【文章內(nèi)容簡介】 稱為定時器 /計數(shù)器 T0 和定時器 /計數(shù)器 T1；在 C51 部分產(chǎn)品中，還包含有一個用做看門狗的8 位定時器。定時器 /計數(shù)器的核心是一個加 1 計數(shù)引腳上施加器，其基本功能是加 1 功能。在單片機的定時器 T0 或 T1 中，有一個定時器發(fā)生由 0 到 1的跳變時，計數(shù)器增 1，即為計數(shù)功能；在單片機內(nèi)部對機器周期或其分頻進行計數(shù)，從而得到定時，這就是定時功能。在單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設(shè)定和控制都是通過軟件來進行的。 定時器 /計數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時器 0、定時器 定時器方式寄存器 TMOD 和定時器控制寄存器 TCON 組成。當(dāng)定時器 /計數(shù)器設(shè)置為定 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 12 時工作方式時， 計數(shù)器對內(nèi)部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加 1，直至計滿溢出。定時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因為 C51 系列單片機的一個機器周期由 12 個振蕩脈沖組成，所以，計數(shù)頻率 fc=fosc/12。如果單片機系統(tǒng)采用 12MHz 晶振，則計數(shù)周期為 : sT ?112/1*10*12 16 ?? (21) 這是最短的定時周期，適當(dāng)選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。 當(dāng)定時器 /計數(shù)器設(shè)置為計數(shù)工作方式時，計數(shù)器對來自輸入引腳 T0（ ）和 T1（ ）的外部信號計數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計數(shù)。在每個機器周期的 S5P2 期間采樣引腳輸入電平，若前一個機器周期采樣值為 1，后一個機器周期采樣值為 0，則計數(shù)器加 1。新的計數(shù)值是在檢測到輸入引腳電平發(fā)生 1 到 0 的負跳變后，于下一個機器周期的 S3P1 期間裝入計數(shù)器中的，可見，檢測一個由 1 到 0 的負跳變需要兩個機器周期，所以最高檢測頻率為振蕩頻率的 1/24。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在一個機器周期以上。 3．振蕩器 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(yīng)不接。當(dāng)輸入至內(nèi)部時鐘信號時要通過一個二分頻觸發(fā)器，而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。 4．芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫 “1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可 以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM、定時器、計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 5．中斷系統(tǒng) 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 13 中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分。實時控制、故障自動處理、單片機與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。 C51 系統(tǒng)有關(guān)中斷的寄存器有 4 個，分別為中斷源寄存器 TCON 和SCON、中斷允許控制寄存器 IE 和中斷優(yōu)先級控制寄存器 IP；中斷源有 5 個，分別為外部中斷 0 請求 INT0、外部中斷 1 請求 INT定時器 0 溢出中斷請求 TF0、定時器 1 溢出中斷請求 TF1 和串行中斷請求 R1 或 T1。 5 個中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器 IP 和順序查詢邏輯電路共同決定， 5 個中斷源分別對應(yīng) 5 個固定的中斷入口地址。中斷的特點是分時操作，實時處理和故障處理。 簡單介紹一下本次設(shè)計所需的單片機芯片 AT89C51 的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。 （ 1） 外部中斷源 AT89C51有 INT0 和 INT1兩條外部中斷請求輸入線 ,用于輸入兩個外部中斷源的中斷請求信號 ,并允許 外部中斷源以低電平或負邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來輸入中斷請求信號。 AT89C51 究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式 ,可由用戶對定時器控制寄存器 TCON 中 IT0 和 IT1 位狀態(tài)的設(shè)定來選取。 AT89C51 在每個機器周期的 S5P2 時對 INT0、線上中斷請求信號進行一次檢測 ,檢測方式和中斷觸發(fā)方式的選取有關(guān)。若 AT89C51 設(shè)定為電平觸發(fā)方式 (IT0=0 或 IT1=0),則 CPU 檢測到 INT0、 INT1 上低電平時就可認定其上中斷請求有效 。若設(shè)定為邊沿觸發(fā)方式 (IT0=1 或 IT1=1),則 CPU 需要兩次檢測 INT0、 INT1 線上電 平方能確定其上中斷請求是否有效 ,即前一次檢測為高電平和后一次檢測為低電平時中斷請求才有效。 （ 2） 定時器溢出中斷源 定時器溢出中斷由 AT89C51 內(nèi)部定時器分的中斷源產(chǎn)生 ,故它們屬于內(nèi)部中斷。 AT89C51 內(nèi)部有兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 ,受內(nèi)部定時脈沖 (主脈沖經(jīng)12 分頻后 )或 T0/T1 引腳上輸入的外部定時脈沖計數(shù)。定時器 T0/T1 在定時脈沖作用下從全 “1”變成全 “0”時可以自動向 CPU提出溢出中斷請求 ,以表明定時器 T0 或 T1 的定時時間已到。 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 14 （ 3） 串行口中斷源 串行口中斷由 AT89C51 內(nèi)部串行口的中 斷源產(chǎn)生 ,也是一種內(nèi)部中斷。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種。在串行口進行發(fā)送 /接收數(shù)據(jù)時 ,每當(dāng)串行口發(fā)送 /接收完一組串行數(shù)據(jù)時串行口電路自動使串行口控制寄存器 SCON 中的 RI 或 TI 中斷標(biāo)志位置位，并自動向 CPU 發(fā)出串行口中斷請求 ,CPU 響應(yīng)串行口中斷后便立即轉(zhuǎn)入串行口中斷服務(wù)程序執(zhí)行。因此 ,只要在串行口中斷服務(wù)程序中安排一段對 SCON 中 RI 和 TI 中斷標(biāo)志位狀態(tài)的判斷程序 ,便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請求還是發(fā)送中斷請求。 （ 4） 中斷標(biāo)志 AT89C51 在 S5P2 時檢測 (或接收 )外部 (內(nèi)部 )中斷源發(fā)來的中斷請求信號后先使相應(yīng)中斷標(biāo)志位置位 ,然后便在下個機器周期檢測這些中斷標(biāo)志位狀態(tài) ,以決定是否響應(yīng)該中斷。 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 是位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成 A/D 轉(zhuǎn)換的。 ADC0809 由單 +5V 電源供電；片內(nèi)帶有鎖存功能的 8 路模擬多路開關(guān)，可對 8 路 0～ 5V 的輸入模擬電壓分時進行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需 100181。S；片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存器、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256 電阻 T 型網(wǎng)絡(luò)和樹狀電子開關(guān)以及逐次逼近寄存器。 ADC0809 是引腳雙 列直插式封裝，引腳及其功能（圖 22）： 1． D7～ D0： 8 位數(shù)字量輸出引腳。 2． IN0～ IN7： 8 路模擬量輸入引腳。 3． VCC： +5V 工作電壓。 4． GND：接地。 5． REF（ +）：參考電壓正端。 6． REF（ ）：參考電壓負端。 7． START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。 8． A、 B、 C：地址輸入端。 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 15 9． ALE：地址鎖存允許信號輸入端。 10． EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。 11． OE： 輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 12． CLK：時鐘信 號輸入端，譯碼后可選通 IN0～ IN7 八個通道中的一個進行轉(zhuǎn)換。 表 21 A、 B、 C 的輸入與被選通道的通道關(guān)系 被選中的通道 C B A IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 圖 22 ADC0809 的管腳圖 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 16 運算放大器 LM324 本次設(shè)計所用的運算放大器是 LM324，而 LM324 的系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng) 用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到 3 伏或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。它的性能特點是 短跑保護輸出 、真差動輸入級、底偏置電流為最大 100mA、每封裝含四個運算放大器、具有內(nèi)部補償?shù)墓δ堋⒐材７秶鷶U展到負電源、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列、輸入端具有靜電保護功能。 運算放大器 LM324 的引腳圖如圖 23： 圖 23 運算放大器 LM324 的引腳圖 由于本次設(shè)計中采集電路所采集到的信號值與我們所預(yù)期的結(jié)果有時會有很大的差距，因此信號值要被真實地反映出來，須采用放大電路進一步處理。按比例將信號放大的電路，稱為比例運算放大電路，簡稱比例電路。對于比例電路，在實際應(yīng)用中可分為以下幾種，下面也做一些簡單的介紹。 1．反相比例放大器 如圖 24 所示，集成運放的同相輸入端通過電阻 R 接地，電阻 lR 與信號源串聯(lián)，另一端接到運放的反相輸入端，運放的輸出端與反相輸入端之間接有電阻 fR ，為保證集成運放輸入級兩邊對稱， 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 17 RRR fl /? （ 22） 比例電路輸出電壓與輸入電壓之間的函數(shù)關(guān)系為： RRUU lfi /0 ?? （ 23） RRUUAlfiu //0 ??? （ 24） 圖 24 反向比例電路 注意：反相比例電路的特點是深度電壓并聯(lián)負反饋電路。因此，集成運放的反相輸入端為 “虛地 ”點，它的共模輸入電壓可視為零，對運放的共模抑制要求低；比例電路的輸入電阻小，可視為 llrR? ，因此對輸入電流有一定要求；輸出電阻 0r 視為零，在適應(yīng)不同大小負載的能力較強。 2．同相比例放大器 如圖 25 所示，為同相比例電路，為保證電路輸入對稱仍要求： RRRfl/? （ 25） 輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系為： UURUilf ??? )/1(0 （ 26） RRUUAlfiu /1/0 ??? （ 27） 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 18 圖 25 同相比例電路 注意：同相比例電路的特點是深度電壓串聯(lián)負反饋電路。電路的輸入電阻很大，可達 100M 以上；輸出電阻很小可視為零，因此有較強的帶負載能力。由于 iU U U????，集成運放的共模抑制比要求較高，這是缺點。 移位寄存器 74LS164 移位寄存器 74LS164 的引腳如圖 26 所示： 圖 26 移位寄存器 74LS164 引腳圖 74LS164 為串行輸入、并行輸出移位寄存器，其引腳功能如下： A、 B —— 串行輸入端； Q0～ Q7 —— 并行輸出端； MR —— 清除端，低電平有效； CLK —— 時鐘脈沖輸入端，上升沿有效。 多片 74LS164 串聯(lián)，能實現(xiàn)多位 LED 靜態(tài)顯示。每擴展一片 164 就可增 第 2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 19 加一 位顯示。 MR 接 +5V，不清除。 數(shù)碼顯示管 LED 圖 27 數(shù)碼顯示管 LED 引腳圖 LED 顯示器是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機的應(yīng)用上也是被廣泛運用的。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用 LED 數(shù)碼管是一種較好的選擇。 LED 數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。 LED 數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它是由若干個發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)亮，控制不同組合的二極 管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，常用的 LED 數(shù)碼管有 7 段和 “米 ”字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此共陰極接地。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽極接在一起，通常此共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被顯示。本次設(shè)計所用的 LED 數(shù)碼管顯示器為共陽極。 LED 數(shù)碼