单片机软件仿真实验指导书

编著蔡骏安徽电子信息职业技术学院二00七年九月II前言本实验指导书结合单片机实验教学和高职生的学习特点，引入较为先进的单片机与嵌入式系统仿真与开发平台——PROTEUS仿真软件，对传统的单片机实验方法和实验内容进行充实和完善。全书共分5章，各章内容的编排顺序基本上与理论课教材相近。第1章介绍Proteus仿真软件，第2、3章分别介绍单片机硬件、指令系统和程序设计，第4、5章分别介绍单片机定时器/计数器、中断技术和系统扩展。各项实验提供的参考程序均通过ProteusV7.1版调试。在本书编写过程中，主要突出以下几个特点：1．以培养应用技术性人才为目标，突出基本技能训练，加强对指令系统的理解和输入输出口控制应用的训练，培养学生的编程能力。2.考虑到各系电类及相关专业对单片机课程的要求不同，各专业学生的基础不同，每章安排的实验数量较多，难易程度也有所不同，各专业可以根据各自的专业要求和学生的学习能力选择实验项目。3.在各章节的参考程序中，都给出了与汇编语言对应的机器码，使学生对机器码有一定的了解。4.实验内容的编排顺序基本上与理论课教学一致，努力做到理论与实践相结合，互相补充。单片机硬件结构学习过程中即可安排实验课程。由于编者水平有限，书中难免会有错误和不妥之处，恳请广大读者给予批评指正。蔡骏2007年9月III目录第1章单片机仿真软件概述…………………………………………………………………11.1Proteus软件仿真系统的构成与功能……………………………………………………11.2Proteus软件仿真系统的使用方法………………………………………………………4第2章单片机硬件和指令系统实验………………………………………………………132．1数据存储器实验………………………………………………………………………132．2数据传送指令实验……………………………………………………………………192．3算术运算指令实验……………………………………………………………………212．4逻辑运算指令实验……………………………………………………………………232．5控制转移指令实验……………………………………………………………………252．6位操作指令实验………………………………………………………………………26第3章单片机程序设计实验………………………………………………………………293．1流水灯实验……………………………………………………………………………213．2步进电机实验…………………………………………………………………………353．3汽车转向信号灯控制实验……………………………………………………………403．4步进电机控制实验……………………………………………………………………42第4章单片机定时与中断实验……………………………………………………………574．1外部中断实验…………………………………………………………………………574．2交通信号灯控制实验…………………………………………………………………594．3广告灯实验……………………………………………………………………………674．4脉冲计数实验…………………………………………………………………………774．5电子音乐实验…………………………………………………………………………694．6直流电动机控制实验…………………………………………………………………76第5章单片机系统扩展实验…………………………………………………………………795．1简单I/O口扩展实验…………………………………………………………………795.28255扩展I/O口实验…………………………………………………………………50１第1章单片机仿真软件概述PROTEUS是英国LabcenterElectronics公司开发的多功能EDA软件。PROTEUS不仅是模拟电路、数字电路、模／数混合电路的设计与仿真平台，也是目前较先进的单片机和嵌入式系统的设计与仿真平台。它实现了在计算机上完成从原理图与电路设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整的电子设计、研发过程。由于PROTEUS丰富的元器件模型、对处理器的支持、多样的虚拟仪器、强大的图表分析功能和与第三方集成开发环境的无缝集成，已被公认为电类教学与实验的巨大资源，得到越来越多的高校的认同，并在教学实践中取得了明显效果。1．1Proteus软件仿真系统的构成与功能1.1.1Proteus软件的构成Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真、PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。Proteus包含了VSM（VirturalSystemModelling虚拟系统模型）技术，用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。Proteus包括ProteusVSM（Proteus虚拟系统模型）和ProteusPCBDesign（Proteus印制电路板设计）两大部分。ProteusVSM包括智能原理图输入系统ISIS（IntelligentSchematicInputSystem）、带扩展的ProSPICE（SimulationProgramWithIntegratedCircuitEmphasis）混合模型仿真器、动态器件库、高级图表仿真ASF（AdvancedSimulationFeature）和微控制器虚拟系统仿真模型VSM。ProteusPCBDesign包括高级布线编辑软件ARES（AdvancedRountingandEditingSoftware）、智能原理图输入系统ISIS和高级图表仿真ASF。