【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 般 RAM區(qū)和特殊功能寄存器區(qū)，其中還包含堆棧區(qū)。 00H1FH單元為工作寄存器組區(qū)，共 32個(gè)字節(jié)。工作寄存器也稱為通用寄存器，用于臨時(shí)存放 8位信息。工作寄存器共有 4組，稱為 0組、 1組、 2組、 3組、每組 8個(gè)寄存器，依次用 R0R7表示。也就是說，R0 可能表示 0組的第一個(gè)寄存器，也可能表示 1組的第一個(gè)寄存器，還可能表示 2 組、 3組的第一 7 個(gè)寄存器。使用哪一組當(dāng)中的寄存器由程序狀態(tài)寄存器 PSW 中的 RS0 和 RS1 兩位來選擇。 20H2FH為位尋址區(qū)，共 16字節(jié)， 128位。這 128位每位都可以按位方式使用，每一位都有一個(gè)位地址，位地址范圍為 007FH。 30H7FH 是一般 RAM 區(qū)，也稱為用戶 RAM 區(qū)，共 80字節(jié)，對(duì)于 52 子系列，一般 RAM區(qū)從 30HFFH單元 。另外，對(duì)于前兩區(qū)中未使用的單元也可以作為用戶 RAM 單元來使用。堆棧是按先入后出、后入先出的原則進(jìn)行管理的一段存儲(chǔ)器區(qū)域。在 MCS51單片機(jī)中，堆棧占用片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一段區(qū)域，在具體使用時(shí)應(yīng)避開工作寄存器、位尋址區(qū)，一般在 2FH 以后的單元，為實(shí)現(xiàn)堆棧的先入后出、后入先出的數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)中專門設(shè)置了一個(gè)堆棧指針 SP。堆棧指針 SP是一個(gè) 8位特殊功能寄存器。它指向當(dāng)前堆棧段得位置， MCS51單片機(jī)的堆棧是向上生長(zhǎng)型的，存入數(shù)據(jù)是從低端向高端延伸，取出數(shù) 據(jù)則相反。入棧和出棧數(shù)據(jù)是以字節(jié)為單位。入棧時(shí)先把 SP指針的內(nèi)容加 1，然后把數(shù)據(jù)存入 SP 指向的單元，出棧時(shí)先把 SP 指針指向單元的數(shù)據(jù)取出，然后把SP的內(nèi)容減 ， SP的初值為 07H，因此堆棧實(shí)際上是從 08H開始存放數(shù)據(jù)。用戶也可以通過給 SP 賦值來改變堆棧的初始位置。特殊功能寄存器（ SFR）也稱為專用寄存器，專門用于控制、管理片內(nèi) 算術(shù)邏輯部件、并行 I/O接口、串行口、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊工作。用戶在編程時(shí)可以給其設(shè)定值，但不能移作他用。 SFR 分布在 80HFFH 的地址空間，與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng) 一編址。 MCS51 單片機(jī)提供 5 個(gè)硬件中斷源：兩個(gè)外部中斷源 INT0（ ）和 INT1（ ），兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0和 T1的溢出中斷 TF0和 TF1；一個(gè)串行口發(fā)送 T1和接收 R1中斷。設(shè)計(jì)中用了 兩個(gè) 外部中斷 。外部中斷源 INT0和 INT1 的中斷請(qǐng)求信號(hào)從外部引腳 ，主要用于自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)處理、單片機(jī)掉電等。 外部中斷請(qǐng)求有兩種觸發(fā)方式：電平觸發(fā)及邊沿觸發(fā)。這兩種觸發(fā)方式可以通過對(duì)特殊功能寄存器 TCON編程來選擇。 TCON的高四位用于定時(shí) /計(jì)數(shù)器控制，低四位用于外部中斷控制， IT0和 IT1位為外部中斷 0 和外部中斷 1 的觸發(fā)方式控制位。設(shè)置 0選擇為電平觸發(fā)方式；設(shè)置 1 選擇為邊沿觸發(fā)方式。 邊沿觸發(fā)方式時(shí)， CPU響應(yīng)中斷后能夠由硬件自動(dòng)將 IE0（或 IE1）清零。對(duì)于電平觸發(fā)方式， CPU 響應(yīng)中斷后不能夠由硬件自動(dòng)將標(biāo)志位清零。 MCS51 單片機(jī)中沒有專門的開中斷和關(guān)中斷指令，對(duì)各個(gè)中斷源的允許和屏蔽是由內(nèi)部的中斷允許寄存器 IE 的各位來控制的。 IE 的最高位（ EA）為中斷允許控制位。 EA=0屏蔽所有中斷請(qǐng)求， EA=1開放中斷。 IE的最低位（ EX0）為外部中斷 0的中斷允許控制位， EX0=0禁止外部中斷 0中斷 ， EX0=1允許外部中斷 0中斷； IE的第三位（ EX1）為外部中斷 1的中斷允許位。 EX1=0 禁止外部中斷 1 中斷， EX1=1允許外部中斷 1中斷。 