第二单元 单片机系统的显示界面
综合教学目标
学习单片机编程常用软件的操作；掌握单片机系统中常用显示模块的程序设计。
主要内容
项目2.1流水灯、项目2.2电子秒表、项目2.3电子钟、项目2.4两级菜单的显示界面。分别介绍了发光二极管、数码管、字符型液晶显示器RTC1602、点阵型液晶显示器TG12864。
岗位技能综合职业素质要求：学会操作相关软件，处理烧录芯片时的问题。
单片机系统的显示界面主要用于显示系统的参数设置界面、输出结果界面、系统运行中的报警界面等。友好的人机界面将使产品大受欢迎。
本教材中选用“YL-236型单片机控制功能实训考核装置”作为项目实训平台。
YL-236装置将单片机系统中的常用显示模块集中在MCU04显示模块上，其照片如图2-1所示。其中包含有：8个发光二极管LED0～LED7（左下）、8个数码管显示器（右下）、1个RTC1602液晶显示器（左中）、1个TG12864液晶显示器（左上）、点阵显示器（右上）。
图2-1 YL-236装置中的MCU04显示模块
项目实训中可以根据需要选择其中某个或多个显示器来使用。
项目2.1 流水灯
2.1.1 项目描述
本项目要求采用显示模块MCU04中的发光二极管（LED），完成下述任务。
任务2-1-1：点亮一个发光二极管。
① 了解发光二极管工作原理。
② 点亮第一个发光二极管。
③ 掌握51单片机仿真器的使用，以及MedWin软件操作。
任务2-1-2：实现二极管闪烁。
① 了解ms级延时C51函数。
② 用单片机控制发光二极管闪烁。
③ 掌握双龙下载器的使用。
任务2-1-3：实现流水灯。
2.1.2 项目分析
通过项目描述，实现本项目需完成以下两方面工作。
①硬件电路的设计：以单片机为控制中心，通过其I/O口与MCU04显示模块中的发光二极管连接，构成单片机控制LED电路。
② 程序的设计：用C51语言编写单片机控制LED程序。
2.1.3 任务2-1-1 点亮一个发光二极管
一、发光二极管的工作原理
在YL-236装置的MCU04显示模块中，发光二极管部分的照片如图2-2（a）所示。
LED显示电路工作原理分析：如图2-2（b）所示，当LED0端口为低电平时，发光二极管D1正向导通，有电流通过D1，D1发光；当LED0端口为高电平时，发光二极管D1无法导通，D1熄灭。将单片机某I/O口与LED0端口相连，通过软件控制该I/O输出高或低电平就可以使D1灭或亮。图2-2（b）中，电阻R1起限流作用，调整R1阻值大小就可以调节LED的亮度。
图2-2 MCU04显示模块中的发光二极管照片与电路原理图
二、任务2-1-1的实施
1.硬件电路的设计
本任务需要使用YL-236装置中的三个模块：MCU01主机模块、MCU02电源模块、MCU04显示模块。模块接线图如图2-3所示，其中主机模块的P0.0～P0.7用排线接到显示模块的LED0～LED7；主机模块、显示模块的+5V电源端子接到电源模块的+5V端口；主机模块、显示模块的GND端子接到电源模块的GND端口。
图2-3 单片机控制LED显示的模块接线图
2.点亮LED0的程序设计
（1）单片机P0.0的输出电平与LED0状态关系表
由LED工作原理可知，单片机P0.0的输出电平与LED0状态关系见表2-1。
表2-1 P0.0的输出电平与LED0状态关系表
（2）用C51语言指令控制单片机I/O口输出
在C51语言中，使单片机P0.0输出低电平，只需要写语句“P0^0=0；”；使单片机P0.0输出高电平，只需要写语句“P0^0=1；”。
任务2-1-1的程序清单
#include＜at89x52.h＞ //头文件包含
sbit LED0=P0^0； //定义符号LED0为单片机的P0.0引脚
void main（）
{
LED0=0； //P0.0输出低电平，灯亮；P0.0输出高电平，灯熄灭
while（1）； //死循环
}
【知识链接一】C程序的基础知识
1.C程序的基本结构
（1）C程序是由函数构成的。一个C源程序至少且仅包含一个main函数，也可以包含一个main函数和若干其他函数。函数体的内容由一对{}括起来，{}必须成对出现。
（2）main为“主函数”，一个C程序总是从main函数开始执行，而且不论main函数在整个程序中的位置如何。
（3）C程序书写格式自由，一行内可以写几条语句，一条语句可以分写在多行上。
