【正文】 Unit， MCU）或嵌入式控制器（ Embedded Controller）。它具有嵌入式應用系統(tǒng)所要求的體系結構，微處理器，指令系統(tǒng)，總線方式，管理模式等。他把計算機的基本部件都微型化集成到一塊芯片上了，通常片內部都含有中央處理部件（ CPU），數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），程序存儲器（ ROM， EPROM， Flsh ROM），定時器 /計數(shù)器和各種輸入 /輸出（ I/O）接口他們之間的相互連接結構 51 單片機的內部結構 51單片機內部有一個 8 位的 CPU，同時 CPU 內 部包含了運算器，控制器及若干寄存器。 運算器（ ALU）的主要功能 A）算術和邏輯運算，可對半字節(jié)（一個字節(jié)是 8位，半個字節(jié)就是 4 位）和單字節(jié)數(shù)據(jù)進行操作。 B）加、減、乘、除、加 減 比較等算術運算。 C）與、或、異或、求補、循環(huán)等邏輯運算。 D）位處理功能（即布爾處理器）。 由于 ALU 內部沒有寄存器，參加運算的操作數(shù)，必須放在累加器 A 中。累加器 A 也用于存放運算結果。 例如：執(zhí)行指令 ADD A， B 執(zhí)行這條指令時，累加器 A 中的內容通過輸入口 In_1 輸入 ALU，寄存器 B 通過內部數(shù)據(jù)總線北京工業(yè)大學耿丹學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 9 經輸入口 In_2 輸入 ALU， A+B 的結果通過 ALU 的輸出口 Out、內部數(shù)據(jù)總線，送回到累加器 A。 程序計數(shù)器 PC PC 的作用是用來存放將要執(zhí)行的指令地址，共 16 位，可對 64K ROM 直接尋址， PC 低 8 位經P0 口輸出，高 8 位經 P2口輸出。也就是說，程序執(zhí)行到什么地方，程序計數(shù)器 PC 就指到哪里，它始終是跟躥著程序的執(zhí)行。我們知道，用戶程序是存放在內部的 ROM 中的，我們要執(zhí)行程序就要從 ROM 中一個個字節(jié)的讀出來，然后到 CPU 中去執(zhí)行，那么 ROM 具體執(zhí)行到哪一條呢？這就需要我們的程序計數(shù)器 PC來指示。 程序計數(shù)器 PC 具有 自動加 1 的功能，即從存儲器中讀出一個字節(jié)的指令碼后， PC 自動加 1（指向下一個存儲單元）。 指令寄存器 IR 指令寄存器的作用就是用來存放即將執(zhí)行的指令代碼。 在這里我們先簡單的了解下 CPU 執(zhí)行指令的過程，首先由程序存儲器（ ROM）中讀取指令代碼送入到指令寄存器，經譯碼器譯碼后再由定時與控制電路發(fā)出相應的控制信號，從而完成指令的功能。關于指令在單片機內部的執(zhí)行過程，我們在后面將會以另一節(jié)課來進行詳細的講解。 指令譯碼器 ID 用于對送入指令寄存器中的指令進行譯碼，所謂譯碼就是把指令轉變成執(zhí)行此指令所需 要的電信號。當指令送入譯碼器后，由譯碼器對該指令進行譯碼，根據(jù)譯碼器輸出的信號， CPU 控制電路定時地產生執(zhí)行該指令所需的各種控制信號，使單片機正確的執(zhí)行程序所需要的各種操作。 地址寄存器 AR（ 16 位） AR 的作用是用來存放將要尋址的外部存儲器單元的地址信息，指令碼所在存儲單元的地址編碼，由程序計數(shù)器 PC 產生，而指令中操作數(shù)所在的存儲單元地址碼，由指令的操作數(shù)給定。從上圖中我們可以看到，地址寄存器 AR 通過地址總線 AB 與外部存儲器相連。 數(shù)據(jù)寄存器 DR 用于存放寫入外部存儲器或 I/O 端口的數(shù)據(jù)信息?？梢?，數(shù)據(jù)寄存器對輸出數(shù)據(jù)具有鎖存功能。數(shù)據(jù)寄存器與外部數(shù)據(jù)總線 DB 直接相連。 程序狀態(tài)字 PSW 北京工業(yè)大學耿丹學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 10 用于記錄運算過程中的狀態(tài)，如是否溢出、進位等。 例如，累加器 A的內容 83H，執(zhí)行： ADD A， 8AH ；累加器 A與立即數(shù) 8AH 相加，并把結果存放在 A中。 指令后，將產生和的結果為 [1]0DH，而累加器 A只有 8位，只能存放低 8位，即 0DH，元法存放結果中的最高位 B8。為些，在 CPU 內設置一個進位標志位 C，當執(zhí)行加法運算出現(xiàn)進位時，進位標志位 C為 1。 時序部件 由時鐘電路和脈沖分配器組成，用于產生微操作 控制部件所需的定時脈沖信號 。 設計要求、方案及框圖 設計要求 這個倒計時定時器的設計采用倒計時的方式，初始值由鍵盤設定，最大定時為 59 分 59秒， 4位 LED 顯示時間，定時到進行聲光報警。 設計方案 （ 1）采用 AT89C51 單片機為核心，通過程序來實現(xiàn)時間的顯示，用定時器實現(xiàn)鬧鐘功能的設定，通過 LED 數(shù)碼管顯示時間。如圖 21： 圖 21系統(tǒng)框圖 本設計采用 AT89C51 單片機不如 AT89S52 精確高，長時間工作會導致誤差很大，并且 C語言設計起來相當麻煩，調整起來麻煩而 且不方便實現(xiàn)對系統(tǒng)的擴展。 （ 2）采用 AT89S52 單片機為核心，倒計時功能采用 C 語言編程利用單片機內部定時器來實現(xiàn)，通過時鐘芯片 DS1302 利用 LED 數(shù)碼管顯示當前時間，并通過鍵盤控制模式的轉換和時間的調整，鍵盤模塊 電源模塊 報警模塊 主控模塊 顯示模塊 北京工業(yè)大學耿丹學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 11 當時間到了經行報警，這個設計使整個系統(tǒng)可編程，靈活性大大增加了，雖然多了個芯片但是加大了精度，因此選擇這個方案。 設計框圖 利用單片機定時器及計數(shù)器產生定時效果通過編程形成倒計時效果，在通過 LED 數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)供電后，實現(xiàn)小時、分鐘、秒的顯示，通過按鍵校對時間、倒計時的設定和顯示，當定時時間到 的時候，單片機通過報警器實現(xiàn)聲光報警。