MCS51 單片機(jī) 5個(gè)中斷源可以通過內(nèi)部的中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IP 來設(shè)置，中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IP的字節(jié)地址為B8H，可以進(jìn)行位尋址， 如果某位被置 1，則對(duì)應(yīng)的中斷源被置為高優(yōu)先級(jí)，對(duì)于同級(jí)中斷源， 系統(tǒng)有默認(rèn)的優(yōu)先權(quán)順序，默認(rèn)優(yōu)先權(quán)順序下外部中斷 0 優(yōu)先級(jí)高于外部中斷 1。 通過中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IP改變中斷源的優(yōu)先級(jí) 順序 可以實(shí)現(xiàn) 兩個(gè)方面的功能：改變系統(tǒng)中斷源的優(yōu)先級(jí)順序和實(shí)現(xiàn) 二級(jí)中斷嵌套 。通過中斷優(yōu)先級(jí)寄存器組成的兩級(jí)優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套有以下三條規(guī)定：第一，正在進(jìn)行的中斷過程不能被新的同級(jí)或低優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求所中斷，直到該中斷服務(wù)程序結(jié)束，返回了主程序且執(zhí)行了主程序中的一條指令后， CPU 才響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求。第二，正在進(jìn)行的低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序能被高優(yōu)先級(jí)中斷請(qǐng)求所中斷，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)中斷嵌套。第三， CPU 同時(shí)接收到幾個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)，首先響應(yīng) 優(yōu)先級(jí)最高的中斷請(qǐng)求。 這是此次設(shè)計(jì)中要用到的。 外部中斷 0 的入口地址為0003H，外部中斷 1的入口地址為 0013H。 8 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 原理 本設(shè)計(jì)利用所學(xué)電路知識(shí) ,單片機(jī)知識(shí)和 EDA方面的知識(shí)設(shè)計(jì)一電子密碼鎖 。 目的是 要有較高的安全性 , 密碼位數(shù)高，錯(cuò)誤提示 ,使用方便 ,顯示界面友好 等特點(diǎn) 。 確定方案與原理框圖，設(shè)計(jì)出硬件線路，給出軟件程序。 根據(jù)設(shè)計(jì) 目的 ， 本設(shè)計(jì)以單片機(jī) 8051AH為核心，用單片機(jī)的通用 I/O接口 P1口組成一個(gè) 4 4鍵盤作為輸入電路，用發(fā)光二極管和蜂鳴器作為指示和警報(bào)提示設(shè)計(jì)一個(gè)十位數(shù)字電子密碼鎖電路。密碼鎖的 開鎖密碼應(yīng)是（ 09）中的十位數(shù)字，密碼輸入完全正才確能控制開鎖裝置打開 密碼鎖 ， 并且 指示燈 亮 ；輸入的密碼錯(cuò)誤則 不能打開 密碼鎖 ， 并且 發(fā)出聲音警報(bào) 提示 。采用單片機(jī)來完成此電路設(shè)計(jì)，硬件電路簡(jiǎn)單，但是需要編程序來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能 。完成此密碼鎖設(shè)計(jì) 主要有幾個(gè)方面問題需要解決： 輸入的問題，輸入鍵中包含 09十位數(shù)字鍵、一個(gè)刪除鍵（刪除上一個(gè)輸入的數(shù)字）、開鎖鍵、確認(rèn)鍵、改密碼鍵和復(fù)位鍵； 開鎖和改密碼的問題，密碼輸入正確了怎樣控制電路開鎖，密碼輸入不正確則不能開鎖，如何實(shí)現(xiàn)修改密碼，必須輸入了正確的密碼后才能修改密碼； 設(shè)計(jì)出電路圖，編出程序，然后仿真， 看 是否能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。 綜上所述，決定采用以下思 路來完成十位數(shù)字密碼鎖電路的設(shè)計(jì)。用單片機(jī)的 P1口 8根 I/O接口線組成 4 4鍵盤有 16個(gè)按鍵，本設(shè)計(jì)用到其中 11個(gè)鍵 ，這 11個(gè)鍵包括 09十個(gè)數(shù)字鍵和 A（十）鍵，將 A鍵用作確認(rèn)鍵。