【文章內(nèi)容簡介】 如圖 31 所示： 圖 31 AT 89C51 組成結(jié)構(gòu)圖 8 個部件的作用功能介紹如下： 中央處理器 CPU：它是單片機的核心，完成運算和控制功能。 內(nèi)部 數(shù)據(jù)存儲器： AT89C51 芯片中共有 256 個 RAM 單元，能作為存儲器使用的只是前 128 個單元，其地址為 00H— 7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前 128 個單元，簡稱內(nèi)部 RAM。 特殊功能寄存器：是用來對片內(nèi)各部件進行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個特殊功能的 RAM 區(qū)，位于內(nèi)部 RAM 的高 128 個單震蕩電路 程序存儲器 定時器 串行口 并行 I/O 口 中斷系統(tǒng) 數(shù)據(jù)存儲器 CPU 特殊 功能 寄存 器 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 10 元，其地址為 80H— FFH。 內(nèi)部程序存儲器： AT89C51 芯片內(nèi)部共有 4K 個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部 ROM。 并行 I/O 口： AT89C51 芯片內(nèi)部有 4 個 8 位的 I/O 口（ P0， P1， P2， P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。 串行口：它是用來實現(xiàn)單片機和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。 定時器： AT89C51 片內(nèi)有 2 個 16 位的定時器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。 中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有 5 個中斷源，即外部中斷 2 個，定時 /計數(shù)中斷 2 個和串行中斷 1 個。 振蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成 89C51 單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列的時鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為 12MHz。 單片機引腳如圖 32 所示： P 1P 2P 3P 4P 5P 6P 7P 8R S T9P 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17X T A L 218X T A L 119V S S20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 32P 33P 34P 35P 36P 37P 38P 39V C C40U8A T 89 C 51 圖 32 AT 89C51 引腳 圖 P0 口： P0 口是一組８位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 11 用口。作為輸出口用，每位能吸收電流的方式驅(qū)動８個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“１”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低８位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外界上拉電阻。 P1 口： P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的８位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）４個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“１ ”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 Flash 編程和程序校驗期間， P1 接收低８位地址。 P2 口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的８位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）４個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“１”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 在訪問外部程序存儲器１６位地址的外部數(shù)據(jù) 存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR 指令）時， P2 口送出高８位地址數(shù)據(jù)。在訪問８位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX @RI 指令）時， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 R２寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗時， P2 亦接收高位地址和其它控制信號。 P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的８位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）４個 TTL邏輯門電路。對 P3 口寫入“１”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的 P3口將用上拉電阻 輸出電流（ IIL）。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 31 所示。 P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE(地址鎖存允第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 12 許 )輸出脈沖用于鎖存地址的低８位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的１／６輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器 時將跳過一個 ALE 脈沖。 表 31 P3 口功能表 對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)該置ALE 無效 。 PSEN:程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選信號，當(dāng)AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN 信號不出現(xiàn)。 EA/VPP:外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH）， EA 端必須保持電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平， CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 Flash 存儲器編程時，該引腳加上＋ 12V的編程允許電源 ，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 。 端口引腳 第二功能 RXD （串行輸入口） TXD （串行輸出口） 0INT （外中斷 0） 1INT （外中斷 1） 0T （定時 /計數(shù)器 0） 1T （定時 /計數(shù)器 1） WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 13 XTAL1:振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XLAT2: 振蕩器反相放大器的輸出端。 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石英振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除： 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正 確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 時鐘電路： 時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。本設(shè)計單片機采用的時鐘頻率 是 8MHZ。 MCS51 內(nèi)部都有一個反相放大器， XTAL XTAL2 分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件。 AT89C51 是屬于 CMOS 8 位微處理器，它的時鐘電路在結(jié)構(gòu)上有別于 NMOS 型的單片機。 CMOS 型單片機內(nèi)部（如 AT89C51）有一個可控的負反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器，圖 33 為 CMOS 型單片機時鐘電路框圖。振蕩器工作受 PD 端控制，由軟件置“ 1” PD（即特殊功能寄存器 ），使 PD＝ 0，振蕩器停止 工作，整個單片機也就停止工作，以達到節(jié)電目的。清“ 0” PD，使振蕩器工作產(chǎn)生時鐘，單片機便正常運行。圖中Y1 為晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時鐘頻率主要由 Y1 參數(shù)確定（晶振上標明的頻率）。電容 C1 和 C2 的作用有兩個：其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率 f 起微調(diào)作用（ C C2 大， f 變?。? 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 14 12Y1X T A L20pFC 1 720pFC 1 6 圖 33 CMOS 型單片機時鐘電路框圖 復(fù)位電路： 計算機在啟動運行時都需要復(fù)位，使中央處理器 CPU 和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 MCS51 單片機有一個復(fù)位引腳 RST，它是 史密特觸發(fā)輸入 (對于 CHMOS單片機， RST 引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻 )，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn) 2個機器周期 (即 24 個時鐘周期 )以上的高電平，使器件復(fù)位，只要 RST 保持高電平， MCS51 保持復(fù)位狀態(tài)。此時 ALE、 PSEN、 P0、 P P P3 口都輸出高電平。 RST 變?yōu)榈碗娖胶?，退出?fù)位， CPU從初始狀態(tài)開始工作。 單片機采用的復(fù)位方式是自動復(fù)位方式。對于 MOS(AT89C51)單片機只要接一個電容至 VCC 即可 (見圖 3— 4)。在加電瞬間，電容通過電阻充電，就在RST 端出現(xiàn)一定時間的高電平，只要高電平時間 足夠長，就可以使 MCS51有效的復(fù)位。 RST 端在加電時應(yīng)保持的高電平時間包括 VCC 的上升時間和振蕩器起振的時間， VCC 上升時間若為 10ms，振蕩器起振的時間和頻率有關(guān)。10MHZ時約為 1ms， 1MHZ時約為 10ms，所以一般為了可靠的復(fù)位， RST 在上電應(yīng)保持 20ms 以上的高電平。 RC 時間常數(shù)越大，上電 RST 端保持高電平的時間越長。 若復(fù)位電路失效，加電后 CPU 從一個隨機的狀態(tài)開始工作，系統(tǒng)就不能正常運轉(zhuǎn)。 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 15 P 1P 2P 3P 4P 5P 6P 7P 8R S T9P 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17X T A L 218X T A L 119V S S20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27P 28P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 32P 33P 34P 35P 36P 37P 38P 39V C C40U8A T 89 C 5110uFC 18R 34+5 圖 34 上電復(fù)位電路 顯示電路： 顯示電路采用 LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示， LED（ LightEmitting Diode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。 LED 是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。 LED 有單個 LED 和八段 LED 之分，也有共陰和共陽兩種。 顯示器結(jié)構(gòu)： 常用的七段顯示器管。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器 ,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。 1 位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中七個發(fā)光二極管 控制七個筆畫（段）的亮或暗，另一個控制一個小數(shù)點的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用方便。 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 16 f9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8 圖 35 七段發(fā)光顯示器管腳的結(jié) 構(gòu) 此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的數(shù)字來，如圖35 所示，為七段數(shù)碼管的管腳圖 顯示方式： 為了節(jié)省 I/O 口線，我們采用的動態(tài)顯示方式。 所謂動態(tài)顯示，就一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描），對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于 8 位，