基于KeilC51和Proteus花样流水灯系统的设计
谭艳春 朱又敏 刘目磊
摘 要：单片机技术日益成熟，已广泛应用于工业自动化、交通控制、智能仪表等众多领域。为了进一步研究并拓展单片机的应用，本文利用80C51单片机、KeilC51和Proteus软件对花样流水灯系统进行了完整的软硬件开发与设计。Proteus在线仿真验证了系统设计的稳定性和正确性。该系统的框架结构具有良好的可移植性，可根据实际需求生成不同的智能派生产品，具有较强的实际指导意义和应用价值。
关键词：KeilC51；Proteus；单片机；LED流水灯；系统设计
中图分类号：TP399 文献标识码：A
文章编号：2096-1472（2018）-11-14-03
1 引言（Introduction）
单片机无论从组成还是逻辑功能上都具有微机系统的特性，是一门实践性很强的软硬件结合的技术，且体积小巧，因此可以嵌入到各种应用系统中作为指挥决策中心，实现系统的智能化[1-3]。目前比较流行的单片机仿真软件和集成开发软件分别为Proteus和Keil。
Proteus不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。Keil是德国Keil Software公司出品的单片机集成开发环境，该软件支持51单片机的所有兼容机，它包括了C编译器、宏汇编、连接器、库管理及一个功能强大的仿真调试器在内的所有开发模块[4-7]。
2 硬件电路设计（Design of hardware circuit）
该系统的硬件电路主要包括时钟电路（采用内部时钟方式，晶振频率为12MHz）、复位电路、输入和输出电路四部分。其中输入电路是四个按钮开关K1—K4，并通过四输入与门74AS21将按键信息从外部中断引脚0（P3.2）读入系统，以触发中断，让CPU及时响应按键操作。由于80C51单片机P0口的内部电路结构问题，P0口作为I/O时必须接上拉电阻。输出部分由八个共阳型发光二极管及限流电阻（200Ω）组成。利用Proteus仿真软件生成的硬件电路如图1所示。
按钮开关K1—K4对应的功能如下。
（1）K1：启动按钮，当K1按下时，流水灯自上而下，又自下而上轮流被点亮，即D1→D2→D3…D8→D7→D6→D5…D1，反复重复，直到有新的按鍵按下，闪烁间隔是50ms。简记为模式1方式。
（2）K2：当K2按下时，流水灯自上而下，又自下而上间隔被点亮，即D1→D3→D5→D7→D8→D6→D4→D2，反复重复，直到有新的按键按下，闪烁间隔是50ms。简记为模式2方式。
（3）K3：当K3按下时，D1、D3、D5和D7同时被点亮，然后D2、D6、D4、D8同时被点亮，反复重复，直到有新的按键按下，间隔是1s。简记为模式3方式。
（4）K4：关闭按钮，当K4按下时，流水灯D1—D8同时被点亮，闪烁三次（间隔为100ms）后，全部熄灭。简记为模式4方式。
3 KeilC51环境下的编程（Programming in the KeilC51）
3.1 软件编程要点分析
（1）通过P0口的低四位引脚将按键信息读取进来，由电路连接方式可知，无按键按下时，四个引脚全部为高电平，若有按键按下，对应的引脚将由高电平变为低电平。可利用指令P0&0x0f获取P0口低四位引脚电平的变化信息。
（2）定义位变量on_off、style1、style2，根据这三个位电平的变化来控制程序的转移。这里需用到关键字bit，而不是sbit，虽然二者都可以进行位定义，区别在于sbit只能用来对特殊功能寄存器的位进行定义，如以下写法bit on_off；sbit botton1=P3^2是正确的，而sbit on_off；bit botton1=P3^2是错误的。
（3）P2口接的是共阳极LED发光二级管，因此只有对应引脚输出低电平时等才会被点亮，可将D1、D2、D3…D8被点亮时P2口对应的输出放到一个数组中，即led[]={0xfe，0xfd，0xfb，0xf7，0xef，0xdf，0xbf，0x7f}。
（4）该系统可通过查询法和中断法两种思路来实现。与查询法相比，中断法具有以下优点：首先，只有在按键按下时，CPU才执行相关的中断程序，而其他时间是不占用CPU的时间；其次，中断法可以更及时快速地响应按键操作。因此，为了提高CPU的工作效率，本系统采用中断扫描方式进行设计实现。
（5）关于中断方式的几点说明：（1）要使用外部中断，必须将中断允许打开，即对中断允许寄存器IE进行正确设置。IE的字节地址为A8H，所以即可以字节操作，又可以位操作，如要开启外部中断0，即可写IE=0x81H，也可写EX0=1，EA=1，二者的作用是等同的。（2）外部中断包括电平触发（ITx=0）（外部中断源接P3.2脚时，x=0；外部中断源接P3.3脚时，x=1）和边沿触发（ITx=1）两种触发方式。其中边沿触发的外部中断请求，在CPU响应中断后，自动由硬件对中断请求标志位EIx清0，即系统自动撤销中断请求；而电平触发的外部中断请求，硬件不能自动对中断请求标志位EIx清0，必须在撤销P3.2或P3.3引脚上的低电平后，再利用软件对中断请求标志位清0，比较繁琐。因此本系统采用边沿触发方式。
