【正文】 本 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤掃描原理。 圖 SN74LS244N 使能端 OE 與 相連時(shí)的原理圖 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(gè)值。 一般的復(fù)位電路可分為上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位， 在本次設(shè)計(jì)中 選用的是按鍵復(fù)位。 ~ 分別命名為 D0~D7， 由于是 雙向口， 即在作為輸入口的同時(shí)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 第三 章 倒計(jì)時(shí)器 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試 第一節(jié) 硬件電路設(shè)計(jì) 最小系統(tǒng)是 單 片 機(jī) 在 發(fā) 揮 具 體 測 控 功 能 時(shí) 所 必 須 的 組 成部分 [5]。 ② 計(jì)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(shí) /計(jì)數(shù)器有四種工作方式，由 M1M0 進(jìn)行設(shè)置?？梢?，由溢出時(shí)計(jì)數(shù)器的值減去計(jì)數(shù)初值才是加 1 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值 [4]。 (2)、中斷源優(yōu)先級設(shè)定寄存器 IP 80C51 單片機(jī)有兩個(gè)中斷優(yōu)先級，即可實(shí)現(xiàn)二級中斷服務(wù)嵌套。 (3)、 TF0（ ） 片內(nèi)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 溢出中斷 申請位 ， TF0 實(shí)際上是 T0 中斷觸發(fā)器的一個(gè)輸出端。 8051 單片機(jī)中斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如 圖 所示。 主程序斷 點(diǎn)響 應(yīng) 中斷 請 求返 回 主 程序中斷服務(wù)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(shí) /計(jì)數(shù)器 1 外部信號輸入端 。 圖 P2 口位結(jié)構(gòu) P3 口 —— 8 位準(zhǔn)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(shí)， 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(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。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(rèn)上的困難 [3]。 此外，單片機(jī)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(jī)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(jìn)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(huì)繼續(xù)增加，盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了 32 位單片機(jī)，但使用的并不多。 (2)、 單片機(jī)的發(fā)展 單片機(jī)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(gè)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(tái) MCS4 微型計(jì)算機(jī)。此外，在實(shí)際的控制應(yīng)用中，常常需要擴(kuò)展外圍電 路和外圍芯片。雖然單 片機(jī)只是一個(gè)芯片， 但從組成和功能上看，它已具有了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性 [11]。 本設(shè)計(jì)不但節(jié)約成本，而且功能齊全，不但能實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)器的功能，而且還能實(shí)現(xiàn)其他多種功能， 如倒計(jì)時(shí)秒表、定時(shí)器等等。 第二節(jié) 開發(fā)作用和意義 現(xiàn)在單片機(jī)的應(yīng)用在我們的生活中隨處可見，這體現(xiàn)了它的重要性與實(shí)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(shí)現(xiàn)鍵盤掃描原理的功能。 ③ 此倒計(jì)時(shí)設(shè)計(jì) 能夠通過矩陣鍵盤對倒計(jì)時(shí) 器 設(shè)定 任何不大于 9999 秒 的 初值， 同時(shí)設(shè)置 有 開始 鍵 、復(fù)位鍵 ，以達(dá)到可以重新設(shè)置初值的目的 。但是，單片機(jī)應(yīng)用的意義絕不僅限于它的廣闊范圍以及所帶來的經(jīng)濟(jì)效益上，更重要的意義還在于：單片機(jī)的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。 在社會(huì)生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中，凡是有自動(dòng)控制要求的地方都會(huì)和單片機(jī)扯上關(guān)系。 由于 單片機(jī)具有 體積小、易于產(chǎn)品化、面向控制、 集成度高、功能強(qiáng)、可靠性高、價(jià)格低等特點(diǎn)，其在工業(yè)控制、機(jī)電一體化、智能儀表、通信等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。對于倒計(jì)時(shí)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(jìn)行譯碼。采用總線結(jié)構(gòu)以后，存儲(chǔ)器、輸入輸出等外部設(shè)備都通過專門的接口電路獨(dú)立的掛在總線上，因而使得單片機(jī)可擴(kuò)充能力強(qiáng)，使用方便靈活。 本論文第一章介紹了本次倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)方案和開發(fā)意義；第二章對MCS51 單片機(jī)的部分基本原理和接口技術(shù)進(jìn)行了闡述，其中大部分都是本次設(shè)計(jì)需要用到，比如中斷原理、定時(shí)器等；最后一章介紹了本次倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì) ，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(shè)計(jì)。所有的設(shè)置初值、等待狀況和倒計(jì)時(shí)狀態(tài)都要通過 LED 數(shù)碼顯示器顯示出來，體現(xiàn)本倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)的功能。 如果需要重新設(shè)置小于系統(tǒng)初值的其他任何初始值， 這個(gè)時(shí)候可以 按下 KC 鍵， 數(shù)碼管 四位清 0 并等待初值 的設(shè)置 ，通過 K0~K9（分別表示 1,2…9,0 ）設(shè)置初值。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 計(jì)時(shí)器在單片機(jī)模塊中是比較常見的的一個(gè)模塊，計(jì)時(shí)器是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的裝置，與機(jī)械式 時(shí)鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機(jī)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(jì)時(shí) 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) ，最后對本倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)的功能進(jìn)了比較詳細(xì)的介紹。