实验目标

设计51单片机最小系统电路，使用AT89C52单片机控制发光二极管的点亮。为此我们需要使用proteus完成晶振电路、复位电路以及发光二极管控制电路在内的电路设计，然后加载使用Keil编写的控制二极管点亮的嵌入程序，以验证程序的运行结果。

晶振电路是单片机运行的基础，它提供了单片机工作所需的时钟信号。复位电路则负责在必要时重置单片机的状态，确保其从已知的初始状态开始运行。发光二极管控制电路则是我们实现单片机功能的具体体现，通过控制单片机的I/O口来点亮或熄灭发光二极管。

完成电路设计后，将使用Proteus软件进行电路仿真。在仿真环境中，我们将加载用Keil编写的嵌入式程序，并观察发光二极管的亮灭情况，以验证程序的运行结果是否符合预期。

通过这一实验，我们不仅能够加深对51单片机最小系统电路的理解，还能够提升我们在嵌入式系统开发方面的实践能力。

安装proteus仿真工具

proteus是英国Labcenter Electronics公司推出的一款EDA仿真工具，在自动化控制系统电路设计与仿真领域应用广泛。在本次实验中，我们将通过Proteus完成两项关键任务：一是构建单片机应用电路，安排单片机与外围芯片、电子器件的布局，并规划它们之间的连线；二是进行电路仿真，通过运行由Keil开发工具编写的嵌入式程序，来检验电路设计的正确性以及程序运行的实际效果。这一过程可以降低我们在嵌入式开发学习过程中对硬件操作的依赖。

Proteus对多种单片机提供仿真支持，其中就包括ARM和51系列。尽管它主要对ATMEL公司研制的51系列单片机提供支持，但这并不妨碍我们使用其他51系列单片机编写的嵌入式程序，因为51系列单片机都遵循统一的指令架构。Proteus仿真的单片机能够运行由Keil、MATLAB、IAR等软件开发的嵌入式程序，并具备源代码级别的调试功能，这为我们的嵌入式开发工作提供了极大的帮助。

proteus正版软件费用相对较高，初学者可以使用Proteus提供的演示版，这一版本是完全免费的，并且没有时间限制。不过演示版的功能是有所限制的，它只能在现有的示例上运行用户自己编写的程序，而不能进行仿真调试，也不能保存设计文件，但不妨碍我们学习嵌入式开发。

电路设计

晶振电路

晶振电路构成时钟脉冲振荡电路，为单片机提供时钟脉冲，下图为AT89C52单片机的外部晶振电路。

上图是应用proteus设计的晶振电路，该电路由单片机AT89C52（U1）、晶振（X1）、电容器件构成。

晶振电路的电容称为匹配电容或负载电容，它们并联到晶振两端，为晶体振荡提供电流回路，若没有这两个电容，晶振的振荡会因为没有电流回路而停振，这两个电容的容量都很小，选择几十皮法即可，两个电容的另一端都需要接地。

AT89C52单片机的XTAL1和XTAL2是外接时钟引脚，XTAL1为片内振荡电路的输入端，XTAL2为片内振荡电路的输出端，这两个引脚外接晶振和电容，晶振一般取值为12MHZ，电容一般取值为10P~30P。

晶振为单片机提供稳定的时钟脉冲，确保单片机内部的所有操作都在精确的时序控制下有条不紊地执行。无论是数据处理、指令执行还是I/O操作，都离不开晶振提供的时钟信号的驱动。

上图为晶振提供的时钟脉冲时序图，它有8个时序脉冲，开始是低电平，过一段时间后出现一个上升沿，并跃变到高电平，高电平持续一段时间后，出现下降沿，并跃变到低电平。

时钟周期是晶振工作频率的倒数，这一关系反映了晶振频率与单片机操作速度之间的直接联系。例如，使用12M的晶振意味着其时钟周期为1/12μs，而1MHZ的时钟频率对应着1μs的时钟周期；若频率提升至4MHZ，则时钟周期缩短至250ns。这些数值直接影响了单片机的运行速度和处理能力。

复位电路

51单片机的复位电路是为了让单片机在特定的情况下回到初始状态。就好像你玩游戏时，有时候游戏会卡顿或者出错，这时候你可能就需要重新开始游戏，回到游戏的起始点，重新开始。51单片机的复位电路就是这个作用。

复位电路通常包含一个电容和一个电阻，它们一起工作来产生一个电压脉冲。当单片机需要复位时，这个电压脉冲会被送到单片机的复位引脚，告诉单片机：“嘿，你需要回到初始状态，重新开始！”

