【正文】 AT89C51 單片機(jī)作為 電子萬(wàn)年歷 芯片的控制單片機(jī)。 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件 電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件 框圖 系統(tǒng)硬件 框圖 如圖 31 圖 31 系統(tǒng)硬件 框圖 AT89S51 單片機(jī) 本系統(tǒng)采用的是美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C51單片機(jī)， 首先我們來(lái)熟悉一下 AT89C51單片機(jī)的外部引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 AT89C51 單片機(jī)有 40 個(gè)引腳。 ? Vcc：電源電壓 +5V ? GND：接地 ? P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“ 1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線服用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時(shí)， P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)要求外接上拉電阻。 ? P1口： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸 時(shí)鐘芯片 DS1302 串口 AT89C51 P2口 LED 顯示器 驅(qū)動(dòng)電路 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯 門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P1接收低 8位地址。 ? P2口： P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX@DPTR 指令）時(shí)， P2 口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn) 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ MOVX @Ri 指令）時(shí)，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P2 亦接收低高位地址和其他控制信號(hào)。 ? P3口： P3 口是一組帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O， P3 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì) P3 口寫(xiě)入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉 電阻輸出電流。 P3 口除了作為一般的 I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，見(jiàn)表 31所示： P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 表 31 P3口的第二功能圖 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外中斷 0） INT1（外中斷 1） T0（定時(shí) /計(jì)時(shí)器 0外部輸入） T1（定時(shí) /計(jì)時(shí)器 1外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀 選通） ? RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 WDT 溢出將使引腳輸出高電平，設(shè)置 SFR AUXR 的 DISRT0（地址 8EH）可打開(kāi)或關(guān)閉該功能。 DISRT0 位缺省為 RESET 輸出高電平打開(kāi)狀態(tài)。 ? ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存器允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò) 一個(gè) ALE 脈沖。 對(duì) Flash 存儲(chǔ)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(guò)多特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置，可禁止 ALE操作。該位置后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會(huì)被激活。另外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 無(wú)效。 ? PSEN：程序存儲(chǔ)允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒(méi)有兩次有效的 PSEN 信 號(hào)。 ? EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使 CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000H— FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA端狀態(tài)。 如 EA端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上 +12V 的變成電壓 Vpp. ? XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 ? XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) MCS51 完全兼容 ? 