【正文】 本課題的設(shè)計(jì)產(chǎn)品使用環(huán)境為常規(guī)環(huán)境，并且實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)來(lái) 說(shuō)比較簡(jiǎn)單；其次軟件程序不是非常的多， 4k 存儲(chǔ)空間做夠使用，常見(jiàn)的 開(kāi)發(fā)軟件和工具 我們 稱為 8051 開(kāi)發(fā)系統(tǒng) 或 環(huán)境 ， 常見(jiàn)的 匯編程序 ASM5 Keil C5 MedWin 等均是針對(duì) 8051 內(nèi)核單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件 ， AT89C51 完全兼容，可以使用；再次該系列單片機(jī)的發(fā)展相對(duì)較成熟，會(huì)使用的人很多，容易被人接受；最后， 在眾多的 51 系列單片機(jī)中， ATMEL 公司的AT89C51 更實(shí)用，因他不但和 8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K 程序存儲(chǔ)器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改 寫(xiě) 。顯而易見(jiàn)，這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫(xiě)入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密。 AT89C51 有 PDIP、 PLCC 和 PQFP/TQFP 等封裝 ， AT89C51 目前的售價(jià)八路智能搶答器的設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 60 頁(yè) 比 8031 還低，市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。 AT89C51 單片機(jī) 的介紹 AT89C51 單片機(jī)主要有以下部件 構(gòu)成 ： 八位微處理器 CPU、振蕩電路、總線控制部件、中斷控制部件、片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器、片內(nèi) RAM、并行 I/O 接口、定時(shí)器和串行 I/O接口。 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 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(lái)自存儲(chǔ)器中的指令進(jìn)行譯碼，通過(guò)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。為了提高數(shù)據(jù)處理和 位操作功能，片內(nèi)增加了一個(gè)通用寄存器 B 和一些專用寄存器，還增加了位處理邏輯電路的功能。 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(xiě)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。 AT89C51 引腳圖如圖 31 所示 。 圖 31 AT89C51 引腳圖 華北科技學(xué)院畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 共 60 頁(yè) P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 個(gè) TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能 接收輸出4TTL 門(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在 給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào) P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口 ， 同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件 時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE∕ P：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， EA/VPP 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA/VPP端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 八路智能搶答器的設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 60 頁(yè) XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 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。這些寄存器的名稱和地址見(jiàn)表 31 所示 。 表 31 AT89C51 特殊功能寄存器列表 符合 地址 注釋 *ACC E0H 累計(jì)器 *B F0H 乘法寄存器 *PSW D0H 程序狀態(tài)字 SP 81H 堆棧指針 DPL 82H 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指針低 8位 DPH 83H 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指針高 8位 *IE A8H 中斷允許控制器 *IP D8H 中斷優(yōu)先控制器 *P0 80H 端口 0 *P1 90H 端口 1 *P2 A0H 端口 2 *P3 B0H 端口 3 PCON 87H 電源控制及波特率選擇 *SCON 98H 串行口控制器 SBUF 99H 串行數(shù)據(jù)緩沖器 *TCON 88H 定時(shí)器控制 TMOD 89H 定時(shí)器方式選擇 TL0 8AH 定時(shí)器 0低 8位 TL1 8BH 定時(shí)器 1低 8位 TH0 8CH 定時(shí)器 0低 8位 TH1 8DH 定時(shí)器 1高 8位 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(xiě)入則無(wú)效。所以，用戶編程時(shí)不應(yīng)該將數(shù)據(jù)寫(xiě)入這些未確定的地址單元，它們是公司留待將來(lái)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)使用的。 華北科技學(xué)院畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 共 60 頁(yè) 時(shí)鐘與復(fù)位模塊 時(shí)鐘模塊 單片機(jī)必 須在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下才能工作 。 AT89C51 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。無(wú)論何種形式，都需要外部附加電路，產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。 外部時(shí)鐘方式就是直接將外部的振蕩脈沖通過(guò) XTALl 或 XTAL2 接入單片機(jī) ， 外部時(shí)鐘方式多用于多機(jī)系統(tǒng)，以便各個(gè)單片機(jī)能夠同時(shí)工作。