单片机实验讲义

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单片机第一次作业

题目要求

  1. 安装 Keil 和 Proteus，熟悉 Keil 编译和可执行文件的生成操作和 Proteus 仿真操作
  2. 使用汇编语言编写代码实现单片机引脚输出 PWM 波形，使用 Proteus 中的示波器查看波形
  3. 使用按键控制 PWM 的延时长度（占空比？）
  4. 录制视频发至 B 站

题目实现

  1. 安装步骤及工程创建省略，具体操作可以类比。
  2. 代码实现思路：首先建立一个延时时间为 1ms（0.999285ms）的延时函数作为时基，然后通过调用该延时函数来控制高低电平的维持时间。主函数中通过每隔一定时间拉高拉低电平来实现 PWM 波形的生成。主函数中还包含按键检测的电路，进入 LOOP 前后都要进行按键检测。PWM 的占空比范围为 0%~100%，可以使用按键来控制每次按下按键时 PWM 的占空比增加 10%。
  3. 仿真电路搭建：在 Component Mode 中选择器件 AT89C51 和 button，在 Termianl Mode 中选择 Ground，在 Virtual Instrument Mode 中选择 OSCILLOSCOPE

代码详解

为了实现目标程序，我们首先实现一个目标程序的子集：我们首先设计一个占空比为 50% 的 PWM，这个代码是非常好理解的：

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SETB	P2.1		;设置P2^1端口为高电平
LCALL	DELAY		;跳转执行延时子函数
CLR		P2.1		;设置P2^1端口为低电平
LCALL	DELAY		;设置P2^1端口为高电平

这是我们的延时代码

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;-------------------------------时基，单位msBEGIN-------------------------------
DELAY:	;延时:1T+153*(4*1T+2T)+2T = 921T;921T = 921*1.085us = 0.999285ms
		MOV	R2,#153			;1T
HERE:
		NOP					;1T
		NOP					;1T
		NOP					;1T
		NOP					;1T
		DJNZ	R2,HERE		;2T
		NOP					;1T
		RET					;2T
;---------------------------------时基，单位msEND--------------------------------

然后我们实现第二个小目标：设置一个占空比可调的占空比

为此我们给高电平一个时间，给低电平另一个时间

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SETB	P2.1
LCALL	HOLDHIGH
CLR		P2.1
LCALL	HOLDLOW

这是使用循环嵌套进行高低电平持续时间的设置。我们设置 PWM 的周期为 100 个 DELAY，然后就可以非常方便的表示占空比：

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;--------------------------------高电平维持时间BEGIN----------------------------
HOLDHIGH:	;延时:1T+30*921T+2T+2T = 27635T;27635T = 27635*1.085us = 29.983975ms
			;延时:1T+x*921T+2T+2T = 921x+5T;921x+5T = 999.285x+0.000543ms
		MOV		R5,30		;1T
AGAINH:
		LCALL	DELAY		;921T
		DJNZ	R5,AGAINH	;2T
		RET					;2T
;--------------------------------高电平维持时间END-------------------------------

;------------------------------低电平维持时间BEGIN-------------------------------
HOLDLOW:	;延时:1T+70*921T+2T+2T = 64475T;64475T = 64475*1.085us = 69.955375ms
			;延时:1T+1T+1T+1T+x*921T+2T+2T = 921x+8T;921x+8T = 999.285x+0.000868ms
			;x = 70,69.950ms
		MOV 	R5,70		;1T
AGAINL:
		LCALL	DELAY		;921T
		DJNZ	R5,AGAINL	;2T
		RET					;2T
;-------------------------------低电平维持时间END--------------------------------

但是这种情况下如果在源代码中改变占空比的话，我们需要改动两个值，现在我们希望的是，改动一处的值然后就能得到周期 100ms 的占空比正确的 PWM。

于是我们进行了下面的修改：

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;------------------------------低电平维持时间BEGIN-------------------------------
HOLDLOW:	;延时:1T+70*921T+2T+2T = 64475T;64475T = 64475*1.085us = 69.955375ms
			;延时:1T+1T+1T+1T+x*921T+2T+2T = 921x+8T;921x+8T = 999.285x+0.000868ms
			;x = 70,69.950ms
		MOV 	R5,30		;1T
		MOV 	A,#100		;1T
		SUBB 	A,R5		;1T
		MOV 	R5,A		;1T
AGAINL:
		LCALL	DELAY		;921T
		DJNZ	R5,AGAINL	;2T
		RET					;2T
;-------------------------------低电平维持时间END--------------------------------

