【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提高性 價(jià)比的解決方案。 AT89S51 具有以下特點(diǎn)： 40 個(gè)引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 2020屆本科 生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) (論文 ） 8 口， 4 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， 2 個(gè)全雙工串行通信口，內(nèi)部集成看門(mén)狗計(jì)時(shí)器片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 圖 22 AT89S51單片機(jī)管腳圖 其工作電壓在 ，一般我們選用 +5V 電壓。 89S51 相對(duì)于 89C51 增加的新功能包括： 新增加很多功能，性能有了較大提升，價(jià)格基本不變，甚至比 89C51 更低 ！ ISP 在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于改寫(xiě)單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。是一個(gè)強(qiáng)大易用的功能。 最高工作頻率為 33MHz，大家都知道 89C51 的極限工作頻率是 24M，就是說(shuō) S51 具有更高工作頻率，從而具有了更快的計(jì)算速度。 具有雙工 UART 串行通道。 內(nèi)部集成看門(mén)狗計(jì)時(shí)器，不再需要像 89C51 那樣外接看門(mén)狗計(jì)時(shí)器單元電路。 雙數(shù)據(jù)指示器。 電源關(guān)閉標(biāo)識(shí)。 全新的加密算法，這使得對(duì)于 89S51 的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以 有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯。 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部字系列產(chǎn)品。比如 8051， 89C51 等等早期 MCS51 兼容產(chǎn)品。也就是說(shuō)所有教科書(shū)，網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書(shū)上采用的單片機(jī)是 8051 還是 89C51 還是 MCS51等等），在 89S51 上一樣可以照天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 2020屆本科 生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) (論文 ） 9 常運(yùn)行，這就是所謂的向下兼容。因此我們選用 AT89S51 單片機(jī)來(lái)作為本系統(tǒng)的核心部分。 下圖 23 為 89S51 的核心電路框圖： 圖 23 89S51 的核心電路框圖 LED 數(shù)碼管顯示器概述 LED 數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)與 顯示段碼 LED 數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu) LED 數(shù)碼顯示器是一種有 LED 發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了 8 個(gè) LED 發(fā)光二極管，其中 7 個(gè)用于顯示字符，一個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)，故通常稱之為 7 段發(fā)光二極管數(shù)碼器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖 24 所示。 天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 2020屆本科 生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) (論文 ） 10 圖 24 數(shù)碼管內(nèi)部框圖 LED 數(shù)碼顯示器有兩種連接方法如下。 （ 1）共陽(yáng)極接法。把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起構(gòu)成公共陽(yáng)極，使用時(shí)公共陽(yáng)極接 +5V，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過(guò)電阻與輸入端相連。 （ 2）共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時(shí)公共陰極 接地。每個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極通過(guò)電阻與輸入端相連。 LED 數(shù)碼顯示器的顯示段碼。 為了顯示字符，要為 LED 顯示器斷碼（或稱字形代碼），組成一個(gè) 8字形字符的 7段，再加上 1個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì) 8段，因此提供給 LED 顯示器的顯示段碼為 1 個(gè)字節(jié)。各段碼位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表 21 所示。其中共陰極和共陽(yáng)極的字段碼互為反碼 。 表 21 各段碼位的對(duì)應(yīng)關(guān)系 天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 2020屆本科 生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) (論文 ） 11 LED 數(shù)碼管顯示器的接口方法與電路 LED 數(shù)碼顯示的接口方法。 