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东南大学单片机实验报告

一、实验目的

(1)本次实验旨在使学生掌握单片机的基本工作原理和编程方法，通过实际操作加深对单片机内部结构和外部接口的理解。通过实验，学生将能够熟练运用单片机进行简单的数据采集、处理和输出，培养实际动手能力和问题解决能力。此外，实验还将锻炼学生对电子电路的设计、调试和测试技能，为后续相关课程的学习打下坚实基础。

(2)实验过程中，学生将学习如何使用单片机进行实时控制，通过编写程序实现对特定电路的精确控制。这包括但不限于学习单片机的指令系统、中断系统、定时器/计数器以及串行通信等关键技术。通过本次实验，学生将对单片机的应用领域有更深入的认识，并能够将其应用于实际工程问题中。

(3)本实验还着重培养学生团队协作能力。在实验过程中，学生需要与团队成员共同讨论问题、分工合作、共同完成实验任务。通过这样的合作，学生将学会如何有效地沟通、协调和解决问题，这对于未来在学术研究和工程实践中都是非常重要的技能。同时，实验报告的撰写过程也将培养学生的写作能力和逻辑思维能力。

二、实验原理

(1)单片机（MicrocontrollerUnit，MCU）是一种具有中央处理单元（CPU）、存储器和输入输出接口等功能的微型计算机。它通常用于控制和监测各种电子设备和系统。单片机的核心是CPU，它执行指令，控制数据在存储器和输入输出设备之间的传输。例如，8051单片机是一种常见的单片机，它包含一个8位CPU、128字节RAM、4KBROM和多个输入输出端口。

(2)单片机的工作原理主要包括指令的执行和数据的处理。指令的执行过程涉及取指令、解码和执行三个步骤。取指令是从存储器中取出指令代码，解码是将指令代码转换为CPU能够理解的机器码，执行是执行相应的操作。在数据处理方面，单片机通过ALU（算术逻辑单元）进行算术和逻辑运算。例如，当进行加法运算时，两个操作数会被加载到ALU，ALU会执行加法操作，并将结果存储回寄存器。

(3)单片机的编程通常使用C语言或汇编语言。C语言是一种高级编程语言，具有良好的可读性和可移植性。汇编语言是低级语言，与机器码直接对应。在实际应用中，单片机可以通过中断来响应外部事件。例如，当单片机的某个输入端口检测到信号变化时，可以触发中断，CPU会暂停当前程序执行，转而执行中断服务程序。这种机制可以提高系统的实时性和响应速度。以8051单片机为例，它支持多达21个中断源，可以满足复杂控制任务的需求。

三、实验器材与软件

(1)本实验所需的器材包括一台8051单片机实验开发板，该开发板集成了8051单片机核心、电源电路、时钟电路、串行通信接口、并行I/O端口、LED指示灯、按钮、蜂鸣器等。此外，还包括一个数字多用表（DMM）用于测量电压、电流和电阻等参数，以及一个逻辑分析仪用于观察和分析数字信号。例如，在实验中，可能需要使用数字多用表来测量单片机输出端的电压值，确保其符合设计要求。

(2)实验软件方面，主要使用KeiluVisionIDE作为开发环境，该IDE支持C语言和汇编语言编程，提供了丰富的调试和仿真功能。在KeiluVision中，可以创建新的工程、编写代码、编译、调试和下载程序到单片机。例如，在编写一个简单的LED闪烁程序时，可以通过KeiluVision编写代码，使用调试器观察程序运行过程中的寄存器值和内存内容，确保程序的正确执行。此外，软件仿真功能可以在不实际连接硬件的情况下，模拟单片机的运行状态。

(3)实验中还会用到一些辅助工具，如编程器或串行下载器，用于将编写好的程序烧录到单片机的ROM中。例如，使用STK500编程器可以将程序下载到8051单片机的内部ROM或外部存储器中。在实验过程中，可能还需要使用一些测试仪器，如示波器、频率计等，用于观察和分析电路的波形和频率。以示波器为例，在调试电路时，可以观察LED指示灯的闪烁波形，判断电路的稳定性和响应速度是否符合设计要求。这些工具和设备在单片机实验中发挥着重要作用，有助于提高实验的准确性和效率。

四、实验步骤与结果分析

(1)实验步骤首先是将8051单片机实验开发板连接到计算机上，并使用编程器将事先编写好的程序烧录到单片机的ROM中。程序代码中包含了一个简单的LED闪烁程序，用于测试单片机的运行状态。连接完成后，启动KeiluVisionIDE，配置好仿真环境，并运行仿真程序，观察LED灯的闪烁频率是否符合预期，假设设计要求是每秒闪烁1次。

(2)在确认仿真结果正确后，将程序下载到单片机实验板上，并连接好外部电路，包括LED灯、电阻、电容等。通过数字多用表测量电源电压，确保电压稳定在5V。然后，手动触发单片机运行程序，观察LED灯的闪烁情况。记录实际闪烁频率，与仿真结果进行对比，分析差异原因。例如，如果实际频率