【正文】 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件 工具 介紹 單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開 軟件 ，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)?CPU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。只要在晶體振蕩器子板上施加交變電壓，就會使晶片產(chǎn)生機械變形振動，此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應(yīng)。 石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振元件，它的基本構(gòu)成是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對 應(yīng)面上涂銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶 體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號。 圖 晶振電路 石英晶體振蕩器是一種高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，石英晶體振蕩器也稱石 16 英晶體諧振器，它用來穩(wěn)定頻率和選擇頻率，是一種可以取代 LC諧振回路的晶體諧振元件?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的是石英晶體振蕩器。如果需要對這兩種音頻同時支持通話，聲卡就需要有兩個晶振。 晶振電路 晶體振蕩器簡稱晶振，其作用在于產(chǎn)生原始 的時鐘頻率，這個頻率經(jīng)過頻率發(fā)生器的放大或者縮小就成了電腦中各種不同的總線頻率。 芯片的 主要特點 1） 符合所有的 RS232C 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 2） 只需要單一 +5V 電源供電 3） 片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生 +10V 和 10V電壓 V+、V 。 第三部分是供電。 8 腳（ R2IN）、 9腳（ R2OUT）、 10腳（ T2IN）、 7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。由 1 1 1 14 腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。功能是產(chǎn)生 +12v 和 12v兩個電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 第一部分是電荷泵電路。 串口通信電路 串口通信采用 MAX232， MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 ,使用 +5v 單電源供電。在設(shè)計時只有接通電源后，數(shù)碼管才處于開啟狀態(tài)。不能太短，因為發(fā)光二極管從導(dǎo)通到發(fā)光有一定的延時， 14 導(dǎo)通時間太短，發(fā)光太弱人研究無法看清；但也不能太長，因為畢竟要受限于臨界閃爍頻率，而且時間越長，占用 CPU 時間也就越多。 如何確定 LED 不同位顯示的時間間隔，例如 對 8 位 LED 顯示器，假若顯示一位保持 1ms的時間響應(yīng)，則顯示完所有的 8位后，只需 8ms。任選一個低有效使能輸入端作為數(shù)據(jù)輸入，而把其余的使能輸入端作為選通端，則 74HC138 亦可充當(dāng)一個 8 輸出 多路分配器，未使用的使能輸入端必須保持綁定在各自合適的高有效或低有效狀態(tài)。除非 E1 和 E2置低且 E3 置高，否則74HC138 將保持所有輸出為高。 圖 74HC138 譯碼器 引腳及外圍電路 74HC138 譯碼器可接受 3 位二進(jìn)制加權(quán)地址輸入（ A0, A1 和 A2），并當(dāng)使能時，提供 8 個互斥的低有效輸出（ Y0 至 Y7）。其中位選線占用一個 8 位 I/O 口，在本設(shè)計中有 8 個數(shù)碼管，也就是說點亮數(shù)碼管要占用兩個 8 位的 I/O 口，這樣就有點浪費了，為了節(jié)省 I/O口，外接了芯片 74HC138。當(dāng)多位 LED顯示時，通常將所有的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，由 一個 8 位 I/O口控制 ,形成段選線的多路復(fù)用。 同樣的，共陽極 LED 顯示器的工作原理也一樣。共陰極 LED 顯 13 示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此共陰極接地。 通 常 LED 有 7段或 8 段和“米”字段之分。 圖 報警電路 顯示電路 為了節(jié)省成本以及考慮到操作的難易性，本設(shè)計的顯示部分由共陰極的八段數(shù)碼管取代液晶顯示器 LCD1602 來完成。 三極管：三極管起開關(guān)作用，其基極的高電平使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲，而基極低電平則使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。 連續(xù)流二極管的作用：蜂鳴器本質(zhì)上是一個感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個連續(xù)流二極管提供連續(xù)流。 