【文章內(nèi)容簡介】 方向發(fā)展。 ? 主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品， ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國 TW 的 Winbond系列單片機。所以 C8051 為核心的單片機占據(jù)了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 簡指令集 (RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國 TW 的 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 [4]。 單片機技術(shù)的 發(fā)展 單片機的技術(shù)發(fā)展日薪月異。 數(shù)字單片機的技術(shù)進步反映在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功率消耗、外部電壓等級以及制造工藝上。在這幾方面，較為典型地說明了數(shù)字單片機的水平。在目前，用戶對單片機的需要越來越多，但是，要求也越來越高。下面分別就這四個方面說明單片機的技術(shù)進步狀況。 ? 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進步 單片機在內(nèi)部已集成了越來越多的部件，這些部件包括一般常用的電路，例如：定時器，比較器， A/D 轉(zhuǎn)換器， D /A 轉(zhuǎn)換器，串行通信接口， Watchdog 電路， LCD 控制器等。 有的單片機為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊 CAN。例如， Infineon 公司的 C505C， C515C， C167CR， C167CS32FM， 81C90； Motorola 公司的 68HC08AZ 系列等。特別是在單片機 C167CS32FM 中，內(nèi)部還含有 2 個 CAN。因此，這類單片機十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時，構(gòu)成一個控制網(wǎng)絡(luò)十分有用 。 ? 功耗、封裝及電源電壓的進步 現(xiàn)在新的單片機的功耗越來越小，特別是很多單片機都設(shè)置了多 種工作方式，這些工作方式包括等待，暫停，睡眠，空閑，節(jié)電等工作方式。 Philips 公司的單片機 P87LPC762是一個很典型的例子，在空閑時，其功耗為 ，而在節(jié)電方式中，其功耗只有 。而在功耗上最令人驚嘆的是 TI 公司的單片機 MSP430 系列，它是一個 16 位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有 LPM LPM LPM4 三種。當(dāng)電源為 3V時，如果工作于 LMP1 方式，即使外圍電路處于活動，由于 CPU 不活動，振蕩器處于 1～4MHz，這時功耗只有 50mA。 ? 工藝上的進步 單片機的另外一個名稱就是嵌入式微控制器，原因在于它可以嵌入到任何微型或小型儀器或設(shè)備中。目前，把單片機嵌入式系統(tǒng)和 Inter 連接已是一種趨勢。但是， Inter一向是一種采用肥服務(wù)器，瘦用戶機的技術(shù)。這種技術(shù)在互聯(lián)上存儲及訪問大量數(shù)據(jù)是合適的，但對于控制嵌入式器件就成了 殺雞用牛刀 了。要實現(xiàn)嵌入式設(shè)備和 Inter連接，就需要把傳統(tǒng)的 Inter 理論和嵌入式設(shè)備的實踐都顛倒過來。為了使復(fù)雜的或蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 簡單的嵌入式設(shè)備，例如單片機控制的機床、單片機控制的門鎖，能切實可行地和 Inter連接，就要求專門為嵌入式微控制器設(shè)備設(shè)計網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，使嵌入式設(shè)備可以和 Inter相連，并通過標準網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進行過程控制。 單片機在目前的發(fā)展形勢下，表現(xiàn)出幾大趨勢： ① 可靠性及應(yīng)用越來越水平高和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的走向。 ② 所集成的部件越來越多； NS（美國國家半導(dǎo)體）公司的單片機已把語音、 圖像 部件也集成到單片機中，也就是說，單片機的意義只是在于單片集成電路，而不在于其功能了；如果從功能上講它可以講是萬用機。原因是其內(nèi)部已集成上各種 應(yīng)用電路。 ③ 功耗越來越低和模擬電路結(jié)合越來越多。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計水平的提高，單片機還會不斷產(chǎn)生新的變化和進步，最終人們可能發(fā)現(xiàn)：單片機與微機系統(tǒng)之間的距離越來越小，甚至難以辨認。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 3 接口技術(shù) 和程序設(shè)計語言 鍵盤接口 在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中，通常都有“人 — 機”對話功能。 