【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 atchdog定時(shí)器，雙數(shù)據(jù)指針等部件，以及電源下降的中斷恢復(fù)功能。 89 系列的單片機(jī)一共有五種型號(hào)，分別為 AT89C51， AT89LV51， AT89C52， AT89LV52和 AT89S8252，其中 AT89LV51 和 AT89LV52 分別是 AT89C51 和 AT89C52 的低壓產(chǎn)品，最低電壓可以低 ， AT89C1051 和 AT89C2051 則是抵擋的低壓產(chǎn)品，只有 20 根引腳。 89 系列單片機(jī)的型號(hào)編碼中字母的意義是： AT 表示該器件是 ATMEL 公司的產(chǎn)品， C表示該器件是 CMOS產(chǎn)品， LV表示該器件是低電壓產(chǎn)品， S表示該器件含可以下載的 Flash存儲(chǔ)器。 AT89C51 是 89 系列單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)型，它是與 MSC51系列單片機(jī)兼容的。在內(nèi)部含有 4KB或 8KB 可重復(fù)編程的 Flash 存儲(chǔ)器，可進(jìn)行 1000 次擦寫操作。全靜態(tài)工作為024MHZ，有 3級(jí)程序鎖存器，內(nèi)部含有 128256字節(jié)的 RAM，有 32條可編程 I/O口線，23 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 68 個(gè)中斷源，通用的串行接口，低電壓空閑及電源下降方式。 單片機(jī)智能搶答器的設(shè)計(jì) 7 AT89C51 是基本型，具有 4KB 的 Flash 存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)的片內(nèi) RAM,32 條可編程 I/O口，兩個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 6個(gè)中斷源， 3位存儲(chǔ)器加密，一個(gè)可編程串行接口。 AT89C52在 AT89C52 的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 2個(gè)中斷源， 128 字節(jié)的片內(nèi) RAM,4KB的 Flash 存儲(chǔ)器。 AT89C51 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部由 CPU、 4KB 的 FPEROM ， 128B 的 RAM，兩個(gè) 16位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0和 T1， 4個(gè) 8位的 I/O 端 P0、 P P P3等組成。單片微機(jī)內(nèi)部最核心的部分是CPU。 CPU 主要功能是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制存儲(chǔ)器、輸入 /輸出端口的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及位操作處理等， CPU 按其功能可分為運(yùn)算器和控制器兩部分?？刂破饔沙绦蛴?jì)數(shù)器 PC、指令儲(chǔ)存器、指令譯碼器、實(shí)時(shí)控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路等組成。它的功能是 對(duì)來自存儲(chǔ)器中的指令進(jìn)行譯碼，通過實(shí)時(shí)控制電路，在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的內(nèi)部和外部的控制信號(hào)，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯器部件 ALU、累加器 ACC、暫存器、程序狀態(tài)字寄存器 PSW， BCD碼運(yùn)算調(diào)整電路等組成。 如圖 所示： 單片機(jī)智能搶答器的設(shè)計(jì) 8 圖 13 MCS51 結(jié)構(gòu)框圖 AT89C51 特殊功能寄存器 特殊功能寄存器也稱專用寄存器，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，簡(jiǎn)稱 SFR（ Special Function Register）。特殊功能寄存器共含有 22 個(gè)不同寄存器。它們的地址分配在 80H～ FFH 中，即在 RAM地址中。雖然特殊功能寄存器地址在 80H～ FFH之中，但在 80H～ FFH 的地址單元中，不是所有的單元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的單元，其內(nèi)容是不確定的，如果對(duì)這些單元進(jìn)行操作，得到的是一些隨機(jī)數(shù)，而寫入則無效。所以，用戶編程時(shí)不應(yīng)該將數(shù)據(jù)寫入這些未確定的地址單元，它們是公司留待將來開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)使用的。這些寄存器的名稱和地址見表 RAM地址寄存器 B 寄存器 ACC TMP2 ALU TMP1 PSW 堆棧指針 中斷，串行口定時(shí)器邏輯 DPTR PC 通道 3 鎖存器 通道 1 鎖存器 通道 1 驅(qū)動(dòng) 器器 通道 3 驅(qū)動(dòng) 器器 定時(shí)和控制邏輯 指令寄存器 OSC 緩沖器 RAW 通道 0 驅(qū)動(dòng) 器 通道 0驅(qū)動(dòng)器 通道 2 驅(qū)動(dòng) 器 通道 2 驅(qū)動(dòng) 器 EPROM 程序地址 寄存器 程序計(jì)數(shù)器 單片機(jī)智能搶答器的設(shè)計(jì) 9 表 AT89C51 特殊功能寄 存器列表 注： 帶 *號(hào)的特殊功能寄存器都是可以位尋址的寄存器 AT89C51 單片機(jī)使用方法 AT89C51 是一種低功耗、高性能的含有 4KB 閃速可編程電擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的 8 位 CMOS 微控制器，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與 80C51 指令系統(tǒng)和引腳完成兼容。