（4）每条语句和数据声明的最后必须有一个分号，分号是C语句的必要组成部分，不可缺少。既使程序中最后一条语句也应包含分号。
2.文件包含
“文件包含”是指一个文件将另外一个文件的内容全部包含进来。其格式为：
① #include＜文件名称＞
② #include＂文件名称＂
两者区别在于＂＂和＜ ＞。＜ ＞表示头文件在编译器（KeilC51）的安装目录下，一般都是编译器自带的头文件；＂＂表示头文件在当前工程的目录下，一般都是自己写的头文件，编译器将首先查找当前目录，如果没找到，则在由菜单选择项所确定的目录中查找。
任务2-1-1的程序中，文件at89x52.h在路径“C：\Keil\C51\INC\Atmel”中，是编译器自带的头文件，它主要定义了ATMEL公司的52单片机内部相关资源名称，以方便使用。
3.KeilC51单片机集成开发环境
KeilC51是目前使用最广泛的基于51单片机内核的开发平台之一，其编译器性能较好。
4.使用KeilC的关键字sbit来定义位变量
第一种方法：sbit位变量名=位地址值
第二种方法：sbit位变量名=字节名称^序号
第三种方法：sbit位变量名=字节地址值^序号
例如：sbitOV=PSW^2。
三、单片机仿真器及其软件的使用
YL-236装置中配备的仿真器为南京万利公司的“insight”51单片机仿真器。YL-236装置的主机模块与仿真器模块的照片如图2-4所示。先将主机模块上的AT89S52芯片取下，将仿真头的引脚插在主机模块的卡座上并卡紧，注意仿真头上的弧形标识对准卡座的上方，方向不能插反；然后按照图2-3连接好系统接线，并接通仿真器的电源与USB线等。
图2-4 主机模块与仿真器模块照片
“insight”51单片机仿真器的配套软件为MedWin3.0，它是一个国产的中文界面单片机集成开发平台，比KeilC51更好操作，但其自身不带C51编译器，需要调用KeilC编译器。操作步骤如下。
（1）启动MedWin3.0，创建项目，命名后保存。
启动MedWin3.0后，在菜单“项目管理”中选择“新建项目”，如图2-5所示。
图2-5 新建项目
弹出对话框如图2-6所示。点击其中“设备驱动程序名”后的下拉按钮，出现若干选项：第一项“InsightME-52HUFamilyEmulator”为上述万利仿真器，使用仿真器时应选此项；第二项“80C51SimlatorDriver”为软件仿真，若不连接仿真器，只是使用MedWin编译源程序产生机器码，可以选此项。这里选中第一项，点击“下一步”按钮。
图2-6 选择驱动程序
在第2步的对话框中，选择如图2-7所示编译工具，然后点击“下一步”按钮。
图2-7 选择编译工具
然后，在图2-8所示对话框中输入项目名称led0，然后点击“下一步”按钮。其存储位置一般默认在计算机最后一个盘符根目录的“WorkDir”文件夹下。也可点击“浏览”按钮自行设定存储路径。
图2-8 输入项目名称
然后，在图2-9所示对话框中，设置有关参数。点击“片内RAM长度”选项后的下拉按钮，选择“256”，可以充分使用AT89S52的256字节RAM空间；若单片机为AT89S51，则选择“128”。
图2-9 设置有关参数
点击“操作系统内核”选项后的下拉按钮，出现3个选项：① None（无操作系统）；② RTX＿51Tiny（RTX＿51操作系统精简版）；③ PTX＿51Full（RTX＿51操作系统完整版）。本项目没有采用操作系统，因此选①。
在图2-9中，点击“完成”按钮后，项目led0就创建完毕，如图2-10所示。
图2-10 新建项目完成
（2）创建源程序文件并命名保存。
选中菜单“文件/新建”，创建源程序文件，如图2-11所示。
图2-11 创建源程序文件
选中菜单“文件/另存为”，保存为C语言程序文件格式，如图2-12所示。
图2-12 另存为C语言程序文件格式
（3）导入/添加C文件到项目中。
用鼠标右键单击源文件组，在弹出的菜单中选择“导入/添加文件”，如图2-13所示。
图2-13 导入C文件（一）
找到之前保存的C文件，并添加到项目工程的源文件组中去，如图2-14所示。
导入源程序文件后，源文件组将出现该文件，如图2-15所示。
（4）在刚导入的C文件中编写C51程序。
在程序编辑区输入C51源程序，如图2-16所示。
图2-14 导入C文件（二）
图2-15 文件导入完成
图2-16 输入C51程序
（5）编译C51程序。
