【文章內(nèi)容簡介】 別在原有 8 位單片機的基礎(chǔ)上推出了 16 位單片機 HPC16040 和 μPD783系列。 1987 年 Intel 公司又宣布了 比 8096 性能 高兩倍的 CMOS 型 80C196 單片機 ，1988 年推出帶 EPROM 的 87C196 單片機。由于 16 位單片機推出的時間 比 較遲、價格昂貴、開發(fā) 設(shè)備有限等多種原因，至今還 不能 得到廣泛應(yīng)用。而 8 位單片機已經(jīng)可以 滿足大部分應(yīng)用的需要，因此，在推出 16 位單片機的同時，高性能的新型 8 位單片機也不斷問世。 縱觀這短短的 20 年， 已經(jīng) 經(jīng)歷了 4 次更新?lián)Q代，單片機正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強 I/O 功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。新一代的 80C51 系列單片機除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)微控制器（ microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機為外部提供了 非常 完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的 擴展和配置打下了良好的基礎(chǔ)。由于 80C51 系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用是 指日可待 的 [7]。 下面我們就來重點介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的 AT89C51 系列單片機。 AT89C51 系列單片機介紹 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器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。而在眾多的 51 系列 單片機中，要算 ATMEL 公司的 AT89C51更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和 8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達到瞬間擦除、改寫。而這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求 非常 低，開發(fā)時間也能 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器，能重復(fù)寫入 /擦除 1000 次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與 MCS51 系列單片機在指令系 統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功能。 AT89C51 可 以 構(gòu)成真正的單片機最小應(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 I/O 口 就會 全部提供給用戶?？?采 用 5V 的 電壓 來 編程，而且寫入時間僅 10 毫秒 ， 僅為 8751/87C51 的擦除時間的百分之一，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，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。 AT89C51 芯片 有 三級程序存儲器鎖 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 同時具有 MCS51 系列單片機的所有優(yōu)點。 1288 位內(nèi)部 RAM， 32 位雙向輸入輸出線 ， 兩個十六位定時器 /計時器 ， 5 個中斷源 ， 兩級中斷優(yōu)先級 ， 一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。 AT89C51 具 有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設(shè)置的 ， 當外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時 ， CPU 可根據(jù)工作情況適時地進入睡眠狀態(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) 會 被任何 一個中斷所終止或通過硬件復(fù)位。掉電模式是 指 VCC 電壓低于電源下限 ， 當振蕩器停止振動時 ， CPU 停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器值 會 保持不變 ， 一直到掉電模式被終止。只有 在 VCC 電壓恢復(fù)到正常工作范圍 內(nèi)并且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復(fù)位、掉電模式 才 可被終止。 AT89C51 系列引腳功能 AT89C51 有 40 引腳雙列直插（ DIP）形式。其 結(jié)構(gòu) 與 80C51 引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其邏輯引腳圖如圖 21。 圖 21 AT89C51 邏輯引腳圖 各引腳功能敘述如下： 電源和晶振 VCC—— 運行和程序校驗時加 +5V GND—— 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)部時鐘發(fā)生器 （當使用外部振蕩器時， XTAL1 接地， XTAL2 接收振蕩器信號） 1． RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時， 需 要保持 RST 腳兩 個機器周期的高電平時間。 2． I/O（ 4 個口， 32 根） P0 口 —— 8 位、漏極開路的雙向 I/O 口。當使用片外存儲器（ ROM、 RAM） 時，作地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。 P0 口（作為總線時）能驅(qū)動 8 個 LSTTL 負載。 P1 口 —— 8 位、準雙向 I/O 口。在編程 /校驗 的時候 ，用于輸入低位字節(jié)地址。P1 口可驅(qū)動 4 個 LSTTL 負載。對于 80C51， —— T2，是定時器的計數(shù)端且位輸入； —— T2EX，是定時器的外部輸入端。這 時候 ，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程 序置 1。 P2 口 —— 8 位、準雙向 I/O 口。當使用片外存儲器（ ROM 及 RAM）時，輸出高 8 位地址。在編程 /校驗 的時候 ，接收高位字節(jié)地址。 P2 口可以驅(qū)動 4 個 LSTTL負載。 P3 口 —— 8 位、準雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路。 P3 口 可以 提供各種替代功能。在提供這些功能 的時候 ，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置 1。 P3 口可以輸入 /輸出4 個 LSTTL 負載。 3．串行口 —— RXD（串行輸入口），輸入。 —— TXD（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．定時器 /計數(shù)器 —— T0 定時器 /計數(shù)器 0 的外部輸入，輸入。 —— T1 定時器 /計數(shù)器 1 的外部輸入，輸入。 6．數(shù)據(jù)存儲器選通 —— WR 低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。 —— RD 低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。 7．控制線 (共 4 根 ) 輸入： EA/VPP—— 片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上 需要 施加 21V 的編程電壓。 注意：在加密方式 為 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 可以 用于施加 12V 編程電源 （ VPP）。 