其中通用單片機(jī)是一種基本芯片，內(nèi)部資源豐富、性能全面、適用性較強(qiáng)，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(shè)計(jì)成不同的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；專用單片機(jī)是針對性特別強(qiáng)，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(diǎn)?，F(xiàn)在廣泛使用的微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，而單片機(jī)則是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支。此類單片機(jī)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(dá) 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(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。 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備 、軍用 領(lǐng)域中的應(yīng)用 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 。 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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 們 就 能 很 容易 地認(rèn) 識 80C51 的 系 列 芯 片。 8051 單片機(jī)與 80C51 單片機(jī)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(yīng)用，反過來，在 80C51 下開發(fā)的軟件也可以在 8051 上應(yīng)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(dāng) EA 保持高電平時(shí)，先訪問內(nèi) ROM，但當(dāng) PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過 4KB（ 0FFFH）時(shí)，將自動(dòng)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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 P1 口位結(jié)構(gòu) P2 口 —— 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口 在不并行擴(kuò)展外存儲(chǔ)器 (包括并行擴(kuò)展 I/O 口 )時(shí) ， P2 口可用作雙向 I/O 口。 ——TXD： 串行口輸出端 。在并行擴(kuò)展外存儲(chǔ)器 (包括并行擴(kuò)展 I/O 口 )時(shí) ， P0 口專用于分時(shí)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(gè)中斷源 （ 8052 有 6 個(gè)） ， 2 個(gè)優(yōu)先級，可實(shí)現(xiàn)二級中斷嵌套 。 (2)、 IT1() 外部中斷 1( 1INT )請求類型控制位。當(dāng)串行口接收完一幀串行數(shù)據(jù)時(shí)置位 RI 或當(dāng)串行口發(fā)送完一幀串行數(shù)據(jù)時(shí)置位 TI，向 CPU 申請中斷。 第五節(jié) 定時(shí)器與計(jì)數(shù)器 一、 定時(shí)器概述 加 1計(jì)數(shù)器輸入的計(jì)數(shù)脈沖有兩個(gè)來源 ,一個(gè)是由系統(tǒng)的時(shí)鐘振蕩器輸出脈沖經(jīng) 12分頻后送來；一個(gè)是 T0 或 T1 引腳輸入的外部脈沖源。 (2) /CT： 定 時(shí) /計(jì)數(shù)模式選擇位。 CPU響應(yīng)中斷后 TF1 由硬件自動(dòng)清 0。 TF0（ ）： T0 溢出中斷請求標(biāo)志位，其功能與 TF1 類同。首先對中斷進(jìn)行了闡述，然后對中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和中斷響應(yīng)條件進(jìn)行了介紹。 根據(jù) 系統(tǒng)的需求 可劃分為以下 4 個(gè) 部分 。 ③ 由于采用的是定時(shí)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(dòng)了定時(shí)器，所以門控位 GATE 為 0； /0CT? 表示設(shè)置為定時(shí)方式。值得注意的是，在設(shè)計(jì)當(dāng)中使用到了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種功能，由上面的硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲(chǔ)器的值都恢復(fù)到了初始值。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 DM74LS573N 使能端 LE 與 相連時(shí)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(gè)鍵用來設(shè)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(jī)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(dāng)鎖存端 LE 與 相接時(shí) )與LED 數(shù)碼管的位相接時(shí)，控制數(shù)碼管的位進(jìn)行控制（當(dāng) DIG7~DIG0=0111 1101 時(shí)，此時(shí)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(jī)是高電平復(fù)位，所以當(dāng)按下 RESET 時(shí)，單片機(jī)的 9 腳 RESET 管腳處于高電平，此時(shí)單片機(jī)處于 復(fù)位狀態(tài)。 ② 設(shè)置定時(shí)器模式時(shí) ，加 1 計(jì)數(shù)器是對內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)（ 1 個(gè)機(jī)器周期等于 12 個(gè)振蕩周期，即計(jì)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同的功能， 在整個(gè)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(shè)計(jì)需要用到的 MCS51 單片機(jī)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(biāo)志位。 GATE＝ 0 時(shí)，只要用軟件使 TCON 中的 TR0 或 TR1 為 1，就可以啟動(dòng)定時(shí) /計(jì)數(shù)器工作； GATA＝ 1 時(shí)，要用軟件使 TR0 或 TR1 為 1，同時(shí)外部 中斷引腳或也為高電平時(shí)，才能啟動(dòng)定時(shí) /計(jì)數(shù)器工作。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 同一優(yōu)先級中的中斷申請不止一個(gè)時(shí)，則有中斷優(yōu)先權(quán)排隊(duì)問題。定時(shí)器 T1 被允許計(jì)數(shù)后，從初值開始加 1 計(jì)數(shù)，當(dāng)產(chǎn)生溢出時(shí)置 TF1=1，向 CPU 請求中斷， 直到 CPU 響應(yīng)該中斷時(shí)才由硬件清 0。 IT0=0 時(shí)，外部中斷 0 程控為 電平觸發(fā)方式； IT0=1時(shí)外部中斷 0 為邊沿觸發(fā)方式。實(shí)現(xiàn)上述中斷功能的部件稱為中斷系統(tǒng)（中斷機(jī)構(gòu)）。 上述 4 個(gè) 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(xué)本科畢業(yè)