單片機應(yīng)用技術(shù) 課件 項目1 LED指示燈設(shè)計與實現(xiàn)

項目1LED指示燈系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)素質(zhì)目標(biāo)1.通過單片機應(yīng)用和國產(chǎn)芯片現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的民族自信，厚植愛國情懷、責(zé)任感和使命感。2.通過任務(wù)實施過程培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及團(tuán)隊協(xié)作意識，提高學(xué)生合作探究解決問題的能力。3.通過軟硬件設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)意識、規(guī)范意識、勇于實踐的勞動精神和精益求精的工匠精神。知識目標(biāo)1.能概述C51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與主要型號。2.能概括C51系列單片機系統(tǒng)構(gòu)成。3.能提供51單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計。4.能說出單片機應(yīng)用系統(tǒng)的組成。能力目標(biāo)1.能夠根據(jù)設(shè)計要求，選擇參數(shù)、性能合理的電子元器件，使用Proteus進(jìn)行硬件電路仿真設(shè)計。2.能夠根據(jù)項目和產(chǎn)品對微控制器的性能要求，進(jìn)行單片機選型。3.能夠使用Keil集成開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建、編譯、配置工程項目。4.能夠根據(jù)芯片類型，選擇和配置程序下載、調(diào)試工具。設(shè)計要求：

設(shè)計制作以MCS-51單片機為主控芯片，外接LED電路，通過編程實現(xiàn)LED點亮與熄滅的LED指示燈控制系統(tǒng)。項目1LED指示燈系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)什么是單片機單片機，也被稱為微控制器MCU（microcontrollerunit）。如右圖所示。是指采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、存儲器、基本輸入/輸出（簡稱I/O）接口電路和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成在一塊芯片上的微型計算機，全稱單片微型計算機，簡稱單片機。單片機特點1．高度集成，高可靠性，體積小2．控制功能強3．低電壓，低功耗4．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實現(xiàn)模塊化，易擴展5．優(yōu)異的性能價格比單片機應(yīng)用領(lǐng)域通訊及網(wǎng)絡(luò)辦公自動化家電、電子玩具智能儀器儀表工業(yè)測控機器人智能汽車軍事、航天單片機的發(fā)展簡史單片機分類與選型眾多的單片機可以從不同角度進(jìn)行分類。1.MCU按其存儲器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對于無片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型為8031）；帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)Flash型（典型芯片為89C51）等類型。2.按用途可分為通用型和專用型；3.根據(jù)數(shù)據(jù)總線的寬度和一次可處理的數(shù)據(jù)字節(jié)長度可分為8、16、32位MCU。MCS-51系列單片機配置一覽表系列片內(nèi)存儲器（字節(jié)）定時器計數(shù)器并行I/O串行I/O中斷源片內(nèi)ROM片內(nèi)RAM無有ROM有EPROMIntel51子系列803180C31805180C51(4K字節(jié))875187C51(4K字節(jié))128字節(jié)2x164x8位15Intel52子系列803280C32805280C52(8K字節(jié))875287C52(8K字節(jié))256字節(jié)3x164x8位16ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20條引腳DIP封裝）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40條引腳DIP封裝）128/2562/33215/6單片機選型要點1.微控制器（MCU)，根據(jù)產(chǎn)品需求選擇更高性能或更低功耗的8位、16位、32位的微控制器（MCU)。2.封裝，根據(jù)產(chǎn)品需求采用40引腳DIP(雙列直插式封裝）或QFP(四方扁平封裝)或其他某種封裝形式。3.RAM和ROM的大小。4.I/O引腳數(shù)和定時器、中斷、ADC集成功能等。目前,在國內(nèi)市場上流行的單片機不下十幾種,占據(jù)主導(dǎo)地位的仍是51內(nèi)核及其兼容單片機。這些單片機和MCS51單片機的指令完全兼容,資料和開發(fā)設(shè)備比較齊全,價格也比較便宜。另外,從學(xué)習(xí)的角度來看,有了51單片機的基礎(chǔ)后,再學(xué)習(xí)其他單片機時則非常容易。

