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項(xiàng)目需求（點(diǎn)亮一盞LED）

項(xiàng)目需求(對(duì)應(yīng)學(xué)校課程實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，描述?xiàng)目所需要完成的功能，這些功能所需要達(dá)到的指標(biāo))：點(diǎn)亮一盞LED燈，LED燈的亮度適中。

這里點(diǎn)亮LED燈是所需要完成的功能，LED燈亮度適中是這一功能所需要達(dá)到的具體指標(biāo)。   1.1.2 背景知識(shí)（LED）

發(fā)光二極管（LED，Light Emitting Diode）, 是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。在日常生活中應(yīng)用廣泛，如LED照明、數(shù)碼顯示管、建筑景觀、廣告燈、大型顯示屏等。

下圖為常見的發(fā)光二極管實(shí)物圖。左圖為直插形式封裝，右圖為貼片形式。

圖1-1：發(fā)光二極管實(shí)物圖

如何點(diǎn)亮發(fā)光二極管呢？很簡(jiǎn)單！我們知道，二極管是單向?qū)ǖ?，即在發(fā)光二極管的兩端加上正向電壓，就會(huì)亮起來(lái)。

常用的普通發(fā)光二極管通過(guò)0~20mA的電流即可正常工作，一般取10mA。在單片機(jī)系統(tǒng)中，一般應(yīng)該串接限流電阻。對(duì)于初學(xué)者來(lái)講，對(duì)于元件參數(shù)的選擇可能比較頭疼。電阻的阻值可按下式估算：R=(VCC-VLED)/ILED， 51系列單片機(jī)一般用+5V電源供電，LED壓降取0.7V，電流可取10mA，電阻就應(yīng)該選擇430Ω左右。當(dāng)然，電子市場(chǎng)上不一定能買到這么準(zhǔn)確的阻值，可以參考電阻的標(biāo)稱值來(lái)近似選擇，一般可取470Ω。當(dāng)然，阻值選大一點(diǎn)或小點(diǎn)也可，不過(guò)是發(fā)光二極管亮一點(diǎn)或暗一點(diǎn)罷了。

1.1.1 方案設(shè)計(jì)

有了客戶需求之后，我們開始方案設(shè)計(jì)給出兩個(gè)方案 ：方案一是撥碼開關(guān)控制，然后接LED 。

方案二利用單片機(jī)IO口控制LED。

這時(shí)候要選擇一個(gè)適合項(xiàng)目的方案。首先，方案必須滿足客戶的需求，考慮成本，采購(gòu) ，器件的供貨周期，是否適合目前的焊接工藝(直插或表貼封裝的選取)。

如選方案一，如果客戶需求更改，要求LED會(huì)自動(dòng)閃爍，需要重新選擇分立器件(電阻電容)即硬件電路需要更改。

方案二，只需要更改單片機(jī)程序即可，硬件不需要更改，只需要軟件更改。

硬件更改代價(jià)大，周期長(zhǎng)，成本高(重新生產(chǎn))，軟件更改，周期短(只是軟件更改的時(shí)間)，成本低(只需要軟件升級(jí)即可)

因此選用方案二。下面開始詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1.1.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

首先是硬件設(shè)計(jì)，因?yàn)橛布枰a(chǎn)周期，PCB制板需要時(shí)間，PCB焊接需要時(shí)間。軟件設(shè)計(jì)可以在硬件生產(chǎn)的時(shí)間內(nèi)開發(fā)，這樣就合理安排了開發(fā)進(jìn)度。

硬件設(shè)計(jì)首先是根據(jù)確定的方案進(jìn)行元器件選型，之前確定的單片機(jī)控制LED燈的方案，需要選擇用什么型號(hào)的單片機(jī)，和什么型號(hào)的LED燈。單片機(jī)選擇目前市面上應(yīng)用最廣泛的8051單片機(jī)，具體型號(hào)為STC公司的89C52型單片機(jī)。LED燈有直插和表貼兩種。為節(jié)省PCB面積，我們選擇表貼的LED燈。主要元器件選擇好以后，開始原理圖設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)好的原理圖如圖所示

