【文章內(nèi)容簡介】 片計算機，還包括微計算機，微處理器，微控制器和嵌入式控制器，單片微機已是它們的俗稱。 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8位單片機，片內(nèi)含4K 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲器，既可在線編程也可以用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8位微 處理器于單片芯片中，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4KBFlash 閃存存儲器，128B 內(nèi)部 RAM， 32 個 I/O 口線，看門狗，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。 根據(jù)實際需要，本次設(shè)計選用的是以 8051 為核心單元 Atmel 公司的低耗AT89S51 單片機。 AT89S51 芯片有 40 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 6所示。下面說明各引腳功能。 15 圖 6 AT89S51 芯片管腳 VCC：運行和程序校驗時接電源正端。 GND：接地。 XTAL1：輸入到單片機內(nèi)部振蕩器的反相放大器。 XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器。 P0 口： 8位漏極開路的。使用片外存儲器時，作低八位地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用，能驅(qū)動 8個 LSTTL 上拉電阻。 P1 口： 8位、準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P2 口： 8位、準(zhǔn)雙向 I/O 口。當(dāng)使用片外存儲器（ ROM 及 RAM）時，輸出高8位地址?？梢则?qū)動 4個 LSTTL 負(fù)載。 P3 口： 8位、準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路，提供各種替代功能。 —— RXD 串行口輸入口， —— TXD串行口輸出口， —— INT0 外部中斷0輸入， —— INT1 外部中斷 1輸入， —— T0 定時器 /計數(shù)器 0 的外部輸入， —— T1定時器 /計數(shù)器 1的外部輸入， —— WR 低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通， —— RD 低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。 16 RST：復(fù)位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在 RST 上作用兩個機器周期以上的高電平，將器件復(fù)位。 EA /VCC：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。高電平時選擇片內(nèi)程序存儲器，低電平時程序存儲器全部在片外而不管片內(nèi)是否有程序存儲器。 ALE/PROG：地址鎖存允許信號，輸出。 ALE 以 1/6 的振蕩頻率固定速率輸出，可作為對外輸出的時鐘或用作外部定時脈沖。 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計包括電源，晶振和復(fù)位電路三個部分。這是使單片機正常工作的必要外圍電路部分。針對不同型號的單片機在最小系統(tǒng)設(shè)計上會有一些差別。對于選用的 AT89S51 單片機，根據(jù)美國 ATMEL 公司提供的技術(shù)資料，可以對它的最小系統(tǒng)作恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計 ，如圖 8所示。 對于電源部分，技術(shù)資料中性能參數(shù)里給出的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是 ～ 。因此，單片機的引腳 40 對應(yīng)的 VCC 接到 +5V 電源的正極，引腳 10對應(yīng)的 GND 接到 +5V 電源的接地端，為 AT89S51 單片機提供正常的工作電壓。 對于晶振部分， AT89S51 單片機中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 19 對應(yīng)的 XTAL1 和 18 對應(yīng)的 XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。如圖 8所示，石英晶體及電容 C1 和 C2 接在放大器的反饋 回路中構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。石英晶體的兩端分別接到引腳 XTAL1 和引腳 XTAL2，同時石英晶體的兩端分別接一個電容 C1 和 C2，電容的另一端接地。對于外接電容 C1 和 C2的大小雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小還是會對振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度和溫度穩(wěn)定性帶來一定的影響。根據(jù)技術(shù)資料的推薦，使用石英晶體推薦電容容量為 30pF177。10pF ，使用陶瓷諧振器推薦電容容量為 40pF177。10pF 。因為電路中接的是石英晶體，所以設(shè)計中接的兩個電容 C1和 C2 的容量都為 33pF。 對于復(fù)位電路部分， AT89S51 技術(shù)資料給出，當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復(fù)位。復(fù)位是單片機的初始化操作，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，可以按復(fù)位鍵以重新啟動，所以復(fù)位電路的設(shè)計很有必要。