【正文】 來說在選取單片機(jī)時從下面 幾個方面考慮：性能、存儲器、運行速度、 I/O 口、定時 /計數(shù)器、串行接口、模擬電路功能、工作電壓、功耗、封裝形式、抗干擾性、保密性，除了以上的一些方面外，還有一些最基本的條件，比如：中斷源的數(shù)量和優(yōu)先級、工作溫度范圍、有沒有低電壓檢測功能、單片機(jī)內(nèi)有無時鐘振蕩器、有無上電復(fù)位功能等。在開發(fā)過程中還要考慮開發(fā)工具、編程器、開發(fā)成本、開發(fā)人員的適應(yīng)性、技術(shù)支持和服務(wù)等因素。基于以上因素本設(shè)計選用單片機(jī) AT89S51 作為本設(shè)計的核心元件，利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計和豐富的 I/O 端口，及其控制的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)基本的密碼鎖 功能。在單片機(jī)的外圍電路外接輸入鍵盤用于密碼的輸入和一些功能的控制，外接 AT24C02 芯片用于密碼的存儲，外接 LCD1602 顯示器用于顯示作用。其原理如下圖 1 所示。 AT89S51 圖 1 單片機(jī)控制方案 顯示電路 電源電路 單片機(jī) AT89S51 報警電路 鍵盤輸入 開鎖電 路 復(fù)位電路 紅外遙控 密碼儲存 4 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn) 主控芯片 AT89S51 在本設(shè)計中選用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機(jī)作為主控芯片。它 是一款低功耗， AT89S51 就是一款廣泛應(yīng)用的，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，由于系統(tǒng)控制方案簡單，數(shù)據(jù)量也不大，考慮到電路的簡單和成本等因素，因此在本設(shè)計中選用 ATMEL 公司的 AT89S51 單片機(jī)作為主控芯片。主控模塊采用單片機(jī)最小系統(tǒng)是由于 AT89S51 芯片內(nèi)含有 8 B 的 E2PROM ，無需外擴(kuò)存儲器，電路簡單可靠，其時鐘頻率為 0～ 24 MHz，并且 價格低廉，批量價在 10 元以內(nèi)。AT89S51 是一款功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)，它可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由復(fù)位電路、時鐘電路和電源組成。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位、按鍵復(fù)位和外部脈沖復(fù)位 3 種方法。本文采用的是上電復(fù)位它是通過系統(tǒng)外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。根據(jù)電路原理可知電容兩極板間的電壓不能突變當(dāng)單片機(jī)電源接通電源的瞬間單片機(jī)的 9 管腳會產(chǎn)生一個階躍信號，所以 RTS 端維持高電平由于這個充電時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1ms，一般就可以實現(xiàn)對單片機(jī)的上電自動復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化。 初始 化是為了讓單片機(jī)從地址 0000H 開始執(zhí)行 , 除此之外單片機(jī)要想正常工作還必須有時鐘電路，時鐘電路是產(chǎn)生時序的基礎(chǔ)，單片機(jī)每執(zhí)行一條指令都是建立在時序電路上的，為了能保證單片機(jī)執(zhí)行指令的同步，電路就要在唯一的時鐘信號控制下按時序的先后進(jìn)行工作。它分為內(nèi)部時鐘電路和外部時鐘電路。本文采用的是內(nèi)部時鐘電路，在 MCS—51 單片機(jī)的內(nèi)部有一個高增益的反向放大器，其輸入端為引腳 XTAL1，輸出端為 XTAL2，只要在外部接上兩個電容和一個晶振，就能夠成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 這里主要看一下電容和晶振的選擇，晶振的大小與單 片機(jī)的振蕩頻率有關(guān)，電容的大小影響著振蕩器振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性，通常選擇 10~30pF 的瓷片電容。本系統(tǒng)電容選擇為 33pF，晶振為 12MHz 之所以選擇這一頻率的晶振是為了在進(jìn)行單片機(jī)與電腦進(jìn)行串口通信時容易產(chǎn)生和電腦時鐘同步的波特率，另外在設(shè)計電路時，晶振和電容應(yīng)盡可能的靠近芯片，這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電源部分，電源與地之間可以接一個 的電容，它用來濾除電源的紋波，使單片機(jī)穩(wěn)定工作，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 31 所示。 5 圖 31 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)引腳說明： VCC：電源電壓輸入端。 GND：電源地。 P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路雙向 I/O 端口，每個引腳可以吸收 8TTL門電流。 