1.1 研究背景 单片机，简称单片机，是一种典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）。 英文字母缩写MCU常用来表示单片机。 它首先应用于工业控制领域。 微控制器是从专用处理器发展而来的，芯片中只有一个CPU。 最早的设计理念是将大量的外围器件和CPU集成到一颗芯片中，使计算机系统变得更小，更容易集成到体积要求严格的复杂控制设备中。 INTEL的Z80是第一个按照这个思想设计的处理器。 此后，微控制器和专用处理器的发展就分道扬镳了。 在4位和8位微控制器中，最成功的是INTEL的8031，它因其简单、可靠和良好的性能而受到极大的好评。 此后，基于8031开发了MCS51系列微控制器系统。基于该系统的微控制器系统至今仍被广泛使用。 随着工业控制领域的要求提高，16位单片机开始出现，但由于性价比不理想，并未得到广泛应用。 随着20世纪90年代后消费电子产品的快速发展，微控制器技术得到了很大的提高。 随着INTEL i960系列，特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代了16位单片机的高端地位，进入主流市场。 传统8位微控制器的性能也得到了迅速提升，处理能力比20世纪80年代提高了数百倍。 现代微控制器系统不再仅在裸机环境中开发和使用。 全系列微控制器上广泛应用了大量的专用嵌入式操作系统。
而作为掌上电脑和手机的核心处理的高端微控制器甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 建立了单片机实验室，基本配备了实验箱等硬件仿真设备。 但实验箱的硬件电路是固定的，实验内容很难改变。 难以适应单片机技术的快速发展，培养学生的单片机开发和创新能力。 1.2 研究现状计算机系统的发展明显向巨型化、整体化、网络化三个方向发展。 超级计算机在解决复杂系统计算和高速数据处理方面仍然发挥着作用。 因此，超级计算机目前正朝着高速和处理能力的方向努力。 当微控制器出现时，英特尔将其微控制器命名为嵌入式微控制器。 微控制器最明显的优点是可以嵌入到各种仪器和设备中。 这对于超级计算机和网络来说是不可能的。 在单片机的应用中，可靠性是首要因素。 为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机本身的可靠性是一种有效的方法。 近年来，微控制器制造商采用了各种新技术来提高微控制器设计的可靠性。 这些新技术体现在以下几点： EFT（电快速瞬变）技术 EFT技术是一种抗干扰技术。 它是指当振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，波形上会叠加各种毛刺。 如果使用施密特电路对其进行整形，则毛刺将成为触发信号并干扰正常时钟。 当使用施密特电路交替使用RC滤波电路时，可以将这些毛发消除，否则它们的功能将失效，从而保证系统时钟信号正常工作。
这样，提高了单片机运行的可靠性。 低噪声布线技术和驱动技术 在传统的微控制器中，电源线和地线位于集成电路外壳的对称引脚上，通常位于左上右下或右上左下两对对称点上。 这样，电源噪声就穿过整个芯片，对单片机内部电路造成干扰。 如今，许多微控制器将接地引脚和电源引脚排列在两个相邻的引脚上。 这样，不仅减少了流经整个芯片的电流，而且还可以方便地在印刷电路板上布置去耦电容，从而降低系统的噪声。 使用低频时钟和高频外部时钟是噪声源之一，不仅可以对单片机应用系统产生干扰，还会对外部电路造成干扰，使得电磁兼容性无法满足要求。 对于可靠性要求较高的系统，低频外部时钟有助于降低系统噪声。 在一些微控制器中，采用内部锁相技术，在外部时钟较低时产生较高的内部总线速度，从而保证速度并降低噪声。 在目前的发展形势下，单片机呈现出可靠性和应用水平越来越高的趋势，联网是一个明显的趋势。 集成的元件越来越多，功耗越来越低，模拟电路的集成度越来越高。 更多的。 Proteus软件仿真技术搭建了虚拟实验平台，可以实现。 学生条件 1.3 论文工作 论文作者对单片机的原理和应用实验做了一定的研究。 完成的主要任务如下：（1）学习单片机原理和应用相关的概念和知识，了解Proteus、Keil的功能和使用方法，以及如何编写汇编语句和一些简单的操作指令。
（2）。 通过第一套设计实验（八课时），学生可以掌握单片机I/O口的基本输入输出功能、延时子程序的编写和使用等。 （3）通过第二套设计实验通过实验（16学时），学生可以掌握工作在定时状态的定时器/计数器的编程方法，了解和掌握查表程序的结构设计方法，熟悉查表指令和7段数。 管子的使用方法。 （4）通过相关实验，学生可以掌握中断服务程序的设计方法、移位指令的使用，加深对51单片机内部结构、工作原理和开发平台的了解。 （5）通过第三组设计实验（二十四学时），学生将对单片机的内部结构、工作原理和工作方法有更深入的了解，并能够熟练地开发单片机项目。 (6)完成三组实验后，制作了演示课件、教师和学生的实验指南。 1.4 论文结构本论文分为五章。 具体安排如下：第一章为绪论，阐述了本论文的研究背景、研究现状、完成的任务以及论文的内容安排。 第二章是实验简介，包括各组实验的实验安排、软件平台的介绍、安装和使用以及如何使用与实验相关的软件。 第三章是八课时的实验内容，其中六个实验为基础实验。 第四章是十六学时和二十四学时的实验内容。 其中，16学时的实验内容增加了6个实验，为基础应用实验； 二十四课时的实验增加了设计实验，旨在使学生完成设计后，能够掌握单片机项目的开发方法。
