汽车防盗报警器的设计

目录目录 I摘要 IIIAbstract .IV绪论 1第 1章 系统整体设计方案 31.1 设计方案确定 31.2 系统的整体框图 4第 2章 主控系统芯片的介绍 52.1 51系统微型计算机 52.1.1 AT89C51单片机基本组成及主要特点 52.1.2 AT89C51 单片机内部结构及功能 .72.1.3 AT89C51 工作原理 .102.1.4 定时器 172.1.5单片机的中断系统 .212.2 地址锁存器 272.3程序存储器 282.4数据存储器 282.5传感器的选用 282.5.1传感器的种类、原理和性能 .292.5.2传感器的选择 .302.5.3传感器的安装要点 .332.5.4 CLA-3全向振动传感器 .33第 3章 单片机及其外围电路的设计 363.1遥控器模块电路检测 363.2检测电路 373.3电源电路 383.4“看门狗“电路 .393.5单片机控制电路 393.6报警电路 403.7整体电路 41第 4章 程序设计 .43第 5章 系统调试 515.1硬件调试 515.2软件调试 51结论 .52参考文献 .53致 谢 .54摘要这些年来，随着社会经济的发展以及工业发展的突飞猛进，人们生活水平也有了显著的提高，世界的距离也在不断地缩小，随着交通日益发达，越来越多的汽车进入了人们的日常生活，随着科学技术的发展，汽车偷盗技术越来越高，令人们防不胜防，以对全世界造成极大地危害汽车防盗问题也成为了一个不容忽视的问题。无论是对汽车制造商还是社会保险业都具有极其重要的研究价值。如何制造出更为严范的法规，开发出更为有效的汽车防盗装置，减少车主的损失是今后人们研究的主要课题。本文介绍了本次毕节设计的课题，汽车防盗报警器的设计。整个系统的功能是通过检测来实现汽车防盗的，当没有振动时，保持预警状态，有振动时就报警。本系统主要包括五个部分的电路：遥控器模块电路、振动检测电路、单片机控制电路、报警电路、看门狗电路。振动检测电路的主要功能是；检测汽车是否有振动，当没有振动时，输出保持低电平，当有振动时，检测电路产生数字脉冲信号，送到单片机控制电路。单片机控制电路是整个系统的核心部分，它接收检测电路传来的信号，并通过程序来加以处理和控制报警电路，当它接收到的是低电平时，就保持报警电路关闭状态，当它一旦接收到脉冲信号时就开启报警电路。报警电路主要实现声音和光两种报警。看门狗防止程序跑飞。关键词 汽车防盗报警器 遥控器模块电路 报警电路 看门狗电路AbstractRecent year,along with the social economy development as well as industrial development progressing by leaps and bounds,the lives of the people level also had the remarkable enhancement,the world distance unceasingly was also reducing,was day by day developed along with the transportation,more and more many automobiles entered peoples daily life,along with the science and technology development,the automobile stole the technology to be more and more high,makes the people to be virtually impossible to guard against,has caused the enormous harm to the world,the automobile security question has also become a not allow to neglect question, regaedless of were all has extremely important research value to the automobile manufacturer of the social insurance business,how formulated Yan Fans law and regulation,development the more effective automobile security installment,reduced the vehicle owner. The loss is the important topic which the next peopie will study.This article introduced this graduation project topic automobile burglar alarm design.The overall