最后，我们使用寄存器 B 来存储占空比：

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		MOV		B,#30
;--------------------------------高电平维持时间BEGIN----------------------------
HOLDHIGH:	;延时:1T+30*921T+2T+2T = 27635T;27635T = 27635*1.085us = 29.983975ms
			;延时:1T+x*921T+2T+2T = 921x+5T;921x+5T = 999.285x+0.000543ms
		MOV		R5,B		;1T
AGAINH:
		LCALL	DELAY		;921T
		DJNZ	R5,AGAINH	;2T
		RET					;2T
;--------------------------------高电平维持时间END-------------------------------


;------------------------------低电平维持时间BEGIN-------------------------------
HOLDLOW:	;延时:1T+70*921T+2T+2T = 64475T;64475T = 64475*1.085us = 69.955375ms
			;延时:1T+1T+1T+1T+x*921T+2T+2T = 921x+8T;921x+8T = 999.285x+0.000868ms
			;x = 70,69.950ms
		MOV 	R5,B		;1T
		MOV 	A,#100		;1T
		SUBB 	A,R5		;1T
		MOV 	R5,A		;1T
AGAINL:
		LCALL	DELAY		;921T
		DJNZ	R5,AGAINL	;2T
		RET					;2T
;-------------------------------低电平维持时间END--------------------------------

接下来的目标是添加按键逻辑。

首先我们来思考一下按键的逻辑是什么样子的：首先我们假设初始时寄存器 B 的值是 10，即占空比为 10%

  • 按键按下：寄存器 B 中的值加 10
  • 按键松开：执行 IO 口高低电平的切换

依照这种逻辑，我们有代码：

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;-----------------------------------主函数BEGIN---------------------------------
MAIN:
		SETB	P2.1		;1T
		LCALL	HOLDHIGH	;2T
		CLR		P2.1		;1T
		LCALL	HOLDLOW		;2T
		
		JB		P2.0,MAIN	;P2.1为1的时候循环，按键按下变为0时进入ADD指令
		MOV 	A,B
		ADD 	A,#10
		MOV 	B,A
		
		SJMP 	MAIN
;-----------------------------------主函数END-----------------------------------

在这种逻辑下，我们会发现我们已经实现了使用按键控制 PWM 的占空比。在仿真工程中我们也可以看到每次按下按键时输出的 PWM 占空比都会发生变化。

但是，如果我们仔细观察占空比的变化，我们会发下每次按下时增长的占空比比预期的 10% 要多。这是为什么呢？

这要来重新思考我们的按键逻辑，我们来重新整理一下：

  • 按键按下：寄存器 B 中的值加==一次== 10
  • 按键等待：按键等待用户松开按键，确认这是一次按键操作
  • 按键松开：一次按键操作后改变了占空比输出 PWM

其实，这里的关键在于，当按键按下时，我们需要等待，等待按键被松开，然后才判断为 1 次按下。如果不进行等待（不进行阻塞），那么当按下的时候，那么代码一直在循环执行按键按下的操作，即寄存器 B 加 10

于是我们得到了新的按键控制逻辑：

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;-----------------------------------主函数BEGIN---------------------------------
MAIN:
		JNB		P2.0,MAIN	;使用阻塞的方式检测按键松开
LOOP:
		SETB	P2.1		;1T
		LCALL	HOLDHIGH	;2T
		CLR		P2.1		;1T
		LCALL	HOLDLOW		;2T
		
		JB		P2.0,LOOP	;P2.1为1的时候循环，按键按下变为0时进入ADD指令
		MOV 	A,B
		ADD 	A,#10
		MOV 	B,A
		
		SJMP 	MAIN
;-----------------------------------主函数END-----------------------------------

此时我们已经能较为完美的进行 PWM 占空比控制了

其实我一开始就是写道这个程度，但是当我整理这份报告的时候，我突然发现其实还有一个重要的改进空间，那就是上述代码在按键按下时在一直等待，而因为我们的 PWM 的周期较小，我们在按下的时候会出现某一段波形为空的状态（波形持续输出一段高电平或者低电平），这是因为我们在按键等待的时候即这个循环内：

