2024年5月3日发(作者：)

科技信息　计算机与网络　

基于计算和仿寅硇单片栅学习　台昀设计与应用　

顺德职业技术学院电子与信息工程系　李景照　

［摘要］在单片机教学中，为了让学生了解单片机电路的控制流程，验证自编程序的正确性，需要通过实验进行教学，但考虑到实　

验条件和经费的问题，本文利用Ｐｒｏｔｕｅｓ仿真软件开发了单片机学习平台。通过Ｋｅｉｌ软件编写Ｃ语言程序，实现仿真电路的相应功　

能，最后采用修正定时初值的方法实现了精确的时钟显示。　

［关键谰】单片机　学习平台　定时中断Ｐｒｏｔｅｕｓ　Ｃ语言　

１．引言　

单片机以其高可靠性、高性价比等优势，在智能家电、办公自动化　

等诸多领域得到了广泛应用。然而单片机编程的复杂难懂，极大地打击　

解决了端口不足的问题。本电路使用了２片７４ＬＳ１６４，分别作为数码管　

（指示灯）和ＬＣＤ显示的数据输入口。　

表１　７４Ｌ５１６４功能表　

了初学者的学习兴趣，降低其学习效率。对此，利用实际开发板进行一　

体化教学可以有效地结合教学内容，提高学生动手能力，目前已有大量　

相关文章Ｉ一。为了减轻实验室经费要求，可用计算机仿真平台代替实际　

开发板，然而相关文章较少。　

本文采用Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真软件开发了５１单片机的学习平台，成功实　

现一体化教学，让学生更好地了解单片机电路的控制流程。同时采用简　

单的Ｃ语言编程，大大地提高了学生的学习和开发效率。最后重点介绍　

了精确时钟显示的程序设计及调试过程，以此为例说明学习平台的开　

发应用。　

２．硬件电路设计　

本电路作为５１单片机的学习平台，包括４个基本功能模块：键盘　

输入模块、ＬＥＤ指示灯模块、液晶显示模块、数码管显示模块，如图ｌ所　

示。在此基础上利用Ｉ￣Ｄ显示精确的时间，并采用键盘进行时间的调　

整。　

图１系统原理框图　

图２系统仿真电路图　

并　

口　

输　

出　

图３　７４ＬＳ１６４逻辑电路图　

图２为学习平台的仿真电路。４个功能模块需要占用多个单片机　

１０口，因此有必要对其进行扩展。图中使用７４ＬＳ１６４芯片来扩展１０口，　

它是一个串行输入、并行输出的８位移位寄存器，逻辑图和功能表分别　

如图３、表ｌ　。可见，时钟脉冲上升沿时，并口数据往高位移１位，同时　

ＡＢ输入端数据移入Ｑ０，如此经过８个时钟脉冲过后，８位的二进制数　

全部变为并口数据。这样单片机的２个１０口就被扩展为８个，有效地　

一

２３０一　

输入　输出　

ＣＰ　ＡＢ　Ｑｏ　Ｑ－　Ｑ：　Ｑ３　Ｑ　Ｑ５　Ｑ６　Ｑ　

Ｔ　Ｄ，　Ｄ　

ｆ　１）６　Ｄ，　

下　Ｄ５　Ｄ５　Ｄ６　Ｄ，　

ｔ　Ｄ１　

乍　Ｄ３　Ｄ３　Ｄ　Ｄ５　Ｄ６　Ｄ　

ｆ　Ｄ２　Ｄ２　Ｄ３　Ｄｄ　Ｄ６　Ｄ　

ｔ　Ｄｌ　Ｄｌ　Ｄ２　Ｄ３　Ｄ５　Ｄ６　Ｄ　

ｆ　Ｄ０　Ｄ０　Ｄｌ　Ｄ２　Ｄ３　Ｄ５　Ｄ，　

２．１指示灯和数码管模块电路　

仿真电路中８个ＬＥＤ指示灯和８个数码管共用８位数据口，由１　

片７４ＬＳ１６４产生。指示灯模块的使能控制由１个ＰＮＰ三极管实现，如　

图４所示，Ｐ０７口为低电平时指示灯才工作。　

图４指示灯模块电路　

８个数码管的使能控制和片选由３—８线译码器７４ＨＣ１３８实现，其　

逻辑电路图和功能表分别如图５、表２闱。当其控制端ｓ。为高电平时，输　

人端（Ａ　Ａ，Ａ０）的二进制编码就会在相应的输出端以低电平译出。输出　

端接非门后进入数码管的８个片选端，因此片选信号只有ｌ位为高电　

平，也就是每次只能打开１个数码管。而当控制端Ｓ。为低电平时，片选　

信号全为低电平，所有数码管被关闭。因此，译码器的ｓ。端就是数码管　

的使能控制口，而输入端（Ａ　Ａ。Ａ０）成为了数码管的片选口。　

输　

Ａ　

入　

Ｙ２　

输　

１３８　

出　

控　

ＹＪ　

Ｓ　

制　

端　

Ｓ　

图５　７４ＨＣ１３８逻辑电路图　

