猴子教你学单片机点亮一盏LED灯 while(1)的运用

只看该作者 · 2012-7-24 21:21

本帖最后由 symmetry 于 2012-8-1 23:19 编辑

配套教学视频http://v.youku.com/v_show/id_XNDE3ODcwMzIw.html

1.1.1 项目需求（点亮一盏LED）

项目需求(对应学校课程实验中的实验目的，描述项目所需要完成的功能，这些功能所需要达到的指标)：点亮一盏LED灯，LED灯的亮度适中。
这里点亮LED灯是所需要完成的功能，LED灯亮度适中是这一功能所需要达到的具体指标。
1.1.2 背景知识（LED）
发光二极管（LED，Light Emitting Diode）, 是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。在日常生活中应用广泛，如LED照明、数码显示管、建筑景观、广告灯、大型显示屏等。
下图为常见的发光二极管实物图。左图为直插形式封装，右图为贴片形式。

图1-1：发光二极管实物图

如何点亮发光二极管呢？很简单！我们知道，二极管是单向导通的，即在发光二极管的两端加上正向电压，就会亮起来。
常用的普通发光二极管通过0~20mA的电流即可正常工作，一般取10mA。在单片机系统中，一般应该串接限流电阻。对于初学者来讲，对于元件参数的选择可能比较头疼。电阻的阻值可按下式估算：R=(VCC-VLED)/ILED， 51系列单片机一般用+5V电源供电，LED压降取0.7V，电流可取10mA，电阻就应该选择430Ω左右。当然，电子市场上不一定能买到这么准确的阻值，可以参考电阻的标称值来近似选择，一般可取470Ω。当然，阻值选大一点或小点也可，不过是发光二极管亮一点或暗一点罢了。
1.1.1 方案设计
有了客户需求之后，我们开始方案设计给出两个方案：方案一是拨码开关控制，然后接LED 。
方案二利用单片机IO口控制LED。
这时候要选择一个适合项目的方案。首先，方案必须满足客户的需求，考虑成本，采购，器件的供货周期，是否适合目前的焊接工艺(直插或表贴封装的选取)。
如选方案一，如果客户需求更改，要求LED会自动闪烁，需要重新选择分立器件(电阻电容)即硬件电路需要更改。
方案二，只需要更改单片机程序即可，硬件不需要更改，只需要软件更改。
硬件更改代价大，周期长，成本高(重新生产)，软件更改，周期短(只是软件更改的时间)，成本低(只需要软件升级即可)
因此选用方案二。下面开始详细设计。
1.1.2 详细设计
1.1.2.1 硬件设计
首先是硬件设计，因为硬件需要生产周期，PCB制板需要时间，PCB焊接需要时间。软件设计可以在硬件生产的时间内开发，这样就合理安排了开发进度。
硬件设计首先是根据确定的方案进行元器件选型，之前确定的单片机控制LED灯的方案，需要选择用什么型号的单片机，和什么型号的LED灯。单片机选择目前市面上应用最广泛的8051单片机，具体型号为STC公司的89C52型单片机。LED灯有直插和表贴两种。为节省PCB面积，我们选择表贴的LED灯。主要元器件选择好以后，开始原理图设计

设计好的原理图如图所示

硬件设计主要分两部分，一部分电路为单片机要正常运行所必须的电路，包括电源电路，晶振电路，RESET电路。
另一部分为IO口控制电路完成控制功能(即控制LED灯亮灭)
单片机工作首先需要5V的电源，这个可以由外接电源提供，电路板上只需提供一个插头即可。
然后需要晶振提供恒定的时钟，如下图所示

单片机的能正常工作必须有一个时钟信号，单片机所有的操作都是基于这个时钟的，就像现实生活中，我们每个人会以统一的北京时间为基准，来安排我们的工作生活，如果每个人的表所显示的时间不是统一的，你的表是3点的时候我的表是1点，那么我们的工作生活就会乱套。单片机内部的各个部分，如存储器，计数器，ALU都会以这个输入的时钟信号为基准来进行工作，如果没有这个时钟信号，各个部分就会错乱。

振荡周期
即单片机输入的时钟信号的周期
机器周期：一个机器周期是指CPU访问存储器一次所需要的时间，例如取指令、读存储器、写存储器等等。
8051单片机的一个机器周期为12个振荡周期
指令周期：即单片机执行一条指令所消耗的时间，它以机器周期为单位。通常8051单片机执行一条指令，如加，减等会需要1个或2个机器周期，少数指令，如乘除指令会消耗4个机器周期
最后需要一个复位电路，供初始化和单片机死机时能够恢复运行状态。8051单片机的复位(RESET)引脚在高电平持续24个振荡周期后即进行复位操作，即RESET引脚接逻辑高电平约0.002ms以上即进行复位。但一般为了系统的可靠性，我们在要执行复位操作时，给单片机RESET引脚逻辑高电平的时间为
100ms左右，即在RESET引脚输入一个这样的波形

