【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 16 位單片機(jī)和超 8 位單片機(jī) (1982 年至今 )。此階段的主要特征是，一方面不斷完善高檔 8 位機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同用戶的需要；另一方面發(fā)展 16 位單片機(jī)及專用單片機(jī)。 16 位單片機(jī)除了 CPU為 16 位外，片內(nèi) RAM 和 ROM 的容量也進(jìn)一步增大，片內(nèi) RAM 為 232 字節(jié)， ROM 為 8KB，片內(nèi)帶有高速輸入輸出部件，多通道 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換部件，中斷處理為 8 級(jí)，其實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)。近來(lái)， 32 位單片機(jī)己進(jìn)入實(shí)用階段，但還未引入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。 在今后 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將是 :向著大容量、高性能化，小容量、低價(jià)格化和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展 。 本系統(tǒng)單片機(jī)的選擇 AT89C51是美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes的反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲(chǔ)單元可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng) 域。 圖 其引腳圖。 主要特性 與 MCS51 完全 兼容 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí) 間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 1288 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5 個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 功能性概述 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速 存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 同時(shí)， AT89C51可下降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 AT89C51的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹 單片機(jī)電路是系統(tǒng)控制的核心。單片機(jī)選用從 ATMEL 公司的低功耗、高性能的 8位 CMOS 芯片 AT89C51，其片內(nèi)帶有 4K 字節(jié)的閃速可編程及可擦除只讀存儲(chǔ)器（ EPROM）。引腳功能說(shuō)明 如下 ： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 圖 AT89C51引腳圖 VCC：電源電壓 GND：地 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)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電 流的力式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 Pl 口： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)叫可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引 腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL）。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P1 接收低 8 位地址。 P2 口： P2 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL）。 在訪問(wèn)外部序程存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX@DPTR指令）時(shí)， P2 口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX @RI 指令）時(shí)， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 個(gè)訪問(wèn)期間不改變。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。 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(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì) P3 口寫入“ 1”時(shí)，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(shí)，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/0 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 所 示。P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 表 P3 口第二功能 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0 （外中斷 0） INT1 （外中斷 1） T0（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0） T1（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1） WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)去讀選通） RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。 對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖 （ CS） 。 如有必要，可通過(guò)對(duì)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(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 無(wú)效。 PSEN：程序儲(chǔ)存允許 （ PSEN） 輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)不出現(xiàn)。 EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。 欲使 CPU僅訪問(wèn)外 部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平（接 VCC端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 令。 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp,當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器 及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 時(shí)鐘振蕩器： X T A L 2X T A L 1G N D 圖 外部振蕩電 路 AT89C51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)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，振蕩電路參見(jiàn) 圖 32。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容 CC2 雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。采用外部時(shí)鐘的電路如圖 所示，這種情況下 ，外部時(shí)鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部 時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2 則懸空。 本系統(tǒng)硬件 電路 部分 本系統(tǒng)硬件電路主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)主系統(tǒng)電路、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)擴(kuò)展電路、LED顯示電路等組成。 系統(tǒng)的工作原理 系統(tǒng)采用 AT89C51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。用濕度檢測(cè)電路中的濕敏電阻對(duì)土壤濕度進(jìn)行采集，所得電流信號(hào)經(jīng)處理得到可用的電壓信號(hào)，輸入到 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。系統(tǒng)將檢測(cè)得土壤的濕度值，送到 LED顯示電路顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，能進(jìn)行適度范圍設(shè)置和顯示，同時(shí)通過(guò)模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵開關(guān)的只 能控制。該電路主要由 AT89C51系統(tǒng)電路、電源電路、濕度檢測(cè)電路、顯示電路、開關(guān)控制電路等組成。軟件選用匯編語(yǔ)言編程。單片機(jī)可將土壤濕度傳感器檢測(cè)到的土壤濕度模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳輸給控制系統(tǒng)檢測(cè)是否該灌溉。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 單片機(jī)主系統(tǒng)電路 AT89C51 單片機(jī)是 51 系列單片機(jī)的一個(gè)成員，是 8051 單片機(jī)的簡(jiǎn)化版。內(nèi)部自帶2K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器的低電壓、高性能 COMS 八位微處理器，與 Intel MCS51系列單片機(jī)的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位 CPU 和閃速存儲(chǔ)器結(jié)合在單個(gè)芯片中，因此， AT89C2051 構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、造價(jià)最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的 RAM、 ROM 和接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比，如圖 。 XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST939383736353433321234567810111213141716152821222324252627AT89C51C1100nC2100nX1CRYSTALD0D1D2D3D4D5D6D7C3100nR11kVcc 5vR610k 圖 單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)圖 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)提供單片機(jī)片內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到 :內(nèi)部振蕩和外部振蕩。 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增 益反向放大器，引腳 XTALl 和 XTAL2 分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 內(nèi)部方式時(shí)，電路簡(jiǎn)單，所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)際使用中常采用這種方式，如圖3 所示在其外接晶體振蕩器 (簡(jiǎn)稱晶振 )或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向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可構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 圖 C2 和 C1 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻 率、快速起振的作用，其值均為 30P 左右，晶振頻率選 6MHz。 RESET 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的擴(kuò)展電路 AT89C51 單片機(jī)外接數(shù)據(jù) RAM 時(shí)， P2 口輸出存儲(chǔ)器地址的高 8位， PO 口分時(shí)輸出地址的低 8位和傳送指令字節(jié)或數(shù)據(jù)。 PO口先輸出低 8位地址信號(hào)，在 ALE 有效時(shí)將它鎖存到外部地址鎖存器中，然后 PO 口作為數(shù)據(jù)總線使用，此處地址鎖存器選用 74LS373，實(shí)際電路圖連接如圖 。 D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U37 4L S3 73A08A17A26A35A44A53A62A71A823A922A 1019CE18OE20WE21D09D110D211D313D414D515D616D717U56 1 16A0A1A2 圖 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擴(kuò)展電路 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 數(shù)據(jù)采集 處理 電路 ADC0809 是一種 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn) 換器，內(nèi)部具有鎖存控制的 8 路模擬開關(guān)，外接 8 路模擬輸入端，可同時(shí)對(duì) 8 路 05V 的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)只用到 INO和 INl 兩路輸入通道。 ADC0809 轉(zhuǎn)換器的分辨率為 8 位，最大不可調(diào)誤差小于士 1LSB，采用單一 +5V供電，功