【文章內容簡介】 設計的中央處理器采用了 ATMEL公司的新推出的 AT89 系列高檔型單片機，它在功能上有了較大的增加，是 AT89 系列的增強型。 AT89S51 的主要性能如表 所示。 從表 可見， AT89S51 的功能與 AT89C51 相比，它的功能有了很大的增強，內部 Flash 容量 4KB，而且可以下載。靜態(tài)工作頻率為 0~33MHz,大大拓寬了工作頻率和運算速度，還新增了其他功能，如可編程監(jiān)視器（看門狗）等。 表 AT89S51的功能概況 是否是 MCS51產品 是 片內 Flash/KB 4 工作電壓 /V 4～ 全靜態(tài)工作頻率 /MHz 0～ 33 程序存儲器鎖存 三級 片內 RAM/位 128 8 可編程 I/O位 /位 32 中斷 源 /個 6 定時 /計數器 /個 2（ 16位） 全雙工串行口 有 SPI串行接口 無 低功耗休閑和降壓模式 有 可編程監(jiān)視器（看門狗） 有 雙數據指針低功耗模式下 有 中斷恢復 有 斷電標志 有 本科生畢業(yè)設計（論文） 7 中央處理器是整個檢測系統(tǒng)的核心， A/D 轉換后的數據要經過 CPU 送顯示器顯示， CPU 是所有數據處理的核心，下面分別介紹 AT89S51 的組成及其功能。 算術 /邏輯運算部件 AT89S51 的算術 /邏輯運算部件（ ALU）包括運算器、累加器 A、寄存器 B、暫存器 TMP、程序狀態(tài)字 PSW、堆棧指針 SP、 數據指針 DPTR 等。 AT89S51 的 ALU 與 8051 的 ALU 完全兼容，其位處理能力非常強，這對“面向控制”特別有用，指令功能極為豐富， 8 位并行處理能力極強。基于這些優(yōu)點，本次設計使用 AT89S51 完全能夠達到設計要求。 專用寄存器、通用寄存器簡介 AT89S51 的專用寄存器包括累加器 A、寄存器 B、程序狀態(tài)字 PSW、堆棧指針 SP、數據指針 DPTR，其功能與 8051 一致，這里不再過多介紹。 AT89S51 再片內 RAM 的 00H~1FH（共 32B）空間開辟了 4 組通用工作寄存器區(qū)，沒組共有 8 個 8 位的寄存器 R0~R7，通過軟件對 PSW 的 RS1 和 RS0 來進行設置，選擇任意一組作為前臺使用，其余 3 組屏蔽，其優(yōu)點是免去進棧保護，可減少堆棧深度，節(jié)省出入棧指令和時間，多余不用的工作寄存器組可作為片內RAM 訪問。 RST 功能 AT89S51 的復位信號是從 RST 腳輸入到片內施密特觸發(fā)器中的復位電路，當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，且震蕩器工作穩(wěn)定后，如在 RST 腳上有從低電平上升高電平維持 2 個機器周期（ 24 個震蕩周期）以上， CPU 就可以響應并將系統(tǒng)復位。 系統(tǒng)復位的方法很多，本次設計采用的是電平式開關與手動復位。 電平式開關與手動復位電路如 圖 所示，既可上電復位，也可手動復位。 內置定時監(jiān)視器（ WDT，看門狗）復位電路。 WDT 可以根據應用程序正常運行周期進行設定。當應用程序在運行過程中受到干擾而進入非正常狀態(tài)時， WDT 定時計數器產生溢出信號，復位主機，恢復正常運行狀態(tài)。 復位 復位（ RST）是使主機有關部件恢復為初始狀態(tài)。 RST 引腳為主機提供一個外部復位信號的輸入端口。在時鐘振蕩器已正常運行后，加在 RST 端口上的正電平信號應至少保持兩個機器周期，以實現一次復位操作。 CPU 響應復位信號并進行內部初始化操作，將 ALE 和 PSEN 兩引腳置成輸入 方式（高電平）。主機在 RST 本科生畢業(yè)設計（論文） 8 圖 電平式開關與手動復位電路 有效（高電平）后的第二個機器周期開始執(zhí)行內部復位操作，并且在 RST 變?yōu)榈碗娖角暗拿總€機器周期均重復執(zhí)行內部復位。復位后內部有關寄存器的初始狀態(tài)如表 所示。 表 復位后主機內部有關寄存器的初始狀態(tài) 寄存器 初始狀態(tài) 寄存器 初始狀態(tài) PC 0000H T2MOD （ 00） ACC 00H TCON 00H B 00H T2CON 00H SP 07H TL0~2 00H DPTR（ ） 00H TH0~2 00H P0~P3 FFH RCAP2L 00H IP （000000） RCAP2H 00H IE （ 0000000） AUXR （00 0） SCON 00H AUXR1 （ 0） TMOD 00H 本科生畢業(yè)設計（論文） 9 省電方式 AT89S51 單片機提供兩種省電工作方式：休眠方式和節(jié)電保持方式。