什么情况下需要复位呢？比如单片机刚上电时，或者程序运行出错时，都可能需要用到复位电路。复位电路确保单片机在这些关键时刻能够重新开始，从而避免了一些可能出现的问题。

AT89C52单片机的RST引脚为复位引脚，该引脚连续输入两个机器周期以上高电平时有效，机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间，一个机器周期大约为12个时钟周期。下图为AT89C52的复位电路。

复位电路由一个极性电容和一个电阻串联构成，电容的正极接5V电源，负极接1K的电阻，电阻的一端接地，RST引脚接电容的负极。该电路为上电复位，当单片机在通电瞬间，确保复位端为高电位并持续大约2个机器周期。当单片机加电时，复位电路通过电容给RST端加一个高电平，此高电平信号随着对电容的充电而逐渐降低，因此要保持电容充电时间足够长来完成复位操作。

发光二极管控制电路

发光二极管控制电路用于控制二极管的发光状态，下图为发光二级管控制电路。

电路图的D1为发光二极管，一端接单片机P1第0位，一端接200欧姆的电阻，电阻的一端接5V电源，该电阻对电路进行限流，因为发光二级管允许流过的电流较小，所以需要串联一个几百欧姆的电阻。

在当前电路下，单片机加电后，发光二级管并不会点亮，因为单片机I/O口（包括P1口）所有位引脚都输出高电平，该电路无电流流通。前面我们使用keil编写了一个嵌入程序，该嵌入程序将P1口第0位改变为低电平，在这种情况下，该电路将有电流通过，发光二级管被点亮。

应用proteus绘制电路模型

启动proteus

启动proteus，启动后的proteus工作窗口如下图所示，不同版本的proteus其工作窗口界面可能有所不同。

请执行以下步骤：首先，展开【File】菜单，然后选择【New Design…】命令。另外，您也可以直接按下Ctrl+O快捷键来快速打开“Create New Design”对话框。在对话框中，请选择“DEFAULT”模板，并点击【OK】按钮。

展开【File】菜单，选择【Save Design】命令，或按下Ctrl+S快捷键，在弹出的“Save ISIS Design File”对话框，输入文件名称，单击“保存”按钮保存电路模型。

proteus仿真元器件

proteus提供了仿真电子元器件库，后面统称为元件库，单击下图所示的“P”按钮可以打开元件库窗口。

元件库窗口如下图。

在“keywords”输入域，可以输入元器件的英文名称关键词或具体的型号，例如要查找的单片机型号“AT89”。proteus将搜索并列出与输入关键词或型号相匹配的元器件项在“Results”列表窗口中。之后，可以在此列表中选择需要添加到电路模型的元器件，然后点击“OK”按钮。所选元器件将会被添加至当前电路模型的元器件库中，以供后续使用。

一旦选择了如“AT89C52”这样的单片机型号，Proteus还将在“Preview”窗口中展示该单片机的电路模型符号，以便预览和确认所选元器件。确认无误后，单击“OK”按钮即可将选定的单片机正式添加到电路模型元器件库中。

在电路模型元器件库选择“AT89C52”，在电路模型设计窗口合适位置单击鼠标左键，放置到单片机，并可以拖动单片机到电路模型的合适位置，位置确定后双击鼠标左键，将单片机添加到电路模型。

绘制晶振电路

打开元件库，分别使用关键词“crystal”和“cap”搜索晶振和电容元器件，添加晶振、电容到电路模型元器件库。

晶振电路还需要5V的电源，用鼠标单击proteus窗口左侧工具条的“Terminals Mode”模式，该模式包含了电源（POWER）、接地（GROUND）等电路器件。如下图所示。

用鼠标单击proteus窗口左侧工具条的“Component Mode”，可以从“Terminals Mode”模式切换到电路模型元器件库。

从电路模型元器件库添加两个电容、一个晶振、一个接地点到电路模型，如下图所示。

为方便元器件连接，可以对元器件进行旋转。例如旋转名称为X1的晶振器件：用鼠标选中X1元器件，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Rotate Anti-clockwise”命令，X1元器件会在当前状态下逆时针旋转90度。

添加的电子元器件默认显示元器件多个参数，如元器件名称、元器件值的大小、元器件文字说明等。设计者可以自定义是否显示和修改这些参数。例如修改名称为C1的电容元器件，用鼠标选中C1元器件，双击该C1元器件，proteus会弹出C1元器件参数修改对话框，如下图所示。

