——以“單片機89C2051 輸出口的正弦波輸出設(shè)計”為例

摘要：以學(xué)習(xí)單片機為目的，為在沒有仿真器和目標(biāo)板的情況下對單片機內(nèi)部程序運行時有感性的認(rèn)識，以常用的89C2051 單片機為核心，利用Proteus 仿真軟件的硬件仿真模塊建立一個正弦波發(fā)生電路，并運用C 語言編寫相應(yīng)程序，結(jié)合所設(shè)計電路在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)果和實際電路與程序運行的結(jié)果進(jìn)行了比較。據(jù)此，通過從實踐出發(fā)來，把實踐與理論結(jié)合在一起的學(xué)習(xí)方法來達(dá)到入門單片機知識。

1 引言

       對于單片機的學(xué)習(xí)，由于其比較抽象，特別是在編寫程序時，完全只是憑借程序員周密的邏輯思維來進(jìn)行程序設(shè)計，為了讓程序設(shè)計員更好的理解和調(diào)試其所設(shè)計的程序，所有單片機生產(chǎn)廠家都針對他們的單片機系列設(shè)計生產(chǎn)了相應(yīng)的仿真器。然而這些仿真器的價格卻不菲，無凝這是初次學(xué)習(xí)單片機時重要考慮的因素。而目前隨著我國電子技術(shù)的飛速發(fā)展，我們所有生活上所用到、見到的電子產(chǎn)品都離不開單片機的身影，這也愈加激起我們對單片機的學(xué)習(xí)熱情。然而在具體學(xué)習(xí)這門技術(shù)時，特別是高校教學(xué)時，因為實驗設(shè)備不夠和教學(xué)課時少等原因，往往都是采用純理論性的或集體性的實驗。而通過這種學(xué)習(xí)之后，以我個人在校學(xué)習(xí)時的經(jīng)歷和對一些高校學(xué)生的了解，大部分學(xué)習(xí)者最終都是知識考試過了關(guān)，卻什么都不會。針對這一現(xiàn)象，在此本文提倡運用仿真的方法結(jié)合具體的設(shè)計來學(xué)習(xí)單片機知識。

目前國外很多軟件設(shè)計公司都針對單片機的學(xué)習(xí)而設(shè)計了許多仿真軟件，這使得單片機學(xué)習(xí)者只需要一臺個人電腦就可以完成單片機程序的設(shè)計和調(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Labcenter 公司開發(fā)的具有硬件電路分析、實物仿真軟件和程序仿真功能的仿真軟件。通過軟件安裝在個人電腦后，可以實現(xiàn)了單片機和SPICE 電路相結(jié)合的仿真。在此運用該仿真軟件，設(shè)計以AT89C2051[2]的P1 口輸出正弦波為目的的硬件電路和相應(yīng)程序，通過這一具體的項目設(shè)計，把理論與實踐結(jié)合起來，以期引導(dǎo)入門單片機學(xué)習(xí)。

2設(shè)計Proteus里的仿真電路

為了對單片機內(nèi)部程序運行時有感性上的理解，在此利用Proteus7 Professional 下的ISIS7 Professional 仿真電路設(shè)計軟件設(shè)計了如下圖1 所示的電路，該電路所預(yù)達(dá)到的功能是通過單片機AM89C2051 的P10-P17 口輸出準(zhǔn)正弦波并通過虛擬示波器顯示出來，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)庫里的元器件。

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

圖1 所示電路的核心部件是信號處理器U1，雙擊它時可對它進(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履行已燒入程序代碼的CPU 的功能；時鐘電路有晶體振蕩器Y1 和瓷片電容C7、C8 組成；信號由U1 的P10-P17 這8 個輸出口輸出，信號再經(jīng)過上來電阻RP1、R1-R8 分壓輸出和通過電壓跟隨器電路轉(zhuǎn)化成近似于正弦波信號。

電阻R1 至R8 滿足如下方程：

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似于正弦信號在-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)計相應(yīng)程序

參照前面所設(shè)計電路，利用時間中斷程序來產(chǎn)生頻率為1KHz 的正弦波，所設(shè)計程序源代碼及相關(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是因為將輸出正弦波周期在時域上分成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初始化時鐘中斷0和1

在此程序中主要是初始化有關(guān)時鐘中斷寄存器。

void int_init(void)
{ EA=0;//關(guān)閉所有中斷，以保證在調(diào)用此子程序時中斷不會發(fā)生
TMOD=0x11; //#00000001B ;定義時鐘中斷0 為16 位時鐘發(fā)生器
TCON=0x50; //#00010000B ; 使能時鐘中斷0
IE=0x0a; //#00000010B ; 運行時鐘中斷0
IP=0x02; //#00000010B ; 時鐘中斷0 優(yōu)先
TL0= (65535-1000/16);
TH0= ((65535-1000/16)>>8); /*初始化時鐘中斷0 的計數(shù)寄存器，系統(tǒng)時鐘12MHz, 所以中斷計數(shù)時間為1us,中斷發(fā)生時間為1000/16X1us=1/16ms, 頻率為16KHz，除以16 是因為一個周期被分成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P1 口輸出時計數(shù)
int_init(); //調(diào)用中斷初始化子程序
while(1) //下面為一個無限循環(huán)
{
_nop_();
}
}

3.4時鐘中斷子程序

void timer_0 (void) interrupt 1 using 1
{ TL0= (65535-1000/16);
TH0= ((65535-1000/16)>>8); //重置時鐘中斷0 的時間計數(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)組中下一個值
P1_out_cnt&=0x0f; //00001111B，保證0≤P1_out_cnt≤15
}

4 仿真與實驗

在以上工作完成之后，通過仿真軟件Proteus7 professional 下面的ISIS7 Professional 菜單窗口里對一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，為了簡單完成仿真，在此只對必要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：首先對Design/Configure Power Rail 下的電源Vcc=5V 和GND=0 進(jìn)行設(shè)定，其次是對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，在次是對雙擊單片機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。最后點擊Debug/Execute 便開始仿真運行，在運行過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。

為了對所仿真的結(jié)果做進(jìn)一步的認(rèn)證，在此設(shè)計了實際的電路來與之加以比較，如圖4所示是按照圖1 電路圖設(shè)計了實際電路板之后，用示波器對其輸出進(jìn)行測試所得實際波形，實驗表明仿真的結(jié)果與實際的測試結(jié)果相一致。

圖3 仿真輸出波形

 
圖4 實際輸出波形

5 結(jié)束語

對所設(shè)計的C 語言程序結(jié)合硬件電路的進(jìn)行了仿真，并通過虛擬示波器顯示了所設(shè)計程序運行的結(jié)果，并比較了仿真與實際電路運行輸出結(jié)果，表明了通過Proteus 仿真軟件可以達(dá)到與通過實際電路來學(xué)習(xí)單片機的效果。

完整的設(shè)計了一個項目的硬件電路和C 程序，通過真實具體的正弦波發(fā)生電路及其程序的設(shè)計來達(dá)到學(xué)習(xí)單片機引路作用，增強了學(xué)習(xí)者對單片機工作原理和應(yīng)用設(shè)計的理解，為單片機初學(xué)者提供了一種切實可行的方法。
 
附圖實際測試電路板
注：實際電路板上包涵了文中圖1 的電路