1.MCS51系列單片機

MCS51系列單片機是Intel公司生產(chǎn)的功能比較強、價格比較低,較早應(yīng)用的單片機,目前仍被廣泛應(yīng)用。

2.ATMEL公司的89系列單片機美國ATMEL公司的89系列單片機是以8051核構(gòu)成的,它和8051系列單片機是兼容的系列。3.國產(chǎn)STC單片機STC12C5A60S2系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機。它是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。目前流行的51內(nèi)核的8位單片機MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)時鐘電路CPUROMRAMT0T1中斷系統(tǒng)串行接口并行接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定時計數(shù)器結(jié)構(gòu)框圖中央處理器CPU：8位，運算和控制功能內(nèi)部RAM：共256個RAM單元，用戶使用前128個單元，用于存放可讀寫數(shù)據(jù)，后128個單元被專用寄存器占用。內(nèi)部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)和表格。定時/計數(shù)器：兩個16位的定時/計數(shù)器，實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。并行I/O口：4個8位的I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一個全雙工串行口。中斷控制系統(tǒng)：5個中斷源（外中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個）時鐘電路：可產(chǎn)生時鐘脈沖序列，允許晶振頻率6MHZ和12MHZ8051單片機的基本組成中央處理器CPU：8位，運算和控制功能內(nèi)部RAM：共256個RAM單元，用戶使用前128個單元，用于存放可讀寫數(shù)據(jù)，后128個單元被專用寄存器占用。內(nèi)部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)和表格。定時/計數(shù)器：兩個16位的定時/計數(shù)器，實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。并行I/O口：4個8位的I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一個全雙工串行口。中斷控制系統(tǒng)：5個中斷源（外中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個）時鐘電路：可產(chǎn)生時鐘脈沖序列，允許晶振頻率6MHZ和12MHZ中央處理器中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。1

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器80318751805189C51片內(nèi)RAM片內(nèi)ROM256B（字節(jié)）4K64K64K程序存儲器程序存儲器內(nèi)部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序執(zhí)行的起始單元,

在這三個單元存放一條

無條件轉(zhuǎn)移指令中斷5中斷4中斷3中斷2中斷10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中斷0定時器0中斷外部中斷1定時器1中斷串行口中斷8位．．．0FFFH0FFEHEA=1EA=0程序存儲器資源分布中斷入口地址注意:一個單元地址對應(yīng)有8個位地址

MSB——MostSignificantBit（最高有效位）

LSB——LeastSignificantBit（最低有效位）單元地址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F07

MSB

位地址

LSB7E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A322A221A120A027971696159514941393129211911090178706860585048403830282018100800RAM位尋址區(qū)位地址表特殊功能寄存器標(biāo)識符號地址寄存器名稱ACC0E0H累加器B0F0HB寄存器PSW0D0H程序狀態(tài)字SP81H堆棧指針DPTR82H、83H數(shù)據(jù)指針（16位）含DPL和DPHIE0A8H中斷允許控制寄存器IP0B8H中斷優(yōu)先控制寄存器P080HI/O口0寄存器P190HI/O口1寄存器P20A0HI/O口2寄存器P30B0HI/O口3寄存器PCON87H電源控制及波特率選擇寄存器SCON98H串行口控制寄存器SBUF99H串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器TCON88H定時控制寄存器TMOD89H定時器方式選擇寄存器TL08AH定時器0低8位TH08CH定時器0高8位TL18BH定時器1低8位TH18DH定時器1高8位40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。電源

1）Vcc：電源（+5V）

2）Vss：接地時鐘

XTAL1、XTAL2：晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。單片機外部結(jié)構(gòu)I/O引腳（4個8位并行口，共32個引腳）P0口：8位雙向I/O口

并行擴展時，分時傳送低8位地址和8位數(shù)據(jù)信號。P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口

準(zhǔn)雙向：內(nèi)部有固定的上拉電阻。P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口傳送高8位地址P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口控制引腳ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖1）ALE：用來鎖存P0口送出的低8位地址（并行擴展）有效：P0口傳送低8位地址信號無效：P0口傳送8位數(shù)據(jù)信號2）PROG：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。PSEN：外ROM讀選通信號RST/VPD:復(fù)位/備用電源1）RST：該引腳上連續(xù)保持兩個機器周期以上高電平。2）VPD：在Vcc掉電情況下，接備用電源。EA/VPP：內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源1）EA：EA=“1”，先訪問內(nèi)ROM，當(dāng)超過4KB時，自動轉(zhuǎn)向外ROM。EA=“0”，只訪問外ROM。