輸入、輸出： ALE/PROG—— 地址鎖存允許信號，輸出。 在 ALE 以 1/6 的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出 時 ，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。在 EPROM 編程 的時候 ，作輸入，輸入編程脈沖（ PROG）。 ALE 可以驅(qū)動 8 個 LSTTL 負載。當訪問外部存儲器 的時候 ，地址鎖存 所 允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在 FLASH 編程 的時候 ，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時 的時候 ， 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。 注意：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器 的時候 ，將跳過一個 ALE 脈沖。如 果 想 要 禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX 指令 ，而 MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳 會 被略微 的 拉高。如果微處理器處于 外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 輸出： PSEN—— 片外程序存儲器選通信號，低電平有效。在從片外程序存儲器取址的時候 ，在每個機器周期中，當 PSEN 有效 的時候 ，程序存儲器的內(nèi)容被送上 P0口（數(shù)據(jù)總線）。 PSEN 可以驅(qū)動 8 個 LSTTL 負載。 AT89C51 系列單片機的功能單元 1．并行 I/O 接口： 單片機芯片內(nèi) 具 有一項主要功能就是并行 I/O 口。 51 單片機 系列共有 4 個 8位的并行 I/O 口，分別記作 P0、 P P P3 每個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。實際上，它們已 經(jīng) 被歸 為 專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴展存儲器 的時候 ，低八位地址和數(shù)據(jù)由 P0口分時傳送，高八位地址由 P2 口傳送。 2．定時器 /計數(shù)器 ： 定時器 /計數(shù)器（ timer/counter）是單片機中的重要 部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕 CPU 的負擔和簡化外圍電路都大有好處。 C51 單片機 系列包含有兩個 16 位的可編程定時器 /計數(shù)器分別稱為定時器 /計數(shù)器 T0 和定時器 /計數(shù)器 T1；在 C51 部分產(chǎn)品中，還包含有一個用做看門狗的 8位定時器。定時器 /計數(shù)器的核心是一個加 1 計數(shù)引腳上施加器，其基本 的 功能是加 1 功能。在單片機的定時器 T0 或 T1 中，有一個定時器 在 發(fā)生由 0 到 1 的跳變時，計數(shù)器增 1，即為計數(shù)功能；在單片機內(nèi)部對機器周期或其分頻進行計數(shù)，從而得到定時，這就是定時功能。在單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設(shè)定 和控制都是 需要 通過軟件來進行的。 定時器 /計數(shù)器 的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時器 0、定時器 定時器方式寄存器 TMOD 和定時器控制寄存器 TCON 組成。當定時器 /計數(shù)器設(shè)置為定時工作方式時，計數(shù)器 會 對內(nèi)部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加 1，直至計滿溢出。定時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因為 C51 系列單片機的一個機器周期由 12 個振蕩脈沖組成，所以，計數(shù)頻率 fc=fosc/12。如果單片機系統(tǒng)采用 12MHz 晶振，則計數(shù)周期為 ： （ ） 這是最短的定時周期，適當選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。 當定時器 /計數(shù)器設(shè)置為計數(shù)工作方式時，計數(shù)器對來自輸入引腳 T0（ ）和 T1（ ）的外部信號計數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計數(shù)。在每個機器周期的 S5P2 期間采樣引腳輸入電平，若前一個機器 的 周期采樣值為 1，后一個機器 的周期采樣值為 0，則計數(shù)器加 1。新的計數(shù)值是在檢測到輸入引腳電平發(fā)生 從 1到 0 的負跳變后，于下一個機器周期的 S3P1 期間裝入計數(shù)器中的，可見，檢測一個由 1 到 0 的負跳變需要兩個機器周期，所以最高檢測頻率為振蕩頻率的 1/24。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有 什么 特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在一個機器周期以上。 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 被 配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶 瓷振蕩均可 以 采用。如 果 采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應(yīng)不接。 當輸入至內(nèi)部時鐘信號時需要通過一個二分頻觸發(fā)器，而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。 4．芯片擦除 ： 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可 以 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 被 擦除操作中，代碼陣列全被 “ 1”并 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。 AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以 使其 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 用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 5．中斷系統(tǒng) ： 中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分 之一 。實時控制、故障自動處理、單片機與外圍設(shè)備 之 間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大 的 提高了系統(tǒng)的效率。 C51 系統(tǒng)有關(guān) 于 中斷的寄存器有 4 個，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)先級控制寄存器 IP；中斷源有 5 個，分別為外部中斷 0 請求 INT0、外部中斷 1 請求 INT定時 器 0 溢出中斷請求 TF0、定時器 1 溢出中斷請求 TF1 和串行中斷請求 R1 或 T1。 5 個中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器 IP 和順序查詢邏輯電路共同決定， 5 個中斷源分別對應(yīng) 5 個固定的中斷入口地址。中斷的 主要 特點是分時操作，實時處理和故障處理 [8]。 簡單介紹一下本次設(shè)計所需的單片機芯片 AT89C51 的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。 （ 1） 外部中斷源 AT89C51 具 有 INT0 和 INT1 兩條外部中斷請求輸入線 ， 用于輸入兩個外部中斷源的中斷請求信號 ， 并允許外部中斷源以低電平或負邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來輸入中斷請 求信號。 AT89C5