【正文】 本 設計實驗板的 4*4 矩陣鍵盤的內(nèi)部電路如圖 示， 矩陣鍵盤的行線直接與DIG0~DIG3 口相連接， 列線 A1~A4 是通過鎖存器 SN74LS244N 的輸出口 Y1~Y4 與芯片SST89E516RD 的 ~(即 D0~D3)口相連，通過鎖存器的控制實現(xiàn)矩陣鍵盤掃描原理。 圖 SN74LS244N 使能端 OE 與 相連時的原理圖 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 25 三、矩陣鍵盤 矩陣鍵盤又稱為行列鍵盤，它是用四條 I/O 線作為行線，四條 I/O 線作為列線組成的鍵盤。通常只有 0 和 1 兩個值。 一般的復位電路可分為上電自動復位和按鍵復位， 在本次設計中 選用的是按鍵復位。 ~ 分別命名為 D0~D7， 由于是 雙向口， 即在作為輸入口的同時還可以作為輸出口，不過要 通過不同的鎖存器與不同的器件相連接，通過程序?qū)崿F(xiàn)各種功能。重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 21 第三 章 倒計時器 系統(tǒng)設計與調(diào)試 第一節(jié) 硬件電路設計 最小系統(tǒng)是 單 片 機 在 發(fā) 揮 具 體 測 控 功 能 時 所 必 須 的 組 成部分 [5]。 ② 計算初值 ,并將其寫入 TH0、 TL0 或 TH TL1。 TF1 也可以用軟件置 1 或清 0，同硬件置 1 或清 0 的效果一樣。定時 /計數(shù)器有四種工作方式，由 M1M0 進行設置。可見，由溢出時計數(shù)器的值減去計數(shù)初值才是加 1 計數(shù)器的計數(shù)值 [4]。 (2)、中斷源優(yōu)先級設定寄存器 IP 80C51 單片機有兩個中斷優(yōu)先級，即可實現(xiàn)二級中斷服務嵌套。 (3)、 TF0（ ） 片內(nèi)定時 /計數(shù)器 T0 溢出中斷 申請位 ， TF0 實際上是 T0 中斷觸發(fā)器的一個輸出端。 8051 單片機中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如 圖 所示。 主程序斷 點響 應 中斷 請 求返 回 主 程序中斷服務程序繼續(xù)執(zhí)行主程序 圖 中斷流程 引起 CPU 中斷的根源，稱為中斷源。 ——T1： 定時 /計數(shù)器 1 外部信號輸入端 。 圖 P2 口位結(jié)構(gòu) P3 口 —— 8 位準雙向 I/O 口 P3 口具有多種功能。 P1 口既可以作為 8 位并行輸入輸出口，又可以作為 8 位輸入 /輸出端。 Vpp：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，此引腳用于施加編程電 源 Vpp。在讀內(nèi) ROM 或讀外 RAM 時， PSEN 無效。在 ALE 信號的下降沿，鎖定 P0 口傳送的內(nèi)容，即低 8 位地址信號。 二、 外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL XTAL2——晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 80C51 的制造工藝是在 8051 基礎上進行了改進。然而由于生產(chǎn)廠家多，芯片的類型也很多，使芯片的命名無法再遵循統(tǒng)一的規(guī)律 ，造成我們辨認上的困難 [3]。 此外，單片機在工商、金融、科研、教育、國防航空等領(lǐng)域都有著十 分廣泛的用途。通過單片機控制的智能化家用電器將給我們帶來更大的舒適和方便，進一步改善我們的生活質(zhì)量，把我們的生活變的更加豐富多彩。但其位數(shù)不一定會繼續(xù)增加，盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了 32 位單片機，但使用的并不多。 (2)、 單片機的發(fā)展 單片機出現(xiàn)的歷史并不長，它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生和發(fā)展大體上同步，也經(jīng)歷四個階段： 第一階段（ 1971～ 1974 年） 1971 年 11 月， Intel 公司推出 4 位微處理器 Intel 4004，并配有 RAM,ROM 和移位寄存器等芯片，構(gòu)成第一臺 MCS4 微型計算機。此外，在實際的控制應用中，常常需要擴展外圍電 路和外圍芯片。雖然單 片機只是一個芯片， 但從組成和功能上看，它已具有了計算機系統(tǒng)的屬性 [11]。 本設計不但節(jié)約成本，而且功能齊全，不但能實現(xiàn)倒計時器的功能，而且還能實現(xiàn)其他多種功能， 如倒計時秒表、定時器等等。 第二節(jié) 開發(fā)作用和意義 現(xiàn)在單片機的應用在我們的生活中隨處可見，這體現(xiàn)了它的重要性與實用性。同理，鎖存器 SN74LS244N 的功能也是一樣的，判斷矩陣鍵盤的輸出值從而判斷按下的鍵，實現(xiàn)鍵盤掃描原理的功能。 ③ 此倒計時設計 能夠通過矩陣鍵盤對倒計時 器 設定 任何不大于 9999 秒 的 初值， 同時設置 有 開始 鍵 、復位鍵 ，以達到可以重新設置初值的目的 。但是，單片機應用的意義絕不僅限于它的廣闊范圍以及所帶來的經(jīng)濟效益上，更重要的意義還在于：單片機的應用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。 