其目的是盡可能地降低系統(tǒng)的功耗。在省電工作方式下， VCC 可由后備電源供電。 （ 1）休眠運行方式 通過軟件將 位的 IDL 置“ 1”指令執(zhí)行完后，系統(tǒng)進入休眠 運行方式，這時送向 CPU 內部去的時鐘信號被封鎖， CPU 進入凍結狀態(tài)，但內部狀態(tài)被維持（凍結）包括堆棧指針 SP、程序計數器 PC、程序狀態(tài)字 PSW、累加騎 A 以及所有其他寄存器均保持凍結前的內容不變，各端口狀態(tài)也保持不變，片內 RAM 包括全部特殊功能寄存器的內容保持不變，外部設備保持正常運行。 系統(tǒng)進入休眠方式后有兩種方法退出休眠狀態(tài)。 一是任何允許的中斷請求被響應時會引起硬件對 位 IDL 清“ 0”而結束休眠工作方式。當執(zhí)行完中斷服務方式指令的下一條指令開始繼續(xù)執(zhí)行程序。通用標志位 GF1 和 GF0 可用來表示中 斷是在正常情況下還是在休眠工作方式下發(fā)生的。例如，在設置休眠方式的指令前，先設置通用標志位，以便判斷出系統(tǒng)是在什么情況下發(fā)生的中斷，如 GF0（或 GF1）為“ 1”，則表明中斷是在休眠狀態(tài)下發(fā)生的。 另一種退出西面工作方式的方法是硬件復位。由于在休眠工作方式下振蕩器仍然提供時鐘信號，硬件復位只需兩個機器周期便可完成。加在 RST 引腳上的復位信號直接將 PCON 清 0，從而退出休眠工作狀態(tài)，系統(tǒng)仍從進入休眠工作方式的下一條指令開始重新執(zhí)行程序，因為在內部系統(tǒng)復位信號上升到兩個機器周期前內部復位算法開始控制系統(tǒng)硬件禁止訪 問內部 RAM 區(qū)，但允許訪問端口。為了防止對端口后外部數據存儲器等出現意外寫操作，在置休眠工作方式指令的下幾條指令中禁止寫端口或寫外部 RAM 的指令。 （ 2）省電保持方式 當 CPU 執(zhí)行完置 （ PD）位為“ 1”的指令后，系統(tǒng)進入省電保持方式，進入時鐘振蕩器的信號被封鎖，內部振蕩器停止工作。由于沒有了時鐘信號，內部所有的功能部件均停止工作。但內部 RAM 和全部特殊功能寄存器的內部被保留，有關端口的輸出狀態(tài)值都保存在對應的特殊功能寄存器（ SFR）中， ALE 和 PSEN 都為低電平。 退出省電保持方式是硬件復位或 者啟動外部中斷，復位將使所有寄存器的內容重新初始化，但不改變內部 RAM 的內容。 在省電保持工作方式下， VCC 可以下降到 2V，但在進入省電保持方式之前VCC 不能下降。而在準備退出省電保持方式之前， VCC 必須恢復到正常的工作電壓值，并維持足夠長的（約 10ms）時間，使內部振蕩器重新啟動并穩(wěn)定后才可退 本科生畢業(yè)設計（論文） 10 出省電保持方式。 通過外部中斷退出省電保持方式，這個外部中斷必須使系統(tǒng)恢復到全部進入省電保持方式之前的穩(wěn)定和靈敏水平。這個中斷引腳啟動約 16ms（名義上的）后中斷服務程序開始恢復正常操作。 基于 AT89S51 的以上功 能，本次設計采用 AT89S51 完全可以達到設計要求。 并且比 AT89C 系列的單片機芯片有所改進、增強。 下位機輸入通道設計 本次設計的輸入通道包括傳感器和 A/D 轉換器。下面對其進行分別介紹： 傳感器的選擇 (1)紅外傳感器 本系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器是根據熱釋電效應設計的一種熱敏型探測器。由于熱釋電信號正比于器件溫升隨時間的變化率，響應速度比其他熱探測器快得多。 熱釋電紅外線傳感器是 80 年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換 成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅動各種 控制電路，如作電源開關控制、防盜防火報警、自動 檢 測等。 熱釋電紅外傳感器 主要是由一種高熱電系數的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為 2*1mm 的探測元件。