看門(mén)狗（ WDT）： WDT是一種需要軟件控制的復(fù)位方式。 WDT 由 13位計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器中的看門(mén)狗定時(shí)器復(fù)位存儲(chǔ)器（ WDTRST）構(gòu)成。 WDT 在默認(rèn)情況下無(wú)法工作；為了激活 WDT， 用 戶必須往 WDTRST 寄存器（地址： 0A6H）中依次寫(xiě)入 01EH 和 0E1H。當(dāng) WDT激活后，晶振工作， WDT在每個(gè)機(jī)器周期都會(huì)增加。 WDT計(jì)時(shí)周期依賴于外部時(shí)鐘頻率。除了復(fù)位（硬件復(fù)位或 WDT溢出復(fù)位），沒(méi)有辦法停止 WDT工作。當(dāng) WDT溢出，它將驅(qū)動(dòng) RSR引腳 輸出一個(gè)高 電平。 ? 可編程串口（ UART） 在 AT89C51中， UART 的操作與 AT89C51 和 AT89C52 一樣。AT89C51系列單片機(jī)的串行通信口可以工作于同步和異步通信方式。當(dāng)工作于異步方式時(shí)，它具有全雙工的操作功能，也就是說(shuō)，它可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。串行口內(nèi)的接收器采用的是雙緩沖結(jié)構(gòu)，能夠在接收到的第一個(gè)字節(jié)從接收寄存器讀走之前就開(kāi)始接收第二個(gè)字節(jié)（當(dāng)然，如果第二個(gè)字節(jié)接收完畢，而第一個(gè)字節(jié)仍然沒(méi)有被讀走，那將會(huì)丟掉一個(gè)字節(jié)）。串行口的發(fā)送和接收操作都是通過(guò)特殊功能寄存器中的數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF進(jìn)行的，但在 SBUF的內(nèi)部，接收寄存器和發(fā)送寄存器在物理結(jié)構(gòu) 上是完全獨(dú)立的。如果將數(shù)據(jù)寫(xiě)入 SBUF，數(shù)據(jù)會(huì)被送入發(fā)送寄存器準(zhǔn)備發(fā)送。如果執(zhí)行 SBUF指令，則讀出的數(shù)據(jù)一定來(lái)自接收緩存器。因此， CPU對(duì) SBUF的讀寫(xiě)，實(shí)際上是分別訪問(wèn) 2個(gè)不同的寄存器。這 2個(gè)寄存器的功能決不能混淆。 ? 振蕩電路： AT89C51系列單片機(jī)的內(nèi)部振蕩器，由一個(gè)單極反相器組成。 XTAL1反相器的輸入， XTAL2為反相器的輸出?？梢岳盟鼉?nèi)部的振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘，只要 XTAL1和本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 XTAL2引腳上一個(gè)晶體及電容組成的并聯(lián)諧振電路，便構(gòu)成一個(gè)完整的振蕩信號(hào)發(fā)生器，此方式稱為內(nèi)部方式。另一種方式由外部時(shí)鐘 源提供一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到 XTAL1端輸入，而XTAL2端浮空。在組成一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，多數(shù)采用 這種 方式，這種方式結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，可靠性高。在電路中，對(duì)電容 C1和 C2的值要求不是很嚴(yán)格，如果使用高質(zhì)的晶振，則不管頻率為多少， C C2通常都選擇 30pF。 ? 定時(shí) /計(jì)數(shù)器： AT89C51單片機(jī)內(nèi)含有 2個(gè) 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。當(dāng)用于定時(shí)器方式時(shí)，定時(shí)器的輸入來(lái)自內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路，每過(guò)一個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器加 1，而一個(gè)機(jī)器周期包含有 12個(gè)振蕩周期，所以，定時(shí)器的技術(shù)頻率為晶振頻率的 1/12，而計(jì)數(shù)頻率最高為晶振頻 率的 1/24。為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)數(shù)功能，定時(shí)器中含有 3種基本的寄存器：控制寄存器、方式寄存器和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。控制寄存器是一個(gè) 8位的寄存器，用于控制定時(shí)器的工作狀態(tài)，方式寄存器是一個(gè) 8位的寄存器，用于確定定時(shí)器的工作方式，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器是 16位的計(jì)數(shù)器，分為高字節(jié)和低字節(jié)兩部分。 ? RAM：高于 7FH內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址是 8位的，也就是說(shuō)其地址空間只有 256字節(jié)，但內(nèi)部 RAM的尋址方式實(shí)際上可提供 384字節(jié)。 