它包含人對系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)、數(shù)據(jù)的輸入以及應(yīng)用系統(tǒng)向人報告運行狀態(tài)與運行結(jié)果等。鍵盤成為人 — 機聯(lián)系的必要手段，此時需要配置適當(dāng)?shù)逆I盤輸入設(shè)備 [5]。 鍵盤中的每個按鍵都是一個 常開的開關(guān)電路，當(dāng)所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時，則處于閉合狀態(tài)。對于一組鍵或一個鍵盤，需要通過接口電路與單片機相連，以便將鍵的開關(guān)狀態(tài)通知單片機。單片機可以采用查詢或中斷方式檢查有無鍵的輸入以及是哪個鍵被按下，并通過轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序，執(zhí)行完再返回到原始狀態(tài)。 獨立式按鍵是指直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根 I/O 口線，每根 I/O 口線的工作狀態(tài)都不會影響其他 I/O 口線的工作狀態(tài) [6]。 顯示器接口 顯示器主要是為了快速的反饋信息。 為了方便人們觀察和監(jiān)視單片 機運行情況，通常需要利用顯示器作為單片機的輸出設(shè)備，以顯示單片機的鍵輸入值、中間信息以及運算結(jié)果等。 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器主要有 LCD（液晶顯示器）和 LED（發(fā)光二極管顯示器）。這兩種顯示器都具有耗電省，配置靈活，線路簡單，安裝方便，耐振動，壽命長等優(yōu)點。 液晶顯示器 液晶顯示器 LCD(Liquid Crystal Display)是一種極低功耗的顯示器。 由于其具有清晰度高，信息量大等特點，從而使得它越來越廣泛地應(yīng)用在小型儀器的顯示中。把 LCD 與驅(qū)動器組裝在儀器的部件的英文名稱為 LCD Module，簡稱 LCM。LCM 一般分為三類，即段碼型液晶模塊、點陣字符液晶模塊和點陣圖形液晶模塊。 LED 點陣顯示屏 LED 點陣顯示屏的構(gòu)成型式有多種，其中典型的有兩種。 一種把所需展示的廣告信息燒寫固化到 EPROM 芯片內(nèi)，能進行固定內(nèi)容的多幅漢字顯示，稱為單顯示型；另一種在機內(nèi)設(shè)置了字庫、程序庫，具有程序編制能力，能進行內(nèi)容可變的多幅漢字顯示，稱可編程序型。 目前，國內(nèi)的 LED 點陣顯示屏大部分是單顯示型，其顯示的內(nèi)容相對較少，顯示花樣較單一。一般在產(chǎn)品出廠時，顯示內(nèi)容就已寫入顯示屏 控制系統(tǒng)中的 EPROM 芯片內(nèi)，當(dāng)需要更換顯示內(nèi)容時就非常困難，這樣使該類型的顯示屏使用范圍受到了限制。國內(nèi)的另一種 LED 顯示屏 —— 可編程序型 LED 顯示屏，雖然增加了顯示屏系統(tǒng)的編程能力，顯示內(nèi)容和顯示花樣都有所增加，但也存在著更換顯示內(nèi)容不便的缺點。隨著社蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，如今的廣告牌都存在著顯示內(nèi)容豐富、信息量大、信息更換速度快等特點。因此傳統(tǒng)的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代廣告宣傳業(yè)的需要。而利用 PC 機通信技術(shù)控制 LED 顯示屏，則具有顯示內(nèi)容豐富，信息更換靈活等優(yōu)點 [7]。 數(shù) 碼管顯示原理 本設(shè)計采用了八段數(shù)碼管。 我們最常用的是七段式和八段式 LED 數(shù)碼管，八段比七段多了一個小數(shù)點 其他的基本相同。所謂的八段就是指數(shù)碼管里有八個小 LED 發(fā)光二極管，通過控制不同的 LED的亮滅來顯示出不同的字形。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種類型，其實共陰極就是將八個 LED 的陰極連在一起，讓其接地，這樣給 任何一 LED 的 一端高電平，它便能點亮。而共陽極就是將八個 LED 的 陽極連在一起。其原理 如圖 和圖 所示。 圖 八段 LED數(shù)碼管 圖 LED數(shù)碼管原理圖 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 單片機 能執(zhí)行的程序可以用很多種語言編寫。從語言結(jié)構(gòu)及其與單片機的關(guān)系兩方面可分為三大類：分別是機器語言、匯編語言和高級語言。 程序設(shè)計 語言 單片機程序設(shè)計語言主要包括：機器語言、匯編語言和高級語言。 機器語言是一種用二進制代碼“ 0”和“ 1”表示指令和數(shù)據(jù) 的最原始的程序設(shè)計語言。由于計算機只能識別二進制代碼，因此，這種語言與計算機的關(guān)系最為直接，計算機能夠快速識別并立即執(zhí)行，響應(yīng)速度最快。但這種語言編寫程序非常繁瑣、費時，且不易看懂，不便記憶，容易出錯。 匯編語言是一種用助記符來表示的面向機器的程序設(shè)計 語言。不同的機器所使用的匯編語言一般是不同的。這種語言比機器語言更加直觀、易懂、易用，且便于記憶。