【正文】 狗控制面板LED顯示圖21 硬件結(jié)構(gòu)框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)的發(fā)展趨勢現(xiàn)在可以說單片機(jī)是百花齊放，百家爭鳴的時(shí)期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，從8位、16位到32位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地。[2] 縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢，大致有： MCS51系列的8031推出時(shí)的功耗達(dá)630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右，隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。89C51就采用了HMOS(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和CHMOS(互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。 現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM (脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機(jī)將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小。[3]現(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以89C51為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond系列單片機(jī)。所以89C51為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機(jī)產(chǎn)量與日俱增，與其低價(jià)質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機(jī)。在一定的時(shí)期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)，相輔相成、共同發(fā)展的道路。 單片機(jī)的選擇美國Intel公司1980年推出了MCS51系列高檔8位單片機(jī)。提高了芯片的集成度，性能上大為提高，增加了多種片內(nèi)硬件功能，并擴(kuò)展了功能單元的種類和數(shù)量。[4]MCS51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及其一些主要特點(diǎn)：MCS51單片機(jī)內(nèi)的I/O口的數(shù)量和種類較多且齊全，尤其是它有一個(gè)全雙工的串行口。MCS51可對64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器尋址且不受該系列中各種芯片型號的影響，而對程序存儲器是內(nèi)外總空間為64KB.MCS51有5個(gè)中斷源，分為2個(gè)優(yōu)先級，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級是可編程的，它的堆棧位置也是可編程的，堆棧深度可達(dá)128字節(jié)。MCS51子系列有2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，通過編程可以實(shí)現(xiàn)四種工作模式。MCS52子系列有3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。MCS51在內(nèi)部RAM中開設(shè)了四個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共32個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的要求。MCS51是一個(gè)功能很強(qiáng)的指令系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在MCS51的指令系統(tǒng)中增添了減法、乘法、除法、比較、堆棧操作和多種位操作指令。[5]當(dāng)振蕩器頻率接最高12MHZ時(shí)，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為1181。s，少部分為2181。s，乘除指令的執(zhí)行時(shí)間也只有4181。s。特別值得一提的是MCS51的布爾處理器。它實(shí)際上是一個(gè)完整的一個(gè)微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位的微機(jī)有自己的CPU ,位寄存器、I/O口和指令集。把八位微機(jī)和一位微機(jī)結(jié)合在一起，是微機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破。一位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真和實(shí)時(shí)測控方面非常有效，而八位機(jī)在運(yùn)算處理、智能儀表常用的數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在MCS51系列單片機(jī)中八位機(jī)和一位機(jī)（布爾處理器）的硬件資源是復(fù)合在一起的，二者相輔相成，這是MCS51在設(shè)計(jì)上的精美之處，也是一般微機(jī)所不具備的。 89C51的引腳介紹掌握MCS51單片機(jī)，應(yīng)首先了解MCS51的引腳，熟悉并牢記各引腳的功能。MCS51系列中各種芯片的移交是互相兼容的。[6]制造工藝為HMOS的MCS51的單片機(jī)都采用40只引腳的雙列直插封裝（DIP方式，如圖所示。目前大多樹為此類封裝方式。制造工藝為CHMOS的8031/89C51/87C51除采用DIP封裝方式以外，還采用方行封裝方式，為44只引腳（其中4只是無用的引腳）如圖31所示[7]40只引腳按其功能來分，可分為如下3類：1. 電源及時(shí)鐘引腳：Vcc、Vss。XTALXTAL2。2. 控制引腳：/PSEN、ALE、/EA、RESET3. I/O口引腳；P0、PPP為4個(gè)8位I/O口的外部引腳。下面結(jié)合圖31來介紹各引腳的功能。電源及時(shí)鐘引腳1電源引腳電源引腳接入單片機(jī)的工作電源（1） Vcc(40引腳)：接+5V電源。（2） Vss(20引腳)：接地2時(shí)鐘引腳2個(gè)時(shí)鐘引腳XTAL1，XTAL2外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了1個(gè)振蕩器，它為單片機(jī)提供了時(shí)鐘信號。2個(gè)時(shí)鐘引腳也可以外接獨(dú)立的晶體振蕩器。XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時(shí)鐘頻率就為6MHz。[8]晶振的頻率可以在1MHz24MHz內(nèi)選擇。電容取30PF左右。型號同樣為AT89C51的芯片，在其后面還有頻率編號，有12,16,20,24MHz可選。大家在購買和選用時(shí)要注意了。如AT89C51 24PC就是最高振蕩頻率為24MHz,40P6封裝的普通商用芯片。