對(duì)外部震蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，但需保證脈沖寬度不小于 20ns，且頻率應(yīng)低于單片機(jī)所支持的最高頻率。 內(nèi)部時(shí)鐘方式就是利用單片機(jī)芯片內(nèi)部的振蕩器，通過(guò)在引腳 XTALl 和 XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器，構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器的方法，再由獲得的自激振蕩器發(fā)出穩(wěn)定的脈沖，直接送入芯片內(nèi)部的時(shí)鐘電路的方式。跨接的晶體振蕩器如果已經(jīng)起振，則會(huì)向XTAL2 引腳上輸出一定幅值的正弦波。自激振蕩器的頻率取決于晶體振蕩器的頻率，常見(jiàn)的晶體振蕩器頻率有 6MHz和 12MHz。 AT89C51 單片機(jī)的時(shí)鐘頻率最高可為 24Mz。 本系統(tǒng)中采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。 時(shí)鐘電路如圖 32所示。 圖 32 時(shí)鐘電路 從 時(shí)鐘 電路的 示意 圖中可以看到，單片機(jī)所跨接的晶體振蕩器旁邊還有兩個(gè)電容器C1 和 C2。 C1 和 C2 被稱為諧振電容，主要作用有兩點(diǎn)：一是可以促使單片機(jī)系統(tǒng)快速起振；二是 C C2 具有對(duì)頻率進(jìn)行微調(diào)作用，有利于單片機(jī)系統(tǒng)振蕩頻率的穩(wěn)定，維持單片機(jī)的正常運(yùn)行。諧振電容的容值選擇，與所用的晶體振蕩器的頻率值有關(guān)。晶體振蕩器的振蕩頻率越高，相應(yīng)的諧振電容的容值也要提高。二者如果配合的好，可以發(fā)揮諧振電容的積極作用。反之，自激振蕩器頻率的穩(wěn)定性將受到影響。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)際應(yīng)用，晶體振蕩器的頻率與諧振電容的容值之間形 成了一定的固定搭配。例如：當(dāng)晶體振蕩器的頻率為 12MHz 時(shí)，諧振電容的容值一般為 30pF 左右。 確定系統(tǒng)中晶體振蕩器的頻率，我認(rèn)為與具體的應(yīng)用有關(guān)。理論上當(dāng)然希望單片機(jī)的運(yùn)算速度越快越好，即晶體振蕩器的頻率越高越好。但是，在有些情況下，單片機(jī)的八路智能搶答器的設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 60 頁(yè) 外圍設(shè)備的速度無(wú)法匹配單片機(jī)的運(yùn)行速度。為了節(jié)約成本，可以選擇振蕩頻率較低的晶體振蕩器?；谶@種考慮， 本文中的晶體振蕩頻率設(shè)計(jì)為 12MHz，諧振電容的容值選定為 30pF。 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 T=1/fosc 表示 。圖中時(shí)鐘頻率為 12MHz， 即 fosc=12MHz， 則時(shí)鐘周期為 1/12181。s。 此電路在加電大約延遲 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) 。 為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，晶體振蕩器和諧振電容的位置應(yīng)盡可能地靠近單片機(jī)的 XTALl 和 XTAL2 引腳。 復(fù)位 模塊 使 CPU 進(jìn)入初始狀態(tài)， 從 0000H 地址開(kāi)始執(zhí)行程序的過(guò)程叫系統(tǒng)復(fù)位。 單片機(jī)本身不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，必須配合相應(yīng)的外部復(fù)位 電路才能實(shí)現(xiàn)。 從實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位的方法來(lái)看，系統(tǒng)復(fù)位可分為硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。 硬件復(fù)位必須通過(guò) CPU 外部的硬件電路給 CPU 的 RESET 端加上足夠時(shí)間的高電位才能實(shí)現(xiàn)。上電復(fù)位，人工按鈕復(fù)位和硬件看門(mén)狗復(fù)位均為硬件復(fù)位。硬件復(fù)位后，各專用寄存器的狀態(tài)均被初始化，且對(duì)片內(nèi)通用寄存器的內(nèi)容沒(méi)有影響。但是，硬件復(fù)位還能自動(dòng)清除中斷激活標(biāo)志，使中斷系統(tǒng)能夠正常工作，這樣一個(gè)事實(shí)卻容易為不少編碼人員所忽視。 軟件復(fù)位就是用一系列指令來(lái)模擬硬件復(fù)位功能，最后通過(guò)轉(zhuǎn)移指令使程序從0000H 地址開(kāi)始執(zhí)行。對(duì)各專用寄存器的復(fù)位操 作是容易的，也沒(méi)有必要完全模擬，可根據(jù)實(shí)際需要去主程序初始化過(guò)程中完成。而對(duì)中斷激活標(biāo)志的清除工作常被遺忘，因?yàn)樗鼪](méi)有明確的位地址可供編程。有的編程人員用 020210（ LJMP 0000H）作為軟件陷阱，認(rèn)為直接轉(zhuǎn)向 0000H 地址就完成了軟件復(fù)位，就是這類錯(cuò)誤的典型代表。軟件復(fù)位是使用軟件陷阱和軟件看門(mén)狗后必須進(jìn)行的工作，這時(shí)程序出錯(cuò)完全有可能發(fā)生在中斷子程序中，中斷激活標(biāo)志已置位，它將阻止同級(jí)中斷響應(yīng)。由于軟件看門(mén)是高級(jí)中斷，它將阻止說(shuō)要中斷響應(yīng)，由此可見(jiàn)清除中斷激活標(biāo)志的重要性。 單片機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí) ，首先完成 的復(fù)位 操作，即上電復(fù)位。其目的是使 CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。復(fù)位很重要 ，單片機(jī)有多種復(fù)位方式。這里僅介紹上電復(fù)位和按鍵復(fù)位這兩種常用的復(fù)位方式。 上電復(fù)位常用的方法是使用電容器。利用電容器的充電特性達(dá)到滿足接通電源后，華北科技學(xué)院畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) 共 60 頁(yè) 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位的要求。 單片機(jī)的第 9 腳 RST 為硬件復(fù)位端 ， 只要將該端持續(xù) 4 個(gè)機(jī)器周期的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位 ， 復(fù)位后單片機(jī)的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖 33所示 。 圖 33 復(fù)位電路 在電路圖中，電容的的大小是 10uF，電阻 的大小是 10k。所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的 倍 （ ），需要的時(shí)間是 10K*10uF=。也就是說(shuō)在電腦啟動(dòng)的 內(nèi)，電容兩端的電壓時(shí)在 0~。這個(gè)時(shí)候 10K 電阻兩端的電壓為從 5～ （串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在 內(nèi)， RST 引腳所接收到的電壓是 5V～ 。在