3.2 程序流程图
该系统的程序流程图如图2所示。
3.3 系统源代码
该花样流水灯系统的完整源代码如下：
#include；头文件reg51.h或reg52.h中包含了对8051型单片机特殊功能寄存器（SFR）名的集中说明。
Unsigned char led[]={0xfe，0xfd，0xfb，0xf7，0xef，0xdf，0xbf，0x7f}；
void delay（unsigned char time）；//延时函数的声明
bit on_off=0， style1=0， style2=0；//定义位控制变量
button（） interrupt 0{ //中断0函数
switch（P0&0x0f） {
case 0x0e： on_off=1， style1=1；break； //模式1方式的启动条件
case 0x0d： on_off=1， style1=0； style2=1；break； //模式2方式的启动条件
case 0x0b： on_off=1， style1=0；style2=0；break； //模式3方式的启动条件
case 0x07： on_off=0；break； //模式4方式的启动条件
}}
void main（） {
char i；
IT0=1；EX0=1；EA=1； //边沿触发、外部中断0允许、总中断允许
while（1） {
if （on_off）
if （style1） //模式1运行方式
for （i=0；i<=7；i++） {
P2=led[i]；
delay（5）；
}
for （i=6；i<=0；i--） {
P2=led[i]；
delay（5）；
}
else if （style2） //模式2运行方式
for （i=0；i<=7&i;%2==0；i++） {
P2=led[i]；
delay（5）；
}
for （i=7；i<=0&i;%2！=0；i--） {
P2=led[i]；
delay（5）；
}
else //模式3运行方式
P2=0x55；
delay（100）；
P2=0xaa；
delay（100）；
else //模式4运行方式
for （i=3；i<0；i--） {
P2=0x00；
delay（10）；
P2=0xff；
}}}
void delay（unsigned char time） { //定义延时函数
unsigned int i；
for（；time>0；time--）
for（i=10000；i>0；i--）；
}
3.4 系统的拓展
该系统的框架结构具有良好的可移植性，可根据实际需求生成不同的智能派生产品，主要可从流水灯的控制开关、闪烁节奏、闪烁花样三个方面进行改变。
（1）流水灯控制开关的改变
首先控制开关的数量可以根据实际需要进行增减。80C51一共有四组I/O口P0、P1、P2、P3，它们的地址分别为80H、90H、A0H、B0H，都是8的整数倍，因此这32个引脚全部可以位操作。若是独立按键，最多可以接（32—N）个；若是接行列式键盘开关，最多可以扩充为（32—N）2个，其中N为流水灯的数量。
其次控制开关的作用完全可以通过修改源代码进行改变，无需进行硬件变动。
（2）流水灯闪烁节奏的改变
基本延时函数delay（unsigned char time）的定时时间为10000*机器周期，若采用12MHz晶振，机器周期则为1us，即delay（1）=10ms，delay（50）=500ms，delay（t）=10*tms。因此通过简单的调用delay（t）函数并根据需要修改t的取值即可改变流水灯闪烁的快慢。
（3）流水灯闪烁花样的改变
首先流水灯的数量可以根据实际需要进行增减，这点与控制开关相类似，不再累述。其次流水灯的闪烁花样亦可通过修改源代码实现。
4 程序加载及仿真演示（Program loading and simulation demonstration）
将调试过无语法错误的代码文件*.HEX加载到Proteus原理图的80C51单片机中，运行后，依次按下K1—K4，可以观察到与预期一致的流水灯效果。由于文本的限制，无法展示系统运行的动态过程，故略。
5 结论（Conclusion）
本文设计的花样流水灯系统可以根据输入信息的不同，按照预先设定的花样（如灯亮持续时间、流向等）进行显示。该流水灯系统可以应用到装饰、交通等生活中许多领域，并可以根据实际需求进行修改。借助这种通用框架结构，很容易生成不同的智能派生产品，以适应不同的应用场合。因此该系统具有较强的实际指导意义和应用价值。
参考文献（References）
[1] 曾宇，宋永端，王弼堃.基于Proteus和Keil軟件的温室环境监测系统开发[J].农业工程学报，2012，28（14）：177-183.
