第十六课单片机程序设计方法程序设计是单片机开发最重要的工作程序设计就是利用单片机的指令系统根据应用系统即目标产品的要求编写单片机的应用程序其实我们前面已经开始这样做过了这一课我们不是讲如何来设计具体的程序而是教您设计单片机程序的基本方法不过在讲解之前还是有必要先了解一下单片机的程序设计语言一程序设计语言这里的语言与我们通常理解的语言是有区别的它指的是为开发单片机而设计的程序语言如果您没有学过程序设计可能不太明白我给大家简单解释一下您知道微软的VB VC 吗VB VC 就是为某些工程应用而设计的计算机程序语言通俗地讲它是一种设计工具只不过这种工具是用来设计计算机程序的要想设计单片机的程序当然也要有这样一种工具说设计语言更确切些单片机的设计语言基本上有三类1 完全面向机器的机器语言机器语言就是能被单片机直接识别和执行的语言计算机能识别什么以前我们讲过--是数字0或1所以机器语言就是用一连串的0 或1 来表示的数字比如MOV A 40H 用机器语言来表示就是11100101 0100000 很显然用机器语言来编写单片机的程序不太方便也不好记忆我们必须想办法用更好的语言来编写单片机的程序于是就有了专门为单片机开发而设计的语言2 汇编语言汇编语言也叫符号化语言它使用助记符来代替二进制的0 和1比如刚才的MOV A40H 就是汇编语言指令显然用汇编语言写成的程序比机器语言好学也好记所以单片机的指令普遍采用汇编指令来编写用汇编语言写成的程序我们就叫它源程序或源代码可是计算机不能识别和执行用汇编语言写成的程序啊怎么办当然有办法我们可以通过翻译把源代码译成机器语言这个过程就叫做汇编汇编工作现在都是由计算机借助汇编程序自动完成的不过在很早以前它是靠手工来做的道听途说我也没经历过呵呵值得注意的是汇编语言也是面向机器的它仍是一种低级语言每一类计算机都有它自己的汇编语言比如51 系列有它的汇编语言PIC 系列也有它的汇编语言微机也有它自己的汇编语言它们的指令系统是各不相同的也就是说不同的单片机有不同的指令系统它们之间是不通用的这就是为什么世界上有很多单片机类型的缘故了为了解决这个问题人们想了很多的办法设计了许多的高级计算机语言而现在最适合单片机编程的要数 C 语言3 C 语言—高级单片机语言C 语言是一种通用的计算机程序设计语言它既可以用来编写通用计算机的系统程序也可以用来编写一般的应用程序由于它具有直接操作计算机硬件的功能所以非常适合用来编写单片机的程序与其他的计算机高级程序设计语言相比它具有以下的特点1语言规模小使用简单在现有的计算机设计程序中 C 语言的规模是最小的ANSIC 标准的 C 语言一共只有32 个关键字9 种控制语句然而它的书写形式却比较灵活表达方式简洁使用简单的方法就可以构造出相当复杂的数据类型和程序结构2可以直接操作计算机硬件C 语言能够直接访问单片机的物理空间地址KEIL C51 软件中的C51 编译器更具有直接操作51单片机内部存储器和I/O 口的能力亦可直接访问片内或片外存储器还可以进行各种位操作3表达能力强表达方式灵活C 语言有丰富的数据结构类型可以采用整型实型字符型数组类型指针类型结构类型联合类型枚举类型等多种数据类型来实现各种复杂数据结构的运算利用 C 语言提供的多种运算符我们可以组成各种表达式还可以采用多种方法来获得表达式的值从而使程序设计具有更大的灵活性----------------4可进行结构化设计结构化程序是单片机程序设计的组成部分 C 语言中的函数相当于汇编语言中的子程序KEILC51 的编译器提供了一个函数库其中包含有许多标准函数如各种数学函数标准输入输出函数等此外还可以根据用户需要编制满足某种特殊需要的自定义函数 C 语言程序就是由许多个函数组成的一个函数即相当于一个程序模块所以C 