【文章內容簡介】 器系統設計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積[22]。單片機作為最典型的嵌入式系統，所以它是低端控制系統最佳器件。由于其微小的體積和極低的成本，開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開發(fā)工具和編程語言也大大簡化，因此被廣泛應用于家用電器、機器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動化設備以及通信產品中，成為現代電子系統中最重要的智能化工具。由于MCS系列單片機集成了幾乎完善的中央處理單元，處理功能強，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，這給我們利用單片機提供了極大的便利。由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，世界上許多集成電路生產廠家相繼推出了各種類型的單片機，本設計考慮了其中兩種方案[23]。方案一：采用PIC系列單片機PIC(Peripheral Interface Controller)是外設接口控制器的簡稱，它是由美國Microchip公司開發(fā)的嵌入式控制器(Embedded Controller)。嵌入式控制器國內習慣稱為單片機。PIC是一種采用精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)結構、哈佛總線結構、2級流水線取指令方式，具有實用、低價、指令集小、簡單易學、低功耗、高速度、體積小、功能強等特點，體現了單片機發(fā)展的一種新趨勢。 PIC系列單片機的硬件系統設計簡潔，指令系統設計精煉。在所有的單片機品種中，它是最容易學習、最容易應用的單片機品種之一。PIC單片機的特點：（1）哈佛總線結構。PIC系列單片機不僅采用哈佛體系結構，而且還采用哈佛總線結構。在PIC系列單片機中采用的這種哈佛總線結構（），就是在芯片內部將數據總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度。便于實現指令提取的“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進行取指令操作，便于實現全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度。（2）精簡指令集(RISC)技術。精簡指令集是采用RICS結構的單片機，數據線和指令線分離。即所謂的哈佛結構。這種單片機指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現超小型化。（3）尋址方式簡單。PIC系列單片機只有4種尋址方式（寄存器間接尋址、立即數尋址、直接尋址和位尋址），容易掌握。（4）功耗低。PIC系列單片機的功率消耗極低，是目前世界上功耗最低的單片機品種之一。其中有些型號，在4MHZ時鐘頻率下工作時電流不超過2mA，在睡眠模式下的電流可以低到1μA以下。（5）驅動能力強。（6）I2C和SPI串行總線端口。（7）外接電路簡潔。（8）開發(fā)方便。（9）程序存儲器版本齊全。（10）品種豐富。（11）程序保密性強。 PIC系列單片機與MCS—51系列的區(qū)別如下[24]：MCS—51是許多人熟悉的單片機之一。PIC系列單片機與MCS—51系列單片機的組成及結構存在一定區(qū)別。其主要區(qū)別在于總線結構、流水線結構、寄存器組及基本特性方面。（1）總線結構。MCS—，該系列單片機在同一個存儲空間取指令和數據，兩者不能同時進行；而PIC的總線結構是哈佛結構，指令和數據空間是完全分開的，一個用于指令，一個用于數據，由于可以對程序和數據同時進行訪問，所以提高了數據吞吐率。正因為在PIC系列單片機中采用了哈佛總線結構，所以與常見的微控制器不同的一點是，程序和數據總線可以采用不同的寬度。數據總線都是8位的，但指令總線位數依基本型（PIC12CXX/16C5X）、中級型（PIC16C6X/16C7X/16F87X）、高級型（PIC17CXX/18CXX）分別為1116位。（2）流水線結構。MCS—51的取指令和執(zhí)行采用單指令流水線結構，即取一條指令，執(zhí)行完成后再取下一條指令；而PIC的取指令和執(zhí)行采用雙指令流水線結構，當一條指令被執(zhí)行時，允許下一條指令同時被取出，這樣就實現了單周期指令。（3）寄存器組。