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位、按鍵電平復(fù)位和外部脈沖復(fù)位三種方式，本設(shè)計選用按鍵電平復(fù)位方式。如圖 7所示， 10μF 的電容 C3 與 270Ω 的電阻并聯(lián)后再與一個 10KΩ 的電阻串聯(lián)，電容的正極端接到電源的正極，電容的另一端接至引腳 RST。設(shè)計中選用的石英晶體大小為 ,但復(fù) 位鍵按下后，電容和電阻選用的參數(shù)值能夠保證給復(fù)位端 RST 提供大于 2個機器周期的高電平復(fù)位信號。 17 圖 7 AT89S51 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計電路 ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 8 所示，它由 8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8位開關(guān)樹型 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。因此， ADC0809 可處理 8 路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。輸入輸出與 TTL兼容。 圖 8 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 18 ADC0809 芯片有 28 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 9 所示。下面說明各引腳功能。 圖 9 ADC0809芯片 IN0~IN7： 8路模擬量輸入端。 21~28： 8 位數(shù)字量輸出端 。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 3位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一路。如表 1 所示 。 ALE： 地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： A/D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。 EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（ 轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng) A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于 640KHZ。 REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一 +5V。 GND：地。 ADC0809 的工作過程是：首先輸入 3位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通 8路模擬輸入之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正 19 在進行。直到 A/D轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng) OE 輸 入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 當(dāng)檢測到酒精氣味時，氣體傳感器的 AB間電阻變小，則 ADC0809 的模擬輸入端 IN0 的電壓變大。采用查詢方式對輸入模擬信號進行 A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)通過三位八段數(shù)碼管顯示。 表 1 ADC0809 通道地址 ADDC ADDB ADDA 選通通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 ADC0809 芯片內(nèi)部沒有時鐘脈沖源，可以用單片機提供的地址鎖存控制輸入信號 ALE 經(jīng) D觸發(fā)器二分頻后，作為 ADC0809 的時鐘輸入。 ALE 端信號的頻率是單片機時鐘頻率的 1/6。單片機的時鐘頻率是 ，則 ALE 端輸出信號的頻率為 ， 再二分頻后為 ，符合 ADC0809 對時鐘頻率的要求。由于 ADC0809 具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)瑣存器，其 8位數(shù)據(jù)輸出端可以直接與數(shù)據(jù)總線相連。地址選通端 ADDA， ADDB， ADDC 分別與單片機地址總線的低三位 A0， A1，A2相連，用于選通 IN0IN7 中的某一通道。由于 ALE 和 START 連在一起， ADC0809在鎖存通道地址的同時啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。在讀取 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果時， OE 產(chǎn)生的正脈沖信號用于打開三態(tài)輸出鎖存器。 ADC0809 的 EOC 信號與單片機的 相連，作為 A/D 轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的狀態(tài)信號供單片機 查詢。 ADC0809 與 AT89S51 單片機的接口電路如圖 10所示 [11]。單片機引腳 與 進過或非門后于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 ALE 端和 START 端子用導(dǎo)線相連接，用于對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片寫入數(shù)據(jù)的寫信號。單片機的 RD 端 與 進過或非門后于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 OE端子用導(dǎo)線相連接，作為單片機讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀信號。