２．２液晶显示模块电路　

ＬＣＤ１６０２液晶模块可显示数字、英文字母等常用字符　。模块的３　

科技信息　计算机与网络　

出了４次调用中断函数的断点时间，可看出，每中断一次就比预设定时　

值长１４　Ｓ，结果１ｓ的定时实际上就长了２８０　Ｓ。那么要想得到精确　

的定时，只要把定时初值减去１４个机器周期即可，修正后的断点调试　

个功能端直接与单片机相接，而８位数据口与移位寄存器７４ＬＳ１６４的　

并口相接。通过７４ＬＳ１６４，单片机数据只能单方向地传送到ＬＣＤ，故单　

片机只能进行ＬＣＤ的写操作，而不能进行读操作。　

表２　７４ＨＣ１３８功能表　

输入　输出　

Ｓ１　Ａ２　Ａ１　Ａ０　Ｙ　Ｙ６　Ｙ５　Ｙｄ　Ｙ３　Ｙ２　Ｙｌ　Ｙ０　

０　０　Ｏ　Ｏ　０　０　０　０　０　

１　０　０　０　０　Ｏ　０　０　０　０　０　１　

１　Ｏ　Ｏ　１　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　０　０　１　Ｏ　

１　Ｏ　１　０　０　Ｏ　０　Ｏ　０　１　０　Ｏ　

１　Ｏ　１　ｌ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　１　０　０　Ｏ　

１　ｌ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　１　０　０　０　Ｏ　

１　ｌ　Ｏ　１　Ｏ　０　ｌ　Ｏ　０　Ｏ　０　０　

１　ｌ　１　Ｏ　Ｏ　１　Ｏ　０　０　Ｏ　Ｏ　０　

１　１　ｌ　ｌ　ｌ　０　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　０　

２．３键盘输入模块电路　

为了便于学习，仿真板上包含两种键盘电路：独立式和矩阵式。其　

中矩阵式键盘为３　Ｘ　３接法，利用６个ＩＯ口控制９个按键。与独立式键　

盘相比，矩阵式键盘少用了一半的ＩＯ口，节约硬件资源。设计中两个键　

盘电路利用了相同的Ｐ２口，所以编程时不能同时使用。　

３．系统程序设计　

为了介绍学习平台的实用性，本文以精确时钟显示为例，详细介绍　

仿真平台在程序设计与调试中的应用。　

时钟的精确显示，首先要有准确的１ｓ定时，这就需要用到定时中　

断。５１单片机内部有２个定时器ｒｒ０和Ｔ１，最大定时为１６位计数方式，　

即６５５３６个周期　。对于１２ＭＨｚ的晶振，每个机器周期为１ＩｘＳ，可实现　

的最大定时只有６５．５３６ｍｓ，要得到１ｓ的定时就需要通过多次定时中断　

来实现。为了减少中断对主函数的影响，保证数据的准确，中断的次数　

越少越好，即尽量增加定时时间，但又为了简化计数初值的计算，比较　

合适的定时为５０ｍｓ。要定时１ｓ需要经过２０次的５０ｍｓ的定时，采用软　

件计数的方法便可实现２０次的计数。图６为定时器的定时流程。　

ｌ单片机初始化ｌ　

ＬｃＤ模块初始化Ｉ　

ｌ　

定时器ＴＯ初始化Ｉ　

（ＴＨＯ、ＴＬＯ￣Ａ．初值）Ｉ　

ｌ　

ＩＹｆｓｏｍｓ￣　Ｉ

ｌ键盘处理函数ｌ　

图６精确时钟的程序流程图　

ｔ　

：　

；‘　时问『ｓ　Ｉ　霉　Ｔｌｆｏ＝（６５　３６－　６００）／２５６　＾计数　栅埴　

图７　ｋｅｉｌ编程调试窗口　

实际上，定时的时间间隔除了定时器的计数时间，还包括调用中断　

函数时的一些指令执行时间，如函数调用、重置定时器初值、中断返回　

等，所以实际的定时值会比预定值长Ｉ　Ｉ。为研究程序运行的时序，本文利　

用ｋｅｉｌ编程软件进行调试，如图７所示。在定时中断函数中设置了两个　

断点：５０ｍＳ和１ｓ。调试时，从图左侧的窗口中，便可记录下程序每次运　

行到断点的时间，而断点的时间差就是定时器的中断时间间隔。表３列　

时间如表４所示。　

表３程序运行至断点的时间（单位Ｓ）　

５０ｍＳ断点　１ｓ断点（２０次中断）　

第１次　Ｏ．０５１８４３　１．０Ｈ０２１１９　

第２次　Ｏ．１０１８５７　２．０Ｈ０２３９９　

第３次　Ｏ．１５ｌ８７ｌ　３．（＝）０２６７９　