第五章是全文的总结，总结了本文所做的工作。 第二章实验计划本章是实验计划的介绍，包括各组实验的实验安排、软件平台的介绍和安装以及与实验相关的软件的使用。 2.1 实验内容构思 本文设计的三套实验是在学习其他高校实验课程教材的基础上，结合本专业的培养特点，分别按照8/16/24课时安排的。 其中，八类实验由六个基础实验组成； 十六类实验在八类实验的基础上增加了六项应用实验； 二十四类实验在十六类实验的基础上增加了设计实验。 八小时的实验安排包括开关状态指示灯闪烁、广告灯、警报发生器、直接驱动LED显示屏的I/O并行端口、按钮识别、计数器和定时器。 LED、蜂鸣器、七段显示模块I/O口的基本输入输出功能、延时子程序的编写和使用等。十六课时的附加实验内容包括可预置可逆的4位计数器、4×4矩阵键盘识别技术、点阵图形液晶显示、单片机汽车照明控制器、直流电机闭环调速实验、交通灯控制实验。 这六个实验都是基础应用的实验。 目的是使学生掌握工作在定时状态的定时器/计数器的编程方法，理解和掌握查表程序结构的设计方法，熟悉查表指令和七段数码管。 如何使用，以及掌握中断服务程序的设计方法、移位指令的使用，加深对51单片机内部结构、工作原理和开发平台的了解。
二十四课时包括电子万年历的设计与制作，属于设计实验。 通过电子万年历的设计和制作，学生可以整合所学知识，更深入地了解单片机的内部结构和工作原理，培养学生独立开发单片机项目的能力。 这三组实验是由浅入深的递进关系。 第一组实验（8小时）是基础，让学生初步了解单片机的内部结构、工作原理和开发平台。 第二组实验（十六课）增加了六个基础应用实验。 第三组实验（二十四课时）增加了设计实验，旨在培养学生开发单片机项目的能力。 每组实验的内容按照从简单到复杂的顺序排列。 学生做实验时，应按照实验安排从前往后完成。 所需的实验平台是Proteus和Keil。 学生只需编写代码，使用Keil生成HEX文件，然后在Proteus上进行仿真即可。 虽然本文涉及的所有实验所需的DSN电路图都已给出，但学生可以自行设计电路图。 2.2 实验平台简介 2.2.1 ProteusProteus软件是英国Labcenter Electronics公司推出的一款EDA工具软件。 它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还可以仿真微控制器和外围器件。 它是目前模拟微控制器和外围设备的最佳工具。 从原理图布局、代码调试，到单片机与外围电路的联合仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
它是目前全球唯一集电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件于一体的设计平台。 其处理器型号支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430等KeilKeil软件提供丰富的库函数和强大的集成开发调试工具，具有完整的Windows界面。 还有很重要的一点是，只要看编译后生成的汇编代码，就可以意识到Keil生成的目标代码是非常高效的。 大多数语句生成的汇编代码非常紧凑且易于理解。 高级语言的优势在开发大型软件时更能体现出来。 2.3 软件功能 2.3.1 Proteus 功能 Proteus 软件具有其他EDA 工具软件（如：multisim）的功能。 这些功能有：原理图布局PCB自动或手动布线SPICE电路仿真有4大功能模块（1）智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库：超过27000个元件，可以轻松创建新元件； 智能设备搜索：通过模糊搜索可以快速定位到所需设备； 智能接线功能：自动接线功能使接线变得简单快捷，大大缩短绘图时间； 支持总线结构：采用总线器件和总线接线，使电路设计简洁明了； 可输出高质量图纸：通过个性化设置，可生成打印质量的BMP图纸，可轻松用于WORD、POWERPOINT等文档。