但是由于不同機器的匯編語言不同，這種語言有一定的局限性，移植性差。 高級語言是一種面向過程且獨立于計算機硬件結(jié)構(gòu)的通用計算機語言。目前在單片機應(yīng)用最廣泛的是 C 語言 [8]。 單片機 C語言的特點 ① 對單片機的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對單片機的存儲結(jié)構(gòu)有初步的了解。 ② 寄存器的分配、不同存儲器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細節(jié)可由編譯器管理。 ③ 程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，可分為不同的函數(shù)，可使程序結(jié)構(gòu)化。 ④ 關(guān)鍵字及運算 函數(shù)可用近似人的思維過程方式使用。 ⑤ 編程及程序調(diào)試時間顯著縮短，從而提高效率。 ⑥ 提供的庫包含許多標準子程序，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力等。 單片機 C語言使用的編程軟件 ? 編程軟件 編程軟件主要運用了 Keil C51。 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿 真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起。運行 Keil 軟件需要 WIN9 NT、 WIN202 WINXP、 WIN7 等操作系統(tǒng)。如果你使用C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選，即使不使用 C 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。 ? 仿真軟件 Proteus 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路 。 它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 4 基于單片機的病床呼叫系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn) 系統(tǒng)總體設(shè)計 功能要求 本課題主攻方向是使系統(tǒng)實現(xiàn)以下目的： ① 任一病房（共 2 個病房 ）呼叫，醫(yī)護值班室馬上能響應(yīng)并顯示病房號； ② 顯示病房床號 （每個病房 2 個床位） ； ③ 并在護士值班室發(fā)出警報提示音和警報提示燈顯示 ④ 處理完畢后清除記錄 ； ⑤ 顯示器不重復(fù)顯示按一次以上的病床號 設(shè)計方案 本課題的設(shè)計方案主要思想為： 用 89C51 自身接口實現(xiàn)數(shù)碼管靜態(tài)顯示和鍵盤掃描 ， 使用 89C51 單片微機外加一塊 MAX232CPE 芯片可構(gòu)成一個完整的最小微機電路。用 P0 口的八個端口作為 LED數(shù)碼管 的段選 ， 用 P1 口的第四位的四個端口作為 LED4*8 數(shù)碼管的位選， 用 P3 口的高四 位 做 4 端子的鍵盤電路的接口，用 P1 口的 6 號端口（ P1^5）作為報警蜂鳴器的電源接口，用 P2 口的八個端口作為 LED 報警信號燈的段選 。 報警信號燈 以流水燈方式動態(tài)點亮八個發(fā)光二極管，以每 200ms/個的速度點亮 LED 信號燈，實現(xiàn)肉眼難以察覺的流水顯示狀態(tài)，當(dāng)病房端按下呼叫按鈕，在護士值班室相應(yīng)點亮 LED 信號燈，并持續(xù)顯示到值班室響應(yīng)呼叫。 總體結(jié)構(gòu)框圖 總體結(jié)構(gòu)包含了整機的設(shè)計。 本設(shè)計是基于 STC89C51 單片機設(shè)計的病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)就是以 宏晶 公司的 STC89C51 單片機作為主控器，包括鍵盤輸入電路，顯示電路， 晶振復(fù)位電路 ，報警蜂鳴器電路，以及 LED 報警信號燈電路 等來實現(xiàn)病房呼叫系統(tǒng) ，總體架構(gòu)如圖 所示 。 圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件構(gòu)成示意圖 硬件構(gòu)成主要包含了各功能模塊的設(shè)計。 該硬件電路由鍵盤電路，單片機，顯示電路（包括數(shù)碼管顯示），報警電路（包括輸入部分 鍵盤輸入 控制器Stc89C51 輸出部分 LED顯示 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 流水警報燈、蜂鳴警報器 ）， 硬件構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 硬件構(gòu)成示意圖 外圍電路設(shè)計 圖 外圍電路 輸入模塊包括病人呼叫使用按鍵、醫(yī)護人員處理后的復(fù)位按鍵和調(diào)節(jié)定時時間的按鍵，病人呼叫通過按鍵輸 入信號經(jīng)過中央處理器處理后從動態(tài) LED 輸出顯示，同時有聲光提示。動態(tài) LED 能夠顯示病人病床號、呼叫持續(xù)時間和定時時間。病人端處理提示模塊用發(fā)光二極管實現(xiàn)，聲光提示包括 中斷 結(jié)束聲光提示和病人呼叫時的聲光提示。 外圍電路的整體架構(gòu)圖如圖