【文章內(nèi)容簡介】 硬件總機線路圖見附錄 1 AT98C51 的振蕩器及時鐘電路 AT89C51 芯片介紹 單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器 ]9[ 。 通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和 I/O 接口電路等。因此，單片機只需要和適當?shù)能浖巴獠吭O備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計論文 硬件電路設計 9 單片機經(jīng)過 3 代的發(fā)展，目 前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的 CPU 功能在增強，內(nèi)部資源在增多，引角的多功能化，以及低電壓底功耗。 下圖是 AT89C51 單片機的內(nèi)部結(jié)構示意圖 3。 圖 3 AT89C51的內(nèi)部結(jié)構圖 AT89C51 是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有 4KB 快閃可編程／擦除只讀存儲器 (FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory) 8 位 CMOS微控制器，使 用高密度、非易失存儲技術制造，并且與 80C51 引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的 FPEROM 允許在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復編程。 AT89C51（以下簡稱 89C51）將具有多種功能的 8 位 CPU 與FPEROM 結(jié)合在一個芯片上，為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又價格適宜的方案，其性能價格比較高 . AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 . 外形及引腳排列如圖 4 所示 。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計論文 硬件電路設計 10 引腳描述 各引腳對 應的功能簡要介紹如下： GND —— 接地。 Vcc —— 電源端，接＋ 5V。 ～ —— P0 口是開漏雙向口可以寫為 1使其狀態(tài)為懸浮用作高阻輸入， P0 也可以在訪問外部程序存儲器時作地址的低字節(jié)，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時作數(shù)據(jù)總線，此時通過內(nèi)部強上拉輸出 1。 P0 口每位可以能驅(qū)動 8 個 LS 型TTL 負載。 ～ —— P1 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口，向 P1口寫入 1時 P1 口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當作為輸入腳時被外部拉低的 P1 口會因為內(nèi)部上拉而輸出 電流。 P1 口每位可以能驅(qū)動 4個 LS 型 TTL 負載。 ～ —— P2 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口，向 P2口寫入 1時 P2 口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當作為輸入腳時，被外部拉低的 P2 口會因為內(nèi)部上拉而輸出電流。在訪問外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)時分別作為地址高位字節(jié)和 16 位地址，此時通過內(nèi)部強上拉傳送 1。當使用 8 位尋址方式訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口每位可以能驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負載。 ～ —— P3 口是帶內(nèi)部上拉的雙向 I/O 口，向 P3口寫入 1時 P3 口被內(nèi)部上拉為高電 平，可用作輸入口。當作為輸入腳時被外部拉低的 P3 口，會因為內(nèi)部上拉而輸出電流。 P3 口每位可以能驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負載。 P3 口還具有以下特殊功能 (表 2)： RxD() —— 串行輸入口 TxD() —— 串行輸出口 INT0() —— 外部中斷 0 圖 4 AT89C51 封裝引腳配置圖 表 2 P 3 口提供的第二功能 P3口線 第二功能 RXD(串口輸入 ) TXD(串口輸出 ) INT0(外部中斷 0) INT1(外部中斷 1) T0(外部定時輸入 0) T1(外部定時輸入 1) 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計論文 硬件電路設計 11 INT1() —— 外部中斷 T0() —— 定時器 0 外部輸入 T1() —— 定時器 1 外部輸入 WR() —— 外部數(shù)據(jù)存儲器寫信號 RD() —— 外部數(shù)據(jù)存儲器讀信號 RST —— 復位 。當晶振在運行中只要復位管腳出現(xiàn) 2 個機器周期高電平，即可復位內(nèi)部。有擴散電阻連接到 Vss，僅需要外接一個電容到 Vcc 即可實現(xiàn)上電復位。 ALE —— 地址鎖存使能。在訪問外部存儲器時，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下， ALE 輸出信號恒定為 1/6 振蕩頻率并可用作外部時鐘或定時。 PSEN —— 程序存儲使能。當執(zhí)行外部程序存儲器代碼時， PSEN 每個機器周期被激活兩次。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， PSEN 無效。訪問內(nèi)部程序存儲器時，PSEN 無效。 EA/Vpp —— 外部尋址使能 /編程電壓。在訪問整個外部 程 序存儲器時 EA 必須外部置低，如果 EA 為高時將執(zhí)行內(nèi)部程序，除非程序計數(shù)器包含大于片內(nèi) 。 FLASH 的地址。該引腳在對 FLASH 編程時，接 5V/12V 編程電壓 (Vpp)，如果保密位 1 已編程， EA 在復位時由內(nèi)部鎖存。 XTAL1 —— 反相振蕩放大器輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路輸入。 XTAL2 —— 反相振蕩放大器輸出。 