（2）完整的电路仿真功能（Prospice）ProSPICE混合仿真：基于行业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真； 超过27,000个仿真器件：您可以通过内部原型或使用制造商的SPICE文件自行设计仿真器件。 Labcenter也在不断发布新的仿真设备，也可以导入第三方发布的仿真设备； 多种激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入； 丰富的虚拟仪器：13种具有真实面板操作的虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字模式发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、 I2C调试器等； 生动的模拟显示：用色点来显示引脚的数字电平，电线用不同的颜色来表示其对地的连接电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使模拟更加直观、生动； 高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多个指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析（3）独特的单片机协同仿真功能（VSM）支持主流CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等. CPU类型随着版本升级不断增加，如CORTEX和DSP处理器即将支持； 支持通用外设型号：如字符液晶模块、图形液晶模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等。其COMPIM（ COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC串口与外部电路实现双向异步串行通信； 实时仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真； 编译调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源代码级仿真，内置8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可结合第三方集成编译环境（如IAR、Keil）和海泰克）。 进行高级语言的源代码级仿真和调试（4）实用PCB设计平台原理图到PCB快速通道：原理图设计完成后，可以一键进入ARES PCB设计环境，实现从概念到完整性产品设计； 先进的自动布局/布线功能：支持器件自动/手动布局； 支持无网格自动接线或手动接线； 支持管脚交换/栅极交换功能，使PCB设计更加合理； 完整的PCB设计功能：最多可设计16个铜箔层、2个丝印层、4个机械层（包括板边）、用户设置灵活的布线策略、自动设计规则检查、3D视觉预览； 支持多种输出格式：可以输出多个多种格式的文件，包括Gerbe导入或导出，方便与其他PCB设计工具（如protel）互转换和PCB板设计加工。
2.3.2 Keil 功能 C51 工具包的整体结构，uVision 和 Ishell 分别是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真的整个开发过程等。开发人员可以使用IDE本身或其他编辑器编辑C或汇编源文件。 然后分别由C51和C51编译器编译生成，生成目标文件（.OBJ）。 目标文件可以通过LIB51创建生成库文件，也可以通过L51与库文件连接定位在一起生成绝对目标文件（.ABS）。 ABS 文件被 OH51 转换为标准 Hex 文件，供调试器 dScope51 或 tScope51 使用，进行源代码级调试。 也可以供仿真器直接调试目标板，也可以直接写入EPROM等程序存储器。 使用独立Keil仿真器时，请注意： 1）仿真器标配11.0592MHz晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中更换其他频率的晶振。 2) 仿真器上的复位按钮只能复位仿真芯片，不能复位目标系统。 3）仿真芯片的31脚（/EA）已经接高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用外部ROM； 但仿真器外部引脚的31脚与模拟芯片的引脚不同。 连接31引脚，因此仿真器仍然可以插入具有外部ROM扩展的目标系统（CPU的/EA引脚连接到低电平）。
2.4 软件的安装和使用 2.4.1 Proteus 的安装和使用： 安装方法：点击安装文件，按照提示一步一步安装成功，然后使用中文文件。 中文文件一旦汉化成功，使用起来会更加方便。 使用说明：双击打开DSN文件； 右键单片机，选择编辑属性，选择用Keil生成的hex文件，点击确定； 点击“调试-启动/重新启动调试”开始运行。 2.4.2 Keil的安装与使用： 安装方法：点击安装文件，按照提示一步步继续即可成功安装。 然后使用破解软件进行注册。 注册成功后就可以使用了。 使用说明：双击打开keil； 使用“project-New μVision project”新建一个工程，然后选择“Atmel-AT89C51”； 使用“文件-新建…”新建文件，输入源代码，然后点击“文件-另存为”将源代码保存为ASM格式； 点击“Add Files to Group 'Source Group 1'…”选择刚刚保存的源程序，点击“添加”，然后点击“关闭”； 点击“Translate”进行编译，然后点击“Target 'Target 1'”的“Options”，在“Out Put”选项卡上勾选“Create HEX File”前面的框，点击“OK”；点击“Build” ” 生成 HEX 文件的链接。