此外，擬用單片機(jī)的外中斷 0來用作刪除（刪除上一位輸入值），利用單片機(jī)的外中斷 1來修改密碼， 通過中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IP把外中斷 0的中斷優(yōu)先級(jí)順序設(shè)為高 ， 這樣 外中斷 0 優(yōu)先級(jí)高于外中斷 1，所以即使在執(zhí)行外中斷 1 的中斷服務(wù)程序時(shí)可以 利用中斷嵌套來 響應(yīng)外中斷 0，即當(dāng)用戶修改密碼時(shí)一樣可以使用刪除鍵。這樣以來，刪除（刪除上一位輸入）程序和改密碼 程序 只需要寫作單片機(jī)的外中斷 0和 1 的中斷服務(wù)程序即可。另外要注意的是，改密碼只能在輸入正確密碼后進(jìn)行改密碼，所以外中斷 1 在輸入正確的密碼時(shí)才允許中斷，也就是說必須先輸入正確的密碼后改密碼鍵才能有效，這時(shí)按改密碼鍵就可以進(jìn)行密碼修改。 如果在輸入了正確的十位密碼后的十秒時(shí)間內(nèi)沒有其他任何動(dòng)作，那么密碼鎖將自動(dòng)結(jié)束本次運(yùn)轉(zhuǎn)， 回到程序初始位置執(zhí)行等待輸入密碼，即用戶需在輸入正確密碼后的十秒時(shí)間內(nèi)執(zhí)行需要的操作 — 開鎖或者修改密碼。最后， 由于此設(shè)計(jì)的為十位數(shù)字密碼鎖，有十位密碼，密碼位數(shù)較多，所以使用一般的數(shù)碼管顯示電 路已不能滿足要求，這里選用 1602LCD 顯示器作為顯示電路，這樣不僅能方便的顯示密碼，而且顯示界面更加友好，顯示內(nèi)容也可以更加豐富。 本設(shè)計(jì)中設(shè)有復(fù)位鍵，實(shí)際運(yùn)用中可以將復(fù)位鍵設(shè)在鎖內(nèi)，即開鎖后才能按到復(fù)位鍵，因?yàn)榘戳藦?fù)位鍵單片機(jī)將恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置，密碼也將恢復(fù)為默認(rèn)密碼。 當(dāng)然復(fù)位鍵也可以不設(shè)， 可以將單片機(jī)復(fù)位方式設(shè)為上電復(fù)位。 總體設(shè)計(jì)框圖如 第一章的 圖11所示。 單片機(jī)作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，它既 是 協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。 整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)、 時(shí)鐘電路 、 復(fù)位電路 等組成。 本系統(tǒng)采用 的 8051AH單片機(jī) ， 它是一款 MCS51系列中的高性能單片機(jī) 內(nèi)部自帶有 4KB 的 Flash 存儲(chǔ)器及 256KB RAM 單元的芯片，因此可以不需另外擴(kuò)展EEPROM及靜態(tài) RAM就可以實(shí)現(xiàn)所需功能。 單片機(jī)最小系統(tǒng)是軟硬件系統(tǒng)連接的橋梁。其中單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路圖如圖 31所示。 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到 :內(nèi)部振蕩和外部振蕩。 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時(shí)，電路簡(jiǎn)單， 所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)際使用中常采用這種方式，如圖 31 所示在其外接晶體振蕩器 (簡(jiǎn)稱晶振 )或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧 9 振器一起可構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。圖 31 中 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為 30PF左右，晶振頻率選 12MHz。 為了初始化單片機(jī)內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)位后可使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來 實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)行情況下，只要 RST 引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位，但如果 RST 引腳上持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位后系統(tǒng)將輸入 /輸出 (I/O)端口寄存器置為 FFH，堆棧指針 SP置為 07H, SBUF內(nèi)置為不定值，其余的寄存器全部清 0，內(nèi)部 RAM的狀態(tài) 不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時(shí) RAM的內(nèi)容是不定的。