第４次　０．２０１８８５　４．０Ｈ０２９５９　

时间间隔　０．０５ｏ０１４　１．０００２８　

与预定值的偏差（　ｓ）　１４　２８０　

表４修正后程序运行至断点的时间（单位Ｓ）　

ｌ　５０ｍＳ断点　１ｓ断点（２Ｏ次中断）　

第１次　Ｏ．０５１８２９　１　ｏ０１８３９　

第２次　Ｏ．１０ｌ８２９　２．（）ｏ１８３９　

第３次　０．１５　ｌ８２９　３．００１８３９　

第４次　０．２Ｏ１８２９　４．ＯＨ０１８３９　

时间间隔　０．０５　１　

利用ｐｒｏｔｅｕｓ仿真中的示波器观察１ｓ定时的脉冲波形，如图８所　

示，其周期为准确的１ｓ，可作为时钟的秒脉冲。图９为液晶１６０２模块显　

示时钟的效果。　

Ｈ：ｎ：５　

１０：２０：５２　

§望　嚣毒　８占ｇ８苫８卷鑫　

图８　１Ｓ定时脉冲　

图９时钟显示效果　

４．结论　

为了增强学生动手能力，提升学习兴趣，改善教学效果，节约教学　

硬件成本，本文使用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件仿真了５１单片机学习平台，现实一体　

化教学。利用仿真电路，通过ｃ语言编程，在ｋｅｉｌ环境里修正定时初值，　

最终成功实现了精确的时钟显示。该程序的设计与实现充分地证明了　

仿真平台的实用性，同时也展示了单片机程序的开发过程，积极推动今　

后的单片机教学。　

参考文献　

［１］孙振华，许刚．基于串行接口７２８９的单片机学习板设计［Ｔ］西安　

航空技术高等专科学校学报，２０１０，２８（０３）：２７—２９．　

［２］庄建清，徐玮．单片机控制肋超声波字习板…．电子制作，２００９，　

ｆ０１１：１６－１８　

［３］张铮，苏旭武，张道德．多功能单片机实验板的开发与应用［Ｉ］．湖　

北工业大学学报，２００５，２０（０１）：２１—２３．　

　１４　ｌＦａｉｒｃｈｉｌｄ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　７４ＬＳ１６４　８－ｂｉｔ　ｓｅｒｉａｌ　ｉｎ／ｐａｒＭ—　

ｌｅｌ　ｏｕｔ　ｓｈｉ８　ｒｅ‘百ｓｔｅｒ　ｌＥＢ／ＯＬｊ．（２０００—０４一Ｏ１）ｌ２０１１—０３—３１　Ｊ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．　

ｆａｉｒｃｈｉｌｄｓｅｍｉ．ｃｏｍ／．　

［５］Ｐｈｉｌｉｐｓ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｉｎｃ．７４ＨＣ１３８　３－ｔｏ一８　ｌｉｎｅ　

ｄｅｃｏｄｅｒ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ，ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ　ｌＥＢ／ＯＬｊ．（１９９３－０９－０１）ｌ２０１１－０３－３１　Ｊ．　

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｈｉｌｉｐｓ．ｃｏｍ　ｃｎ／．　

［６］长沙太阳人电子有限公司．ＳＭＣ１６０２Ａ使用说明书［ＥＢ／ＯＬ］．　

（２０１１—０３一Ｏ１）［２０１１—０３—３１］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｕｎｍａｎ．ｃｎ／．　

［７］胡杰，吴磊，赵鸣．５１单片机ｃ语言应用与开发［Ｍ］．北京：北京　

航空航天大学出版社，２０１０：５０—５３．　

［８］方飞，谢丽春刑用ＫｅｉｌＣ５１实现ＴＯ的精确定时［ＥＢ／ｏＬ］．（２０１卜　

０３—０１）［２０１１—０３—３１］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ　ｓｙｍｃｕｋ￣ｃｏｍ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍ．　

２３１—