语言可以很容易地进行结构化程序设计5可移植性前面我们讲过由于单片机的结构不同所以不同类型的单片机就要用不同的汇编语言来编写程序而C 语言则不同它是通过汇编来得到可执行代码的所以不同的机器上有80%的代码是公用的下册中专门来讲解C 语言的应用及其编程原理不过作为单片机初学者想要学会 C 语言也并不是一件容易的事因此对于大多数人来说汇编语言仍是编写单片机程序的主要语言我们上册的教程将全部以汇编语言来编写单片机的程序了解了单片机编程的设计语言下面我们来看单片机编程的基本过程和步骤二单片机程序设计的步骤单片机的程序设计通常包括根据任务绘制程序流程图编写程序及汇编等几个步骤1 绘制流程图所谓流程图就是用各种符号图形箭头把程序的流向及过程用图形表示出来绘制流程图是单片机程序编写前最重要的工作通常我们的程序就是根据流程图的指向采用适当的指令来编写的下面的图形和箭头就是我们绘制流程图用的工具图中左边所示绘制流程图时首先画出简单的功能流程图粗框图再对功能流程图进行扩充和具体化即对存储器标志位等单元做具体的分配和说明把功能图上的每一个粗框图转化为具体的存储器或地址单元从而绘制出详细的程序流程图即细框图下面举个例子给大家演示一下请看下面的程序主程序LOOP:SETB P1.0LCALL DELAYCLR P1.0LCALL DELAYLJMP LOOP子程序DELAYMOVR7#250D1MOVR6#25056----------------D2 DJNZ R6 D2DJNZ R7 D1RETEND还记得吗这是我们第四课中做过的LED 灯闪烁的实验以前我们曾对程序进行过分析现在让我们用流程图来把这段程序的主程序部分画出来看上图的右边部分这就是程序的流程图在单片机的编程过程中绘制流程图能看清楚程序执行的步骤以及程序的流向事实上程序的编写就是根据流程图的功能完成的下面我们来把第十五课中的那个程序也用流程图画出来程序如下ORG 0000HLJMP STARTORG 30HSTART MOV SP #5FHMOVP1#0FFHMOVP3#0FFHL1JNBP3.5 L2P3.5 上接有一只按键它按下时P3.5=0JNBP3.6 L3P3.6 上接有一只按键它按下时P3.6=0LJMP L1L2 CLR P1.0 亮LED1LJMP L1L3 SETB P1.0 暗LED1LJMP L1END先不看图自己画一下看是不是同我画的一样在实际的程序设计中根据框图采用适当的指令编写出实现流程图的源程序就是我们编写程序的最后工作2 编写程序和汇编程序编写完之后我们要把它汇编成机器语言这种机器语言就是十六进制文件后缀名为*.HEX 文件以前还要把它转换成二进制文件后缀名为*.BIN 文件不过现在的编程器都能直接读入十六进制文件就不需要转换了最后用编程器把程序写入单片机这些以前都讲过了这里就不重复了下面来讲本课的主题—程序设计的方法三单片机程序设计的方法要想搞清楚程序设计的方法我们首先要知道单片机到底有哪几类程序单片机的程序分为结构57----------------在单片机的程序中既有复杂的程序也有简单的程序但不论哪种程序它们都是由一个个基本的程序结构组成的这些基本结构有顺序结构分支结构和循环结构1顺序结构程序的设计顺序结构的程序一般用来处理比较简单的算术或逻辑问题它的执行过程是按照程序存储器PC自动加1 的顺序执行的主要用数据传递类指令和数据运算类指令来实现比如我们前面第六课中的I/O 口输入实验就是典型的顺序结构的程序试试看把这个程序的流程图写出来下面再看一个例子将内部RAM 中20H 单元和30H 单元的无符号数相加存入R0高位和R1低位中先画出流程图根据流程图编写源代码如下MOV A 20HADD A 30HMOV R0 ACLR AADDC A #00HMOV