【正文】 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 機(jī)。所謂單片機(jī)是利用大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理單元 (Center Processing Unit,也即常稱(chēng)的 CPU)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)、程序存儲(chǔ)器 (ROM)及其他 I/O 通信口集成在一塊芯片上 ,構(gòu)成一個(gè)最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ,而現(xiàn)代的單 片機(jī)則加上了中斷單元 ,定時(shí)單元及 A/D 轉(zhuǎn)換等更復(fù)雜、更完善的電路 ,使得單片機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大 ,應(yīng)用更廣泛。 1976 年 INTEL公司推出了 MCS48 單片機(jī) ,這個(gè)時(shí)期的單片機(jī)才是真正的 8 位單片微型計(jì)算機(jī) ,并推向市場(chǎng)。它以體積小 ,功能全 ,價(jià)格低贏得了廣泛的應(yīng)用 ,為單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ) ,成為單片機(jī)發(fā)展史上重要的里程碑。 在 MCS48 的帶領(lǐng)下 ,其后 ,各大半導(dǎo)體公司相繼研制和發(fā)展了自己的單片機(jī) ,象 Zilog 公司的 Z8 系列。到了 80 年代初 ,單片機(jī)已發(fā)展到了高性能階段 ,象 INTEL公司的 MCS51 系列 ,Motorola 公司的 6801 和 6802 系列 ,Rokwell公司的 6501 及 6502 系列等等 ,此外 ,日本的著名電氣公司 NEC 和 HITACHI都相繼開(kāi)發(fā)了具有自己特色的專(zhuān)用單片機(jī)。 80 年代 ,世界各大公司均競(jìng)相研制出品種多功能強(qiáng)的單片機(jī) ,約有幾十個(gè)系列 ,300 多個(gè)品種 ,此時(shí)的單片機(jī)均屬于真正的單片化 ,大多集成了 CPU、RAM、 ROM、數(shù)目繁多的 I/O 接口、多種中斷系統(tǒng) ,甚至還有一些帶 A/D 轉(zhuǎn)換器的單片機(jī) ,功能越來(lái)越強(qiáng)大 ,RAM 和 ROM 的容量也越來(lái)越大 ,尋址空間甚至可達(dá) 64kB,可以說(shuō) ,單片機(jī)發(fā)展到了一個(gè)全新階段 ,應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛 ,許多家用電器均走向利用單片機(jī)控制的智能化發(fā)展道路。 1982 年以后 ,16 位單片機(jī)問(wèn)世 ,代表產(chǎn)品是 INTEL 公司的 MCS96 系列 ,16 位單片機(jī)比起 8 位機(jī) ,數(shù)據(jù)寬度增加了一倍 ,實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng) ,主頻更高 ,集成度達(dá)到了 12萬(wàn)只晶體管 ,RAM增加到了 232字節(jié) ,ROM則達(dá)到了 8kB,并且有 8 個(gè)中斷源 ,同時(shí)配置了多路的 A/D 轉(zhuǎn)換通道 ,高速的 I/O 處理單元 ,適用于更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 隨后的事情 ,熟悉單片機(jī)的人士都比較清楚了 ,更多的單片機(jī)種蜂擁而至 ,MOTOROLA公司相繼發(fā)布了 MC68HC 系列單 片機(jī) ,日本的幾個(gè)著名公司都研制出了性能更強(qiáng)的產(chǎn)品 ,但日本的單片機(jī)一般均用于專(zhuān)用系統(tǒng)控制 ,而不象 INTEL 等公司投放到市場(chǎng)形成通用單片機(jī)。例如 NEC 公司生產(chǎn)的uCOM87 系列單片機(jī) ,其代表作 uPC7811 是一種性能相當(dāng)優(yōu)異的單片機(jī)。第一 章 緒論 3 MOTOROLA 公司的 MC68HC05 系列其高速低價(jià)等特點(diǎn)贏得了不少用戶(hù)。 Zilog 公司的 Z8 系列產(chǎn)品代表作是 Z8671,內(nèi)含 BASIC Debug 解釋程序 ,極大地方便用戶(hù)。而美國(guó)國(guó)半的 COP800 系列單片機(jī)則采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。 ATMEL 公司則把單片機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的 Flash 存 儲(chǔ)技術(shù)完美地結(jié)合起來(lái) ,發(fā)布了性能相當(dāng)優(yōu)秀的 AT89 系列單片機(jī)。包括中國(guó)的臺(tái)灣 HOLTEK 和WINBOND 等公司也紛紛加入了單片機(jī)發(fā)展行列 ,憑著他們廉價(jià)的優(yōu)勢(shì) ,分享一杯美羹。 1990 年美國(guó) INTEL 公司推出了 80960 超級(jí) 32 位單片機(jī)引起了計(jì)算機(jī)界的轟動(dòng) ,產(chǎn)品相繼投放市場(chǎng) ,成為單片機(jī)發(fā)展史上又一個(gè)重要的里程碑。 此期間 ,單片機(jī)園地里 ,單片機(jī)品種異彩紛呈 ,爭(zhēng)奇斗艷。有 8 位、 16 位甚至 32 位機(jī) ,但 8 位單片機(jī)仍以它的價(jià)格低廉、品種齊全、應(yīng)用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開(kāi)發(fā)方便等特點(diǎn)而占著主導(dǎo)地位。而 INTEL 公 司憑著他們雄厚的技術(shù) ,性能優(yōu)秀的機(jī)型和良好的基礎(chǔ) ,目前仍是單片機(jī)的主流產(chǎn)品。只不過(guò)是九十年代中期 ,INTEL公司忙著開(kāi)發(fā)他們個(gè)人電腦微處理器 ,已沒(méi)有足夠的精力繼續(xù)發(fā)展自己創(chuàng)導(dǎo)的單片機(jī)技術(shù) ,而由 PHILIPS 等公司繼續(xù)發(fā)展 C51系列單片機(jī)。 