硬件設(shè)計(jì)主要分兩部分，一部分電路為單片機(jī)要正常運(yùn)行所必須的電路，包括電源電路，晶振電路，RESET電路。

另一部分為IO口控制電路完成控制功能(即控制LED燈亮滅)

單片機(jī)工作首先需要5V的電源，這個(gè)可以由外接電源提供，電路板上只需提供一個(gè)插頭即可。

然后需要晶振提供恒定的時(shí)鐘，如下圖所示

單片機(jī)的能正常工作必須有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)所有的操作都是基于這個(gè)時(shí)鐘的，就像現(xiàn)實(shí)生活中，我們每個(gè)人會(huì)以統(tǒng)一的北京時(shí)間為基準(zhǔn)，來(lái)安排我們的工作生活，如果每個(gè)人的表所顯示的時(shí)間不是統(tǒng)一的，你的表是3點(diǎn)的時(shí)候我的表是1點(diǎn)，那么我們的工作生活就會(huì)亂套。 單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部分，如存儲(chǔ)器，計(jì)數(shù)器，ALU都會(huì)以這個(gè)輸入的時(shí)鐘信號(hào)為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行工作，如果沒(méi)有這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，各個(gè)部分就會(huì)錯(cuò)亂。

振蕩周期

即單片機(jī)輸入的時(shí)鐘信號(hào)的周期

機(jī)器周期：一個(gè)機(jī)器周期是指CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器一次所需要的時(shí)間，例如取指令、讀存儲(chǔ)器、寫存儲(chǔ)器等等。

8051單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期為12個(gè)振蕩周期

指令周期：即單片機(jī)執(zhí)行一條指令所消耗的時(shí)間，它以機(jī)器周期為單位。通常8051單片機(jī)執(zhí)行一條指令，如加，減等會(huì)需要1個(gè)或2個(gè)機(jī)器周期，少數(shù)指令，如乘除指令會(huì)消耗4個(gè)機(jī)器周期

最后需要一個(gè)復(fù)位電路，供初始化和單片機(jī)死機(jī)時(shí)能夠恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。8051單片機(jī)的復(fù)位(RESET)引腳在高電平持續(xù)24個(gè)振蕩周期后即進(jìn)行復(fù)位操作，即RESET引腳接邏輯高電平約0.002ms以上即進(jìn)行復(fù)位。但一般為了系統(tǒng)的可靠性，我們?cè)谝獔?zhí)行復(fù)位操作時(shí)，給單片機(jī)RESET引腳邏輯高電平的時(shí)間為

100ms左右，即在RESET引腳輸入一個(gè)這樣的波形為達(dá)到這樣的設(shè)計(jì)效果設(shè)計(jì)啊電路，這是一個(gè)典型的阻容復(fù)位電路，其中上電復(fù)位的電路部分如下圖所示：

圖中的電路在系統(tǒng)沒(méi)有上電時(shí)，VCC為0V，電容C6完全放電。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，電容C6開始充電，電容兩端電壓為0，因此A點(diǎn)電壓為VCC，為邏輯高電平，然后，隨著電容C6的充電，電容兩端的電壓逐漸上升，直至為VCC，此時(shí)A點(diǎn)的電壓為0V，即邏輯低電平。

在實(shí)際系統(tǒng)中，微控制器輸入電壓閾值大約為1.1~1.3V，低于這個(gè)閾值的電壓被認(rèn)為是邏輯0，超過(guò)這個(gè)閾值被認(rèn)為是邏輯1。也就是說(shuō)，A點(diǎn)電壓在上電時(shí)的VCC到下降至1.2V的這個(gè)時(shí)間t，就是單片機(jī)復(fù)位引腳邏輯高電平持續(xù)的時(shí)間。