R0 AMOV A 30HADD A R1MOV R1 ACLR AADDC A R0MOV R0 A这就是顺序结构程序程序的原理就不分析了我们接着讲分支结构的程序设计这里说明一点最近有朋友提出这一课的有些程序看不懂的确如此这一课的有几个程序实例58----------------我们从来没有学过之所以放在这里原本是为了让大家理解程序设计的方法举几个示例证明一下没想到反而增加了大家的难度其实这些示例你不需要刻意的去理解它只要明白它的设计方法就可以了因为这一课的主要内容是程序设计的方法而不是程序执行的原理和结果如果以后有更好的示例我会修改一下2分支结构程序的设计所谓分支结构就是利用条件转移指令使程序执行某一指令后根据所给的条件是否满足来改变程序执行的顺序也就是本条指令执行完后并不是象顺序结构那样执行下一条指令而是看本条指令所给的条件是否满足如果满足条件就跳转到其他的指令如果不满足就顺序执行当然也可以是满足条件顺序执行而不满足条件跳转执行看十五课实验程序中的下面两条这就是分支结构的程序如果P3.5 为0就转移反之就顺序执行当然也可以改成P3.5=0 顺序执行而P3.5=1 则转移不过此时的程序就要用JB 指令了在51 系列单片机中可以直接用于分支程序的指令有JBJNBJCJNCJZJNZCJNE JBC 等这几条它们可以完成诸如正负判断大小判断和溢出判断等等在分支结构的指令设计中大家必须注意执行一条判断指令只可以形成两路分支如果要形成多路分支就必须进行多次判断也就是多条指令连续判断下面给大家举两个例子A 单分支结构的程序实例假设有两个数在内部RAM 单元的40H 和41H 中现在要求找出其中较大的一个数并将较大的数存入40H 中而将较小的一个数存入41H 中根据程序的要求我们先画出程序的流程图左图再根据流程图写出程序的源代码如下MOV A 40HCLR CSUBB A 41HJNC W AITMOVA41HXCHA41H59----------------MOV 40H AWAIT SJMP W AITEND程序的原理请大家自行分析一下接下来再举一个多分支结构的实例看下面的程序MOV A 20H 取数JZ ZERO A=0 转移A=1 顺序执行JB ACC 7STOREA 为负数转移ADD A #3A 为正数则加3SJMP STOREZERO MOV A #20STORE MOV 21H A自己画一下本例的流程图再和上面的右图比较一下看是不是一样这里有一条指令给大家解释一下JB ACC.3 STORE ACC.3 表示累加器A 中的D3 位这条指令的意思就是看一下累加器中的D3 位是正还是负D3 是什么呢在这里就是0 20H 的二进制10000000上一课刚讲过不要说又忘了接下来再讲第三种循环结构的程序设计3循环结构程序的设计循环程序是最常用的程序结构形式在单片机的程序设计中有时要碰到一段程序需要重复执行多次的情况此时就要用到循环结构程序比如第四课中的实验--LED 灯闪烁程序的子程序DELAYMOV R7#2501D1MOV R6#2502D2 DJNZ R6 D2 3DJNZ R7 D1 4RET 5END在这段程序中为了延时需要多次执行DJNZ 指令此时若用循环结构程序就可以大大地简化程序初始化部分主要用来设置循环的初始值包括预值数计数器和数据指针的初值比如上例中的#250 就是预值数初值B 循环处理部分循环处理部分是程序的主体部分也称为程序体通过它可以完成程序处理的任务C 循环控制部分循环控制部分可以控制程序循环的次数并修改预值数或计数器和指针的值检查该循环是否执行了足够的次数如果到了足够的次数就采用条件转移指令或判断指令来控制循环的结束比如上例中的3 4指令就是当R6 或R7 中的值为0 时就转移C 