该软件运行于Windows操作系统上，主要特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：8051/52系列、ARM7(LPC21xx)、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态。支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2、MPLAB、IAR等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。２1.1.2Proteus软件的功能本实验指导书主要涉及与单片机课程有关的软件设计与仿真，故只叙述ProteusVSM的功能。ProteusVSM组合了混合模式的ProSPICE电路仿真、动画器件和微控制器模型，实现了完整的基于微控制器设计的协同仿真。使在物理原型出来之前对这类设计的开发和测试成为可能。ProteusVSM的各组成部分的功能简介如下：一、智能原理图输入系统ISISISIS是Proteus系统的中心，它远不仅是一个图表库。它既是智能原理图设计、绘制和编辑的环境，又是数字电路、模拟电路和数/模混合电路设计与仿真的环境，更是单片机与外围设备的设计、仿真和协同仿真的环境。ISIS组合有很多易用的功能强大的编辑工具，是单片机系统的设计与仿真的平台。其主要特点如下：生成出版质量的原理图。风格模板允许提供库部件的用户化。鼠标驱动和内容关联的用户界面。自动走线，以及接点的布置和切除。参数表示子电路元件值的层次设计。包括子电路端口以及总线引脚的总线支持。挑选元件或建立新库元件可预览PCB封装。完全体现多元器件的同性和异性。包括相应对话框用户化的元件特性的精细管理。超过8000元件的大型元件库，完全适用于仿真模型。网表格式：LabcenterSDF、SPICE、Tango、Boardmaker、EEDeginer、Futurenet等。电气规则检查以及元件报告清单。可彩色或单色输出到Windows打印设备。图形输出格式：WMF、BNP、DXF、EPS、HPGL。二、ProSPICE混合模型仿真器ProSPICE是结合ISIS原理图设计环境使用的混合型电路仿真器。它基于工业标准SPICE3F5（美国加州Berkeley大学开发）的模拟内核，加上混合型仿真的扩展以及交互电路动态，提供了开发和测试设计的强大交互式环境。ProSPICE使用了Berkeley的源代码，包含了最新的整合技术以及原型，保证在数字结果方面和生产商SPICE模型的最好兼容性。三、微控制器虚拟系统仿真模型VSMProteus可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用的MCU及其外围电路。可仿真的51系列单片机模型如下：通用：80C31、80C32、80C51、80C52、80C54、80C58。Atmel：AT89C51、AT89C52、AT89C55；AT89C51RB2、AT89C51RC2、AT89C51RD2(X2和SPI没有模型)３Philips：P87C51FX、P87C51RX+（如FA、FB、FC、RA+、RB+、RC+、RD等系列）。通过51系列单片机模型可完成以下仿真：全部8051指令系统。所有I/O操作。所有片上外设的各种操作模式。所有中断模式。内部产生处理器时钟以优化经济结构性能，I/O和其它事件定时器精确至一个时钟相位。程序和外部数据存储器能被仿真为内部模型，以提高吞吐量，或仿真为外部模型以验证硬件设计。提供内部一致性代码检查功能。完整集成ISIS的源码级调试和源码管理系统。支持集成Keil等第三方编译器和调试器。支持的编译器：KeilC51/μVision2、MPLAB和IAR。四、动态器件库VSM包含超过8000种元器件模型：标准电子元件：电阻、电容、二极管、晶体管、晶闸管、光耦合器、运放、555定时器等。74系列TTL和4000系列CMOS器件。存储器：ROM、RAM、EEPROM、I2C器件等。微控制器支持的器件：如I/O口、USART等。ProteusVSM除上述库外，同样包含大量复杂的外设模型，如表1-1所示。表1-1ProteusVSM高级外设模型虚拟仪器和分析工具交互式虚拟仪器双通道示波器24通道逻辑分析仪计数器／计时器RS232终端交流电压表／直流电压表交流电流表／直流电流表规程分析仪双模式（主/从）I2C规程分析仪双模式（主/从）SPI规程分析仪交互式电路激励工具模拟信号发生器－可输出方波、锯齿波、三角波、正弦波信号数字图形发生器－支持1K的标准8-bit数据流光电显示模型和驱动模型数字式LCD模型、图形LCD模型、LED模型、七段显示模型、光电驱动模型、光耦模型电机模型和控制器电机模型（直流、步进和伺服电机）、电机控制器模型存储器模型I2CEPROM存储器模型、静态存储器模型、永久性EPROM模型温度控制模型温度计和温度自动调节器模型、温度传感器模型、热电偶模型计时模型实时时钟模型I2C/SPI规程模型I2C外设、SPI外设、规程分析仪一线规程模型一线EEPROM模型、一线温度计模型、一线开关模型、一线按钮模型RS-232/RS-485/RS-422规程模型RS232终端模型、Maxim外设模型４ADC/DAC转换模型模/数转换模型、数/模转换模型电源管理模型正电源标准仪、负电源标准仪、混合电源标准仪脉宽控制模型全桥脉宽放大器、半桥脉宽放大器、脉宽调节器拉普拉斯转换模型操作模型、一阶模型、二阶模型、过程控制、线性模型、非线性模型热离子管模型二极管模型、五极真空管模型、四极管模型、三极管模型变换器模型压力传感器模型五、高级图表仿真ASF基于图形化的仿真是传统的SPICE仿真，包括以下特点：标准SPICE分析包括：模拟瞬态、数字瞬态、混合模式瞬态、频率、傅里叶、噪声、失真、转换曲线、直流特性、交流特性和工作点。图形显示模拟、数字和总线数据，频