而邏輯高電平持續(xù)的時(shí)間t取決于電阻R5的阻值和電容C6的容值。具體按如下公式計(jì)算

=2V,VCC=5V,當(dāng)R=10k，C=10uF時(shí)，t約為100ms

即邏輯高電平持續(xù)時(shí)間為100ms，滿足先前我們對(duì)復(fù)位操作所提出的要求。

在次電路基礎(chǔ)之上，我們附加一個(gè)硬件復(fù)位按鈕，如下圖所示

按鈕按下時(shí)，將A點(diǎn)電壓拉到VCC，并對(duì)電容C6放電，在按鈕釋放時(shí)將執(zhí)行上面所說(shuō)的復(fù)位流程。

點(diǎn)亮發(fā)光二極管的電路如圖所示

圖中可以看出，當(dāng)單片機(jī)IO口輸出低電平時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流由單片機(jī)片外“灌”入單片機(jī)片內(nèi)，這種方式稱為“灌電流”方式。有人會(huì)問(wèn)，能不能把發(fā)光二極管反過(guò)來(lái)接呢？答案是可以的，反過(guò)來(lái)二極管負(fù)端接地，當(dāng)單片機(jī)IO口輸出高電平時(shí)，二極管導(dǎo)通。不過(guò)最好不這樣接。因?yàn)?1單片機(jī)的I/O口線輸出低電平時(shí)的灌電流能力較強(qiáng)，可達(dá)20mA，而輸出高電平時(shí)的拉電流能力要弱些，圖中接法可以充分利用口線的灌電流能力。

硬件原理比較簡(jiǎn)單，前面已經(jīng)講得很清楚了，原理圖設(shè)計(jì)完后，就開始PCB設(shè)計(jì)，由于我們已經(jīng)提供了單片機(jī)開發(fā)板，故先將PCB設(shè)計(jì)跳過(guò)，在最后一章作詳細(xì)介紹。下面開始軟件設(shè)計(jì)

1.1.1.1 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件編程和編譯現(xiàn)在普遍使用KeilC軟件，該軟件最新版是KEIL4，下面以Keil4為例，怎樣建立一個(gè)名為tutorial的工程。

//Tips：建議大家使用Keil軟件時(shí)，盡量使用英文文件名，避免軟件對(duì)中文支持得不好導(dǎo)致的各種各樣不確定的問(wèn)題。

建立一個(gè)新工程，單擊Project 菜單New uVision Project，如下圖所示

新建tutorial文件夾，命名工程文件名也為tutorial，保存

選擇工程文件保存路徑，該工程的所有相關(guān)文件如.c .hex.h等文件都保存在該路徑下，我們一般一個(gè)工程對(duì)應(yīng)一個(gè)文件夾，便于管理。現(xiàn)在要新建一個(gè)名為tutorial的工程，因此存放路徑的文件夾也命名為tutorial

點(diǎn)擊保存后，會(huì)彈出如下對(duì)話框，讓你選擇單片機(jī)型號(hào)，STC單片機(jī)為國(guó)產(chǎn)單片機(jī)，未加入KEILC型號(hào)庫(kù)中，可以選擇配置與其相同的SST SST89C54單片機(jī)，ATMEL單片機(jī)直接選擇相應(yīng)型號(hào)即可

彈出加入引導(dǎo)文件，點(diǎn)確定

此時(shí)，新的名為 tutorial的Project就已經(jīng)建立，Source Group 1 下沒(méi)有.C文件。需要將寫好的C代碼保存為.C文件加入這個(gè)工程

在，寫單片機(jī)C語(yǔ)言程序之前我們還要做一些基本的配置，配置單片機(jī)晶振頻率，右鍵單擊Target 1 在彈出的菜單中選擇Options for Target‘Target 1

在新彈出的對(duì)話框中Xtal(MHz)選項(xiàng)后填單片機(jī)所使用的晶振的頻率，開發(fā)板核心板選用11.0592MHz。

在Output選項(xiàng)卡中，勾選Create Hex File 選項(xiàng)，是編譯軟件輸出Hex文件供程序燒錄

設(shè)置完成后點(diǎn)擊OK，

下面新建.C文件并加入Project。所有的程序代碼都存成.C

格式。點(diǎn)擊File –》New

會(huì)新生成一個(gè)Text文件，在此文件中輸入C程序代碼

File->Save As

文件名tutorial.c 點(diǎn)擊保存

此時(shí)文本文件保存為.C格式

將.C文件加入Projct 右鍵單擊Source Group 1 ,在彈出菜單中選擇Add Files to Group’ Source Group1’