如圖 22： 圖 22 系統(tǒng)框圖 時鐘模塊 鍵盤模塊 電源模塊 主控模塊 顯示模塊 報警模塊 北京工業(yè)大學耿丹學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 12 第 3章 硬件電路設計 ATS89C52 單片機介紹 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完 全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口， 片內晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持 2種 軟件 可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允 許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止 。如圖 31 圖 31 AT89S52 引腳圖 P1 口： P1 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫 “1” 時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 此外， 和 分別作定時器 /計數(shù)器 2的外部計 數(shù)輸入（ ）和定時器 /計數(shù)器 2 的北京工業(yè)大學耿丹學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 13 觸發(fā)輸入（ ）。 在 flash 編程和校驗時， P1口接收低 8 位地址字節(jié)。 引腳號第二功能： T2（定時器 /計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器 /計數(shù)器 T2的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制） MOSI（在系統(tǒng)編程用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口： P2 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端 口寫 “1” 時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 在訪問外部程序存儲器或用 16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR） 時， P2 口送出高八位地址。在這種應用中， P2 口使用很強的內部上拉發(fā)送 1。在使用 8位地址（如 MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口輸出 P2 鎖存器的內容。 在 flash 編程和校驗時， P2口也接收高 8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口： P3 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙 向 I/O 口， p3 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫 “1” 時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在 flash 編程和校驗時， P3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時 /計數(shù)器 0) T1(定時 /計數(shù)器 1) 北京工業(yè)大學耿丹學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 14 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) 此外， P3 口還接收一些用于 FLASH 閃存編程和程序校驗的控制信號。 RST： 復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。 ALE/PROG： 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存 儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。對FLASH 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置 ALE 禁止位無效。 PSEN： 程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89S52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲 器，將跳過兩次 PSEN 信號。 EA/VPP： 外部訪問允許，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復位時內部會鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內部程序存儲器的指令。 FLASH 存儲器編程時，該引腳加上 +12V的編程允許電源 Vpp，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 XTAL1： 振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端 。 時鐘模塊 DS1302 簡介 DS1302 是 美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有 閏 年補償功能，工作電壓為 ～ 。采用三線接口與 CPU 進行 同步通信 ，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的 時鐘信號 或 RAM 數(shù)據(jù)。 DS1302 內部有一個 318 的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器 。 DS1302 是 DS1202 的升級產品，與 DS1202北京工業(yè)大學耿丹學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 15 兼容，但增加了主電源 /后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力 。如圖