芯片上的 FPEROM 允許在線或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程。 （ 1） AT89C51 的主要性能包括： AT89C51 與 MCS— 51控制器系列產(chǎn)品兼容，片內(nèi)有4K 可在線重復(fù)編程閃速電擦除存儲(chǔ)器（ Flash Memory），存儲(chǔ)器可循環(huán)寫入 /擦除 1000次；存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保存時(shí)間可達(dá) 10 年；工作電壓范圍寬： Vcc 可由 到 6V；全靜態(tài)工作可由 0Hz到 16MHz；程序存儲(chǔ)器具有 3 級(jí)鎖存保護(hù)； 128*8位內(nèi)部 RAM； 32 條可編程I/O 線；兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器；中斷結(jié)構(gòu)具有 5個(gè)中斷源和 2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；可編程全雙工串行通信；空閑狀態(tài) 維持 低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容。 單片機(jī)智能搶答器的設(shè)計(jì) 10 （ 2） FPEROM 的 編程： AT89C51 的 I/O 口 P0、 P P2和 P3 除具有與 80C51 相同的一些性能和用途外，在 FPEROM 編程時(shí)， P0口接收代碼字節(jié)，并在程序檢驗(yàn)時(shí)輸出代碼字節(jié)，但在程序校驗(yàn)時(shí)需要外部上拉負(fù)載電阻，在 FPEROM 編程和程序校驗(yàn)期間， P1口接收低位地址字節(jié)， P2 口接收高位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)， P3 口也接收一些 FPEROM編程和校驗(yàn)用的信號(hào)，此時(shí) ALE/PROG 引腳是編程脈沖輸入（ PROG）端，在 FPEROM 編程期間，如果選擇 12V編程電壓、那么 EA/Vpp 引腳也允許接受 12V 編程電壓（ Vpp）。 單片機(jī)智能搶答器的設(shè)計(jì) 11 第 2 章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì) 一般說來，一個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)它的工作原理與技術(shù)性能。硬件設(shè)計(jì)要畫出它的原理圖，電路板圖，合理選擇元器件。然后對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 從時(shí)間上看，硬件設(shè)計(jì)的絕大部分工作量是在最初階段，到后期往往還要做一些修改。只要技術(shù)準(zhǔn)備充分，硬件設(shè)計(jì)的大返工是比較少的，軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)貫徹始終，到中后期基本上都是軟件設(shè)計(jì)任務(wù)，隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，各種功能很強(qiáng)的芯片不斷出現(xiàn)，使硬件電路 的集成度越來越高，硬件設(shè)計(jì)的工作量在整個(gè)項(xiàng)目中的所占的比重逐漸下降。為使硬件電路設(shè)計(jì)盡可能合理，應(yīng)注意以下幾方面： (1) 盡可能采用功能強(qiáng)的芯片，以簡(jiǎn)化電路，功能強(qiáng)的芯片可以代替若干普通芯片，隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的的價(jià)格不斷下降，并不一定比若干普通芯片價(jià)格的總和高。 (2) 留有設(shè)計(jì)余地。在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，要考慮到將來修改擴(kuò)展的方便。因?yàn)楹苌儆幸诲N定音的電路設(shè)計(jì)，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點(diǎn)小小的修改或擴(kuò)展而被迫進(jìn)行全面返工。 (3) 程序空間，選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)。 (4) RAM 空間， AT89C51 內(nèi)部 RAM 不多，當(dāng)要增強(qiáng)軟件數(shù)據(jù)處理功能時(shí)，往往覺得不足。如果系統(tǒng)配置了外部 RAM，則建議多留一些空間。如選用 8155 作 I/O 接口，就可以增強(qiáng) 256字節(jié) ，則應(yīng)配置足夠的 RAM，如 6264， 62256等。隨著軟件設(shè)計(jì)水平的提高，往往只要改變或增加軟件中的數(shù)據(jù)處理算法，就可以使系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級(jí)換代。只要在硬件電路設(shè)計(jì)初期考慮到這一點(diǎn)，就應(yīng)該為系統(tǒng)將來升級(jí)留足夠的 RAM 空間，哪怕多設(shè)計(jì)一個(gè) RAM的插座，暫不插芯片也好。 (5) I/O 端口：在樣機(jī)研制出來后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試用時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如有些新的信號(hào)需要采集，就必須增加輸入檢測(cè)端；有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件電路設(shè)計(jì)就預(yù)留出一些 I/O端口，雖然當(dāng)時(shí)空著沒用，那么用的時(shí)候就派上用場(chǎng)了。 硬件系統(tǒng)原理圖 見附錄一 單片機(jī)智能搶答器的設(shè)計(jì) 12 時(shí)鐘頻率電路的設(shè)計(jì) 所有的單片機(jī)必須在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下才能正常工作 。 在單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘振蕩電路 ,只需要外接一個(gè)振蕩源就能產(chǎn)生一定的時(shí)鐘信號(hào)送到單片機(jī)內(nèi)部 的各個(gè)單元 ,決定單片機(jī)的工作速度。 