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動(dòng) (開關(guān) )復(fù)位。 圖 31中就是 上 電復(fù)位方式， R2和 C3組成上電復(fù)位電路，其值 R取為 1K， C取為 22μ F。 圖 31 單片機(jī)最小 系統(tǒng) 鍵盤 電路 本設(shè)計(jì)用的按鍵較多，所以這里采用矩陣鍵盤，用了 4 4矩陣鍵盤的 16個(gè)鍵中的 11個(gè)。矩陣鍵盤又叫行列式鍵盤， 行列式鍵盤的特點(diǎn)是能減少鍵盤與單片機(jī)接口時(shí)所占用的 I/O 線的數(shù)目，使硬件資源得到合理利用，但判鍵速度慢，在按鍵比較多時(shí)， 往往 采用 矩陣式鍵盤 。 矩陣式鍵盤的鏈接方法有多種，可以利用擴(kuò)展的并行 I/O 接口線；可以利用可編程的鍵盤、顯示接口芯片進(jìn)行連接、也可以直接連接于單片機(jī)的 I/O接口線；利用擴(kuò)展的并行 I/O接口連接方便靈活，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中比較常用。這里直接用單片機(jī)的 P1 口連接， P1 的低四位作為行線，高四位作為列線。 第一行的首鍵碼就是 0，第二行的首鍵碼是 4，第三行的首鍵碼是 8，第四行首鍵碼是 12。編碼情況如圖 32所示。 矩陣鍵盤的 每一條水平（行線）與垂直線（列線）的交叉處不相通，而是通過一個(gè)按鍵來連通，利用這種行列式矩陣結(jié)構(gòu)只需要 N條行線和 M條列線，即可組成具有 N M個(gè)按鍵的鍵盤。 在這種行列式矩陣鍵盤非鍵盤編碼的單片機(jī)系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認(rèn)有無按鍵按下的程序段。 當(dāng)確認(rèn)有按鍵按下后，下一步就要識(shí)別哪一個(gè)按鍵按下。對(duì)鍵的識(shí)別通常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描 查詢法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法。 矩陣鍵盤的工作過程可分為兩步；第一步是 CPU 首先檢測(cè)鍵盤上是否有鍵按下；第二步是識(shí)別哪一個(gè)鍵按下。 對(duì)照?qǐng)D 32的 4 4矩陣鍵盤，說明鍵盤的工作原理。 判斷 鍵盤中有無鍵按下 的處理方法是： 由單片機(jī) I/O 口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態(tài) 10 來判斷。 其具體過程如下 ： 先 向 P1 口 輸出 0F0H，把全部 行 線置為低電平，然后將 列線電平狀態(tài)讀入累加器 A中 。 如果有鍵按下，總會(huì)有一根列線電平被拉至低電平，從而使列輸入狀態(tài)不全為“ 1”否則則可判定無鍵按下。 本設(shè)計(jì)中還用類似的方法將列線置為低電平 ，讀行線狀態(tài)，這樣用兩次讀得的結(jié)果判斷是否有鍵按下。具體設(shè)計(jì)方法在第四章中詳細(xì)介紹，這里先說明原理。 辨別 鍵盤中哪一個(gè)鍵被按下 的處理方法是： 將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的 ，稱為逐列掃描 。 其具體過程如下 ： 從 開始， 依次給列線送低電平 （通過向 P1 口寫入掃描字實(shí)現(xiàn)，然后讀入 所有行線狀態(tài)，如果全為 1，則所按下的鍵不在此列；如果不全為 1，則所按下的鍵必在此列，而且是在 此列 與零電平行線相交的交點(diǎn)上的那個(gè)鍵。 為求取鍵碼 ， 在逐列掃描時(shí)，可用計(jì)數(shù)器或寄存器記錄下當(dāng)前掃描的列號(hào)，檢測(cè)到第幾行有鍵按下，就用 該行的首鍵碼加列號(hào)得到當(dāng)前按鍵的編碼。 本設(shè)計(jì)用到 4 4 矩陣鍵盤的 16 個(gè)鍵中的 11個(gè)，這 11個(gè)鍵如圖 32中所示，圖 32 中還有 5個(gè) 鍵的另一端 未連線，表示這 5 個(gè)鍵 未被使用，為了方便理解鍵盤的組成原理于是將所有按鍵全部畫出，這樣更清楚地看到 P1口被用作矩陣鍵盤的連接狀況。 圖 32 4 4 矩陣鍵盤 開鎖 電路 當(dāng)密碼輸入后并經(jīng)過與約定的密碼對(duì)比后，如果輸入的密碼正確，那么單片機(jī)將輸出開鎖信號(hào)給開鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)，才能開鎖。實(shí)際運(yùn)用中，開鎖機(jī)構(gòu)一般就是利用電磁吸合原理構(gòu)成的電磁鎖，單片機(jī)輸出的微弱信號(hào)需要 經(jīng)過 驅(qū)動(dòng)電路的放大處理后才能驅(qū)動(dòng)電磁鎖吸合，從而達(dá)到開鎖的目的。開鎖電路如圖 33所示。 開鎖電路由驅(qū)動(dòng)電路 和開鎖兩級(jí)組成。由 D R T10組成驅(qū)動(dòng)電路，其中 T10可以選擇普通的小功率三極管如 90