8031片內(nèi)無ROM，EA必須接地。2）VPP：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源。預(yù)備知識之電平定義數(shù)字電路中只有兩種電平：高（1）和低（0）電平高低取值與系統(tǒng)工作電壓有關(guān)。RS232電平：計算機的串口RS-232C采用的是負(fù)邏輯，即邏輯“1”：－5V至－15V；邏輯“0”：+5V至+15V。CMOS電平為：邏輯“1”：4.99V；邏輯“0”：0.01V；TTL電平的邏輯“1”和“0”則分別為3.5V-5V和0-0.2V二進(jìn)制與十六進(jìn)制的表示與轉(zhuǎn)換十進(jìn)制中的0-15分別表示為十六進(jìn)制的0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F熟練掌握二進(jìn)制與十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換方法：一般把四個二進(jìn)制數(shù)放在一起轉(zhuǎn)換成一個十六進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換時先把二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，再把十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。如：0001B->1->1HB表示為二進(jìn)制，H為十六進(jìn)制

1001B->9->9H1010B->10->AH00101100->44->2CH

各種進(jìn)位制的對應(yīng)關(guān)系十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制000000910019100011101010A200102111011B300113121100C401004131101D501015141110E601106151111F701117161000010810008

本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部份協(xié)調(diào)完成，硬件部分主要完成信息的顯示；軟件主要完成信號的處理及控制。

本系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計，以AT89C52單片機為核心，與LED電路組成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：AT89C52主控模塊、LED模塊等。其中AT89C52主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，LED電路完成燈光功能。本系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)LED燈的亮與滅。LED指示燈系統(tǒng)方案設(shè)計單片機LED電路復(fù)位電路時鐘電路電源電路硬件方案確定電源選擇單片機復(fù)位電路硬件方案時鐘電路設(shè)計接口電路設(shè)計單片機最小系統(tǒng)三要素：電源電路、復(fù)位電路、晶振電路。特點：單片機可以運行程序，是單片機控制系統(tǒng)的核心。電源電路依據(jù)AT89S52單片機的主要電源特性：電壓操作范圍為：4.0~5.5V電源可以通過計算機的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給時鐘電路單片機的連接引腳XTAL1、XTAL2；連接方法內(nèi)部時鐘方式外部時鐘方式內(nèi)部機器頻率F=fosc/12C1和C2的一般取值20~30pF陶瓷電容復(fù)位電路單片機的連接引腳RST；復(fù)位電路復(fù)位電路1、復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài)

PC=0000H、SP=07H、P0~P3=0FFH、其他均為00H。

2、電路參數(shù)選擇依據(jù)RST引腳出現(xiàn)的高電平持續(xù)兩個機器周期以上的時間RC電路的充電時間為：τ=R*C電路參數(shù)R、C器件值得選擇R*C〉2*TCN（TCN為機器周期）單片機應(yīng)用系統(tǒng)單片機應(yīng)用系統(tǒng)是為完成某一特定任務(wù)而設(shè)計的用戶系統(tǒng)。單片機應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件系統(tǒng)一般以單片機最小系統(tǒng)為核心，配以輸入、輸出、通信接口、顯示等外圍接口電路和軟件構(gòu)成。被控對象單片機光電隔離A/D光電隔離繼電器驅(qū)動D/A擴展存儲器LED、LCD顯示、鍵盤接口功能芯片接口數(shù)字量輸入模擬量輸入開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出模擬量輸出輸入輸出接口I/O接口單片機應(yīng)用系統(tǒng)硬件部分組成發(fā)光二極管工作特性LED的發(fā)光工作條件，不同的LED其額定電壓和額定電流不同，一般而言，紅或綠顏色的LED的工作電壓為1.7V～2.4V，藍(lán)或白顏色的LED工作電壓為2.7～4.2V，直徑為3mmLED的工作電流2mA～10mA。LED通過限流電阻R與單片機的I/O口連接，LED的陽極連接到+5V電源。LED串接的電阻若是1KΩ，LED工作電壓是2.0V，那么此時通過LED的電流為(5V-2V)/1000Ω=3mA。如果需要提高亮度，電流一般會控制在10mA左右，則此時電阻應(yīng)該選擇(5V-2V)/10mA=300Ω。LED彩燈接口電路設(shè)計拉電流

