【文章內(nèi)容簡介】 用的需要，因此，在推出16位單片機(jī)的同時(shí)，高性能的新型8位單片機(jī)也不斷問世?？v觀這短短的20年，經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機(jī)正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴(kuò)大存儲(chǔ)容量和加強(qiáng)I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。新一代的80C51系列單片機(jī)除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)微控制器（microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機(jī)為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置打下了良好的基礎(chǔ)。由于80C51系列單片機(jī)所具有的一系列優(yōu)越的特點(diǎn)，獲得廣泛使用指日可待。下面我們就來重點(diǎn)介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的AT89C51系列單片機(jī)。 AT89C51系列單片機(jī)介紹 AT89C51系列基本組成及特性AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。而在眾多的51系列單片機(jī)中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更實(shí)用，也是一種高效微控制器，因?yàn)樗坏?051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器，用戶可以用電的方式達(dá)到瞬間擦除、改寫。而這種單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。AT89C51基本功能描述如下：AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程序存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS51系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS51系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積, 增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4k, 四個(gè)I/O口全部提供給用戶?？捎?V電壓編程，而且寫入時(shí)間僅10毫秒, 僅為8751/87C51 的擦除時(shí)間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比, 不易損壞器件, 沒有兩種電源的要求，改寫時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。AT89C51 芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定加密， 提供了方便靈活而可靠的硬加密手段, 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外,AT89C51 還具有MCS51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)。1288 位內(nèi)部RAM, 32 位雙向輸入輸出線, 兩個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器, 5個(gè)中斷源, 兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí), 一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。AT89C51有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設(shè)置的, 當(dāng)外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時(shí), CPU可根據(jù)工作情況適時(shí)地進(jìn)入睡眠狀態(tài), 內(nèi)部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個(gè)中斷所終止或通過硬件復(fù)位。掉電模式是VCC電壓低于電源下限, 當(dāng)振蕩器停止振動(dòng)時(shí), CPU 停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器值保持不變, 一直到掉電模式被終止。只有VCC電壓恢復(fù)到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復(fù)位、掉電模式可被終止。 AT89C51系列引腳功能AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式。其與80C51引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其邏輯引腳圖如下圖21所示：圖21 AT89C51邏輯引腳圖各引腳功能敘述如下：1．電源和晶振VCC——運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5VGND——接地XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器XTAL2——反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器（當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號(hào)）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， 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。2．I/O（4個(gè)口，32根）P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM、RAM）時(shí)，作地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用。在程序校驗(yàn)期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時(shí)）能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。P1口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗(yàn)期間，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。對(duì)于80C51，——T2，是定時(shí)器的計(jì)數(shù)端且位輸入；——T2EX，是定時(shí)器的外部輸入端。這時(shí)，讀兩個(gè)特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P2口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ROM及RAM）時(shí)，輸出高8位地址。在編程/校驗(yàn)期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。P3口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口提供各種替代功能。