單片機(jī)與 LED 數(shù)碼顯示器有以硬件為主和以軟件為主的兩種接口方法。以硬件為主的接口方法， 這種方法的電路如圖 25 所示： 圖 25 硬件為主的 LED 接口方法 LED 數(shù)碼顯示器的接口電路。 實(shí)際使用的 LED 數(shù)碼顯示器位數(shù)較多。為降低成本，大部分以軟件為主的接口方法對(duì)于多位 LED 數(shù)碼管顯示器，通常采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方法，即逐個(gè)循環(huán)點(diǎn)亮各位顯示器。這樣雖然在任一時(shí)期只有一位顯示器被點(diǎn)亮，但是由于人眼有視覺(jué)殘留效應(yīng)，看起來(lái)與全部顯示持續(xù)點(diǎn)亮的效果基本一樣（在亮度上要有差別）。 驅(qū)動(dòng)器 天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 2020屆本科 生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) (論文 ） 12 LED 顯示是單片機(jī)控制產(chǎn)品中常見(jiàn)的應(yīng)用。使用 LED 模塊，這種模塊中帶有 LED 顯示管和 LED 驅(qū) 動(dòng)電路，用起來(lái)較方便。一般用戶直接采用單片機(jī) +LED驅(qū)動(dòng)器 +LED 顯示管的方式。 現(xiàn)在我們向大家推薦一種經(jīng)常使用的 LED 驅(qū)動(dòng)器 8550，它作為共陽(yáng)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)器，而共陰數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)器則是 A1015。它們都是三極管。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 最小系統(tǒng)就是單片機(jī)在發(fā)揮具體測(cè)控功能時(shí)所必須的組成部分。如下圖 26所示為最小系統(tǒng)電路圖： 圖 26 最小系統(tǒng)實(shí)際電路圖 定時(shí)器系統(tǒng)總體框圖 本定時(shí)器的基本原理是通過(guò)設(shè)定單片機(jī)定時(shí)中斷，使單片機(jī)每 1秒產(chǎn)生一個(gè)中斷，通過(guò)該中斷可以實(shí)現(xiàn)顯示部分 每 1 秒倒計(jì)時(shí)減 1 顯示。此外，通過(guò)人機(jī)交互（鍵盤(pán)）部分，可以完成 1分鐘、 2分鐘、 5分鐘、 8分鐘及任意時(shí)間倒計(jì)時(shí)的設(shè)定。因此，如圖 27 所示，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)包括以下五個(gè)部分： 中央處理系統(tǒng)（ 89s51）； 復(fù)位電路部分； 振蕩電路部分； 定時(shí)顯示部分； 天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 2020屆本科 生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) (論文 ） 13 鍵盤(pán)部分。 8 9 S 5 1鍵 盤(pán) 部 分復(fù) 位 電 路定 時(shí) 顯 示振 蕩 電 路 圖 27 定時(shí)器系統(tǒng)總體框圖 算法的選擇 本課題要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)定時(shí)器的設(shè)計(jì)，最重要就是定時(shí)問(wèn)題。要精確定時(shí)，就需要用到中斷方式，并工作在自動(dòng)重裝載方式 。本設(shè)計(jì)的具體算法如下： 首先選擇晶振為 12MHz 的單片機(jī)，每秒鐘可以執(zhí)行 1000000（ 12020000/12）個(gè)機(jī)器周期。而 T0 每次溢出時(shí)最多經(jīng)過(guò)了 65536 個(gè)機(jī)器周期。 1 秒等于 1000000微秒，而每一計(jì)時(shí)脈沖是 1 微秒，因此需輸入 100000 個(gè)計(jì)時(shí)脈沖，方可達(dá)到 1秒的時(shí)間。由于 16 位計(jì)數(shù)器初值為 0000H，需 65536 個(gè)計(jì)時(shí)脈沖方可發(fā)生溢出。 選擇每秒中斷 14 次，每次溢出 1000000/14= 個(gè)機(jī)器周期，不為整數(shù)且超出 65536。 選擇每秒中斷 16次，每次溢出 1000000/16=62500個(gè)機(jī)器周期，小于 65536，有效。 選擇每秒中斷 20次，每次溢出 1000000/20=50000 個(gè)機(jī)器周期，小于 65536，有效。 通過(guò)上面的計(jì)算，我們可以發(fā)現(xiàn)，我們可以選擇的方式有很多，本設(shè)計(jì)選擇每秒中斷 20 次 ， 每 次 中 斷 的 時(shí) 間 為 50ms （ 50000 個(gè) 機(jī) 器 周 期 ）6553650000=15536=3cb0H 則 th0 和 tl0 的設(shè)置值分別為： TH0=0x3c； TL0=0xb0。 這樣每秒中斷 20次，即可實(shí)現(xiàn) 1s的中斷定時(shí)。 天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 2020屆本科 生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) (論文 ） 14 第三章 定時(shí)器系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn) 計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn) 圖 31 定時(shí)器系統(tǒng)硬件電路 定時(shí)器系統(tǒng)主要由電路硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)以 Atmel 公司的AT89S51 為核心，主要包括 單片機(jī)、 LED 數(shù)碼管顯示器、二極管、晶振、開(kāi)關(guān)、電容、電阻等。