高電平輸出時，一般是對負(fù)載提供電流，其提供電流的數(shù)值叫“拉電流”；

(5V-2V)/10mA=300Ω電阻的選擇

灌電流

低電平輸出時，一般是要吸收負(fù)載的電流，其吸收電流的數(shù)值叫“灌電流”；

硬件電路設(shè)計單片機指示燈控制系統(tǒng)的硬件電路包括最小系統(tǒng)電路及LED驅(qū)動顯示電路。單片機的最小系統(tǒng)電路：+5V電源電路、晶體振蕩時鐘電路、復(fù)位電路。LED驅(qū)動顯示接口電路：單片機的P2口的P2.0引腳與發(fā)光二極管的陰極連接當(dāng)P1口對應(yīng)引腳輸出低電平時，發(fā)光二極管點亮；當(dāng)P2.0口對應(yīng)引腳輸出高電平時，發(fā)光二極管熄滅。LED信號指示系統(tǒng)的硬件原理圖Proteus是一個完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計仿真平臺。ISIS為功能強大的原理布線工具。ARESPCB設(shè)計為一PCB設(shè)計系統(tǒng)。PROTEUS原理圖輸入系統(tǒng)ISIS混合模型仿真器動態(tài)器件庫高級圖形分析模塊處理器仿真模型VSM布線/編輯ARESProteus仿真軟件主菜單標(biāo)準(zhǔn)工具欄1.Proteus窗口繪圖專用工具欄電路編輯窗口瀏覽窗口器件工具列表窗口仿真按鍵繪圖工具←選擇模式:點擊此鍵可取消左鍵的放置功能,但可編輯對象.←選擇元器件:在元件表選中器件,在編輯窗中移動鼠標(biāo),點擊左鍵放置器件.←放置節(jié)點:當(dāng)兩條連線交叉時,放個節(jié)點表示連通.←標(biāo)志網(wǎng)絡(luò)線標(biāo)號:電路聯(lián)線可用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號代替,相同標(biāo)號的線是相同的.←放置文本說明:是對電路的說明,與電路仿真無關(guān)!←繪制總線:當(dāng)多線并行簡化聯(lián)線,用總線標(biāo)示.←繪制子電路:可將部分電路以子電路形式畫在另一圖紙上.←放置圖紙內(nèi)部終端:有普通.輸入.輸出.雙向.電源.接地.總線.調(diào)試工具←放置器件引腳：在對象選擇器中列出各種引腳（如普通引腳、時鐘引腳、反電壓引腳和短接引腳等←放置分析圖:有模擬.數(shù)字.混合.頻率特性.傳輸特性.噪聲分析等.←放置電源.信號源:有直流電源,正弦信號源,脈沖信號源等.←放置電壓探針:顯示網(wǎng)絡(luò)線上的電壓.←放置電流探針:串聯(lián)在指定的網(wǎng)絡(luò)線上,顯示電流值.←放置虛擬儀器:有示波器.計數(shù)器.RS232終端.SPI調(diào)試器.I2C調(diào)試器.信號發(fā)生器.

