经过对程序的分析改正，加一减一按键按下时都会有声音的提示。

1.6.2 仿真结果

经过反复调试，系统能够正常地运行。最终仿真结果如下图8所示。

1.7 总结

通过本次课程设计，通过我们的努力使我们对51单片机有了更进一步的了解，对51单片机的结构更记得熟悉了。课程设计是在原有的学科基础上所进行的更深层次的综合性较强的学习。在本次课程设计中，我们6个人分为一组，彼此合作，经过不懈的努力，终于完成了本次课程设计。

这次我们课程设计的题目；是电子比赛记分牌。刚接触这个课题我们通过网络对课题惊醒了解与分析，但在网上查阅的资料都是与篮球等比赛记分牌的设计方法与我们所做的课题有所偏离，针对这个问题我与另一位小组成员通过分工在图书馆里找到相关的书籍进行查阅，进行总结设计分析，再结合网络中其他记分牌的设计原理进行比较完成了我们的课程设计。但由于我们所学的《单片机原理及应用》时间不长，外加书本上的内容相对简单，我不太清楚如何去利用从中所学的知识，很难将书本上的基本理论与实际的问题结合起来。因为设计时间与知识掌握不到位与软件的不熟悉我们最终的结果并未显示出来。为此我们感到很遗憾。在程序以及原电路的衔接中还存在一定的错误，我们希望在得到老师的指点后在今后的时间内继续认真完成我们的课题，使之完整并达到老师的要求。

1.8 附录

源程序：

ORG 0000H

LJMP MAIN ORG 0003H LJMP JI ORG 0013H LJMP JII ORG 0040H COUNT EQU 30H MAIN: MOV SP, #40H MOV COUNT, #00H SETB EX0 SETB EX1 SETB IT0 SETB IT1 SETB EA

MOV DPTR, #TAB XSHI: MOV A, COUNT SWAP A ANL A, #0FH MOVC A,@A+DPTR MOV P0, A MOV A, COUNT ANL A, #0FH MOVC A,@A+DPTR MOV P2, A

LJMP XSHI

TAB: DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H, 6DH, 7DH, 07H DB 7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H ORG 0200H JI: MOV A, COUNT ADD A, #01H DA A MOV COUNT, A SHY: CPL P3.7 NOP NOP NOP

JNB P3.2, SHY RETI ORG 0300H JII: CLR C

MOV A, #9AH SUBB A, #01H ADD A, COUNT DA A MOV COUNT, A SHY1: CPL P3.7 NOP NOP NOP

JNB P3.3, SHY1 RETI END

参考文献

[1] 杨居义.单片机课程设计指导.清华大学出版社. 2009年9月.

[2] 李海滨.单片机技术课程设计与项目实例.中国电力出版社. 2009年10月. [3] 付家才.单片机实验与实践.高等教育出版社. 2006年3月. [4] 李广第.单片机基础.北京航空航天大学出版社.2005年9月. [5] 彭介华.电子技术课程设计指导. 高等教育出版社. 1999年10月. [6] 薛钧义.微机控制系统及应用.西安交通大学出版社.2003年2月. [7] 胡锦.单片机技术实用教程.高等教育出版社.2004.6月. [8] 朱珍.单片机原理.石油工业出版社. 2001年6月.

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