在输入域“Component Reference”可以修改元器件的名称，在输入域“Capacitance”可以修改C1电容的容量，在这里修改为22pf，若不需要在电路模型显示C1电容的名称和容量，可以选上Hidden检查框。

按照上述步骤，分别修改电容器件C1和C2的容量为22pf，修改X1晶振的振荡频率为12MHZ。修改后电路模型如下图所示。

我们发现电路模型内电子元器件的文本说明没有隐藏，若需要隐藏文本说明，展开【Template】菜单，选择“Set Design Defaults……”命令，在弹出的对话框（如下图所示）去掉“Show Hidden text”检查。

元器件参数配置完成后的电路模型如下图所示。

下一步的工作是将单片机、电容、晶振、电源通过导线连接在一起，连接方式可以参照前面的晶振电路图。连接方法是将鼠标移动到元器件的一端或电路的节点，当鼠标变为绿色的铅笔时，按下鼠标左键，同时拖动鼠标绘制出导线，拖动导线到合适位置后，双击鼠标左键导线绘制完成。

绘制晶振电路时，可以分别从单片机的XTAL1脚和XTAL2脚引出导线连接C1和C2的一端，同时连接到晶振的两端，然后将C1和C2另一端分别连接到接地点。

绘制复位电路

复位电路需要一个22uF的极性电容，一个1K的电阻，一个+5V的直流电源。打开元件库，使用关键词“res”搜索电阻元器件，添加电阻到电路模型元器件库，使用关键词“cap-pol”搜索极性电容元器件，添加极性电容到电路模型元器件库。

从电路模型元器件库添加一个极性电容、一个电阻、一个电源到电路模型，如下图所示。

修改C3电容容量参数为22uf，修改R1电阻值为1K，电源默认为+5V电源，无需修改。

参照前面的复位电路图，将单片机、C3、R1、电源通过导线连接在一起，连接之前添加接地点到电路模型。

绘制发光二极管控制电路

发光二级管控制电路需要一个200欧姆的电阻，一个发光二极管，一个+5V的直流电源。打开元件库，使用关键词“LED-RED”搜索发光二极管元器件，添加发光二极管到电路模型元器件库。

从电路模型元器件库添加一个发光二极管、一个电阻、一个电源到电路模型，修改元器件参数，调整元器件到合适位置，如下图所示。

参照前面的发光二极管电路图，将单片机、D1、R2、电源通过导线连接在一起。

装载和运行Keil编写的嵌入式程序

实际上51单片机要正常工作，还需要在Vcc引脚接入电源，在Vss引脚或GND引脚接公共接地端。proteus默认单片机已经接电源和接地，无需再进行导线连接。

在前面的《配置Keil开发环境与第一个单片机实验》课程中，我们编写了控制单片机P1口第0位输出低电平的程序，程序代码如下：

#include<reg51.h>
sbit led1 = P1^0;
void main()
{
led1 = 0;
}

51单片机只能运行HEX或BIN文件，HEX是十六进制文件，英文全称为“hexadecimal”，BIN文件是二进制文件，英文全称为binary，这两种文件可以通过软件相互转换。若需要Keil编译后输出HEX文件，需要对Keil输出选项进行配置。在Keil工作窗口，展开【Project】菜单，选择“Options for Targets”命令，在弹出的对话框中，选择“Output”标签页，确定“Create Hex File”被选中。

重新编译C源代码，在项目的输出目录可以看到扩展名为“hex”的HEX文件。

C程序编译完成后，回到proteus工作窗口，在电路模型窗口使用鼠标双击单片机，或选中单片机后单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Edit Properties”命令，proteus弹出Edit Component对话框（见下图），选择使用keil编译的HEX文件，单击【OK】按钮即可装载C程序到单片机。

在电路模型内仿真运行前面装载的单片机程序，运行程序有两种方式：一种方式是展开【Debug】菜单，选择“Start/Restart Debugging”命令来运行程序；一种方式是用鼠标单击调试工具条的启动按钮（见下图）来运行程序。

程序运行后电路模型各端口状态如下图所示。

观察电路模型状态，D1发光二级管已经点亮，蓝色方块表示该端口为低电平，红色方块表示该端口为高电平，灰色方块表示电压不确定。下一节实验课程解释P0口电压不确定的问题。

实验小结

通过这次实验，掌握了proteus设计单片机电路模型的过程，并仿真运行由Keil编写的嵌入式C程序，点亮了发光二极管。下次实验目标主要是应用proteus结合keil对嵌入式程序进行源代码级调试，并解释在实验过程中，P0口电压不确定的问题。