P0 口當(dāng)作數(shù)據(jù)輸出時需要加上拉電阻，當(dāng) P0 口的 I/O 口被寫 “1”后，被定義為高阻抗輸入狀態(tài)。 P0 可以用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器， P0 口可以是地址的低八位以及數(shù)據(jù)輸出口。 P1 口： P1 口是一個 8 位雙向的 I/O 端口單片機(jī)內(nèi)部加上了上拉電阻的端口，P1 口緩沖器可接收的 4TTL 柵極電流輸出。 P1 口的 I/O 口被寫 “1”后，內(nèi)部上拉的是高的，可以作為輸入， P1 口外部下拉低時輸出電流，這是因為有內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口： P2 口是一個 8 位雙向的 I/O 端口單片機(jī)內(nèi)部加上了上拉電阻的端口，P2 口緩沖器可接收的 4TTL 柵極電流輸出。當(dāng) P2 口的 I/O 口被寫 “1”后，內(nèi)部上拉的是高的，可以作為輸入， P2 口外部下拉低時輸出電流，這是因為有內(nèi)部上拉的緣故。當(dāng) P2 口用于外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器時 P2 口是地址高八 6 位輸出。 P3 口： P3 口是一個 8 位雙向的 I/O 端口單片機(jī)內(nèi)部加上了上拉電阻的端口，P3 口緩沖器可接收的 4TTL 柵極 電流輸出。 P3 口的 I/O 口被寫 “1”后，內(nèi)部上拉的是高的，可以作為輸入， P3 口外部下拉低時輸出電流，這是因為有內(nèi)部上拉的緣故。 P3 口除了普通 I/O 口功能，還有其第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（ T0 定時器的外部計數(shù)輸入） T1（ T1 定時器的外部計數(shù)輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通） RST：復(fù)位引 腳高電平時 MCU 復(fù)位，復(fù)位信號輸入端口，當(dāng) MCU 要復(fù)位時，給與此引腳高電平，高電平持續(xù)時間是不少于兩個機(jī)器周期的時間。 ALE/PROG：地址鎖存使能以及編程脈沖信號端口。當(dāng)單片機(jī)訪問外部的存儲器時，地址鎖存使能鎖存地址低八位。通常情況下， ALE 引腳輸出單片機(jī)外部振蕩器的頻率的 1/6 的頻率輸出。應(yīng)該注意到的是：當(dāng)用于單片機(jī)擴(kuò)展外部的數(shù)據(jù)存儲器時，它會少一個 ALE 脈沖。如果你想禁止 ALE 輸出可以設(shè)置為 0 在SFR8EH 地址。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令時 ALE 才起作用。此外， ALE 引腳倍稍微拉高 。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 的禁令，設(shè)置無效。 PSEN：程序存儲器允許輸出控制端，在讀外部程序存儲器時 PSEN 低電平有效，以實現(xiàn)外部程序存儲器單元的讀操作。 EA/VPP：外部程序存儲器訪問允許。當(dāng) /EA 接高電平時，單片機(jī)讀取內(nèi)部程序序存儲器，當(dāng)擴(kuò)展有外部 ROM 時，當(dāng)讀完內(nèi)部 ROM 后自動讀取外部 ROM，當(dāng) /EA 接低電平時，單片機(jī)直接讀取外部程序存儲器。 XTAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。 7 存儲模塊 AT24C02 存儲模塊的 設(shè)計是把 WP引腳接到 GND上因為要讓器件進(jìn)行正常的讀 /寫操作，把 SDA 串行數(shù)據(jù) /地址與單片機(jī)的 引腳使 AT24C02 與單片機(jī)進(jìn)行所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，把 SCK 串行時鐘引腳與單片機(jī)的 引腳相連接，讓單片機(jī)產(chǎn)生一個 AT24C02 工作的時鐘，使其正常的工作。存儲模塊電路如圖 32 所示。 圖 32 存儲模塊 AT24C02 硬件結(jié)構(gòu) AT24C02 的特點：數(shù)據(jù)線看門狗定時器；可編程復(fù)位門級；高數(shù)據(jù)傳輸速率 400kHz 速率和 I2C 總線； 至 7V電壓；低功耗 CMOS 工藝兼容； 16 bespate寫緩沖區(qū)；反撇寫保護(hù)芯片；高低電平復(fù)位信號輸出； 100 萬擦除周期；保存長達(dá) 100 年。 定義如下的總線狀態(tài)，見圖 33。 圖 33 總線時序 ① 總線空閑 (狀態(tài) A) 8 數(shù)據(jù)線和時鐘線都保持高電平狀態(tài)。 ② 起始信號 (狀態(tài) B) 時鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線從高電平到低電平的跳變作為 I2C 總線的起始信號。所有操作都必須以起始信號為前提。 ③ 停止信號 (狀態(tài) C) 時鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線從低電平到高電平的跳變作為 I2C 總線的停止信號。所 有操作都必須以停止信號結(jié)尾。 ④ 數(shù)據(jù)有效 (狀態(tài) D) 起始信號之后，在時鐘信號保持高電平期間，數(shù)據(jù)線傳送的數(shù)據(jù)有效。 數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘信號為低電平時改變，以傳輸下一字節(jié)的數(shù)據(jù)。