为达到这样的设计效果设计啊电路，这是一个典型的阻容复位电路，其中上电复位的电路部分如下图所示：

图中的电路在系统没有上电时，VCC为0V，电容C6完全放电。当系统上电时，电容C6开始充电，电容两端电压为0，因此A点电压为VCC，为逻辑高电平，然后，随着电容C6的充电，电容两端的电压逐渐上升，直至为VCC，此时A点的电压为0V，即逻辑低电平。
在实际系统中，微控制器输入电压阈值大约为1.1~1.3V，低于这个阈值的电压被认为是逻辑0，超过这个阈值被认为是逻辑1。也就是说，A点电压在上电时的VCC到下降至1.2V的这个时间t，就是单片机复位引脚逻辑高电平持续的时间。
而逻辑高电平持续的时间t取决于电阻R5的阻值和电容C6的容值。具体按如下公式计算

=2V,VCC=5V,当R=10k，C=10uF时，t约为100ms
即逻辑高电平持续时间为100ms，满足先前我们对复位操作所提出的要求。
在次电路基础之上，我们附加一个硬件复位按钮，如下图所示

按钮按下时，将A点电压拉到VCC，并对电容C6放电，在按钮释放时将执行上面所说的复位流程。

点亮发光二极管的电路如图所示

图中可以看出，当单片机IO口输出低电平时，二极管导通，电流由单片机片外“灌”入单片机片内，这种方式称为“灌电流”方式。有人会问，能不能把发光二极管反过来接呢？答案是可以的，反过来二极管负端接地，当单片机IO口输出高电平时，二极管导通。不过最好不这样接。因为51单片机的I/O口线输出低电平时的灌电流能力较强，可达20mA，而输出高电平时的拉电流能力要弱些，图中接法可以充分利用口线的灌电流能力。
硬件原理比较简单，前面已经讲得很清楚了，原理图设计完后，就开始PCB设计，由于我们已经提供了单片机开发板，故先将PCB设计跳过，在最后一章作详细介绍。下面开始软件设计
1.1.1.1 软件设计
单片机软件编程和编译现在普遍使用KeilC软件，该软件最新版是KEIL4，下面以Keil4为例，怎样建立一个名为tutorial的工程。
//Tips：建议大家使用Keil软件时，尽量使用英文文件名，避免软件对中文支持得不好导致的各种各样不确定的问题。

建立一个新工程，单击Project 菜单New uVision Project，如下图所示

新建tutorial文件夹，命名工程文件名也为tutorial，保存

选择工程文件保存路径，该工程的所有相关文件如.c .hex.h等文件都保存在该路径下，我们一般一个工程对应一个文件夹，便于管理。现在要新建一个名为tutorial的工程，因此存放路径的文件夹也命名为tutorial

点击保存后，会弹出如下对话框，让你选择单片机型号，STC单片机为国产单片机，未加入KEILC型号库中，可以选择配置与其相同的SST SST89C54单片机，ATMEL单片机直接选择相应型号即可

弹出加入引导文件，点确定

此时，新的名为 tutorial的Project就已经建立，Source Group 1 下没有.C文件。需要将写好的C代码保存为.C文件加入这个工程

在，写单片机C语言程序之前我们还要做一些基本的配置，配置单片机晶振频率，右键单击Target 1 在弹出的菜单中选择Options for Target‘Target 1

在新弹出的对话框中Xtal(MHz)选项后填单片机所使用的晶振的频率，开发板核心板选用11.0592MHz。

在Output选项卡中，勾选Create Hex File 选项，是编译软件输出Hex文件供程序烧录

设置完成后点击OK，
下面新建.C文件并加入Project。所有的程序代码都存成.C
格式。点击File –》New

会新生成一个Text文件，在此文件中输入C程序代码

File->Save As

文件名tutorial.c 点击保存

此时文本文件保存为.C格式

将.C文件加入Projct 右键单击Source Group 1 ,在弹出菜单中选择Add Files to Group’ Source Group1’