[2] 单纯，荆高鹏，胡昌振，等.基于漏洞知识库的8031单片机系统软件漏洞检测算法[J].北京理工大学学报，2017，37（4）：371-375.
[3] 吴可汗，何怡刚.基于单片机的低功耗电能收集充电器设计[J].电工技术学报，2013，28（S2）：185-188.
[4] 于博，杨晓庆.基于Keil C51与Proteus仿真联合的单片机应用研究[J].软件工程师，2015，18（9）：51-52.
[5] 林立等.单片机原理及应用——基于Proteus和Keil C[M].北京：电子工业出版社，2018.
[6] 徐磊，申红军，蔡亚永.单片机开发Keil C51与Proteus仿真联合应用研究[J].电子设计工程，2013（9）：178-181.
[7] 杜树春.基于Proteus和Keil C51的单片机设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.
作者简介：
谭艳春（1980-），女，硕士，讲师.研究领域：系统设计，信号处理.
朱又敏（1966-），男，硕士，工程师.研究领域：射频通信.本文通讯作者.
刘目磊（1980-），男，本科，工程师.研究领域：雷达系统设计及故障分析.
摘 要：单片机技术日益成熟，已广泛应用于工业自动化、交通控制、智能仪表等众多领域。为了进一步研究并拓展单片机的应用，本文利用80C51单片机、KeilC51和Proteus软件对花样流水灯系统进行了完整的软硬件开发与设计。Proteus在线仿真验证了系统设计的稳定性和正确性。该系统的框架结构具有良好的可移植性，可根据实际需求生成不同的智能派生产品，具有较强的实际指导意义和应用价值。
关键词：KeilC51；Proteus；单片机；LED流水灯；系统设计
中图分类号：TP399 文献标识码：A
文章编号：2096-1472（2018）-11-14-03
1 引言（Introduction）
单片机无论从组成还是逻辑功能上都具有微机系统的特性，是一门实践性很强的软硬件结合的技术，且体积小巧，因此可以嵌入到各种应用系统中作为指挥决策中心，实现系统的智能化[1-3]。目前比较流行的单片机仿真软件和集成开发软件分别为Proteus和Keil。
Proteus不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。Keil是德国Keil Software公司出品的单片机集成开发环境，该软件支持51单片机的所有兼容机，它包括了C编译器、宏汇编、连接器、库管理及一个功能强大的仿真调试器在内的所有开发模块[4-7]。
2 硬件电路设计（Design of hardware circuit）
该系统的硬件电路主要包括时钟电路（采用内部时钟方式，晶振频率为12MHz）、复位电路、输入和输出电路四部分。其中输入电路是四个按钮开关K1—K4，并通过四输入与门74AS21将按键信息从外部中断引脚0（P3.2）读入系统，以触发中断，让CPU及时响应按键操作。由于80C51单片机P0口的内部电路结构问题，P0口作为I/O时必须接上拉电阻。输出部分由八个共阳型发光二极管及限流电阻（200Ω）组成。利用Proteus仿真软件生成的硬件电路如图1所示。
按钮开关K1—K4对应的功能如下。
（1）K1：启动按钮，当K1按下时，流水灯自上而下，又自下而上轮流被点亮，即D1→D2→D3…D8→D7→D6→D5…D1，反复重复，直到有新的按鍵按下，闪烁间隔是50ms。简记为模式1方式。
（2）K2：当K2按下时，流水灯自上而下，又自下而上间隔被点亮，即D1→D3→D5→D7→D8→D6→D4→D2，反复重复，直到有新的按键按下，闪烁间隔是50ms。简记为模式2方式。
（3）K3：当K3按下时，D1、D3、D5和D7同时被点亮，然后D2、D6、D4、D8同时被点亮，反复重复，直到有新的按键按下，间隔是1s。简记为模式3方式。
（4）K4：关闭按钮，当K4按下时，流水灯D1—D8同时被点亮，闪烁三次（间隔为100ms）后，全部熄灭。简记为模式4方式。