system function is realizes the automobile through the examination security,when does not have the vibration,the maintenance early warning condition,has when the vibration reports to the police.This system mainly includes five partial electric circuits:Remote control module electric circuit, vibration examination electric circuit,monolithic integrated circuit control circuit,alarm circuit,watch-dog electric circuit.The vibration examines the electric circuit the main function is:Examines the automobile whether has the vibration,when does not have the vibration,the output maintains the low level,when has the vibration,examines the electric circuit to produce the digital pulse signal, delivers the monolithic integrated circuit control circuit. The monolithic integrated circuit control circuit is the overall system core part, it receives the signal which the examination electric circuit transmits, and comes through the procedure to process an d the control alarm circuit, when it receives is the low level, maintenance alarm circuit off-position,when it receives the pulse signal on opening alarm circuit. The alarm circuit main realization sound and the light two kinds report to the police, the watch-dog prevented the procedure runs flies.3Keyword Alarm for the Anti-Thief;The circuit module of remote control; Warning circuit; Watch-dog绪论这些年来，随着社会经济的发展以及工业发展的突飞猛进，人们生活水平也有了显著的提高，世界的距离也在不断地缩小，随着交通日益发达，越来越多的汽车进入了人们的日常生活，随着科学技术的发展，汽车偷盗技术越来越高，令人们防不胜防，以对全世界造成极大地危害汽车防盗问题也成为了一个不容忽视的问题。无论是对汽车制造商还是社会保险业都具有极其重要的研究价值。如何制造出更为严范的法规，开发出更为有效的汽车防盗装置，减少车主的损失是今后人们研究的主要课题。汽车的防盗报警由于巨大的市场前景，出现了许多不同类型的产品。虽然产品的结构和特点各不相同，但概括来说，我国现有的汽车防盗装置主要包括机械式防盗装置、电子防盗装置、网络式防盗系统和其它防盗系统等等。机械式防盗装置，它是比较常见的汽车防盗装置，主要是利用简单的机械式原理锁住汽车的某一结构，使其不能有效发挥应有的作用，以达到防盗的目的。目前，国内常见的机械式防盗装置有以下几种：（1）方向盘锁 即常见的拐杖锁。主要是将方向与制动脚踏板连接在一起，使其不能做大角度转向或制动，有的可直接使方向盘不能正常使用。（2）轮胎锁 即用一套锁具把汽车的一个轮胎固定，使之不能转动。这种方法比较麻烦，而且锁具也比较笨重。（3）变速器锁 通常在停车后，把换挡杆推回 P位或 1挡位置，加上变速锁，可使汽车本能换挡。机械式防盗装置主要靠锁定离合器、换向盘、变速杆等来达到防盗的目的。但只能防盗不能报警。其优点是价格便宜，安装简便。缺点是使用不隐蔽，防盗不彻底，拆装比较麻烦。机械式防盗装置经历数次技术升级后，目前有了较可靠的方向盘锁和挡锁等。此外，车主为了增加防盗安全系统，给车辆安装数种机械式防盗装置，可在一定程度上吓走盗车贼，增加盗贼被发现的可能性。随着电子技术在汽车上的应用，各种电子防盗报警器应运而生。他克服了机械锁只能防盗不能报警的缺点。