在彈出的對(duì)話框中選擇先前保存的tutorial.c文件 點(diǎn)擊Add

發(fā)現(xiàn)tutorial.c文件加入到Source Group 1下

接下來(lái)在tutorial.c文件中輸入C代碼 正式開始編程

TIPS工程技巧 輸入法需要切換到英文輸入法，標(biāo)點(diǎn)符號(hào)切換到半角狀態(tài)

C代碼：

#include //52系列單片機(jī)頭文件 工程經(jīng)驗(yàn) ：程序注釋是非常必要的

sbit led1 = P1^1; //聲明單片機(jī)的P1.1 IO口 為bit 名稱為led1

void main() //主函數(shù)聲明

{

led1 = 0; //單片機(jī)的P1.1IO口電平為低，

//即點(diǎn)亮了與此IO口相連的LED

}

編程輸入完后 保存文件 然后編譯 注意保存?zhèn)浞?c文件

工程經(jīng)驗(yàn):注意編譯前的文件保存， 調(diào)試某個(gè)模塊成功后 記得保存文件 這是一個(gè)很好的工程習(xí)慣

TIPS編譯常見錯(cuò)誤

;號(hào)忘記打 是初學(xué)者的常見錯(cuò)誤

1 Error 即1個(gè)編譯錯(cuò)誤，具體是什么錯(cuò)誤，可以看

Syntax error near ‘}’ 即在 ‘}’附近有語(yǔ)法錯(cuò)誤，其中c(8)的意思是錯(cuò)誤在程序的第8行 可自行到第8行程序檢查程序語(yǔ)法錯(cuò)誤，也可以雙擊 Syntax error near ‘}’ 光標(biāo)即自動(dòng)跳到報(bào)錯(cuò)的‘}’ 附近 你可以檢查‘}’ 附近的語(yǔ)法錯(cuò)誤， 這里我們的語(yǔ)法錯(cuò)誤就是漏掉了；加上 再次編譯 編譯成功

到此為止，軟件的設(shè)計(jì)工作完成，下面就要開始進(jìn)行調(diào)試測(cè)試，驗(yàn)證我們的硬件和軟件設(shè)計(jì)是否能完成設(shè)計(jì)所期望的功能。

1.1.1 調(diào)試測(cè)試

要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，需要產(chǎn)品硬件生產(chǎn)完后，將單片機(jī)程序燒寫進(jìn)單片機(jī)，然后觀察運(yùn)行的結(jié)果。這里我們已經(jīng)有配套的HC-1型單片機(jī)開發(fā)板，所以硬件生產(chǎn)部分已經(jīng)完成，可以在單片機(jī)開發(fā)板上進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。在實(shí)際的工作中，我們要等待硬件PCB生產(chǎn)裝配完成后，才可以進(jìn)行軟件的調(diào)試和整體測(cè)試。

接下來(lái)生成hex文件 燒寫進(jìn)單片機(jī)

在此加入ISP軟件燒HEX文件方法

首先，雙擊ISP軟件，進(jìn)入軟件界面，選擇單片機(jī)型號(hào)，使用什么型號(hào)的單片機(jī)就選擇型號(hào)，開發(fā)板選用STC89C52RC單片機(jī)，因此我們做相應(yīng)選擇。

選擇串口號(hào)，此時(shí)USB線連接PC和核心板開發(fā)板，在PC機(jī)的任務(wù)管理器中查看串口號(hào)為COM？，并在COM選擇中選擇對(duì)應(yīng)的串口號(hào)，選擇COM4

打開需要燒錄的程序文件，點(diǎn)擊 打開程序文件 按鈕，選擇你需要燒錄的hex文件，hex文件由Keil軟件編譯生成，默認(rèn)保存在工程文件夾內(nèi)