由于MedWin3.0自身不带编译器，因此选中菜单“设置/设置编译工具”，如图2-17所示。
图2-17 设置编译工具（一）
在如图2-18所示的对话框中，设置编译工具及相关文件路径后，点击“确定”按钮。
图2-18 设置编译工具（二）
选中菜单“项目管理/重新产生代码并装入”，如图2-19所示。
用软件编译C51源程序，如果编译链接无误，将产生机器码，并装入仿真器；若编译链接中发现错误（主要为语法错误），则会在构建窗口中提示错误种类，无法产生机器码，此时应该改正程序中的错误，重新产生代码并装入，正确后，才能进行下一步。
图2-19 重新产生代码并装入
（6）调试C51程序。
如图2-20所示，点击菜单“调试”后出现的下拉菜单中，可选择以“单步”或“全速运行”等方式运行程序，并在系统中查看程序运行结果。若结果有错（主要为逻辑错误），则应改正程序错误，重新编译、调试，直至程序运行结果完全正确。
图2-20 调试C51程序
本任务中，以“全速运行”方式运行程序后，将会看到LED0亮。在“调试”状态下，选中菜单“调试/返回监控”，将退出“调试”状态。
2.1.4 任务2-1-2 实现二极管闪烁
一、任务要求
本任务要求单片机控制LED0间隔1s闪烁，就是让LED0灯亮1s，然后熄灭1s，反复循环不止。
二、任务2-1-2的实施
1.硬件电路的设计
硬件电路的设计与任务2-1-1相同。
2.程序的设计
（1）下面函数为ms级延时函数。
void delayms（uintx） //当晶振为12MHz，延时xms，
{ //用MedWin3.0的 “查看/工具栏/时间”功能测试结果：
uchar i； //x小于500（ms）时，最大误差为17μs；
while（x--） //x为1000、2000、3000（ms）时，误差分别为19、23、27μs。
for（i=0；i＜123；i++）；
} //当晶振为11.0592MHz，延时12x/11ms。
（2）单片机控制LED0闪烁的程序流程图如图2-21所示。
图2-21 单片机控制LED0闪烁的程序流程图
任务2-1-2的程序清单
#include＜at89x52.h＞
#define uintunsignedint //定义uint=unsignedint（无符号整型）
#define ucharunsignedchar //定义uchar=unsignedchar（无符号字符型）
sbit LED0=P0^0； //定义符号LED0为单片机的P0.0引脚
void delayms（uintx） //函数省略，请参考上文
void main（）
{
while（1） //另一种解法
{
LED0=0； //LED0亮1s
delayms（922）； //实际晶振11.0592MHz，1000*11.0592/12=922
LED0=1； //LED0灭1s
delayms（922）；
}
/*
while（1） //另一种解法
{
LED0=！LED0； //LED0亮1s，灭1s。效果同上
delayms（922）；
}*/
}
正确连接好仿真器，在MedWin3.0中建立名为led1项目，输入上面的源程序，编译、连接正确后，全速运行，可以看到发光二极管LED0亮1s、灭1s，不停闪烁。
【知识链接二】程序流程图与程序的构成等
1.程序流程图
程序流程图是用一些图框来表示各种操作，直观形象，易于理解。美国国家标准化协会ANSI（AmericanNationalStandardInstitute）规定的一些常用的流程图符号如知识链接图2-1所示。
知识链接图2-1
2.程序的构成
程序=数据结构+算法
① 对数据的描述，在程序中指定数据的类型和数据的组织形式，即数据结构。
② 对操作的描述，即操作步骤，也就是算法。
3.逻辑运算符“！”的作用
！为逻辑非运算符，其作用是将逻辑量或位变量的值取反，即原来为1的，变为0；原来为0的，变为1。
三、单片机程序的烧录
程序调试成功后，下一步要把程序代码下载（烧录）到单片机芯片AT89S52中。
YL-236装置中配备了双龙ISP下载器。按照其光盘里产品说明书上的步骤，安装好相关软件后，第一次用USB线连接双龙ISP下载器和计算机时，会在电脑屏幕上看到“已经找到新硬件”的提示，选择“自动安装软件”，计算机会自动安装好新增的设备。
单片机程序烧录的操作步骤如下。