根據(jù)綜上分析，此次設(shè)計(jì)中的最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用89C51芯片作為最小系統(tǒng)芯片是最佳選擇。（1）XTAL1（19引腳）：接外部晶體的1個(gè)引腳。該引腳內(nèi)部是1個(gè)反相放大器的輸入端。這個(gè)反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器/如果采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。（2）XTAL2（18引腳）：接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端。若采用外部時(shí)鐘振蕩器時(shí)，該引腳接收時(shí)鐘振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。2控制引腳此類引腳提供控制信號，有的引腳還具有復(fù)用功能。（1）RST/Vpd(9引腳)：RST（RESET）是復(fù)位信號輸入斷，高電平有效。當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)候，就可以完成復(fù)位操作。在單片機(jī)正常工作時(shí)，此引腳應(yīng)為≦。Vpd為本引腳的第二功能，即備用電源的輸入斷。當(dāng)主電源Vcc發(fā)生故障，降低到某一規(guī)定值的低電平時(shí)，將+5V電源自動接入RST端，為內(nèi)部RAM提供備用電源，以保證片內(nèi)RAM中的信息不丟失，從而使單片機(jī)在復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。ALE引腳輸出為地址鎖存允許信號，當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，ALE引腳不斷輸出正脈沖信號。當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲器時(shí)，ALE輸出信號的負(fù)跳沿用于單片機(jī)發(fā)出的低8位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。即使不訪問外部鎖存器，ALE端仍有正脈沖號輸出，此頻率為時(shí)鐘振蕩頻率的1/6。如果有脈沖信號輸出，則單片機(jī)基本上是完好的。應(yīng)該注意的是，每當(dāng)MCS51訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，在2個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)1次，即丟失1個(gè)ALE脈沖。因此，嚴(yán)格來說，用戶不宜用ALE做精確的時(shí)鐘源或定時(shí)信號。ALE端可以驅(qū)動8個(gè)LS型TTL負(fù)載。/PROG為本引腳的第二功能。在對片內(nèi)EPROM型單片機(jī)編程寫入時(shí)，此引腳作為編程脈沖輸入端（3）/PSEN：程序存儲器允許輸出控制端。在單片機(jī)訪問外部程序存儲器時(shí)，此引腳輸出脈沖負(fù)跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。此引腳外接部程序存儲器的/OE端。/PSEN端可以驅(qū)動8個(gè)LS型TTL負(fù)載。 如果檢查一個(gè)MCS51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)上電后，CPU能否正常到外部程序存儲器讀取指令碼，可用示波器查/PSEN端有無脈沖輸出。 （4）/EA/Vpp（Enable Address/Voltage Pulse of Programing,31腳）：/EA功能為內(nèi)外程序存儲器選擇控制端。 當(dāng)/EA引腳為高電平時(shí)，單片機(jī)訪問片內(nèi)程序存儲器，但在PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過0FFFH時(shí)，即超出片內(nèi)程序存儲器的4KB地址范圍，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。 當(dāng)/EA引腳為低電平時(shí)，單片機(jī)則只訪問外部程序存儲器，不論是否有內(nèi)部程序存儲器。對于8031來說，因其無內(nèi)部程序存儲器，所以該引腳必須接地，這樣只能選擇外部程序存儲器。 Vpp為本引腳的第二功能。在對EPROM型單片機(jī)8751內(nèi)EPROM固化編程時(shí)，用于施加叫高的編程電壓。[10]對于89C51，則加在Vpp引腳的編程電壓為+12V或+5V。I/O口引腳（1）P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動8個(gè)LS型TTL負(fù)載。（2）P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，可驅(qū)動4個(gè)LS型TTL負(fù)載。（3）P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線（高8位）復(fù)用，可驅(qū)動4個(gè)LS型TTL負(fù)載。（4）P3口：8位準(zhǔn)雙星I/O口，雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動4個(gè)LS型TTL負(fù)載。這里要特別注意準(zhǔn)雙向與雙向三態(tài)口的差別。P1口，P2口，P3口是3個(gè)8位雙向的I/O口，各口線在片內(nèi)均有固定的上拉電阻。當(dāng)這3個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口作輸入口使用時(shí)，要向該口先寫1，另外準(zhǔn)雙向I/O口無高阻的“浮空”狀態(tài)，故稱為雙向三態(tài)I/O口。其引腳圖如下所示：圖31 89C51引腳圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （1）此次設(shè)計(jì)選用89C51的最小系統(tǒng)，89C51內(nèi)部有4KB閃爍存儲器，芯片本身就是一個(gè)最小系統(tǒng)。[11]在能滿足系統(tǒng)的性能要求情況下，可優(yōu)先考慮采用此種方案。用這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單很可靠。用89C51單片機(jī)構(gòu)成的最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，該系統(tǒng)與其他最小系統(tǒng)相比，省去了外擴(kuò)程序存儲器的工作，該最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的數(shù)字量的測控單元。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖3—2所示 圖32 89C51最小系統(tǒng)（2） 看門狗電路設(shè)計(jì)MCS51的PC受到干擾而失控，引起程序亂飛，可能會使程序陷入死循環(huán)。指令和軟件技術(shù)不能使失控的程序擺脫死循環(huán)的困境，這時(shí)系統(tǒng)將完全癱瘓。如果操作人員不在場，可按下人工復(fù)位按鈕，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。但操作人員不可能一直監(jiān)控著系統(tǒng)，即使監(jiān)