循环结束部分循环结束后必须返回一般用RET 或RETI 指令这里注意以上四个部分中第一和第四部分只能执行一次而第二和第三部分可以执行多次典型的循环结构程序的流程图可画成如下左图所示也可以将处理部分和控制部分位置对调如右图在循环程序设计中循环控制部分是程序设计的关键环节常用的循环控制方式有计数器控制和条件控制两种计数器控制就是把要循环的次数即预值数放入计数器中程序每循环一次计数器的值就减 1 一直到计数器的内容为零时循环结束一般用DJNZ 指令而条件控制方式常预先不知道要循环的次数只知道循环的有关条件此时就可以根据给定的条件标志位来判断程序是否继续一般参照分支结构方法中的条件来判别指令并执行下面举几个例子来分别解释一下希望大家能以此类程序一用计数器控制的单重循环程序源程序如下CLRAMOVR220HMOV R1 22HLOOP ADD A @R1INC R1DJNZ R2 LOOPMOV 21H A这段程序的作用是从22H 单元开始存放一个数据块其长度存放在20H 单元中将数据块求和要求将和存放入21H 单元中和不超过255 下面再举一个条件控制的循环程序程序二用条件控制的单重循环程序设字符串存放在内部RAM 的21H 开始的单元中以结束作标志要求计算出该字符串的长度并将其存放在20H 单元中源程序如下CLR AMOV R0 #21H 将地址指针指向21H 单元LOOP CJNZ @R0 #24H NEXT 与比较SJMP COMP 找到结束NEXT INC A 不为0计数器加1INC R0 修改地址指针SJMP LOOPCOMP MOV 20H A 存放结果试试看自己把上面两段程序的流程图画出来下面再看一个例子DELAYMOV R7#250D1MOV R6#250D2 DJNZ R6 D2DJNZ R7 D1RETEND61----------------这是一段约125mS 的延时程序现在我们来把它改成下面表格中的程序右边的程序DELAY MOV R7 #250 DELAY MOV R7 #250D1 MOV R6 #250 D1 MOV R6 #250D2 DJNZ R6 D2 D2 MOV R5 #250DJNZ R7 D1 D3 DJNZ R5 D3RET DJNZ R6 D2END DJNZ R7 D1RETEND从这里可以引出一个概念程序的嵌套什么是嵌套比如早上我骑自行车从家里到单位去上班当走到半路上时太太叫我去孩子学校拿点东西到了学校老师又叫我把学校的一台电脑修一下修好电脑一个朋友又打电话叫我去他那里拿了一本单片机与嵌入式系统杂志完了之后再去上班这就是生活中的嵌套在单片机的程序设计中也有类似的现象有时为了达到某个目的往往要在一段循环程序中再加入另一段循环程序这就是单片机的程序嵌套通常我们把一个循环体中不再包含循环的叫做单重嵌套如果一个循环体中还包括有循环则叫做多重嵌套上面的表格中左边的程序就是单重嵌套而右边的程序则是多重嵌套另外须注意在多重嵌套中不允许各个循环体互相交叉也不允许从外循环跳入内循环否则编译时会出错了解了结构化程序的设计下面再来看子程序的设计方法2 子程序的设计方法什么是子程序如何设计子程序要解释这个问题让我们先同样从生活中的一个例子说起请看下面的数学题目28*33+65+47*33+65+875*33+65在这道题中我们一般是怎么算的也许大家都知道一般总是先把33+65=98 代出来然后再用28+47+875*98 来计算最后的结果为什么会这样这是因为在这道题中我们多次用到了33+65这个中间结果在单片机的程序设计中有时也有这样的情况比如下面的程序主程序LOOP:SETB P1.0LCALL DELAYCLR P1.0LCALL DELAYLJMP LOOP子程序DELAY:MOV