Hex文件導(dǎo)入之后，如圖所示

此時(shí)關(guān)閉單片機(jī)開發(fā)板開關(guān)，使單片機(jī)斷電，然后點(diǎn)擊 Download/下載 按鈕 然后開啟單片機(jī)開發(fā)板，使單片機(jī)上電。這是可以看到程序燒錄進(jìn)單片機(jī)的提示信息

Add pic here

程序燒錄進(jìn)單片機(jī)之后，接通單片機(jī)電源，觀察運(yùn)行情況，開發(fā)板第一盞led在不停的閃爍，而不是一直亮 為什么？

我們回過(guò)頭來(lái)看看編譯軟件keil C，編譯軟件所做的事情就是把C語(yǔ)言程序編譯成對(duì)應(yīng)的匯編程序以至于機(jī)器碼 然后燒到程序

我們來(lái)看看keil 講我們這個(gè)程序編譯成的匯編語(yǔ)句

點(diǎn)擊紅圈圈住的按鈕

進(jìn)入界面

看紅圈圈住的Disassembly窗口

程序最后一行 22 RET 22為機(jī)器碼 對(duì)應(yīng)匯編語(yǔ)句為RET

代表 reset復(fù)位，即keil C 在編譯匯編語(yǔ)句后自動(dòng)在程序最后加了一句 復(fù)位語(yǔ)句，每當(dāng)程序執(zhí)行完后 單片機(jī)復(fù)位 復(fù)位所進(jìn)行的操作是單片機(jī)所有寄存器的值賦初值，p1^1口的初值是1，復(fù)位后程序重新開始從第一句執(zhí)行，又開始執(zhí)行main函數(shù) p1^1口又被置0 如此循環(huán) 就造成了led燈在閃爍而不是常亮

解決方法，while(1);加入程序結(jié)尾

重新下載程序到開發(fā)板，led常亮

Keil C為什么自作主張的加一條我們并沒(méi)有寫的語(yǔ)句呢？是為了避免程序跑飛，不加while(1)語(yǔ)句 而又不加復(fù)位語(yǔ)句 有可能PC指針繼續(xù)往下運(yùn)行，

大家可以看匯編語(yǔ)句后面的語(yǔ)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 即程序存儲(chǔ)器里面沒(méi)有指令，但是PC指針仍然會(huì)往下執(zhí)行一直到0xFFFF，如果程序存儲(chǔ)器后半段中有遺留的數(shù)據(jù)，程序就會(huì)跑飛，如果這樣的話 問(wèn)題很難定位與查找

加While(1)后C:0×0011 80FE SJMP C:0011 80FE是機(jī)器碼 對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)句是SJMP C:0011 即程序指針不停在這個(gè)地址循環(huán)

更改后的代碼如下所示

#include //52系列單片機(jī)頭文件 工程經(jīng)驗(yàn) ：程序注釋是非常必要的

sbit led1 = P1^1; //聲明單片機(jī)的P1.1 IO口 為bit 名稱為led1

void main() //主函數(shù)聲明

{

led1 = 0; //單片機(jī)的P1.1IO口電平為低，

//即點(diǎn)亮了與此IO口相連的LED

While(1);

}

到此為止，產(chǎn)品調(diào)試成功。

進(jìn)入測(cè)試，我們把開發(fā)板上電，工作一段時(shí)間，LED恒定常亮

1.1.1 文檔整理

調(diào)試成功之后，將原理圖(.sch文件)，PCB，軟件代碼(.c文件)進(jìn)行整理保存。便于生產(chǎn)部門進(jìn)行批量生產(chǎn)。

這樣整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)的過(guò)程完畢。

如果作為一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在就是一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)。那么作為產(chǎn)品開發(fā)來(lái)講，客戶也許會(huì)提出對(duì)產(chǎn)品的修改意見，要求進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)。

比如客戶要求同時(shí)控制8盞燈的亮滅，要求第2,4,6,8盞燈以1s的間隔閃爍。這樣我們就又來(lái)了一個(gè)新的項(xiàng)目。