① 下载程序前，首先关闭系统电源，将仿真头取下；然后将AT89S52的引脚插在主机模块的卡座上并卡紧，注意单片机芯片上的弧形标识对准卡座的上方，方向不能插反。
② 用排线连接双龙ISP下载器与主机模块后，再接通双龙ISP下载器的USB线。
③ 启动双龙ISP下载器软件后，出现如图2-22所示界面。
图2-22 双龙ISP下载器软件界面
④ 如图2-22所示，首先在界面上部各选项中，正确选择“下载端口”、“下载速度”、“芯片型号”等，然后点击“FLASH存贮器”选项右边的“Flash”按钮，添加要烧录的机器码文件（一般为HEX文件），如图2-23所示。
⑤ 添加HEX文件后，点击图2-22中的“编程”按钮，软件会自动烧录机器码程序到AT89S52单片机中。但烧录有时会失败，可能是由于在设计的目标系统电路中，P1.5、P1.6、P1.7的电平被钳制住（例如：作为输入端口，而从外界输入电平为0V等），ISP下载器无法通过这3个引脚下载程序，这时，可以将主机模块上P1.5、P1.6、P1.7端子上的导线拔除，再下载程序。下载失败，有时是因为目标系统自身电源未供应，这时可以通过ISP下载器给目标系统供电，然后再完成下载，相关设置操作如图2-24所示。
图2-23 添加机器码文件
图2-24 给目标系统供电
⑥ 本任务中，正确烧录“LED0闪烁”的程序代码后，先断开双龙ISP下载器的USB线，再断开双龙ISP下载器与主机模块的排线，打开系统电源后，即可看到LED0不停闪烁。
2.1.5 任务2-1-3 实现流水灯
一、任务要求
单片机控制8个发光二极管从LED0到LED7间隔1s依次点亮（亮1s后熄灭，下一个LED点亮），当LED7亮1s后，又从LED0开始点亮，如此循环不止，视觉效果上像一个亮的灯从右到左流动。
二、任务2-1-3的实施
1.硬件电路的设计
硬件电路的设计与任务2-1-1相同。
2.程序的设计
（1）流水灯形成原理。
LED形成流水灯的效果实质是按顺序依次点亮发光二极管，其发光过程见表2-2。
表2-2 流水灯发光过程表
注：表中数据0或1，表示该引脚输入低或高电平，以使相应LED亮或灭。
（2）本教材提供两种方法实现单片机控制LED流水灯的程序清单，方法二的流程图如图2-25所示。
图2-25 单片机控制LED流水灯的程序流程图
任务2-1-3的程序清单
#include＜at89x52.h＞
#define uintunsignedint //定义uint=unsignedint（无符号整型）
#define ucharunsignedchar //定义uchar=unsignedchar（无符号字符型）
sbit LED0=P0^0； //定义符号LED0为单片机的P0.0引脚
sbit LED1=P0^1； //定义符号LED1为单片机的P0.1引脚
sbit LED2=P0^2； //定义符号LED2为单片机的P0.2引脚
sbit LED3=P0^3； //定义符号LED3为单片机的P0.3引脚
sbit LED4=P0^4； //定义符号LED4为单片机的P0.4引脚
sbit LED5=P0^5； //定义符号LED5为单片机的P0.5引脚
sbit LED6=P0^6； //定义符号LED6为单片机的P0.6引脚
sbit LED7=P0^7； //定义符号LED7为单片机的P0.7引脚
void delayms（uintx） //函数省略，请参考任务2-1-2
void main（） //方法一
{
while（1） //方法一比较容易想到
{
P0=0xff； //熄灭所有的LED
LED0=0； //点亮LED0
delayms（922）； //实际晶振为11.0592MHz，延时1s
P0=0xff；
LED1=0； //点亮LED1
delayms（922）；
P0=0xff；
LED2=0； //点亮LED2
delayms（922）；
P0=0xff；
LED3=0； //点亮LED3
delayms（922）；
P0=0xff；
LED4=0； //点亮LED4
delayms（922）；
P0=0xff；
LED5=0； //点亮LED5
delayms（922）；
P0=0xff；
LED6=0； //点亮LED6
delayms（922）；
P0=0xff；
LED7=0； //点亮LED7
delayms（922）；
}
}
void main（） //方法二
{
uchar num，i； //定义2个变量