在社會生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中，凡是有自動控制要求的地方都會和單片機扯上關(guān)系。 由于 單片機具有 體積小、易于產(chǎn)品化、面向控制、 集成度高、功能強、可靠性高、價格低等特點，其在工業(yè)控制、機電一體化、智能儀表、通信等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。對于倒計時器中的 LED 數(shù)碼顯示器來說，我為了簡化線路、降低成本，采用以軟件為主的接口方法，即采用 Keil uVision3 軟件程序進行譯碼。采用總線結(jié)構(gòu)以后，存儲器、輸入輸出等外部設備都通過專門的接口電路獨立的掛在總線上，因而使得單片機可擴充能力強，使用方便靈活。 本論文第一章介紹了本次倒計時系統(tǒng)的設計目的、設計方案和開發(fā)意義；第二章對MCS51 單片機的部分基本原理和接口技術(shù)進行了闡述，其中大部分都是本次設計需要用到，比如中斷原理、定時器等；最后一章介紹了本次倒計時系統(tǒng)設計的硬件電路設計和軟件程序設計 ，以及 Keil uVision3 軟件系統(tǒng)調(diào)試的步驟和方法，以完成系統(tǒng)設計。所有的設置初值、等待狀況和倒計時狀態(tài)都要通過 LED 數(shù)碼顯示器顯示出來，體現(xiàn)本倒計時系統(tǒng)的功能。 如果需要重新設置小于系統(tǒng)初值的其他任何初始值， 這個時候可以 按下 KC 鍵， 數(shù)碼管 四位清 0 并等待初值 的設置 ，通過 K0~K9（分別表示 1,2…9,0 ）設置初值。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 4 計時器在單片機模塊中是比較常見的的一個模塊，計時器是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)計時的裝置，與機械式 時鐘相比具有更高的準確性和直觀性，且無機械裝置，具有更更長的使用壽命，因此得到了廣泛的使用。然后介紹了 本倒計時 系統(tǒng)的方案設計 ，最后對本倒計時系統(tǒng)的功能進了比較詳細的介紹。其中通用單片機是一種基本芯片，內(nèi)部資源豐富、性能全面、適用性較強，用戶可根據(jù)自己的需要，以其為控制核心，配以不同的外圍電路設計成不同的單片機應用系統(tǒng)；專用單片機是針對性特別強，具有結(jié)構(gòu)的最簡化、資源利用的最優(yōu)化、可靠性和成本的最佳化的特點?，F(xiàn)在廣泛使用的微型計算機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，因此它屬于第四代計算機，而單片機則是微型計算機的一個分支。此類單片機普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)， 16 位 C/T，片內(nèi) RAM， ROM 容量加大，且尋址范圍可達 64K 字節(jié)，有的片內(nèi) 還帶有A/D 轉(zhuǎn)換器接口。采用單片機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 電路更加強大。 單片機在醫(yī)用設備 、軍用 領(lǐng)域中的應用 單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如 醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等等 。 一、 80C51 芯片介紹 MCS51 的 原 生 產(chǎn) 廠 商是 Intel 公 司 ， 最 早 推出 80C51 芯 片的 也 是 Intel 公 司 ， 并 且 作為 MCS51 的 一 部 分 ， 按原 MCS51 芯 片 的規(guī) 則 命 名 ， 例 如 80C3 80C5 87C51 和 89C51， 這 樣 我重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 們 就 能 很 容易 地認 識 80C51 的 系 列 芯 片。 8051 單片機與 80C51 單片機從外形看是完全一樣的，其指令系統(tǒng)、引腳信號、總線等完全一致（完全兼容），也就是說在 8051 下開發(fā)的軟件完全可以在80C51 上應用，反過來，在 80C51 下開發(fā)的軟件也可以在 8051 上應用 [3]。圖 左邊為其引腳圖，右邊為為其邏輯符號圖。 ALE/PROG(30)—— 地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編程脈沖 ALE 功 能：用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址。 PSEN(29)—— 外 ROM 讀選通信號。當 EA 保持高電平時，先訪問內(nèi) ROM，但當 PC（程序計數(shù)器）值超過 4KB（ 0FFFH）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外 ROM 中的程序。位結(jié)構(gòu)如圖 所示。 1 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 圖 P1 口位結(jié)構(gòu) P2 口 —— 8 位準雙向 I/O 口 在不并行擴展外存儲器 (包括并行擴展 I/O 口 )時 ， P2 口可用作雙向 I/O 口。 ——TXD： 串行口輸出端 。在并行擴展外存儲器 (包括并行擴展 I/O 口 )時 ， P0 口專用于分時傳送低 8 位地址信號和 8 位數(shù)據(jù)信號 ， P2 口專用于傳送高 8 位地址信號。 圖 中斷系統(tǒng) 二、 8051 中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 80C51 的中斷系統(tǒng)有 5 個中斷源 （ 8052 有 6 個） ， 2 個優(yōu)先級，可實現(xiàn)二級中斷嵌套 。 (2)、 IT1() 外部中斷 1( 1INT )請求類型控制位。當串行口接收完一幀串行數(shù)據(jù)時置位 RI 或當串行口發(fā)送完一幀串行數(shù)據(jù)時置位 TI，向 CPU 申請中斷。 第五節(jié) 定時器與計數(shù)器 一、 定時器概述 加 1計數(shù)器輸入的計數(shù)脈沖有兩個來源 ,一個是由系統(tǒng)的時鐘振蕩器輸出脈沖經(jīng) 12分頻后送來；一個是 T0 或 T1 引腳輸入的外部脈沖源。 (2) /CT： 定 時 /計數(shù)模式選擇位。 CPU響應中斷后 TF1 由硬件自動清 0。 TF0（ ）： T0 溢出中斷請求標志位，其功能與 TF1 類同。首先對中斷進行了闡述，然后對中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和中斷響應條件進行了介紹。 根據(jù) 系統(tǒng)的需求 可劃分為以下 4 個 部分 。 ③ 由于采用的是定時器 0 所以 TMOD 的高四位為 0000；選通控制只要用軟件使 TR0就啟動了定時器，所以門控位 GATE 為 0； /0CT? 表示設置為定時方式。值得注意的是，在設計當中使用到了硬件復位和軟件復位兩種功能，由上面的硬件復位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲器的值都恢復到了初始值。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 24 圖 DM74LS573N 使能端 LE 與 相連時的原理圖 而鎖存器 SN74LS244N 所完成的功能是配合完成鍵盤掃描原理。其中 ： 0~9 號鍵 ——其中 0~8 號鍵 分別代表數(shù)字 1~9， 9 號鍵代表數(shù)字 0，這 10 個鍵用來設置初值，鍵盤代號為 K0~K9。判斷有無按鍵按下的方法是： ① 掃描第一行： 置行線 DIG3~DIG0 輸入為 1110，觀察 列線 輸出 數(shù)據(jù) A4~A1 的值 ， 如果輸出。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機系統(tǒng)中 I/O 口的利用率，從而節(jié)約系統(tǒng)資源 [12]。 同理，芯片 SST89E516RD 通過鎖存器 DM74LS573N(當鎖存端 LE 與 相接時 )與LED 數(shù)碼管的位相接時，控制數(shù)碼管的位進行控制（當 DIG7~DIG0=0111 1101 時，此時則表示選擇第二位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)），確定是哪一位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。由于單片機是高電平復位，所以當按下 RESET 時，單片機的 9 腳 RESET 管腳處于高電平，此時單片機處于 復位狀態(tài)。 ② 設置定時器模式時 ，加 1 計數(shù)器是對內(nèi)部機器周期計數(shù)（ 1 個機器周期等于 12 個振蕩周期，即計數(shù)頻率為晶振頻率的 1/12）。其中不同的模塊根據(jù)自己的的特點實現(xiàn)不同的功能， 在整個系統(tǒng)中都起到了不可替代的作用。 第六節(jié) 本章小結(jié) 本章主要介紹了本次設計需要用到的 MCS51 單片機的部分基本原理。 TR1 由軟件置 1 或清 0。其格式如下： TOCN 各位功能如下： TF1（ ）： T1 溢出中斷請求標志位。 GATE＝ 0 時，只要用軟件使 TCON 中的 TR0 或 TR1 為 1，就可以啟動定時 /計數(shù)器工作； GATA＝ 1 時，要用軟件使 TR0 或 TR1 為 1，同時外部 中斷引腳或也為高電平時，才能啟動定時 /計數(shù)器工作。 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 18 同一優(yōu)先級中的中斷申請不止一個時，則有中斷優(yōu)先權(quán)排隊問題。定時器 T1 被允許計數(shù)后，從初值開始加 1 計數(shù)，當產(chǎn)生溢出時置 TF1=1，向 CPU 請求中斷， 直到 CPU 響應該中斷時才由硬件清 0。 IT0=0 時，外部中斷 0 程控為 電平觸發(fā)方式； IT0=1時外部中斷 0 為邊沿觸發(fā)方式。實現(xiàn)上述中斷功能的部件稱為中斷系統(tǒng)（中斷機構(gòu)）。 上述 4 個 I/O 口 ， 各有各的用途。 VCC 鎖存器 D CP Q Q 引腳 讀鎖存器 寫鎖存器 內(nèi)部總線 讀引腳 內(nèi)部上拉電阻 鎖存器 D CP Q Q 讀鎖存器 寫鎖存器 內(nèi)部總線 讀引腳 VCC 引腳 內(nèi)部上拉電阻 1 地址 控制 MUX 重慶郵電大學本科畢業(yè)