【正文】 本課題的設計產品使用環(huán)境為常規(guī)環(huán)境，并且實現(xiàn)的功能相對來 說比較簡單；其次軟件程序不是非常的多， 4k 存儲空間做夠使用，常見的 開發(fā)軟件和工具 我們 稱為 8051 開發(fā)系統(tǒng) 或 環(huán)境 ， 常見的 匯編程序 ASM5 Keil C5 MedWin 等均是針對 8051 內核單片機的開發(fā)軟件 ， AT89C51 完全兼容，可以使用；再次該系列單片機的發(fā)展相對較成熟，會使用的人很多，容易被人接受；最后， 在眾多的 51 系列單片機中， ATMEL 公司的AT89C51 更實用，因他不但和 8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內的 4K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改 寫 。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密。 AT89C51 有 PDIP、 PLCC 和 PQFP/TQFP 等封裝 ， AT89C51 目前的售價八路智能搶答器的設計 第 12 頁 共 60 頁 比 8031 還低，市場供應也很充足。 AT89C51 單片機 的介紹 AT89C51 單片機主要有以下部件 構成 ： 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 Flash 存儲器、片內 RAM、并行 I/O 接口、定時器和串行 I/O接口。 AT89C51 單片機內部由 CPU、 4KB 的 FPEROM ， 128B 的 RAM，兩 個 16 位的定時 /計數器 T0 和 T1， 4 個 8 位的 I/O 端 P0、 P P P3 等組成。單片微機內部最核心的部分是 CPU， CPU 按其功能可分為運算器和控制器兩部分?？刂破饔沙绦蛴嫈灯鱌C、指令儲存器、指令譯碼器、實時控制與條件轉移邏輯電路等組成。它的功能是對來自存儲器中的指令進行譯碼，通過實時控制電路，在規(guī)定的時刻發(fā)出各種操作所需的內部和外部的控制信號，使各部分協(xié)調工作，完成指令所規(guī)定的操作。運算器由算術邏輯器部件 ALU、累加器 ACC、暫存器、程序狀態(tài)字寄存器 PSW， BCD 碼運算調整電路等組成。為了提高數據處理和 位操作功能，片內增加了一個通用寄存器 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 控制器系列產品兼容，片內有 4K可在線重復編程閃速電擦除存儲器（ Flash Memory），存儲器可循環(huán)寫入 /擦除 1000 次；存儲器數據保存時間可達 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；程序存儲器具有 3 級鎖存保護； 128*8 位內部 RAM； 32 條可編程I/O 線；兩個 16 位定時器 /計數器；中斷結構具有 5 個中斷源和 2 個中斷優(yōu) 先級；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)保存存儲內容。 AT89C51 引腳圖如圖 31 所示 。 圖 31 AT89C51 引腳圖 華北科技學院畢 業(yè)設計（論文） 第 13 頁 共 60 頁 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 個 TTL 門電流。當 P1口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能 接收輸出4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在 給出地址“ 1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“ 1”后，它們被內部上拉為高電平，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 ， 同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件 時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE∕ P：當訪問外部存儲器時，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， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1 時， EA/VPP 將內部鎖定為 RESET；當 EA/VPP端保持高電平時，此間內部程序存儲器。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計 第 14 頁 共 60 頁 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來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，簡稱 SFR（ Special Function Register）。特殊功能寄存器共含有 22 個不同 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 數據存儲器指針低 8位 DPH 83H 數據存儲器指針高 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 串行數據緩沖器 *TCON 88H 定時器控制 TMOD 89H 定時器方式選擇 TL0 8AH 定時器 0低 8位 TL1 8BH 定時器 1低 8位 TH0 8CH 定時器 0低 8位 TH1 8DH 定時器 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，其內容是不確定的，如果對這些單元進行操作 ，得到的是一些隨機數，而寫入則無效。所以，用戶編程時不應該將數據寫入這些未確定的地址單元，它們是公司留待將來開發(fā)新產品時使用的。 