在提供這些功能時(shí)，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個(gè)LSTTL負(fù)載。3．串行口——RXD（串行輸入口），輸入?！猅XD（串行輸出口），輸出。4．中斷——INT0外部中斷0，輸入。——INT1外部中斷1，輸入。5．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器——T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入，輸入。——T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入，輸入。6．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器選通——WR低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫選通。——RD低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器讀選通。7．控制線(共4根)輸入：RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。EA/Vpp——片外程序存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平有效。在編程時(shí)，其上施加21V的編程電壓。注意：在加密方式1時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。輸入、輸出：ALE/PROG——地址鎖存允許信號(hào)，輸出。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘或用于定時(shí)。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， 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。輸出：PSEN——片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在從片外程序存儲(chǔ)器取址期間，在每個(gè)機(jī)器周期中，當(dāng)PSEN有效時(shí)，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。 AT89C51系列單片機(jī)的功能單元1．并行I/O接口：單片機(jī)芯片內(nèi)有一項(xiàng)主要功能就是并行I/O口。51系列共有4個(gè)8位的并行I/O口，分別記作P0、PPP3每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。實(shí)際上，它們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，低八位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時(shí)傳送，高八位地址由P2口傳送。2．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（timer/counter）是單片機(jī)中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對(duì)減輕CPU的負(fù)擔(dān)和簡化外圍電路都大有好處。C51系列包含有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器分別稱為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1；在C51部分產(chǎn)品中，還包含有一個(gè)用做看門狗的8位定時(shí)器。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的核心是一個(gè)加1計(jì)數(shù)引腳上施加器，其基本功能是加1功能。在單片機(jī)的定時(shí)器T0或T1中，有一個(gè)定時(shí)器發(fā)生由0到1的跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器增1，即為計(jì)數(shù)功能；在單片機(jī)內(nèi)部對(duì)機(jī)器周期或其分頻進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到定時(shí)，這就是定時(shí)功能。在單片機(jī)中，定時(shí)功能和計(jì)數(shù)功能的設(shè)定和控制都是通過軟件來進(jìn)行的。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時(shí)器0、定時(shí)器定時(shí)器方式寄存器TMOD和定時(shí)器控制寄存器TCON組成。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)置為定時(shí)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)，每過一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器加1，直至計(jì)滿溢出。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因?yàn)镃51系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩脈沖組成，所以，計(jì)數(shù)頻率fc=fosc/12。如果單片機(jī)系統(tǒng)采12MHz晶振，則計(jì)數(shù)周期為: T=1/12*106*(1/12)=1μS ,這是最短的定時(shí)周期，適當(dāng)選擇定時(shí)器的初值可獲取各種定時(shí)時(shí)間。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)置為計(jì)數(shù)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)來自輸入引腳T0（）和T1（）的外部信號(hào)計(jì)數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計(jì)數(shù)。在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平，若前一個(gè)機(jī)器周期采樣值為1，后一個(gè)機(jī)器周期采樣值為0，則計(jì)數(shù)器加1。新的計(jì)數(shù)值是在檢測(cè)到輸入引腳電平發(fā)生1到0的負(fù)跳變后，于下一個(gè)機(jī)器周期的S3P1期間裝入計(jì)數(shù)器中的，可見，檢測(cè)一個(gè)由1到0的負(fù)跳變需要兩個(gè)機(jī)器周期，所以最高檢測(cè)頻率為振蕩頻率的1/24。計(jì)數(shù)器對(duì)外部輸入信號(hào)的占空比沒有特別的限制，但必須保證輸入信號(hào)的高電平與低電平的持續(xù)時(shí)間在一個(gè)機(jī)器周期以上。3．振蕩器 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(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。當(dāng)輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，而對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)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。4．