在每個探測器內裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡，該透鏡用 透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大 70 分貝以上，這樣就可以測出 10~20 米范圍內人的行動。 菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的 “盲區(qū) ”和 “高靈敏區(qū) ”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從 “盲區(qū) ”進入 “高靈敏區(qū) ”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而強其能量幅度。 人體輻射的紅外線中心波長為 9~10um，而探測元件的波長靈敏度在~20um 范圍內幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口， 本科生畢業(yè)設計（論文） 11 這個濾光片可通過光的波長范圍為 7~10um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。 其應用電路圖如圖 所示。 圖 熱釋電紅外傳感器應用電路圖 (2) 指紋識別傳感器 長期以來，人類一直在追求安全、可靠的身份識別方法。但以往普遍采用的簽名、加密等方法很容易被模仿、盜用甚至被人們遺忘。人們經過大量的實踐后終于發(fā)現，利用人體 所固有的生物特征和行為特征來辨別與驗證身份，才是最有效、最可靠的辦法。本系統(tǒng)采用 ATMEL 公司生產的芯片 FCD4B14。 FCD4B14 是 ATMEL 生產的 FingerChipTM 系列指紋傳感器芯片中的一種，CMOS 工藝制造，不需要棱鏡、光源等光學部分。 FCD4B14 是一個基于溫度物理效應的單片、高性能、低價格的指紋傳感器芯片。芯片有一個線性的外形結構，為了捕捉到指紋，允許手指滑行越過敏感區(qū)域。當捕捉到幾個指紋圖像后， ATMEL公司提供的軟件可以將這些圖像重新構成完整的 8Bit 指紋圖像。芯片每秒可獲取交付的指 紋圖像是可編程的。 A/D 轉換器提供的數字信號適合于 EPP 并行端口、USB 微控制器接口或直接與微處理器接口，可以很容易地在不同識別系統(tǒng)應用中 。 FCD4B14 具有如下特征：敏感層位于 的 COMS 數組之上；圖像區(qū)=x ；圖像數組 8x280=2240 象素；象素尺寸 50181。mx50181。m=500 dpi；象素時鐘高達 2MHz， 1780frame/s；工作電壓 3V~；功耗 20mW； 20 腳DIP 陶瓷或 COB（ ChiponBoard）封裝；耐磨損 1x106 次滑動操作； ESD 靜電防護 16kV；工作溫度范圍 0176。C~+70176。C。 FCD4B14 可廣泛應用于： PDA、手機通路、 訪問、 入門控制、數據保護；附加在筆記本計算機、 PC 上、入門控制、數據保護、電子商務； PIN 碼交換； ATM、 POS 機指紋識別；建筑物出入口控制；汽車、 本科生畢業(yè)設計（論文） 12 家庭等電子鎖等領域。 FCD4B14 的 20 腳封裝形式如圖 示 。 圖 FCD4B14 的封裝圖 表 FCD4B14的 引腳功能 DIP COB 符號 引腳功能 1 1,7 GND 地 2 2 AVE 模擬輸出 3 4 TPP 溫度穩(wěn)定電路電源輸入 4 6 VCC 電源 5 8 RST 復位，數字輸入 6 10 OE 使能，數字輸入 7 12 De0 數字輸出 8 14 De1 數字輸出 9 16 De2 數字輸出 10 18 De3 數字輸出 11 20 FPL 地 12 19 Do3 數字輸出 13 17 Do2 數字輸 出 14 15 Do1 數字輸出 15 13 Do0 數字輸出 16 21 GND 地 17 11 ACKN 時鐘反相信號數字輸出 18 9 PCLK 象素時鐘，數字輸入 本科生畢業(yè)設計（論文） 13 FCD4B14 的內部結構如圖 所示。從圖 可見，芯片內部電路分為傳感器和資料轉換兩個主要部分。在傳感數組中，當 280 行中的某一行被選中時，被選擇行的每一個象素的電信號傳送到放