單片機(jī) 的應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域 ,大致可分如下幾個(gè)范疇 : 1。在智能儀器儀表上的應(yīng)用 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn) ,廣泛應(yīng)用于儀器儀表中 ,結(jié)合不同類(lèi)型的傳感器 ,可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化 ,且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測(cè)量設(shè)備 (功率計(jì) ,示波器 ,各種分析儀 )。 用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 線(xiàn)的智能化管理 ,電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng) ,與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。 可以這樣說(shuō) ,現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制 ,從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備 ,五花八門(mén) ,無(wú)所不在。 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口 ,可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 ,為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件 ,現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制 ,從手機(jī) ,電話(huà)機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車(chē)無(wú)線(xiàn)通信、再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話(huà) ,集群移動(dòng)通信 ,無(wú)線(xiàn)電對(duì)講機(jī)等。 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛 ,例如醫(yī) 用呼吸機(jī) ,各種分析儀 ,監(jiān)護(hù)儀 ,超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 此外 ,單片機(jī)在工商 ,金融 ,科研、教育 ,國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)在可以說(shuō)單片機(jī)是百花齊放 ,百家爭(zhēng)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。 縱觀單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程 ,可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) ,大致有 : CMOS 化 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(duì)單片機(jī)功耗要求越來(lái)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 )。象 80C51 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)高密度金屬氧化物第一 章 緒論 5 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(chǎng)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)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(RAM)、只讀程序存儲(chǔ)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、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、 WDT(看門(mén)狗 )、有些單片機(jī)將 LCD(液晶 )驅(qū)動(dòng)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(hù)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?，F(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(lái)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 80C51 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(guó)臺(tái)灣的 Winbond 系列單片機(jī)。所以 C8051 為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精簡(jiǎn)指令集 (RISC)也有著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭 ,中國(guó)臺(tái)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(shì) ,占據(jù)一定的市場(chǎng)分額。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品 ,日本幾大公司的專(zhuān)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。 本課題研究的內(nèi)容 本課題主要實(shí)現(xiàn)基于 單片機(jī)教學(xué)電路板的 兩 個(gè)程序：計(jì)算器程序和密碼鎖程序。