本系統(tǒng)中 采用的是內(nèi)部振蕩的方式， 外 振蕩源一般選用石英晶體。在加電大約延遲 10ms 后振蕩器起振 ,在 XTAL2 引腳產(chǎn)生幅度為 3V 左右的正弦波時(shí)鐘信號(hào) ,其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個(gè)電容 C1,C2 的作用有兩個(gè) :一是幫助振蕩器起振 。二是對(duì)振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。 C1,C2 的典型值為 20PF。單片機(jī)在工作時(shí) ,由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時(shí)鐘信號(hào)的周期稱為時(shí)鐘周期。其大小是時(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù) ,常用 fosc 表示。如時(shí)鐘頻率為 12MHz,即fosc=12MHz,則時(shí)鐘周期為 1/12181。s。電路如圖 21 所示： 圖 21振蕩電路 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的第 9腳 RST為硬件復(fù)位端， 當(dāng) 8951 通電，時(shí)鐘電路開始工作，在 RESET引腳上出現(xiàn) 4個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)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(fù)位不改變 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的狀態(tài)， 8951的初始態(tài) 。 8951 的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位， 見下圖 。 此外， RESET/VPD還是一復(fù)用腳， VCC掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。 其 電路圖如圖 22所示 : 圖 22 8951 的復(fù)位 電路 單片機(jī)智能搶答器的設(shè)計(jì) 13 值得注意的是 ,在設(shè)計(jì)當(dāng)中使用到了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種功能 ,由上面的硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲(chǔ)器的值都恢復(fù)到了初始值 ,而前面的功能介紹中提到了倒計(jì)時(shí)時(shí)間的記憶功能 ,該功能的實(shí)現(xiàn)的前提條件就是不能對(duì)單片機(jī)進(jìn)行硬件復(fù)位 ,所以設(shè)定了軟復(fù)位功能。軟復(fù)位 實(shí)際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完畢之后 ,將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。 顯示電路的設(shè)計(jì) LED 數(shù)碼管顯示原理 LED 是由條形 發(fā)光二極管組成“ 8”字形的 LED 顯示器，也稱數(shù)碼管。它通常有 7段與 8段之分。 8段數(shù)碼管是在 7 段發(fā)光二極管的基礎(chǔ)上再加一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管（在圖中以 dp表示），用于顯示小數(shù)點(diǎn)。 LED 數(shù)碼管分 共陽與共陰兩種：共陰管使用時(shí)把陰極連在一起，接低電平，再在陽極接高電平，這樣就能導(dǎo)通點(diǎn)亮。而共陽管則剛好相反，把陽極連在一起，接高電平，陰極需接低電平，這樣才能正常導(dǎo)通。如圖 23： 圖 23 數(shù)碼管電路 由以上原理可知，數(shù)碼管要顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)字，則要求與之各腳連接的單片機(jī)管腳對(duì)應(yīng)為高低電平，這則 需要用軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)。具體過程會(huì)在后面進(jìn)一步的講到。 鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì) 鍵盤是人機(jī)交流的工具，是信息準(zhǔn)確輸入的重要保證，是單片機(jī)不可缺少的人機(jī)交換設(shè)備。但這里所指的鍵盤不 是 PC 機(jī)使用的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤?？紤]到經(jīng)濟(jì)適用等因素，在單片機(jī)系統(tǒng)中通常使用的是價(jià)格便宜的非編碼矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤的鍵排列成矩陣形式，在行與列的每個(gè)交點(diǎn)上對(duì)應(yīng)有一個(gè)鍵。 顯然，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，矩陣式鍵盤較之獨(dú)立式按鍵鍵盤要節(jié)省很多 I/O 口。 由于本系統(tǒng)要求能提供 6 位搶答的信號(hào)，因此可采用 4 4 矩陣式鍵盤， 它 可以構(gòu) 單片機(jī)智能搶答器的設(shè)計(jì) 14 成一個(gè)含有 16個(gè)按鍵的鍵盤， 這樣能滿足系統(tǒng)的要求。 矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，在進(jìn)行鍵盤掃描時(shí)，首先把矩陣鍵盤 行 線的第一根線置高，然后分別再檢測(cè)矩陣鍵盤 列 線是否有高電平的 信號(hào)，如果有信號(hào)，那么就證明這根行線與第一根列線相交處的按鍵被按下了，單片機(jī)就讀入這個(gè)鍵值。如果所有的四根 列 線都沒有信號(hào)，那么就把第一根 行 線置低，把第二根 行 線置高，再一次檢測(cè)行線有沒有信號(hào)，然后依次類推 。 如圖 24 所示： 圖 24 矩陣式鍵盤 電路 鍵盤抖動(dòng)的