在弹出的对话框中选择先前保存的tutorial.c文件点击Add

发现tutorial.c文件加入到Source Group 1下

接下来在tutorial.c文件中输入C代码正式开始编程
TIPS工程技巧输入法需要切换到英文输入法，标点符号切换到半角状态
C代码：
#include<reg52.h> //52系列单片机头文件工程经验：程序注释是非常必要的
sbit led1 = P1^1; //声明单片机的P1.1 IO口为bit 名称为led1

void main() //主函数声明
{

led1 = 0; //单片机的P1.1IO口电平为低，
//即点亮了与此IO口相连的LED
}
编程输入完后保存文件然后编译注意保存备份.c文件

工程经验:注意编译前的文件保存，调试某个模块成功后记得保存文件这是一个很好的工程习惯
TIPS编译常见错误
;号忘记打是初学者的常见错误

1 Error 即1个编译错误，具体是什么错误，可以看

Syntax error near ‘}’ 即在 ‘}’附近有语法错误，其中c(8)的意思是错误在程序的第8行可自行到第8行程序检查程序语法错误，也可以双击 Syntax error near ‘}’ 光标即自动跳到报错的‘}’ 附近你可以检查‘}’ 附近的语法错误，这里我们的语法错误就是漏掉了；加上再次编译编译成功
到此为止，软件的设计工作完成，下面就要开始进行调试测试，验证我们的硬件和软件设计是否能完成设计所期望的功能。
1.1.1 调试测试
要对产品进行调试和测试，需要产品硬件生产完后，将单片机程序烧写进单片机，然后观察运行的结果。这里我们已经有配套的HC-1型单片机开发板，所以硬件生产部分已经完成，可以在单片机开发板上进行调试和测试。在实际的工作中，我们要等待硬件PCB生产装配完成后，才可以进行软件的调试和整体测试。
接下来生成hex文件烧写进单片机
在此加入ISP软件烧HEX文件方法
首先，双击ISP软件，进入软件界面，选择单片机型号，使用什么型号的单片机就选择型号，开发板选用STC89C52RC单片机，因此我们做相应选择。

选择串口号，此时USB线连接PC和核心板开发板，在PC机的任务管理器中查看串口号为COM？，并在COM选择中选择对应的串口号，选择COM4

打开需要烧录的程序文件，点击打开程序文件按钮，选择你需要烧录的hex文件，hex文件由Keil软件编译生成，默认保存在工程文件夹内

Hex文件导入之后，如图所示

此时关闭单片机开发板开关，使单片机断电，然后点击 Download/下载按钮然后开启单片机开发板，使单片机上电。这是可以看到程序烧录进单片机的提示信息
Add pic here
程序烧录进单片机之后，接通单片机电源，观察运行情况，开发板第一盏led在不停的闪烁，而不是一直亮为什么？

我们回过头来看看编译软件keil C，编译软件所做的事情就是把C语言程序编译成对应的汇编程序以至于机器码然后烧到程序
我们来看看keil 讲我们这个程序编译成的汇编语句

点击红圈圈住的按钮
进入界面

看红圈圈住的Disassembly窗口
程序最后一行 22 RET 22为机器码对应汇编语句为RET
代表 reset复位，即keil C 在编译汇编语句后自动在程序最后加了一句复位语句，每当程序执行完后单片机复位复位所进行的操作是单片机所有寄存器的值赋初值，p1^1口的初值是1，复位后程序重新开始从第一句执行，又开始执行main函数 p1^1口又被置0 如此循环就造成了led灯在闪烁而不是常亮
解决方法，while(1);加入程序结尾
重新下载程序到开发板，led常亮
Keil C为什么自作主张的加一条我们并没有写的语句呢？是为了避免程序跑飞，不加while(1)语句而又不加复位语句有可能PC指针继续往下运行，
大家可以看汇编语句后面的语句都是
C:0×0013 00 NOP
C:0×0014 00 NOP
C:0×0015 00 NOP
C:0×0016 00 NOP
C:0×0017 00 NOP
一直到
C:0xFFFF 00 NOP
NOP就是空的意思即程序存储器里面没有指令，但是PC指针仍然会往下执行一直到0xFFFF，如果程序存储器后半段中有遗留的数据，程序就会跑飞，如果这样的话问题很难定位与查找
加While(1)后C:0×0011 80FE SJMP C:0011 80FE是机器码对应的汇编语句是SJMP C:0011 即程序指针不停在这个地址循环
更改后的代码如下所示
#include<reg52.h> //52系列单片机头文件工程经验：程序注释是非常必要的
sbit led1 = P1^1; //声明单片机的P1.1 IO口为bit 名称为led1

void main() //主函数声明
{

led1 = 0; //单片机的P1.1IO口电平为低，
//即点亮了与此IO口相连的LED
While(1);
}
到此为止，产品调试成功。
进入测试，我们把开发板上电，工作一段时间，LED恒定常亮
1.1.1 文档整理
调试成功之后，将原理图(.sch文件)，PCB，软件代码(.c文件)进行整理保存。便于生产部门进行批量生产。
这样整个产品开发的过程完毕。
如果作为一个教学实验，现在就是一个完整的实验。那么作为产品开发来讲，客户也许会提出对产品的修改意见，要求进行产品升级。