軟件部分由基于單片機(jī)的 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。 由圖 31 所示，整個(gè)定時(shí)系統(tǒng)分為五個(gè)部分： 鍵盤(pán)輸入（包括暫時(shí)暫時(shí)、開(kāi)始 ） 其中： d1 鍵為一分鐘控制鍵， d2 鍵為二分鐘控制鍵， d3 鍵為五分鐘控制鍵，d5鍵為八分鐘控制鍵， d5為千位， d6 為百位， d7 為十位， d8為個(gè)位。 顯示部分 數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)的時(shí)間。 3到時(shí)提醒 倒計(jì)時(shí)為 0時(shí)，發(fā)光二極管閃爍給予提醒。 天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 2020屆本科 生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) (論文 ） 15 單片機(jī)復(fù)位電路 復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，復(fù)位信號(hào)送入 RST 后還要送至片內(nèi)的施密特觸發(fā)器，由片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2 時(shí)刻對(duì)觸發(fā)器輸出采樣信號(hào)，然后由內(nèi)部復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位操作所要的信號(hào)。一般的復(fù)位電路可分為上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位，我們?cè)诖诉x用的是上電復(fù)位。 上電自動(dòng)復(fù)位原理： RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，只要高電平的復(fù)位信號(hào)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的有效時(shí)間，就可以使單片機(jī)上電復(fù)位。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)電容充電實(shí)現(xiàn)，上電瞬間， RST端電位與 Vcc 相同，隨充電電流的 減少， RST的電位逐漸下降，直到復(fù)位信號(hào)無(wú)效。 單片機(jī)振蕩電路 MCS51的振蕩器輸入分別由引腳 19（ XTAL1）和引腳 18（ XTAL2）來(lái)完成。只要將這兩個(gè)引腳外接石英晶體和陶瓷電容，就可與 CPU 內(nèi)部組成完整的振蕩電路。 計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn) 計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的主要算法如第二章所述。本方案所采用的開(kāi)發(fā)工具是 keil C，主程序流程圖如圖 32 所示： 天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 2020屆本科 生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) (論文 ） 16 開(kāi) 始顯 示 9 9 9 9是 否 有 鍵 按 下 是 否 是 暫 停 、開(kāi) 始 鍵Y e sN o開(kāi) 始 倒 計(jì) 時(shí)是 否 倒 計(jì) 時(shí) 到 0二 極 管 閃 爍到 時(shí) 提 示N oY e sY e s根 據(jù) 所 按 鍵 軟 件 設(shè)定 倒 計(jì) 時(shí) 時(shí) 間 并 在數(shù) 碼 管 上 顯 示N o 圖 32 計(jì)時(shí)器系統(tǒng)軟件流程圖 單片機(jī)通電以后，數(shù)碼管首先顯示 9999，然后 軟件查詢是否有按鍵按下。如果按下的是開(kāi)始暫停鍵，則數(shù)碼管開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。如果是設(shè)置按鍵按下，那么軟件自動(dòng)設(shè)置倒計(jì)時(shí)的時(shí)間并在數(shù)碼管上顯示。如果再按下開(kāi)始暫停鍵，則根據(jù)數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，一旦倒計(jì)時(shí)為 0時(shí)，發(fā)光二極管閃爍進(jìn)行到時(shí)提示。 天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院 2020屆本科 生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) (論文 ） 17 第四章 計(jì)時(shí)器系統(tǒng)的硬件仿真 Keil 介紹 單片機(jī)開(kāi)發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開(kāi)軟件，我們寫(xiě)的匯編語(yǔ)言源程序要變?yōu)?CPU 可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機(jī)器匯編是通過(guò)匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼 ，用于 MCS51 單片機(jī)的匯編軟件有早期的 A51，隨著單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語(yǔ)言到逐漸使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil 軟件是目前最流行開(kāi)發(fā) MCS51 系列單片機(jī)的軟件，這從近年來(lái)各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一