while（1） //方法二比较简洁
{
num=0xfe； //准备点亮第一个灯（LED0）
for（i=0；i＜8；i++） //8个LED，共循环8遍
{
P0=num； //点亮某个LED
delayms（922）； //延时1s
num=num＜＜1|0x01； //准备下一个LED
}
}
}
//0xfe：点亮LED0，0xfd：点亮LED1，0xfb：点亮LED2，0xf7：点亮LED3，
//0xef：点亮LED4，0xdf：点亮LED5，0xbf：点亮LED6，0x7f：点亮LED7
正确连接好仿真器，在MedWin3.0中建立名为led2的项目，输入上面的源程序（main函数在方法一与方法二中选一个），编译、连接正确后，全速运行，可以看到一个亮的灯从右至左流动。关闭系统电源后，正确烧录“流水灯”的程序代码到单片机中，取下双龙ISP下载器，打开系统电源后，即可看到同样的结果。
在本书后面各任务中，请参考任务2-1-1～2-1-2中介绍的方法正确使用仿真器和双龙ISP下载器调试和下载程序，只有程序下载到单片机中并运行正确后，方为任务完成。
【知识链接三】C51的数据结构
一、常量与变量
C语言的基本数据类型，按其取值是否可改变分为常量和变量两种。在程序执行过程中，其值不发生改变的量称为常量，取值可变的量称为变量。
1.数值常量
数值常量也称为常数，例如12、-5.3、′c′、′abc′等。其中12为整型常量，-5.3为浮点型常量，′c′为字符型常量，＂abc＂为字符串常量。
2.符号常量
在C语言中，可以用一个标识符（标识符的定义见下文）来表示一个常量，称之为符号常量。符号常量在使用之前必须先定义，其一般形式为：“#define标识符 常量”。
其中，#define也是一条预处理命令，称为宏定义命令，其功能是把该标识符定义为其后的常量值。一经定义，以后在程序中所有出现该标识符的地方均代之以该常量值。
二、变量
值可以改变的量称为变量。一个变量应该有一个名字，在内存中占据一定的存储单元，在该存储单元中存放变量的值。请注意：变量名与变量值的区别如知识链接图2-2所示。
知识链接图2-2
在C语言中，要求对所有用到的变量做强制定义，也就是“先定义，后使用”。
在C语言中用来标识变量名、符号常量名、函数名、数组名、类型名等的有效字符序列称为标识符。简单地说，标识符就是一个名字。
C语言规定标识符只能由字母、数字和下划线三种字符组成，且第一个字符必须为字母或下划线。要注意的是，C语言中大写字母与小写字母被认为是两个不同的字符，即Sum与sum是两个不同的标识符。
1.整型变量
整型变量的基本类型符为int，在int之前可以根据需要分别加上修饰符。在KeilC中规定，基本整型数据在存储器中占用2个字节（即16bit）、长整型占用4个字节的存储空间。知识链接表2-1列出了各种整型数据的有关数据。
知识链接表2-1 整数类型的有关数据
2.字符型变量
字符型变量的基本类型符为char，其表达的范围是-128～+127；字符型变量只有一个修饰符unsigned，即无符号数，而加上了unsigned后，其表达的范围变为0～255。
3.浮点型变量
在8位单片机中，尽量不要用浮点型数据，这里不做介绍。
4.KeilC51特有的变量类型
（1）位型变量
位型变量是使用一个二进制位来存放数据，其值只有“0”和“1”两种。位型变量的定义和其他数据类型一样，关键字为bit。例如：
bita=0； //定义一个位变量，并赋初值为0
（2）sfr型变量
80C51内部有一些特殊功能寄存器（sfr）。为定义、存取这些特殊功能寄存器，C51增加了sfr型数据，相应也增加了sfr、sfr16和sbit这3个关键字。例如：
sfrP0=0x80； //定义8位特殊功能寄存器P0
sfr16DPTR=0x82； //定义16位特殊功能寄存器DPTR
三、变量的存储类型
在变量前加一个修饰符可以指定变量的存储器类型。
① data：片内RAM低128B，直接寻址访问，存储类型默认为data。② bata：片内RAM中20H～2FH，可以位寻址。
③ idata：片内RAM中256B，间接寻址访问。
④ xata：片外RAM中或片外I/O口扩展。
⑤ code：ROM中一般为固定数据表格，用MOVC指令查表访问。
例如：
unsignedcharbdataflag；
sbit F0=flag∧0；
sbit F1=flag∧1；