蜂鳴器的作用：用來發(fā)聲，在其兩端加 直流電壓（有源蜂鳴器）或者方波（無源蜂鳴器）就可以發(fā)聲，其主要參數(shù)是外形尺寸、發(fā)聲方向、工作電壓、工作頻率、驅(qū)動方式（直流 /方波）等。 12 在本設(shè)計中為了節(jié)省成本和原材料，在市場中現(xiàn)成的電磁鎖非常多因此也沒必要用一個實物電磁鎖，因此就用蜂鳴器來表示電磁鎖的狀態(tài)。其中 D C24是為了消除電磁鎖可能產(chǎn)生的反向高電壓以及可能產(chǎn)生的電磁干擾。 圖 電磁鎖電路 由 D R T10組成驅(qū)動電路，其中 T10以選擇普通的小功率三極管如 9019018都可以滿足要求。主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式，通過器件地址輸入端 A0、 A1 和 A2 可以實現(xiàn)將最多 8 個AT24C02 器件連接到總線上。任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。該器件通過 IIC總線接口進(jìn)行操作，有一個專門的寫保護(hù)功能 。 AT24C02 是一個 2K 位串行CMOS 型 E2PROM， 內(nèi)部含有 256 個 8 位字節(jié)， CATALYST 公司的先進(jìn) CMOS 技術(shù)實質(zhì)上減少了器件的功耗。 AT24C02 芯片的管腳圖如圖 所示。 10 圖 鍵盤電路接法 密碼存儲電路 由于 51單片機掉電后會丟失數(shù)據(jù)存儲器里的數(shù)據(jù)，因此必須 外加掉電 存儲電路。由于矩陣鍵盤中的行、列為多鍵公用，各按鍵均影響該按鍵所在行和列的電平，因此，各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將行列線信號配合起來，并作適當(dāng)?shù)奶幚?，這樣才能決定閉合鍵的位置。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平也為高。鍵盤的每個按鍵功能 在程序設(shè)計中設(shè)置。 鍵盤輸入電路 鍵盤輸入電路采用的是 4 4 的矩陣鍵盤，因為本設(shè)計所用到的按鍵數(shù)量較多而不適合用獨立按鍵式鍵盤因此采用的是矩陣式按鍵鍵盤，它由行和列組成，也稱行列式鍵盤，按鍵位于行線和列線的交叉點上，密碼鎖的密碼輸入由鍵盤輸入完成，與獨立式按鍵鍵盤相比，要節(jié)省很多 I/O 口。 XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。如 EA端為高電平（接 Vcc端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。欲使 CPU 公訪問外部程序存儲器（地址 0000H－FFFFH）， EA端必須保持低電平（接地）。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，高有兩次有效的 PSEN 信號。此外，該引腳伎被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE無效。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。 WDT 益出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。 RST：復(fù)位輸入。作輸入端口時，被外部拉低的 P3口將用上拉電阻輸出電流 I。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。 Flash 編程或校驗時， P2 也接收高位地址和其它控制信號。對端口寫“ 1” ,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 I。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外 部信號校驗期間， P1 接收低 8 位地址。 P1 口： P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4個 TTL邏輯門電路。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。芯片引腳排列如圖 所示 。再具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中， P2 口送出高 8位地址 P0口位雙向 總線，送出低八位地址和數(shù)據(jù)的輸入 /輸出； P3 口是一個多功能端口各個引腳具有第二功能。每個端口都包括一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。對于存儲量要求不高的實際應(yīng)用， STC89C52 是一種不可多得高性能的單片機，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。 主控芯片介紹 MCS51 系列中的各種芯片引腳是互相兼容的，其中 STC89C52 單片機是高性能的單片機，它具有 8位微處理器， 128bit 片內(nèi) RAM， 8K的片內(nèi) ROM， 4個八位的并行 I/O 接口 P0P3，兩個定時 /計數(shù)器及五個中斷源的中 斷控制系統(tǒng)。 單元電路的設(shè)計 單元電路包括輸入電路 、 復(fù)位電路 、 晶振電路 、 顯示電路 、 報警電路和開鎖電路， 系統(tǒng)的實物圖見附錄四，總設(shè)計圖見附錄三。 設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。如果輸入的新密碼為 6 位并且兩次輸入的新密碼一致則修改密碼成功。舊密碼正確則 可以輸入新密碼，新密碼的輸入要求兩次比對確認(rèn)。密碼輸入后，通過驗證和多位校驗后了，如果密碼錯誤則啟動報警系統(tǒng)，當(dāng)密碼錯誤次數(shù)達(dá)到 3 次時，系統(tǒng)將鎖定一定的時間，時間到后系統(tǒng)則啟動鍵盤輸入。