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MAIN:
		JNB		P2.0,MAIN	;使用阻塞的方式检测按键松开

什么都没做。这种波形的中断，在一些场合下可能是致命的，因此我们有必要做一些改进。

我这里采用了一个非常简单的方法进行改进，就是在这个循环体内也加入 PWM 生成代码：

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;-----------------------------------主函数BEGIN--------------------------------
MAIN:
		SETB	P2.1		;1T
		LCALL	HOLDHIGH	;2T
		CLR		P2.1		;1T
		LCALL	HOLDLOW		;2T
		JNB		P2.0,MAIN	;使用阻塞的方式检测按键松开
LOOP:
		SETB	P2.1		;1T
		LCALL	HOLDHIGH	;2T
		CLR		P2.1		;1T
		LCALL	HOLDLOW		;2T
		
		JB		P2.0,LOOP	;P2.1为1的时候循环，按键按下变为0时进入ADD指令
		MOV 	A,B
		ADD 	A,#10
		MOV 	B,A
		
		SJMP 	MAIN
;-----------------------------------主函数END-----------------------------------

这样就比较丝滑的做到了使用按键控制 PWM

仿真详解

比较简单，略。

单片机第二次作业

题目要求

流水灯实验

  1. 八个LED灯加两个按键
  2. 一个按键用于控制流水灯的样式
  3. 另一个按键用于控制流水灯的延时

题目实现

  1. 创建 Keil 工程和 Proteus 工程
  2. 选择 P2 口连接八个 LED 灯，选择 P1.0 和 P1.1作为按键输入端口
  3. 编写代码

代码详解

首先我们先写一个流水灯代码。由于这次要同时操作八个流水灯，因此我们可以直接操作 Port 而不是对其中的单个端口进行操作。一个位的信息可以控制一个 Pin，因此一个 Port 可以使用 8 位二进制数表示。这种情况下想让 LED 灯全亮的代码为：

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#define LED P2
LED = 0xff;

使用移位运算可以改变 Pin 的状态。例如，上两行代码执行过后 P2 口的状态为

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P20 --> 1
P21 --> 1
P22 --> 1
P23 --> 1
P24 --> 1
P25 --> 1
P26 --> 1
P27 --> 1

我们可以使用移位运算来改变 P2 的状态：

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LED = 0xff << 1;

执行这段代码后，状态变为：

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P20 --> 1
P21 --> 1
P22 --> 1
P23 --> 1
P24 --> 1
P25 --> 1
P26 --> 1
P27 --> 0

那么流水效果只需要配合循环即可实现：同时因为灯是先全亮然后再从上往下灭，因此我们封装成一个函数起名为 up_to_down()

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void up_to_down(unsigned char delay_time)
{
	unsigned char i, j;
	for (i = 0; i < 9; i++)
	{
		LED = 0xff << i;
		for (j = 0; j < delay_time; j++)
			Delay10ms();
	}
}

同理我们可以写出第二种流水方式——自下向上亮

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void down_to_up(unsigned char delay_time)
{
	unsigned char i, j;
	for (i = 0; i < 9; i++)
	{
		LED = 0xff << 8 - i;
		for (j = 0; j < delay_time; j++)
			Delay10ms();
	}
}

封装好之后我们可以在 main() 函数中调用了。方法是设置一个状态变量，然后不停的查询它，每种状态对应一种流水灯流水方式，流水方式的选择可以使用 switch 语句来实现：

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switch (state)
{
    case 0:
		init_led();
		break;
	case 1:
		down_to_up(delay_time);
		break;
	case 2:
		up_to_down(delay_time);
		break;
	default:
		break;
}

最后我们要做的就是将按键控制逻辑加进去，来控制状态变量 state 和延时长度变量 delay_time 发生变化。

一种简单的逻辑是，既然按键也需要单片机轮询扫描，那么我们可以也加入到 while(1) 中，于是我们得到这样的逻辑：

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void main()
{
	unsigned char state = 0;
	unsigned char delay_time = 10;

	init_led();
	init_button();

	while (1)
	{
		if (button1 == 0)
		{
			Delay10ms();
			if (button1 == 0)
			{
				while(button1 == 0);
				if (state < 2)
					state++;
				else
					state = 0;
			}
		}
		if (button2 == 0)
		{
			Delay10ms();
			if (button2 == 0)
			{
				while(button2 == 0);
				if (delay_time < 100)
					delay_time = delay_time + 10;
				else
					delay_time = 10;
			}
		}
		switch (state)
		{
			case 0:
				init_led();
				break;
			case 1:
				down_to_up(delay_time);
				break;
			case 2:
				up_to_down(delay_time);
				break;
			default:
				break;
		}
	}
}