圖形發(fā)生器.直流電壓表.直流電流表,交流電壓表.交流電流表.圖形工具←放置各種線:有器件.引腳.端口.圖形線.總線等←放置矩形框:移動鼠標(biāo)到框的一角,按下左鍵拖動,釋放后完成.←放置圓形框:移動鼠標(biāo)到圓心,按下左鍵拖動,釋放后完成.←放置圓弧線:鼠標(biāo)移到起點,按下左鍵拖動,釋放后調(diào)整弧長,點擊鼠標(biāo)完成.←畫閉合多邊形:鼠標(biāo)移到起點,點擊產(chǎn)生折點,閉合后完成.←放置文字標(biāo)簽:在編輯框放置說明文本標(biāo)簽.←放置特殊圖形:可在庫中選擇各種圖形←放置特殊節(jié)點:可有原點.節(jié)點.標(biāo)簽引腳名.引腳號.2.Proteus繪圖工具欄3.Proteus元件庫AnalogICs模擬ICCMOS4000seriesCMOS4000系列DataConverters數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器Diodes二極管Electromechanical機電設(shè)備（只有電機模型）Inductors電感LaplacePrimitivesLaplace變換器MemoryICs存儲器ICMicroprocessorICs微處理器ICMiscellaneous雜類（只有電燈和光敏電阻組成的設(shè)備）ModellingPrimitives模型基元OperationalAmplifiers運算放大器Optoelectronics光電子器件Resistors電阻SimulatorPrimitives仿真基元Switches&Relays開關(guān)和繼電器Transistors三極管TTL74、74ALS、74AS、74F、74HC、74HCT、74LS、74Sseries74系列集成電路4.繪制仿真電路創(chuàng)建新項目：打開Proteus軟件，選擇“File”菜單中的“NewProject”選項，創(chuàng)建一個新項目。添加元件：在左側(cè)的元件庫中選擇需要的元件，拖動到右側(cè)的工作區(qū)中。連接元件：使用連線工具將元件連接起來，形成電路圖。設(shè)置元件屬性：雙擊元件，可以設(shè)置元件的屬性，如電阻值、電容值等。進(jìn)行仿真：在工具欄中選擇仿真工具，進(jìn)行仿真操作。調(diào)試電路：根據(jù)仿真結(jié)果，調(diào)試電路，找出問題并進(jìn)行修正。輸出結(jié)果：仿真完成后，可以輸出仿真結(jié)果，如波形圖、電路圖等。C語言程序組成版權(quán)和版本說明主函數(shù)頭文件C語言程序組成C語言的注釋符C語言中，程序塊的注釋常采用“/*…*/”，行注釋一般采用“//…”，不編譯，僅作代碼解釋，幫助理解。頭文件(預(yù)處理命令)主函數(shù),有且僅有一個函數(shù)體(執(zhí)行部分)每個C程序都有且只一個主函數(shù)main()，程序執(zhí)行總是從main函數(shù)開始，main函數(shù)后面的一對花括號不能省略，?表示程序的結(jié)構(gòu)層次范圍。注意“{}”必須配對使用?；ɡㄌ杮}擴起來的部分為函數(shù)體，用來描述函數(shù)的功能，一般函數(shù)體由變量定義和完成本函數(shù)功能的語句序列組成在include的地方，把頭文件里的內(nèi)容原封不動的復(fù)制到引用該頭文件的地方。函數(shù)首部算法與流程圖算法就是一組明確的解決問題的步驟，它產(chǎn)生結(jié)果并可在有限的時間內(nèi)終止，可以用流程圖表示算法。常用流程表符號KeilC軟件使用本書后文的所有教學(xué)項目例程都是在KeilC51軟件下開發(fā)和調(diào)試的，因此有必要對KeilC51的使用進(jìn)行簡要介紹。KeilC51是眾多單片機應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編、PLM語言和C語言的程序設(shè)計，界面友好，易學(xué)易用。準(zhǔn)備工作：Keil添加STC芯片庫打開STC的燒錄軟件，單擊“Keil仿真設(shè)置”選項卡，單擊選項卡中“添加型號和頭文件到Keil中/添加STC仿真器驅(qū)動到Keil中”按鈕，如圖1-30所示。1．創(chuàng)建工程文件夾首先我們要養(yǎng)成一個習(xí)慣：最好先建立一個空文件夾，把您的工程文件放到里面，以避免和其他文件混合，如圖創(chuàng)建一個名為“Mytest”文件夾。2創(chuàng)建工程（1）啟動Keil雙擊桌面上的KeilμVision5圖標(biāo)。（2）新建Project工程項目單擊“Project->NewμVision5Project”，在彈出的對話框中設(shè)置保存路徑及文件名，如圖所示。KeilC51幾乎支持所有的MCS-51內(nèi)核的單片機，在對話框中選擇“STCMCUDatabase”，如圖所示。選擇單片機型號編碼設(shè)置為GB2312，否則中文注釋會有亂碼。單擊菜單“edit->Co