3 KeilC51环境下的编程（Programming in the KeilC51）
3.1 软件编程要点分析
（1）通过P0口的低四位引脚将按键信息读取进来，由电路连接方式可知，无按键按下时，四个引脚全部为高电平，若有按键按下，对应的引脚将由高电平变为低电平。可利用指令P0&0x0f获取P0口低四位引脚电平的变化信息。
（2）定义位变量on_off、style1、style2，根据这三个位电平的变化来控制程序的转移。这里需用到关键字bit，而不是sbit，虽然二者都可以进行位定义，区别在于sbit只能用来对特殊功能寄存器的位进行定义，如以下写法bit on_off；sbit botton1=P3^2是正确的，而sbit on_off；bit botton1=P3^2是错误的。
（3）P2口接的是共阳极LED发光二级管，因此只有对应引脚输出低电平时等才会被点亮，可将D1、D2、D3…D8被点亮时P2口对应的输出放到一个数组中，即led[]={0xfe，0xfd，0xfb，0xf7，0xef，0xdf，0xbf，0x7f}。
（4）该系统可通过查询法和中断法两种思路来实现。与查询法相比，中断法具有以下优点：首先，只有在按键按下时，CPU才执行相关的中断程序，而其他时间是不占用CPU的时间；其次，中断法可以更及时快速地响应按键操作。因此，为了提高CPU的工作效率，本系统采用中断扫描方式进行设计实现。
（5）关于中断方式的几点说明：（1）要使用外部中断，必须将中断允许打开，即对中断允许寄存器IE进行正确设置。IE的字节地址为A8H，所以即可以字节操作，又可以位操作，如要开启外部中断0，即可写IE=0x81H，也可写EX0=1，EA=1，二者的作用是等同的。（2）外部中断包括电平触发（ITx=0）（外部中断源接P3.2脚时，x=0；外部中断源接P3.3脚时，x=1）和边沿触发（ITx=1）两种触发方式。其中边沿触发的外部中断请求，在CPU响应中断后，自动由硬件对中断请求标志位EIx清0，即系统自动撤销中断请求；而电平触发的外部中断请求，硬件不能自动对中断请求标志位EIx清0，必须在撤销P3.2或P3.3引脚上的低电平后，再利用软件对中断请求标志位清0，比较繁琐。因此本系统采用边沿触发方式。
3.2 程序流程图
该系统的程序流程图如图2所示。
3.3 系统源代码
该花样流水灯系统的完整源代码如下：
#include
Unsigned char led[]={0xfe，0xfd，0xfb，0xf7，0xef，0xdf，0xbf，0x7f}；
void delay（unsigned char time）；//延时函数的声明
bit on_off=0， style1=0， style2=0；//定义位控制变量
button（） interrupt 0{ //中断0函数
switch（P0&0x0f） {
case 0x0e： on_off=1， style1=1；break； //模式1方式的启动条件
case 0x0d： on_off=1， style1=0； style2=1；break； //模式2方式的启动条件
case 0x0b： on_off=1， style1=0；style2=0；break； //模式3方式的启动条件
case 0x07： on_off=0；break； //模式4方式的启动条件
}}
void main（） {
char i；
IT0=1；EX0=1；EA=1； //边沿触发、外部中断0允许、总中断允许
while（1） {
if （on_off）
if （style1） //模式1运行方式
for （i=0；i<=7；i++） {
P2=led[i]；
delay（5）；
}
for （i=6；i<=0；i--） {
P2=led[i]；
delay（5）；
}
else if （style2） //模式2运行方式
for （i=0；i<=7&i;%2==0；i++） {
P2=led[i]；
delay（5）；
}
for （i=7；i<=0&i;%2！=0；i--） {