華北科技學院畢 業(yè)設計（論文） 第 15 頁 共 60 頁 時鐘與復位模塊 時鐘模塊 單片機必 須在時鐘的驅動下才能工作 。 AT89C51 單片機的時鐘產生方法有兩種：內部時鐘方式和外部時鐘方式。無論何種形式，都需要外部附加電路，產生時鐘脈沖。 外部時鐘方式就是直接將外部的振蕩脈沖通過 XTALl 或 XTAL2 接入單片機 ， 外部時鐘方式多用于多機系統(tǒng)，以便各個單片機能夠同時工作。對外部震蕩信號無特殊要求，但需保證脈沖寬度不小于 20ns，且頻率應低于單片機所支持的最高頻率。 內部時鐘方式就是利用單片機芯片內部的振蕩器，通過在引腳 XTALl 和 XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器，構成穩(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，直接送入芯片內部的時鐘電路的方式?？缃拥木w振蕩器如果已經起振，則會向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，常見的晶體振蕩器頻率有 6MHz和 12MHz。 AT89C51 單片機的時鐘頻率最高可為 24Mz。 本系統(tǒng)中采用的是內部時鐘方式。 時鐘電路如圖 32所示。 圖 32 時鐘電路 從 時鐘 電路的 示意 圖中可以看到，單片機所跨接的晶體振蕩器旁邊還有兩個電容器C1 和 C2。 C1 和 C2 被稱為諧振電容，主要作用有兩點：一是可以促使單片機系統(tǒng)快速起振；二是 C C2 具有對頻率進行微調作用，有利于單片機系統(tǒng)振蕩頻率的穩(wěn)定，維持單片機的正常運行。諧振電容的容值選擇，與所用的晶體振蕩器的頻率值有關。晶體振蕩器的振蕩頻率越高，相應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。經過大量的實際應用，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：當晶體振蕩器的頻率為 12MHz 時，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，我認為與具體的應用有關。理論上當然希望單片機的運算速度越快越好，即晶體振蕩器的頻率越高越好。但是，在有些情況下，單片機的八路智能搶答器的設計 第 16 頁 共 60 頁 外圍設備的速度無法匹配單片機的運行速度。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計為 12MHz，諧振電容的容值選定為 30pF。 單片機在工作時 ， 由內部振蕩器產生或由外直接輸入的送至內部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期 。其 大小是時鐘信號頻率的倒數 ， 常用 T=1/fosc 表示 。圖中時鐘頻率為 12MHz， 即 fosc=12MHz， 則時鐘周期為 1/12181。s。 此電路在加電大約延遲 10ms后振蕩器起振 ， 在 XTAL2 引腳產生幅度為 3V左右的正弦波時鐘信號 。 為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作。在設計電路板時，晶體振蕩器和諧振電容的位置應盡可能地靠近單片機的 XTALl 和 XTAL2 引腳。 復位 模塊 使 CPU 進入初始狀態(tài)， 從 0000H 地址開始執(zhí)行程序的過程叫系統(tǒng)復位。 單片機本身不能自動進行復位，必須配合相應的外部復位 電路才能實現(xiàn)。 從實現(xiàn)系統(tǒng)復位的方法來看，系統(tǒng)復位可分為硬件復位和軟件復位。 硬件復位必須通過 CPU 外部的硬件電路給 CPU 的 RESET 端加上足夠時間的高電位才能實現(xiàn)。上電復位，人工按鈕復位和硬件看門狗復位均為硬件復位。硬件復位后，各專用寄存器的狀態(tài)均被初始化，且對片內通用寄存器的內容沒有影響。但是，硬件復位還能自動清除中斷激活標志，使中斷系統(tǒng)能夠正常工作，這樣一個事實卻容易為不少編碼人員所忽視。 軟件復位就是用一系列指令來模擬硬件復位功能，最后通過轉移指令使程序從0000H 地址開始執(zhí)行。對各專用寄存器的復位操 作是容易的，也沒有必要完全模擬，可根據實際需要去主程序初始化過程中完成。而對中斷激活標志的清除工作常被遺忘，因為它沒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，認為直接轉向 0000H 地址就完成了軟件復位，就是這類錯誤的典型代表。軟件復位是使用軟件陷阱和軟件看門狗后必須進行的工作，這時程序出錯完全有可能發(fā)生在中斷子程序中，中斷激活標志已置位，它將阻止同級中斷響應。由于軟件看門是高級中斷，它將阻止說要中斷響應，由此可見清除中斷激活標志的重要性。 單片機系統(tǒng)在啟動運行時 ，首先完成 的復位 操作，即上電復位。其目的是使 CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。復位很重要 ，單片機有多種復位方式。這里僅介紹上電復位和按鍵復位這兩種常用的復位方式。 上電復位常用的方法是使用電容器。利用電容器的充電特性達到滿足接通電源后，華北科技學院畢 業(yè)設計（論文） 第 17 頁 共 60 頁 單片機實現(xiàn)自動復位的要求。 單片機的第 9 腳 RST 為硬件復位端 ， 只要將該端持續(xù) 4 個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復位 ， 復位后單片機的各狀態(tài)都恢復到初始化狀態(tài)，其電路圖如圖 33所示 。 圖 33 復位電路 在電路圖中，電容的的大小是 10uF，電阻 的大小是 10k。所以根據公式，可以算出電容充電到電源電壓的 倍 （ ），需要的時間是 10K*10uF=。也就是說在電腦啟動的 內，電容兩端的電壓時在 0~。這個時候 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， RST 引腳所接收到的電壓是 5V～ 。在