單片機引腳 與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 EOC 端經(jīng)過或非門后的輸出端用導(dǎo)線相連接，用于單片機對模數(shù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的查詢，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后可以查詢到 為高電平，為單片機讀取數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備。單片機的 ALE端口接到 D 觸發(fā)器的時鐘信號輸入端 CK， D觸發(fā)器的反相輸出端與觸發(fā)信號輸入端用導(dǎo)線相連， D觸發(fā)器的清零和復(fù)位端為低電平有效，分別接高電平， D觸發(fā)器的正向輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 CLK 端子用導(dǎo)線相連接，為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片提供正常的時鐘信號。把模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 A2﹑ A1﹑ A0端分別用導(dǎo)線連接到地址鎖存器的低三位，用于選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換的通道。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 IN0 端子用導(dǎo)線與信號采樣部分的負(fù)載電阻端相連，作為要模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端。單片機引腳 － 連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的 20 數(shù)據(jù)輸出端 D0﹑ D1﹑ D2﹑ D3﹑ D4﹑ D5﹑ D6﹑ D7端，用于讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。地址鎖存芯片 74LS373 的輸入端低三位分別與單片機引腳 － 連接，用于鎖存選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的地址。 圖 10 ADC0809 與單片機 AT89S51 接口電路 發(fā)光二極管顯示報警電路 發(fā)光二極管集成驅(qū)動芯片 LM3914 的管腳圖如圖 11 所示。 其內(nèi)部的緩沖放大器最大限度的提高了該集成電路的輸入電阻（ 5腳），電壓輸入信號經(jīng)過緩沖器（增益為零）同時送到 10 個電壓比較器的異相（ ）輸入端。 10 個電壓比較器的同相輸入（ +）端分別接到 10 個等值電阻（ 1KΩ ）串聯(lián)回 路的 10 個分壓端。因為與串聯(lián)回路相接的內(nèi)部參考電壓為 ，所以相鄰分壓端之間的電壓差為。為了驅(qū)動 LED1 發(fā)光，集成電路 LM3914 的 1腳輸出應(yīng)該為低電平，因此要求電壓比較器異相（ ）端的輸入電壓應(yīng)大于 。同理，要使 LED2 發(fā)光，異相端輸入電壓應(yīng)大于 *2=；要使 LED10 發(fā)光，異相端輸入電壓應(yīng)大于 *10=。 LM3914 的 9腳為點，條方式選擇端，當(dāng) 9腳與 11腳相接為點狀顯示；當(dāng) 9腳與 3腳相接，則為條狀顯示。本系統(tǒng)采用條狀顯示方式，即將引 腳 9和引腳 3都接到電源的正極。 21 圖 11 LM3914 管腳圖 如圖 12所示， LM3914 的 3和 9引腳接電源正極，使發(fā)光二極管成柱狀顯示，7和 8引腳接一個 2K 的電阻，控制發(fā)光二極管的亮度， 5引腳為采樣信號的輸入端， 10 到 18引腳和 1引腳分別接發(fā)光二極管的負(fù)極端， 4 和 2 引腳與發(fā)光二極管的正極間接一個 10μF 的電容，作為發(fā)光二極管的虛電源，驅(qū)動要反光的二極管點亮。 當(dāng)檢測到酒精氣味時，氣敏傳感器的 AB 間電阻變小， LM3914 的 5 端電位升高，通過比較放大，驅(qū)動發(fā)光二極管依次發(fā)光，從而區(qū)分出酒精含量的高低，直觀 的看出所測的酒精濃度達到了哪個水平值，起到報警的作用。 輸入靈敏度可以通過負(fù)載電阻的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，即對地電阻調(diào)小時靈敏度下降；反之，靈敏度增加。改變 7腳與 8腳之間電阻的阻值可以調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的顯示亮度，當(dāng)阻值增加亮度減弱，反之加強。 圖 12 發(fā)光二極管顯示 22 數(shù)碼管顯示電路 發(fā)光二極管一般是砷化鎵半導(dǎo)體二極管，在發(fā)放光二極管兩端加上正向電壓，則發(fā)光二極管發(fā)光。數(shù)碼管是由若干發(fā)光二極管組合而成的，有共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)形。 8 段共陰數(shù)碼管由 a﹑ b﹑ c﹑ d﹑ e﹑ f﹑ g、 dg 這 8 個發(fā)光二極管組成。把 8個 發(fā)光二極管的陰極連接在一起構(gòu)成共陰極端，接進電路時，共陰極端接地，給要發(fā)光顯示的二極管的陽極端接高電平可使該發(fā)光二極管導(dǎo)通點亮。如圖 13所示。 圖 13 8 段共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 用單片機驅(qū)動數(shù)碼管有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就 可以驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù) ，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時再傳送一次新 的 數(shù)據(jù) 就可以了