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 計(jì)算器程序包括 7 段數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示、讀入鍵盤(pán)鍵值、 LED 控制、帶符號(hào) 浮點(diǎn)數(shù)加減乘除四則運(yùn)算及開(kāi)根號(hào)計(jì)算和退格功能的實(shí)現(xiàn)。 由于數(shù)碼管只有 8 位， 所以計(jì)算結(jié)果最多能精確到 8 位（負(fù)數(shù) 7 位）。 密碼鎖程序的包括修改密 碼、輸入密碼錯(cuò)誤報(bào)警（并且根據(jù)報(bào)警次數(shù)的不同實(shí)現(xiàn)不同的報(bào)警方式）、密碼輸入正確后 的 授權(quán)操作（硬件 有限，只能是模擬）和復(fù)位功能。復(fù)位功能的加入使本設(shè)計(jì)更貼近實(shí)際，當(dāng)有人試圖闖入系統(tǒng)時(shí)報(bào)警功能發(fā)揮作用，但是報(bào)警系統(tǒng)必須能夠硬件復(fù)位，否則該系統(tǒng)將成為一次性系統(tǒng)，沒(méi)有任何使用價(jià)值。 第 2章 硬件系統(tǒng)的介紹 完成的單片機(jī)仿真器及教學(xué)電路板實(shí)物如圖 21 所示。 本 章主要介紹 SST89E58RD 芯片、 8255 芯片、動(dòng)態(tài)數(shù)碼管和 LED 的接口和工作原理。 第 2 章 硬件系統(tǒng)的介紹 7 圖 21 單片機(jī)仿真器及教學(xué)電路板 SST89E58RD芯片功能及原理 SST89E58RD 屬于 FLASHFLEX51 家族，以 CMOS 半導(dǎo)體處理技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的 8 位 SCM。器件使用與 8051 完全相同的指令集，并與標(biāo)準(zhǔn)的8051 器件管腳對(duì)管腳兼容。 32K 字節(jié)的 FLASH EEPROM 程序存儲(chǔ)器，這是基于 SST 的專(zhuān)利技術(shù)和專(zhuān)有的 CMOS SUPERFLASH EEPROM 技術(shù)將SuperFlash 存儲(chǔ)器分成兩部分相對(duì)獨(dú)立的程序存儲(chǔ)塊。 主塊 0 占用 32KB 字節(jié)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間，次塊 1 占用 8K 的內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間。該 8K 字節(jié)的次塊可以被 映射到 64/32K 字節(jié)存儲(chǔ)器空間的最低地址空間，同時(shí)該空間也可以通過(guò)程序計(jì)數(shù)器 (Program counter) 被隱藏，同時(shí)可以作為獨(dú)立的類(lèi) EEPROM(EEPROMLIKE)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)塊可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 87C5X 的 OTP EPROM 編程器通過(guò)加裝專(zhuān)為 SST 器件準(zhǔn)備的特殊的適配器和 FIRMWARE 來(lái)編程。在上電復(fù)位器件，該器件可以被配置為下位機(jī)，作為外部主機(jī)的原始代碼存儲(chǔ)器，或者作為上位機(jī)連接到外部燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 主機(jī) 進(jìn)行 IAP 操作 (在應(yīng)用可編程 )。該器件被設(shè)計(jì)成為可以在系統(tǒng)和在應(yīng)用可編程，這樣可以 在印刷電路板上達(dá)到最大的機(jī)動(dòng)性。該器件可以用一個(gè)啟動(dòng)例程被預(yù)編程，示范用戶(hù)編程代碼下載或通過(guò) IAP 功能更新用戶(hù)代碼。有一個(gè)下載啟動(dòng)代碼的例程可供用戶(hù)參考，僅供方便起見(jiàn)。 SST 不保證該下載啟動(dòng)例程的功能和使用。器件擦除操作會(huì)擦除該預(yù)編程過(guò)的示例代碼。 作為 32KB 的 SuperFlash EEPROM 的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的補(bǔ)充，該器件可以尋址到 64KB 的外部程序存儲(chǔ)器空間。作為 1KB8 位的片內(nèi) RAM 空間的補(bǔ)充，該器件可以尋址 64K 字節(jié)的外部 RAM 空間。 SST 的高可靠性，擁有專(zhuān)利的 SuperFlash 技術(shù)和存儲(chǔ)器單元架 (memory cellarchitecture)有一系列的設(shè)計(jì)和生產(chǎn) flash EEPROMs 的重要的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換成為重大的價(jià)值和使用戶(hù)可靠地受益。 仿真功能的實(shí)現(xiàn)也得益于此，事先將仿真監(jiān)控程序燒寫(xiě)到次塊 1 中，以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)仿真。 8255可編程并行 I/O接口擴(kuò)展 1． 8255 是一個(gè)通用可編程并行 I/O 接口芯片，引腳定義如圖 22 所示。 (1)8255 有 3 個(gè) 8 位并行 I/O 端口，端口 A， B， C 均可以工作在輸入或輸出方式； (2)兩組控制電路分別控制 3 個(gè)端口， A 組控制端口 A 和端口 C 的高 4位， B 組控制電路控制端口 B 端口 C 的低 4 位； (3)具有數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器，可以方便地與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線(xiàn)連接； (4)端口 A， B， C 通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)與數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器連接，即各端口通過(guò)數(shù)據(jù)端口與單片機(jī)交互信息； (5)提供讀 /寫(xiě)控制邏輯，可以很方便地通過(guò) MOVX 反映令完成對(duì)其各端口的操作。 第 2 章 硬件系統(tǒng)的介紹