【文章內(nèi)容簡介】 HOLTEK 公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增，與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發(fā)展的道路。 AT89C51 單片機的介紹 —— 最常用的 51 芯片。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 本設(shè)計的最主要元器件就是 AT89C51 單片機 ， 由 CPU，振蕩器和時序電路， 4 個 8 位的 I/O端口（ P0，P1， P2， P3），串行口等組成。 基于單片機的多功能電子秒表的設(shè)計 13 AT89C51 單片機 主要特性 ： 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器 ，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 PO 口的三個功能 : 外部擴展存儲器時，當作數(shù)據(jù)總線（如圖中的 D0~D7 為數(shù)據(jù)總接線口） 外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖中的 A0~A7 為地址總接線口） 不擴展時，可做一般的 I/O 使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應(yīng)在外部接上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。 P1口管腳寫入 1后 ，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2基于單片機的多功能電子秒表的設(shè)計 14 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對 外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0外部輸入） T1（記時器 1外部輸入） /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） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖 信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當 /EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 基于單片機的多功能電子秒表的設(shè)計 15 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。石晶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。 圖 21 AT89C51 單片機 基于單片機的多功能電子秒表的設(shè)計 16 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本系統(tǒng)中，硬件電路主要有電源電路，晶振電路，復(fù)位電路，顯示電路，以及一些按鍵電路等 電源電路 電源電路 是指提供給用電設(shè)備電力供應(yīng)的電源部分的電路設(shè)計，使用的電路形式和特點。電源有交流電源也有直流電源。 電路的大小，可以相差很大，小到硅 片上的集成電路，大到高低壓輸電網(wǎng)。 電源電路 分類： 一般可分為開關(guān)電源電路，穩(wěn)壓電源電路，穩(wěn)流電源電路，功率電源電路，逆變電源電路， DCDC 電源電路，保護電源電路等。 電源電路是 系統(tǒng) 最基本 的部分 ，任何電路都離不開電源部分 ，由于三端集成穩(wěn)壓器件所組成的穩(wěn)壓電源線路簡單，性能穩(wěn)定，工作可靠，調(diào)整方便，已逐漸取代分立元件，在生產(chǎn)中被廣泛采用，由于是小系統(tǒng)，我們 采用 7809 電源提供 +5V 穩(wěn)壓電壓。 晶體振蕩電路 石英 晶 體 振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振 器件 ，它的基本構(gòu)成大致是 ：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極 ，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了 石英晶體諧振器 ，簡稱為石英晶體或晶體、晶振；而在封裝內(nèi)部添加 IC 組成振蕩電路的晶體 元件 稱為晶體振蕩器。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。 MCS51 單片機內(nèi)部的振蕩電路是一個 高 增益反相放大器，引線 XTAL1 和 XTAL2分別為反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入和來自反向振蕩器的輸出，該反向放大 器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 這里， 我們選用 51 單片機 12MHZ 的內(nèi)部振蕩方式，電路如下：電容器 C1， C2 起穩(wěn)定振蕩頻率，快速起振的作用， C1 和 C2 可在 20100PF 之間取 ,這里 取 30P，接線時要使晶體振蕩器 X1盡可能接近單片機。 基于單片機的多功能電子秒表的設(shè)計 17 圖 31 晶體振蕩電路 復(fù)位電路 采用上電 +按鍵復(fù)位電路，上電后，由于電容充電，使 RST 持續(xù)一段高電平時間。當單片機已在運行之中時，按下復(fù)位鍵也能使用使 RST 持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電加開關(guān)復(fù)位的操作。這不僅能使單片機復(fù)位，而且還能使單片機的外圍芯片也同時復(fù)位。 當程序出現(xiàn)錯誤時，可以隨時使電路復(fù)位。 其 電路圖如下 圖 32 所示 。 圖 32 復(fù)位電路 顯示電路 我們采用的是數(shù)碼管顯示電路。用 2 個共陽極 LED 顯示， LED 是七段式顯示器，內(nèi)部有 7 個條形發(fā)光二極管和 1 個小圓點發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗組合成字符。 在用數(shù)碼管顯示時，我們有靜態(tài)和動態(tài)兩種選擇，靜態(tài)顯示程序簡單，顯示穩(wěn)定，基于單片機的多功能電子秒表的設(shè)計 18 但是占用端口比較多；動態(tài)顯示所使用的端口比較少，可以節(jié)省單片機的 I/O 口。 在設(shè)計中，我們采用 LED 動態(tài)顯示，用 P0 口驅(qū)動 顯示。 由于 P0 口的輸出級是開漏電路，用它驅(qū)動時需要外接上拉電阻才能輸出高電平。 其 電路圖如下 圖 33 所示 。 2 3 4 5 6 7 8 91R P 1RE S P A C K 8 圖 33 顯示電路 鍵盤電路 鍵盤是由若干按鈕組成的開關(guān)矩陣，它是單片機系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備，用戶能通過鍵盤向計算機輸入指令、地址和數(shù)據(jù)。一般單片機系統(tǒng)中采和非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是由軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，它具有結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活等特點，因此被廣泛應(yīng)用于單片機系統(tǒng)。按鈕開關(guān)的抖動問題組成鍵盤的按鈕有觸點式和非觸點式兩種，單片機中應(yīng)用的一般是由機械觸點組成的。 關(guān) S 未被按下時， P1。 0 輸 入為高電平， S 閉合后， P1。 0 輸入為低電平。由于按鈕是機械觸點，當機械觸點斷開、閉合時，會有抖動動， P1。 0 輸入端的波形如圖 2所示。這種抖動對于人來說是感覺不到的，但對計算機來說，則是完全能感應(yīng)到的，因為計算機處理的速度是在微秒級，而機械抖動的時間至少是毫秒級，對計算機而言，這已是一個 “ 漫長 ” 的時間了。前面我們講到中斷時曾有個問題，就是說按鈕有時靈，有時不靈，其實就是這個原因，你只按了一次按鈕，可是計算機卻已執(zhí)行了多次中斷的過程，如果執(zhí)行的次數(shù)正好是奇數(shù)次，那么結(jié)果正如你所料，如果執(zhí)行的次數(shù)是偶數(shù)次，那就不 對了。 為使 CPU 能正確地讀出 P1口的狀態(tài)，對每一次按鈕只作一次響應(yīng)，就必須考慮如何去除抖動，常用的去抖動的辦法有兩種：硬件辦法和軟件辦法。單片機中常用軟件法，因此，對于硬件辦法我們不介紹。軟件法其實很簡單，就是在單片機獲得 P1。 0口為低的信息后，不是立即認定 S1 已被按下，而是延時 10 毫秒或更長一些時間后再次檢測P1。 0 口，如果仍為低，說明 S1 的確按下了，這實際上是避開了按鈕按下時的抖動時基于單片機的多功能電子秒表的設(shè)計 19 間。而在檢測到按鈕釋放后（ P1。 0 為高）再延時 510 個毫秒，消除后沿的抖動，然后再對鍵值處理。不過一般情況下，我們常常 不對按鈕釋放的后沿進行處理，實踐證明，也能滿足一定的要求。當然，實際應(yīng)用中，對按鈕的要求也是千差萬別，要根據(jù)不一樣的需要來編制處理程序，但以上是消除鍵抖動的原則。 圖 35 鍵盤連接 圖 36 單片機與鍵盤接口圖 通過 1/0 口連接。將每個按鈕的一端接到單片機的 I/O 口，另一端接地，這是最簡單的辦法，如圖 3 所示是實驗板上按鈕