PIC的所有寄存器，包括I/O口、定時器及程序計數器等都采用RAM結構形式，而且都需要一個指令周期就可以完成訪問和操作；而MCS—51需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內容。（4）基本特性。PIC具有高性能精簡指令集計算機CPU，只需學會35條單字指令；而MCS—51需要111條指令。PIC多達8K14字節(jié)可重復多次寫入的閃速FLASH程序存儲器、多達3688字節(jié)數據存儲器（RAM）、多達2568字節(jié)E2PROM數據存儲器；而MCS—51有4千字節(jié)EPROM，128字節(jié)RAM。PIC終端源多達14個；而MCS—51有中斷源5個。PIC有3個定時器，定時器Timer0：帶有8位預分頻器的8位定時器/計數器。定時器Timer1：帶有預分頻器的16位定時器/計數器，在休眠期間外部晶振/時鐘可以工作。定時器Timer2：帶有8位周期寄存器、預分頻器和后分頻器的8位定時器/計數器；而MCS—51有2個16位定時器/計數器（Timer/Counter）。PIC有兩個捕獲（Capture）、比較（Compare）、脈沖寬度調制PWM模式、10位多通道A/D轉換器、帶有SPITM（主模式）和I2CTM（主/從）的同步串行端口SSP（Synchronous Serial Port）、帶有9位地址檢測的通用同步異步接收發(fā)送器USART（USART/SCI）、8位寬并行從屬端口（Parallel Slave Port，PSP）、有節(jié)電鎖定復位（BrownOut Reset，BOR）的節(jié)電檢測電路等；而MCS—51沒有。Microchip可提供的PIC單片機系列，按其指令的位數可分為3類：初級產品、中級產品和高級產品，每種產品包含多種型號。初級產品——8位指令系列（PIC16C5XX/PIC12C5XX）其中PIC16C5X是最早發(fā)展的系列。適用于各種對成本要求嚴格的嵌入式控制。而PIC12C5XX是第一個8腳低價單片機，其小巧，應用前景廣闊。中級產品——12位指令字系列（PIC12C6XX/PIC16C/FXXX），它是品種最豐富的系列。它在PIC16C5X的基礎上進行了很多改進，并保持很高的兼容性。從8腳到68腳各種形式的封裝，PIC12C6XX/16CXXX可應用于各種高、中、低檔電子產品設計中。它的特點是保持低價格的前提下具有很高的性能，如帶A/D、內部EEPROM數據存儲器、雙時鐘工作、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、異步串行通信（USART）、模擬電壓比較器及LCD驅動等，已被廣泛引用在各種電子產品中，且表現極佳。高級產品——16位指令字系列（PIC17CXXX和PIC18CXXX/FXXX）是8位單片機中運行速度最快的，它具備一個指令周期內（最短160ns）完成8位二進制乘法運算的能力，可以在一些需要高速數字運算的應用場合中取代DSP（數字信號處理器）。再加上PIC17CXXX還具有豐富的I/O控制功能，并可以外接擴展EPROM和RAM，使它成為目前8位單片機中性能最高的機種之一，被廣泛應用于高、中檔電子設備中。 PIC系列單片機所有型號都有商用級（0～70℃）、工業(yè)級（40～85℃）和汽車工業(yè)級（40～125℃）芯片，可以適應各種環(huán)境溫度。 PIC處理器具有不同于一般微處理器的許多特性，它給出最大系統可靠性，通過減少外部元件使成本最少。另外，還提供節(jié)電工作模式及提供編碼保護等。 CPU的特殊性能包括：（1）振蕩器OSC可選擇。（2）復位Reset功能豐富有上電復位（POR）、電源上升定時器（PWRT）振蕩器開啟定時器（OST）節(jié)電復位（BOR）。（3）中斷源多。（4）具有看門狗定時器（WDT）。（5）具有睡眠（SLEEP）功能。（6）具有編碼保護功能。（7）具有標識ID碼存儲單元。（8）能在線串行編程。（9）能低電壓編程。（10）能在線調試。PIC器件有一個看門狗定時器，它可以單獨通過組態(tài)位關閉。為增加可靠性，它可以打開自己的RC振蕩器。它還有兩個定時器在電壓的上升沿時刻提供必要的延時，一個是振蕩器啟動定時器OST，它將保持振蕩器在復位狀態(tài)直到晶體振蕩器穩(wěn)定。另一個是電源上升定時器PWRT，僅在電源上升中提供一個72ms的固定延遲。在復位中的這些設計使電源更加穩(wěn)定。由于芯片中存在這兩個定時器，在很多的應用中不需要外部復位電路。睡眠（SLEEP）模式提供一個小電流降壓模式設計。