如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒完成密碼的輸入，系統(tǒng)則自動清除所輸入的密碼，并提示重新輸入。而 方案 二 設(shè)計復(fù)雜，但是 安全性好，功耗低，成本低， 而且容易操作 保密性強 。新密碼輸入無誤后按確認(rèn)鍵使新密碼將得到存儲，密碼修改成功。當(dāng)用戶需要開鎖時，先按鍵盤開鎖鍵之后按鍵盤的數(shù)字鍵 0－ 9輸入密碼?；谝陨弦蛩乇驹O(shè)計選用單片機 STC89C52 作為本設(shè)計的核心元件， 利用單片機靈活的編程設(shè)計和豐富的 I/O 端口，及其控制的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)基本的密碼鎖功能 。一般來說在選取單片機時從下面幾個方面考慮：性能、存儲器、運行速度、 I/O 口、定時 /計數(shù)器、串 行接口、模擬電路功能、工作電壓、功耗、封裝形式、抗干擾性、保密性，除了以上的一些的還有一些最基本的比如：中斷源的數(shù)量和優(yōu)先級、工作溫度范圍、有沒有低電壓檢測功能、單片機內(nèi)有無時鐘振蕩器、有無上電復(fù)位功能等。 采用數(shù)字電路設(shè)計的方案好處就是設(shè)計簡單但控制的準(zhǔn)確性和靈活性差， 故不采用。現(xiàn)從各功能模塊的實現(xiàn)逐個進(jìn)行分析探討 。 INTEL 公司將 MCS51 的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司， 所以有很多公 司在做以 8051 為核心的單片機，當(dāng)然，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求，其中 89C52 就是 這幾年在我國非常流行的單片機，它是由美國 STC 公司開發(fā)生產(chǎn)的。 此外，單片機在工商、金融、科研、教育、國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 4） 在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機普遍具有通信接口，可以很方便的與計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機的智能控制，從手機、電話、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、 再到日常工作中隨處可見的集群移動通信 ，無線對講機等。例如，工廠流水線的智 能化管理、電梯智能化控制和各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。采用單片機的控制使得儀器 儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用模擬電路或數(shù)字電路更加強大。它們廣泛應(yīng)用于如下多個方面。特別是 I2C、 SPI 等串行總線的引入 ,可以使單片機的引腳設(shè)計得更少 ,單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。 5） 串行擴展技術(shù) 在很長一段時間里 ,通用型單片機通過三總線結(jié)構(gòu)擴展外圍器件成為單片機應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。目前 ,單片機內(nèi) ROM 最大可達(dá) 64KB,RAM 最大為2KB。但在需要復(fù)雜控制的場合 ,該存儲容量是不夠的 ,必須進(jìn)行外接擴充。在一定的時期內(nèi) ,這種情形將得以延續(xù) ,將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面 ,走的是依存互補 ,相輔相成、共同發(fā)展的道路 。 2） 微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲 (RAM)、只讀程序存儲器 (ROM)、并行和串行通信接口 ,中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上 ,增強型的單 片機集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PMW(脈寬調(diào)制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機將 LCD(液晶 )驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上 ,這樣單片機包含的單元電路就更多 ,功能就越強大。 CMOS 雖然功耗較低 ,但由于其物理特征決定其工作速度不夠高 ,而 CHMOS則具備了高速和低功耗的特點 ,這些特征 ,更適合于在要求低功耗 ,電池供電的應(yīng)用場合。 1） 低功耗 CMOS 化 隨著對單片機功耗要求越 來越低 ,現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS 工藝。由于 8 位機可以一次處理一個 ASCLL 碼，因而一問世便顯示出其強大的生命 2 力，廣泛用于顯示、終端鍵盤、打印、 文 字處理、工業(yè)控制等。 單片機的發(fā)展及應(yīng)用 單片機的發(fā)展像 PC 系統(tǒng)中的 CPU 一樣經(jīng)歷了幾代的過程，由于單片機的巨大市場空間和廣泛的應(yīng)用范圍，世界各大芯片廠商紛紛推出自己的單片機產(chǎn)品，但是單片機遠(yuǎn)沒有 PC機的 CPU更新速度快，大體上經(jīng)歷了 4位機 、 8 位機、 16位機、32 位機的發(fā)展過程，其中 8 位機在市場上一直是主流產(chǎn)品。 單片機的特點 ：