每傳輸一字節(jié)的數(shù)據(jù)，就會有一個時鐘信號的暫停。 數(shù)據(jù)傳輸都必須以起始信號開頭，以停止信號結(jié)尾。在起始信號和停止信號期間傳輸數(shù)據(jù)的總量大小由主器件決定，理論上是沒有限制的。但是在寫狀態(tài)下只有最后 16 個周期傳送的數(shù)據(jù)會被寫入。如果待寫入的數(shù)據(jù)超出了這個限制，會根據(jù)先入先出的原則覆蓋掉前面的數(shù)據(jù)。 每一個被尋址到的從設(shè)備，在成功接收一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，都必須產(chǎn)生一個應(yīng)答信號。主設(shè)備必須增加一個額外的時鐘信號，接收從器件對收到數(shù)據(jù)的響應(yīng)。器件應(yīng)答的方式是在響應(yīng)時鐘周期時將 SDA 線拉低，表示其已收到一個 8 位數(shù)據(jù)。如圖 34。當(dāng)然，調(diào)整時間和保持時間都必須計算在內(nèi)。主器件在傳送完最后一個字節(jié)的數(shù)據(jù)之后，不傳送應(yīng)答信號，從而向從器件標(biāo)明數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。在這種情況下，從器件必須保持 SDA 高電平，使主器件可以產(chǎn)生停止信號。當(dāng)AT24C02 在內(nèi)部讀寫周期內(nèi)是不會產(chǎn)生任何響應(yīng)信號的。 圖 34 地址控制字節(jié) 9 紅外模塊 HS0038 紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c：成本廉價、建設(shè)工程期短、適應(yīng)性好、擴(kuò)展性好、設(shè)備維護(hù)上更容易實現(xiàn)。使用紅外模塊進(jìn)行傳輸，豐富了系統(tǒng)的功能，提高了系統(tǒng)的可操作性，因而達(dá)到了交互式與智能化。紅外數(shù)據(jù)傳輸廣泛地運用在紅外遙控系統(tǒng)和車輛的監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、小區(qū)的安全防火系統(tǒng)和傳呼系統(tǒng)、身份的識別、非接觸 RF 的智能卡等 。工業(yè)設(shè)備中，在高壓，輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外遙控不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。 一體化紅外線接收頭三個管腳分別是地、 +5 V 電源、解調(diào)信號輸出端接在單片機(jī) 引腳上。利用外部中 斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。下圖 35 為紅外模塊硬件結(jié)構(gòu)。 圖 35 紅外模塊硬件結(jié)構(gòu) 紅外線接收器大都將信號的接受、放大、檢波等集于一身，而且可以經(jīng)過編碼解碼時單片機(jī)收到可識別的信號源。這樣一來便會減少硬件設(shè)計過程中的麻煩，使電路簡單化，且應(yīng)用起來比較方便。下圖為紅外一體化接受頭 HS0038，外觀圖如圖所示。 圖 36 紅外接收元器件 10 顯示模塊 LCD1602 如果想要了解系統(tǒng)的運行與工作狀態(tài)顯示 器是不可缺少的，顯示器是一個典型的輸出設(shè)備并且它的實際應(yīng)用也是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都會使用到顯示器其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單的顯示器可以是 LED發(fā)光二極管或者數(shù)碼管，它可以給出一個簡單的開關(guān)信息或者數(shù)字顯示，而需要顯示復(fù)雜的完整的信息上述的器件就不能勝任，而液晶的出現(xiàn)就很好的解決了這一問題，它不僅顯示內(nèi)容豐富而且好節(jié)約了單片機(jī)的管腳資源。本設(shè)計采用的是液晶顯示 LCD1602。 LCD1602 內(nèi)部的字符已經(jīng)儲存了不同的字符形式，每一個字符都有一個固定的代碼，其代碼與標(biāo)準(zhǔn)的 ASCII 字 符代碼一致。因此只要寫入顯示字符的 ASCII 碼即可，這種標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計給使用帶來很大的方便。比如英文字母 “C”的 ASCII 代碼是 01000011（ 43H），顯示時單片機(jī)往液晶模塊寫入顯示指令，模塊就會把地址為 43H 中的點陣字符圖形識別出，并會在液晶屏相應(yīng)位置上看到字母 “C”。 LCD1602 液晶顯示與單片機(jī)的連接可以分為兩種方式：總線方式和模擬口線方式。在實驗中，我們常采用模擬口線連接方式。如圖 37 所示。 圖 37 顯示模塊硬件結(jié)構(gòu) 目前市場字符液晶絕大多數(shù)是基于 HD44780 的液晶芯片，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 的寫控制程序可以很容易地應(yīng)用到市場上大部分的字符液晶。 LCD1602 液晶的幾個特性： +5V 電壓、對比度可調(diào)、內(nèi)含復(fù)位電路；提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能；有80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器 DDRAM；內(nèi)建有 160 個 5X7