通過外部復位，用戶可以把CPU從睡眠中喚醒，也可以通過看門狗定時器或通過中斷喚醒。為配合這些應用，幾種振蕩器可供選擇。選擇RC振蕩器節(jié)約系統成本，選擇LP晶體節(jié)電。組態(tài)位設置用來決定各種選擇。PIC16F87X可以在4種不同的振蕩器模式中選擇，用戶可編程兩個組態(tài)位(FOSC1和FOSC0)選擇這4種模式之一：（1）LP：低電源晶體；（2）XT：晶體/諧振器；（3）HS 高速晶體/諧振器；（4）RC：電阻器/電容器。方案二：采用51系列單片機在單片機家族的眾多成員中，MCS系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術及高可靠性和高性能價格比，迅速占領了工業(yè)測控和自動化工程應用的主要市場，成為國內單片機應用領域中的主流。其中，51系列單片機的優(yōu)點是價錢便宜,I/O口多,程序空間大。因此，測控系統中，使用51系列單片機是最理想的選擇，因此設計采用AT89C51。 （1）AT89C51功能特性概述[25]目前市面上使用的比較普遍的51系列單片機是AT89C51。AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。其主要性能參數如下：① 與MCS51產品指令系統完全兼容② 4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器③ 1000次擦寫周期④ 全靜態(tài)操作：0Hz－24MHz⑤ 三級加密程序存儲器⑥ 1288字節(jié)內部RAM⑦ 32個可編程I／O口線⑧ 2個16位定時／計數器⑨ 6個中斷源⑩可編程串行UART通道 AT89C51單片機的引腳排列圖如圖22所示。圖22 AT89C51的引腳排列圖AT89C51單片機提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM，32 個I／O 口線，兩個16位定時／計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至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。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時／計數器，串行通信口及中斷系統繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 AT89C51單片機內部由許多元器件構成，通過上面的介紹我們可以知道，時鐘源和震蕩與定時電路是不可少的，而且這兩個組合相互關系，再接著就是主要的核心部分CPU，CPU通過處理兩個中斷信號來工作，這兩個信號分別是外部中斷信號和內部中斷信號，CPU通過系統總線與內存和端口進行交流，我們這里有128BSFR，128BRAM和4KBROM，還有兩個16位定時計數器，他們都通過系統總線與CPU交流數據，總線控制控制相應的控制信號，再加上不可缺少的并行端口和串行端口。這就是整個AT89C51單片機的基本組成部分。AT89C51的基本組成部分圖如圖23所示。時鐘源T0 T1兩個16位定時計數器4KBROM128BRAM128BSFR震蕩與定時電路系 統 總 線CPU外部中斷信號內部中斷信號串行端口并行端口總線控制TXDP0 P1 P2 P3控制信號圖23 AT89C51單片機的基本組成圖 （2）AT89C51的內存空間[26] ①內部程序存儲器（FLASH）4K 字節(jié)。 ②外部程序存儲器（ROM）64K 字節(jié)。 ③內部數據存儲器（RAM）256 字節(jié)。 ④外部數據存儲器（RAM）64K 字節(jié)。 里面還包括程序存儲器的6個特殊地址，如表22所示。表22 程序存儲器的6個特殊地址0000H上電或復位入口地址0003H000BH0013H001BH0023H外部中斷0入口地址定時器T0中斷入口地址外部中斷1入口地址定時器T1中斷入口地址串口中斷入口地址在上述事件發(fā)生時，PC指針獲得固定的地址，然后CPU執(zhí)行PC指針所指地址單元內的程序。AT89C51單片機的存儲器結構如圖24所示。外部ROM（64KB）/EA=0/1外部RAM（64KB）外部ROM（4KB）/EA=0內部ROM（4KB）/EA=1 FFFFH FFFFH特殊功能寄存器（21個SFR）內部128ByteRAM 1000H FFH 80H 0FFFH 7FH 0000H 00H 0000H圖24 AT89C51的存儲器結構報警器正常