AT89C51 性能及特點 89C51 的主要性能包括： （ 1）與 MCS－ 51微控制器產(chǎn)品系列兼容。 （ 2）片內(nèi)有 4KB 可在線重復編程的快閃擦寫存儲器（ Flash Memory）。 （ 3）存儲器可循環(huán)寫入／擦除 1000 次。 （ 4）存儲數(shù)據(jù)保存時間為 10 年。 （ 5）寬工作電壓范圍： Vcc 可為 ～ 6V。 （ 6）全靜態(tài)工作：可從 0Hz 至 16MHz。 （ 7）程序存儲器具有 3 級加密保護。 （ 8） 1288 位內(nèi)部 RAM。 （ 9） 32 條可編程 I／ O 線。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計論文 硬件電路設計 12 （ 10）兩個 16 位定時器／計數(shù)器。 （ 11）中斷結(jié)構具有 5個中斷源和 2 個優(yōu)先級。 （ 12）可編程全雙工串行通道。 （ 13）空閑狀態(tài)維持 低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容。 工作原理 圖 3中 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。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此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。 89C51內(nèi)置最高頻率達 12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但 89C51 單片機需外置振蕩電容。因此采用晶振構成 12MHz 的時鐘電路。 該時鐘電 路如圖 5（取自總電路圖）所示： 1230pF30pFXTAL1XTAL2 圖 5 時鐘電路 復位及復位電路 圖 3中 RESET 為復位信號復用腳，當 AT89C51 通電，時鐘電路開始工作，在RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器 PC 指向 0000H， P0P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入 07H，其它專用寄存器被清 “0” 。 RESET 由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變 RAM（包括工作 寄存器 R0R7）的狀態(tài)，AT89C51 的初始態(tài)。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計論文 硬件電路設計 13 AT89C51 的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位。如圖 6（取自總電路圖）所示： 圖 6 復位電路 信號燈顯示電路 用 6個發(fā)光二極管（ LED） 來實現(xiàn)紅綠燈轉(zhuǎn)換狀態(tài)，由于我們用外部輸入設定紅綠燈倒計時初值、數(shù)碼管的輸出顯示、紅綠黃信號燈的顯示都要用到一個I/O 端口，顯然 AT89C51 的端口是不夠 ,因此路口倒計時的顯示就不能實現(xiàn)，所以信號燈顯示電路中采用 8255PA 口來實現(xiàn)。如圖 7（取自總電路圖） 圖 7 信號燈顯示電路 8255 芯片介紹 8255 可編程并行接口芯片有三個輸入輸出端口，即 A 口、 B 口和 C口，對應于引腳 PA7～ PA0、 PB7～ PB0 和 PC7～ PC0。其內(nèi)部還有一個控制寄存器，即控制口。通常 A口、 B 口作為輸入輸出的數(shù)據(jù)端口。 C 口作為控制或狀態(tài)信息的端口， REST 89C51 單片機 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計論文 硬件電路設計 14 它在方式字的控制下，可以分成 4位的端口，每個端口包含一個 4 位鎖存器。它們分別與端口 A／ B 配合使用，可以用作控制信號輸出或作為狀態(tài)信號輸入。 8255 可編程并行接口芯片方式控制字格式說明 : 8255 有兩種控制命令字；一個是方式選擇控制字；另一個是 C 口按位置位／復 位控制字。其中 C 口按位置位／復位控制字方式使用較為繁難，說明也較冗長，故在此不作敘述，需要時用戶可自行查找有關資料。 方式控制字格式說明如表 3： 表 3 方式控制字格式 說明 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7：設定工作方式標志， 1 有效。 D D5： A 口方式選擇 0 0 —方式 0 0 1 —方式 1 1 —方式 2 D4： A 口功能 （ 1=輸入， 0=輸出） D3： C 口高 4 位功能 （ 1=輸入， 0=輸出） D2： B 口方式選擇 （ 0=方式 0， 1=方式 1） D1： B 口功能 （ 1=輸入， 0=輸出） D0： C 口低 4 位功能 （ 1=輸入， 0=輸出） 8255 可編程并行接口芯片工作方式說明 : 方式 0：基本輸入／輸出方式。適用于三個端口中的任何一個。每一個端口都可以用作輸入或輸出。輸出可被鎖存，輸入不能鎖存。 方式 1：選通輸入／輸出方式。這時 A 口或 B 口的 8 位外設線用作輸入或輸出， C 口的 4 條線中三條用 作數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆?lián)絡信號和中斷請求信號。 方式 2 ：雙向總線方式。只有 A 口具備雙向總線方式， 8 位外設線用作輸入或輸出，此時 C 口的 5 條線用作通訊聯(lián)絡信號和中斷請求信號 ]10[ 。 AT89C51 并行口的擴展 AT89C51雖然有 4個 8位 I/O端口 ,但真正能提供借用的只有 P1口 ,因為 P2和 P0 口通常用于傳送外部傳送地址和數(shù)據(jù) ,P3 口也有它的第二功能 ]13[ 。因此，AT89C51 通常需要擴展。由于 我們用外部輸入設定紅綠燈倒計時初值、數(shù)碼管的東華理工大學長江學院畢業(yè)設計論文 硬件電路設計 15 輸出顯示、紅綠黃信號燈的顯示都要用到一個 I/O 端口，顯然 AT89C51 的端口是不夠，需要擴展。 擴展的方法有兩種：（ 1）借用外部 RAM 地址來擴展 I/O 端口；（ 2）采用 I/O接口新片來擴充。我們用 8255 并行接口信片來擴展 I/O 端口。 顯示原理 當定時器定時為 1 秒，時程序跳轉(zhuǎn)到時間顯示及信號燈顯示子程序，它將依次顯示信號燈時間 ，同時一直顯示信號燈的顏色，這時在返回定時子程序定時一秒，在顯示黃燈的下一個時間，這樣依次把所有的燈色的時間顯示完 后在重新給時間計數(shù)器賦初值 ，重新進入循環(huán)。 8255PA 口輸出信號接信號燈 由于發(fā)光二極管為共陽極接法，輸出端口為低電平，對應的二極管發(fā)光，所以可以用置位方法點亮紅，綠，黃發(fā)光二極管。