R7,#250D1:MOV R6,#250D2:DJNZ R6,D2DJNZ R7,D1RETEND这是大家非常熟悉的LED 灯延时程序在这段程序中两次调用到了DELAY 这段程序为了简化程序的设计我们就把DELAY 这段程序单独地列了出来这段列出的程序我们就叫它子程序而调用子程序的程序我们则叫它主程序LOOP 的程序段在主程序执行时每当要用到子程序时我们就用LCALL 指令来调用子程序子程序执行完之后必须返回主程序返回就用RET 指令这我们以前都讲过了这里不再重复另外如果子程序执行的过程中还要再次调用其他的子程序这种现象我们就称它为子程序的嵌套看上面右边的图就是一个两层子程序的嵌套结构图这里有个问题在子程序的执行过程中有时可能要使用到累加器和某些工作寄存器而在调用子程序前这些寄存器中可能已经存放有主程序的中间结果它们在子程序返回后仍要使用这样就需62----------------要在进入子程序之前将要使用的累加器和寄存器中的内容预先转移到安全的地方保存起来这叫现场保护当子程序执行完即将返回主程序之前还要将这些内容先取出来送回到累加器和原来的工作寄存器中这个过程叫恢复现场保护现场和恢复现场通常使用堆栈即在进入子程序之前将需要保护的数据压入堆栈在返回之前再将压入的数据弹出到原来的工作单元中恢复原来的状态看下面的例子LOOP PUSH 03H 将03H 单元中的值压入堆栈保护PUSH ACC 将累加器中的值压入堆栈保护由于堆栈的操作是后进先出先进后出所以编写指令时必须把后压入堆栈的数据先弹出来才能保证恢复到原来的状态在实际的程序设计中由于每个应用程序的不同还必须根据具体的情况来考虑是否需要保护哪些数据需要保护等等这就是单片机的堆栈为什么能够变化的原因关于堆栈的操作先讲这些后面的实验中我们还将结合具体的实验来分析接下来再看另一种程序--综合程序的设计方法3 综合程序的设计方法综合程序有查表程序散转程序数据排序程序代码转换程序等等作为初学者要想全面的掌握也确实有一定的难度所以只给大家简单地提一下详细的内容就留到下则的课程中再来解释四本课总结程序设计是单片机开发最重要的工作掌握程序设计的基本步骤和方法对于单片机的软件编写是至关重要的这一课的内容较多对于一时无法搞清的部分大家可以结合以后的实际应用慢慢去理解不要急于求成千万记住一点学习使用单片机绝不是一朝一夕的事如果你不是天才想速成单片机我还是劝你赶紧改行五第16 课习题1 什么是单片机的程序设计语言2 单片机的程序设计包括哪几个步骤3 画出单片机的流程图符号并简述它的作用4 单片机的分支结构程序指令有哪几条5 什么是单片机的程序嵌套想想生活中还有哪些现象与单片机的嵌套类似63----------------第十七课单片机的定时/计数器通过前面十几节课的学习我们已经掌握了很多的单片机知识也许您已经可以用它来开发具体的产品了不过在有些工业及民用控制中我们往往需要定时检测某个参数或按一定的时间间隔来进行某项控制比如家里的闹钟定时电动机的Y/ 控制等等此时您就要用到定时器或计数器因此几乎所有的单片机系统内部都有几个定时/计数器89C51 有两个16 位的定时/计数器而89C52 则有 31 定时/计数的概念从选票的统计谈起画正这就是计数生活中计数的例子处处可见例线缆行业在电线生产出来之后要计米也就是测量长度怎么测量呢用尺量不现实太长不说要一边做一边量怎么办呢行业中有很巧妙的方法用一个周长是 1 米的轮子将电缆绕在上面一周由线带动轮子转这样轮子转一周不就是线长 1 米嘛所以只要记下轮子转了多少圈就可以知道走过的线有多少米了2 计数器的容量从生活中的一个例子看起一个水盆在水龙头下水龙没关紧水一滴一滴地滴入盆中水滴不断落下盆的容量是有限的过一段时间之后水就会逐渐变满换句话说计数是有容量的那么单片机中的计数器有多大的容量呢89C51 