P2=led[i]；
delay（5）；
}
else //模式3运行方式
P2=0x55；
delay（100）；
P2=0xaa；
delay（100）；
else //模式4运行方式
for （i=3；i<0；i--） {
P2=0x00；
delay（10）；
P2=0xff；
}}}
void delay（unsigned char time） { //定义延时函数
unsigned int i；
for（；time>0；time--）
for（i=10000；i>0；i--）；
}
3.4 系统的拓展
该系统的框架结构具有良好的可移植性，可根据实际需求生成不同的智能派生产品，主要可从流水灯的控制开关、闪烁节奏、闪烁花样三个方面进行改变。
（1）流水灯控制开关的改变
首先控制开关的数量可以根据实际需要进行增减。80C51一共有四组I/O口P0、P1、P2、P3，它们的地址分别为80H、90H、A0H、B0H，都是8的整数倍，因此这32个引脚全部可以位操作。若是独立按键，最多可以接（32—N）个；若是接行列式键盘开关，最多可以扩充为（32—N）2个，其中N为流水灯的数量。
其次控制开关的作用完全可以通过修改源代码进行改变，无需进行硬件变动。
（2）流水灯闪烁节奏的改变
基本延时函数delay（unsigned char time）的定时时间为10000*机器周期，若采用12MHz晶振，机器周期则为1us，即delay（1）=10ms，delay（50）=500ms，delay（t）=10*tms。因此通过简单的调用delay（t）函数并根据需要修改t的取值即可改变流水灯闪烁的快慢。
（3）流水灯闪烁花样的改变
首先流水灯的数量可以根据实际需要进行增减，这点与控制开关相类似，不再累述。其次流水灯的闪烁花样亦可通过修改源代码实现。
4 程序加载及仿真演示（Program loading and simulation demonstration）
将调试过无语法错误的代码文件*.HEX加载到Proteus原理图的80C51单片机中，运行后，依次按下K1—K4，可以观察到与预期一致的流水灯效果。由于文本的限制，无法展示系统运行的动态过程，故略。
5 结论（Conclusion）
本文设计的花样流水灯系统可以根据输入信息的不同，按照预先设定的花样（如灯亮持续时间、流向等）进行显示。该流水灯系统可以应用到装饰、交通等生活中许多领域，并可以根据实际需求进行修改。借助这种通用框架结构，很容易生成不同的智能派生产品，以适应不同的应用场合。因此该系统具有较强的实际指导意义和应用价值。
参考文献（References）
[1] 曾宇，宋永端，王弼堃.基于Proteus和Keil軟件的温室环境监测系统开发[J].农业工程学报，2012，28（14）：177-183.
[2] 单纯，荆高鹏，胡昌振，等.基于漏洞知识库的8031单片机系统软件漏洞检测算法[J].北京理工大学学报，2017，37（4）：371-375.
[3] 吴可汗，何怡刚.基于单片机的低功耗电能收集充电器设计[J].电工技术学报，2013，28（S2）：185-188.
[4] 于博，杨晓庆.基于Keil C51与Proteus仿真联合的单片机应用研究[J].软件工程师，2015，18（9）：51-52.
[5] 林立等.单片机原理及应用——基于Proteus和Keil C[M].北京：电子工业出版社，2018.
[6] 徐磊，申红军，蔡亚永.单片机开发Keil C51与Proteus仿真联合应用研究[J].电子设计工程，2013（9）：178-181.
[7] 杜树春.基于Proteus和Keil C51的单片机设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.
作者简介：
谭艳春（1980-），女，硕士，讲师.研究领域：系统设计，信号处理.
朱又敏（1966-），男，硕士，工程师.研究领域：射频通信.本文通讯作者.
刘目磊（1980-），男，本科，工程师.研究领域：雷达系统设计及故障分析.