的直接地址訪問(wèn)同一個(gè)存儲(chǔ)空間，高于 7FH的間接地址訪問(wèn)另一個(gè)存儲(chǔ)空間。這樣，雖然高 128字節(jié)區(qū)分與專用寄 器 ，即特殊功能寄存器區(qū)的地址是重合的，但實(shí)際上它們是分開(kāi)的。究竟訪問(wèn)哪一區(qū)， 存 是通過(guò)不同的尋址方式加以區(qū)分的。 ? SFR： SFR是具有特殊功能的所有寄存器的集合，共含有 22個(gè)不同寄存器，它們的地址分配在 80H～ FFH中。雖然如此，不是所有的單元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的單元，其內(nèi)容是不確定的。如對(duì)這些單元進(jìn)行讀操作，得到的是一些隨機(jī)數(shù)，而寫(xiě)入則無(wú)效，所以在編程時(shí)不應(yīng)該將數(shù)據(jù)寫(xiě)入這些未確定的地址單元中，特殊功能寄存器主要有累加器 ACC、 B寄存器、程序狀態(tài)字寄存器 PSW、堆棧指針 SP、數(shù)據(jù)指針 DPTR、 I/O端口、串行口數(shù)據(jù)緩沖器 SBUF、定時(shí)器寄存器、捕捉寄存器、控制寄存器。 ? 中斷系統(tǒng)： AT89C51 單片機(jī)有 6 個(gè)中斷源，中斷系統(tǒng)主要由中斷允許寄存器 IE、中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IP、優(yōu)先級(jí)結(jié)構(gòu)和一些邏輯門(mén)組成。 IE 寄存器用于允許或禁止中斷；IP 寄存器用于確定中斷源的優(yōu)先級(jí)別；優(yōu)先級(jí)結(jié)構(gòu)用于執(zhí)行中斷源的優(yōu)先排序；有關(guān)邏輯門(mén)用于輸入中斷請(qǐng)求信號(hào)。在整個(gè)中斷響應(yīng)過(guò)程中 CPU 所執(zhí)行的操作步驟如下： （ 1）完成當(dāng)前指令的操作 （ 2）將 PC內(nèi)容壓入堆棧 （ 3）保存當(dāng)前的中斷狀態(tài) （ 4）阻止同級(jí)的中斷請(qǐng)求 （ 5）將中斷程序入 口地址送 PC 寄存器 （ 6）執(zhí)行中斷服務(wù)程序 （ 7）返回 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 8 位移位寄存器 74LS164（串行輸入，并行輸出） 74LS164 為 8 位移位寄存器 ,其主要電特性的典型值如 表 32： 表 32 74LS164主要電特性典型值 型號(hào) fm Pn 54/74164 36MHz 185mW 54/74LS164 36 MHz 80mW 當(dāng)清除端（ CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（ QA－ QH）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（ A， B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、 B任意一個(gè)為低電平 時(shí)停 止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（ CLOCK）脈沖 上升沿作用下 Q0 為低電平。當(dāng)有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用 Q0 的狀態(tài)。 引出端符號(hào) CLOCK 時(shí)鐘輸入端 CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效） A， B 串行數(shù)據(jù)輸入端 QA－ QH 輸出端 邏輯及封裝圖 ，如 32， 33 圖 32 邏輯圖 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 圖 33 封裝圖 極限值 電源電壓????????????? 7V 輸入電壓???????????? ? 工作環(huán)境溫度 54164?????????????? 55～ 125℃ 74164?????????????? 0～ 70℃ 儲(chǔ)存溫度?????????????? 65℃～ 150℃ 表 33真值表 H－高電平 L－低電平 X－任意電平↑－低到高電平跳變 QA0,QB0,QH0－規(guī)定的穩(wěn)態(tài)條件建立前的電平 QAn,QGn－時(shí)鐘最近的↑前的電平 時(shí)序圖 如下 34 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 圖 34 時(shí) 序圖 推薦工作條件 如表 34: 表 34推薦工作條件 靜態(tài)特性（ TA 為 工作環(huán)境溫度范圍 ） 如表 35 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 表 35工作環(huán)境溫度范圍 [1]:測(cè)試條件中的“最小”和“最大”用推薦工作條件中的相應(yīng)值。 動(dòng)態(tài)特性 (TA=25℃ )如表 36 表 36動(dòng)態(tài)特性 [2]:fmax 最大時(shí) 鐘頻率。 tPLH 輸出由低電平到高電平傳輸延遲時(shí)間 tPHL 輸出由高電平到低 電平傳輸延遲時(shí)間 ds1302 現(xiàn)在流行的串行時(shí)鐘電路很多，如 DS130 DS130 PCF8485 等。這些電路的接口簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便，被廣泛地采用。本文介紹的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 DS1302 是 DALLAS公司的一種具有涓細(xì)電流充電能力的電路，主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并