的两个计数器分别称之为T0 和T1 这两个计数器都是由两个8 位的RAM 单元组成的即每个计数器都是16 位的计数器最大的计数容量是216=65536 记住是从0-65535 因为在计算机中往往把0 作为起始点比如P0 P1.0 T0 等等3 定时器的原理单片机中的计数器除了可以作为计数用还可以用作定时器定时器的用途当然很大如闹钟的定时手机的定时开关机等等那么计数器是如何作为定时器来用的呢一个闹钟如果我们将它定时在 1 个小时后闹响就相当于秒针走了3600 次在这里时间就转化成为了秒针走的次数可见计数的次数和时间之间的确有关那么单片机的定时/计数器是怎么回事呢请看下面的图从图中我们可以得出这样的结论只要计数脉冲的间隔相等那么计数值就代表了时间的流逝其实单片机中的定时器和计数器是一个东西只不过计数器记录的是外界发生的事情而定时器则是由单片机提供一个非常稳定的计数源然后把计数源的计数次数转化为定时器的时间图中的C/T 开关就是起这个作用的那么提供给定时器的计数源又是从哪里来的呢继续看上面的图原来它就是由64----------------单片机的晶振经过12 分频后获得的一个脉冲源我们知道晶振的频率是很准的所以这个计数脉冲的时间间隔当然也很准这里提个问题一个12M 的晶振它提供给计数器的脉冲时间间隔是多少呢不知大家是否还记得那就是1us 也就是 1 个微秒4 溢出的原理继续让我们看水滴的例子当盆中的水不断落下最终会有一滴水使得盆中的水变满这时如果再有一滴水落下就会发生什么现象水会溢出来用个单片机的术语叫溢出水溢出是流到地上而计数器溢出后会使得TF0 由0 变为 1 至于TF0 是什么我们稍后再谈一旦TF0 由0 变为1就是发生了变化发生了变化就会引发事件就象闹钟的定时时间一到铃声就会响一样那么单片机的溢出会引发什么事件呢我们下节课再具体介绍这里我们来研究另一个问题要有多少个计数脉冲才会使TF0 由0 变为15 任意定时及计数的方法刚才已经讲过51 系列单片机的计数器是16 位的也就是最大的计数值范围是0-65535 因此计数器计到65536 个脉冲就会产生溢出这个不是问题问题是我们在实际应用中经常会有少于65536 个计数脉冲的要求如药品生产线上一箱为50 瓶一瓶为100 粒怎么样才能满足这个要求呢提示如果是一个空的盆要1 万滴水滴进去才会满我们在开始滴水之前就预先放入一勺水还需要1 万滴嘛单片机计数也是如此如果我要计5000 个脉冲就先放进60535 个再来5000 个不就到了65535 了吗定时器同样如此每个脉冲是 1 微秒则计满65536 个脉冲需时65.536 毫秒但现在我只要10 毫秒就可以了怎么办10 个毫秒为10000 微秒所以只要在计数器里预先放进55536 就可以了这种计数方法我们把它称之为预置数计数法那么单片机的定时/计数器是由什么来控制的呢下面就来讨论这个问题二定时/计数器的方式控制字从上一节我们已经知道单片机中的定时/计数器可以有两种用途那么我们怎样才能让它们工作于我们所需要的用途呢这就需要通过定时/计数器的方式控制字实际上就是与定时/计数器有关的特殊功能寄存器来设置在单片机中有两个特殊功能寄存器与定时/计数器有关它们是TMOD 和TCON顺便说一下TMOD 和TCON 是名称我们在写程序时既可以直接用这个名称来指定它们也可以直接用它们的地址89H 和88H 来指定它们其实用名称也就是直接用地址只不过汇编软件帮你翻译一下而已具体使用稍后讲现在先来看特殊功能寄存器TMOD 的组成看下表1 特殊功能寄存器TMOD89H用于T1用于T0GA TEC/TM1M0GATEC/TM1M0从表中可以看出TMOD 被分成两部份每部份 4 位分别用于控制T1 和T0 至于这里。