然后我们可以开始仿真。得到的结果是可以改变流水效果和延时。但是同时也有问题，就是我们的按键在很多情况下是不管用的，只有少数情况下能够起作用。

这是因为我们在 while(1) 中除了扫描按键，还执行了流水灯的代码，而流水灯的代码存在很长的延时，当代码执行到这些延时的时候，即便是按下按键，没有正在执行按键检测逻辑，那么就不能正确的识别按键按下的操作。

解决这个方法最好的办法是，不管我们现在在做什么，只要按键被按下，就让单片机停下手头在做的事情，先帮我们改变 state 变量和 delay_time ，然后再让单片机回到它之前进行的位置比如执行延迟。这样一来就可以实现按键的检测而不影响点灯了。

这种实现思路在单片机上是可以做到的，但是需要使用到我们目前还没有学过的知识，因此我们换一种方式来解决。

这里我们首先将按键检测代码封装成一个函数：

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void check_button()
{
	Delay10ms();
	if (button1 == 0)
	{
		while (button1 == 0);
		if (state < 2)
			state++;
		else
			state = 0;
	}
	if (button2 == 0)
	{
		while (button2 == 0);
		if (delay_time < 100)
			delay_time = delay_time + 10;
		else
			delay_time = 10;
	}
}

使用方法：

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if (button1 == 0 || button2 == 0);
	check_button();

然后，前面问题的解决方案就是，在每一轮延迟循环中我们都进行按键检测。因为按键检测的代码复杂度不高（只有分支语句，时间复杂度只有 \(O(1)\) ），因此我们将按键检测代码放到流水灯中。又因为流水灯代码中时间复杂度最高的（为 \(O(n²)\) ）是延时函数，因此将按键检测代码放在延迟中去。

最终结果如下：

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#include <reg52.h>

#define LED P2
sbit button1 = P1 ^ 0;
sbit button2 = P1 ^ 1;
sbit error = P1 ^ 3;

unsigned char state = 0;
unsigned char delay_time = 10;

void init_led();
void init_button();
void check_button();
void Delay10ms(); //@11.0592MHz
void up_to_down();
void down_to_up();

void main()
{
	init_led();
	init_button();

	while (1)
	{
		switch (state)
		{
		case 0:
			init_led();
			break;
		case 1:
			down_to_up();
			break;
		case 2:
			up_to_down();
			break;
		default:
			error = 0;
			break;
		}
	}
}

void init_led()
{
	LED = 0x00;
	if (button1 == 0 || button2 == 0)
		check_button();
}
void init_button()
{
	button1 = 1;
	button2 = 1;
}
void Delay10ms() //@11.0592MHz
{
	unsigned char i, j;

	i = 18;
	j = 235;
	do
	{
		while (--j);
	} while (--i);
}
void check_button()
{
	Delay10ms();
	if (button1 == 0)
	{
		while (button1 == 0);
		if (state < 2)
			state++;
		else
			state = 0;
	}
	if (button2 == 0)
	{
		while (button2 == 0);
		if (delay_time < 100)
			delay_time = delay_time + 10;
		else
			delay_time = 10;
	}
}
void up_to_down()
{
	unsigned char i, j;
	for (i = 0; i < 9; i++)
	{
		LED = 0xff << i;
		for (j = 0; j < delay_time; j++)
		{
			if (button1 == 0 || button2 == 0)
				check_button();
			else
				Delay10ms();
		}
	}
}
void down_to_up()
{
	unsigned char i, j;
	for (i = 0; i < 9; i++)
	{
		LED = 0xff << 8 - i;
		for (j = 0; j < delay_time; j++)
		{
			if (button1 == 0 || button2 == 0)
				check_button();
			else
				Delay10ms();
		}
	}
}

仿真详解

单片机第三次作业（没布置）

题目要求

题目实现

代码详解

仿真详解