芯片擦除 整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。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(shí)器、計(jì)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(gè)硬件復(fù)位為止。5．中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)是單片機(jī)的重要組成部分。實(shí)時(shí)控制、故障自動(dòng)處理、單片機(jī)與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。C51系統(tǒng)有關(guān)中斷的寄存器有4個(gè)，分別為中斷源寄存器TCON和SCON、中斷允許控制寄存器IE和中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP；中斷源有5個(gè)，分別為外部中斷0請(qǐng)求INT0、外部中斷1請(qǐng)求INT定時(shí)器0溢出中斷請(qǐng)求TF0、定時(shí)器1溢出中斷請(qǐng)求TF1和串行中斷請(qǐng)求R1或T1。5個(gè)中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP和順序查詢邏輯電路共同決定，5個(gè)中斷源分別對(duì)應(yīng)5個(gè)固定的中斷入口地址。中斷的特點(diǎn)是分時(shí)操作，實(shí)時(shí)處理和故障處理。 簡單介紹一下本次設(shè)計(jì)所需的單片機(jī)芯片AT89C51的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。（1） 外部中斷源AT89C51有INT0和INT1兩條外部中斷請(qǐng)求輸入線,用于輸入兩個(gè)外部中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào),并允許外部中斷源以低電平或負(fù)邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來輸入中斷請(qǐng)求信號(hào)。AT89C51究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式,可由用戶對(duì)定時(shí)器控制寄存器TCON中IT0和IT1位狀態(tài)的設(shè)定來選取。AT89C51在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)對(duì)INT0、線上中斷請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行一次檢測(cè),檢測(cè)方式和中斷觸發(fā)方式的選取有關(guān)。若AT89C51設(shè)定為電平觸發(fā)方式(IT0=0或IT1=0),則CPU檢測(cè)到INT0、INT1上低電平時(shí)就可認(rèn)定其上中斷請(qǐng)求有效。若設(shè)定為邊沿觸發(fā)方式(IT0=1或IT1=1),則CPU需要兩次檢測(cè)INT0、INT1線上電平方能確定其上中斷請(qǐng)求是否有效,即前一次檢測(cè)為高電平和后一次檢測(cè)為低電平時(shí)中斷請(qǐng)求才有效。（2） 定時(shí)器溢出中斷源定時(shí)器溢出中斷由AT89C51內(nèi)部定時(shí)器分的中斷源產(chǎn)生,故它們屬于內(nèi)部中斷。AT89C51內(nèi)部有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,受內(nèi)部定時(shí)脈沖(主脈沖經(jīng)12分頻后)或T0/T1引腳上輸入的外部定時(shí)脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)器T0/T1在定時(shí)脈沖作用下從全“1”變成全“0”時(shí)可以自動(dòng)向CPU提出溢出中斷請(qǐng)求,以表明定時(shí)器T0或T1的定時(shí)時(shí)間已到。 （3） 串行口中斷源串行口中斷由AT89C51內(nèi)部串行口的中斷源產(chǎn)生,也是一種內(nèi)部中斷。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種。在串行口進(jìn)行發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時(shí),每當(dāng)串行口發(fā)送/接收完一組串行數(shù)據(jù)時(shí)串行口電路自動(dòng)使串行口控制寄存器SCON中的RI或TI中斷標(biāo)志位置位，并自動(dòng)向CPU發(fā)出串行口中斷請(qǐng)求,CPU響應(yīng)串行口中斷后便立即轉(zhuǎn)入串行口中斷服務(wù)程序執(zhí)行。因此,只要在串行口中斷服務(wù)程序中安排一段對(duì)SCON中RI和TI中斷標(biāo)志位狀態(tài)的判斷程序,便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請(qǐng)求還是發(fā)送中斷請(qǐng)求。（4） 中斷標(biāo)志AT89C51在S5P2時(shí)檢測(cè)(或接收)外部(內(nèi)部)中斷源發(fā)來的中斷請(qǐng)求信號(hào)后先使相應(yīng)中斷標(biāo)志位置位,然后便在下個(gè)機(jī)器周期檢測(cè)這些中斷標(biāo)志位狀態(tài),以決定是否響應(yīng)該中斷。 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809是位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的。ADC0809由單+5V電源供電；片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對(duì)8路0～5V的輸入模擬電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需100181。S；片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存器、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256電阻T型網(wǎng)絡(luò)和樹狀電子開關(guān)以及逐次逼近寄存器。ADC0809是引腳雙列直插式封裝，引腳及其功能如下圖22所示： 圖22 ADC0809的管腳圖 圖23運(yùn)算放大器LM324的引腳圖 1．D7～D0：8位數(shù)字量輸出引腳。2．IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入引腳。3．VCC：+5V工作電壓。4．GND：接地。5．REF（+）：參考電壓正端。6．REF（）：參考電壓負(fù)端。7．START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。8．A、B、C：地址輸入端。9．ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。10．EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。11．OE： 輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。12．CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端，譯碼后可選通IN0～I(xiàn)N7八個(gè)通道中的一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。表21 A、B、