电子报警装置设计比较先进、结构复杂。包括起动 控制 遥控车门和报警部分，主要由防盗控制单元识读线圈、警告灯、汽车钥匙等元件组成。其点火钥匙和信号发生器也制成一体，当钥匙处于接通位置时，防盗起动装置向钥匙接收器发出电信号，信号接收器随即通过防盗起动装置向控制单元发送密码信号以供识读。车门控制和报警系统制成一体，报警系统在关闭点火开关，拔下钥匙并锁定车门，行李箱等后自动进入警戒状态。若车门或发动机盖被强行打开，报警系统将会自动报警。汽车电子防盗器一般都具有遥控功能，安装隐蔽，操作简便。随着科技的发展，汽车电子防盗器增加了许多方便、实用的附加功能。现在市场上出现了具有双向功能的电子防盗器，它不仅能由车主遥控车辆，车辆还能将自身状态产送给车主。网络式防盗系统。它通过网络实现车门的开关和车辆的起动、截停、定位、及根据车主要求提供远程车况报告等功能。主要使用的网络有 GPS，即卫星定位系统，它是靠锁定点火或起动发动机达到防盗的目的。网络式防盗突破了距离的局限，覆盖范围广，可用于被盗汽车的跟踪侦查，可全天候应用，破案速度快，监测定位高。GPS 防盗技术可以说是一场技术革命，它一改传统防盗器的被动、孤立无援的被动式服务，能为车主提供全方位的主动式服务，是目前其它类型汽车防盗系统不能比拟的。但我国的网络式防盗技术的发展水平比较落后，与发达国家还有明显差距。本次设计汽车防盗报警器时，考虑到了实际情况，决定采用振动传感器和单片机微型计算机组合来实现。汽车防盗报警器主要由五部分组成：遥控器模块电路、检测电路、单片机处理电路、报警电路、看门狗电路。当有振动时，通过振动传感器接收检测电路发出信号，经过单片机微型计算机处理后，输出报警信号，再由报警实现报警。报警电路主要由声光报警两个部分组成，看门狗电路防止程序跑飞。本次设计采用纯数字电路的方法进行设计。这样一方法使大量布局更加合理，另一方面在调试的过程中，有助于检查电路的各个关键点的输入输出状态变化，以使得系统的整体功能更加完善。本文首先对本次设计能够采用的方案进行了列举。具体分析了实际情况后确定了本次设计采用的方案。然后，对采用的芯片作了介绍。接着，详细讨论了本次设计所采用的电路以及它们的设计过程和在系统中所完成的功能。最后，对电 路在调试的过程中所出现的问题作了必要的描述，同时分析了它们产生的原因。并适当地提出了解决的办法，并把它们运用于实际电路中，这样使得电路的整体功能更加突出，更加有实用价值。总之，本文的论述是使本次毕业设计所作的课题付诸实际应用时能产生比较完善的功能，在实际应用中，能发挥很好的整体效果，有更高的实用价值。第 1 章 系统整体设计方案1.1 设计方案确定随着微电子技术的进步，汽车防盗技术已向着自动化、智能化方向发展。现在已经有许多国家的汽车制造商研制出了比较先进和实用性很强的汽车防盗报警器。例如：美国的钥匙防盗技术、德国的变密码防盗技术、澳大利亚的电子追踪防盗技术、中国的全方位遥控防盗技术等等。这些都是当今世界上比较流行的汽车防盗技术。但是考虑到实际情况，由于各方面的条件限制，我做的汽车防盗报警器不可能达到那么高的技术含量，一方面要考虑自己理论知识的基础，另一方面又要考虑制作和制作成所需的时间，还要考虑元器件的购买问题，最后决定采用的方案是：利用 MCS-51单片机完成汽车报警器的设计。主要原因有：（1） 学习过有关 MCS-51单片机的原理与相关技术，有一定的理论知识基础。（2） 相关的参考资料比较齐全。（3） 使用的元器件比较普遍，容易购买。（4） 制作成本比较低廉。（5） 实用性强利用 MCS-51单片机完成汽车防盗报警器的设计，包括检测电路、单片机控制电路和程序以及报警器电路的设计。从而能熟练的掌握 MCSf-51单片机的使用方法和程序设计以及相关的仿真、检测技术。预测结果：完成汽车防盗报警器的设计：利用振动检测电路来检测是否有人或动物接触预警中的汽车如果有则发出声光报警，如果没有则保持预警状态。1.2 系统的整体框图汽车防盗报警器主要由五部分组成：遥控器模块电路、检测电路、单片机处理电路、报警电路、看门狗电路。当有振动时，通过振动传感器接收检测电路发出信号，经过单片机微型计算机处理后，输出报警信号，再由报警实现报警。报警电路主要由声光报警两个部分组成，看门狗电路防止程序跑飞或使进入死循环的程序自动恢复。电源电路向整个电路提供 5直流电源。具体方框图如图 1-2所示：第 2 章 主控系统芯片的介绍2.1 51系统微型计算机单片机其全称单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）,亦称为微型控制器（Microcontroller）,就是将 CPU、RAM、RDM、定时器/计数器和多种接口电路都集成电路芯片上的微型计算机。因此，一块芯片就构成了一台计算机。其特点是体积小、成本低、功能强、功耗低，是微机应用产品化的最佳机种之一。因而它适合作本设计的核心控制器件。单片机可分为多个品种及系列，AT89C51 属于 8位通用型 51系统单片机。故以下介绍的都是这一类的情况。2.1.1 AT89C51单片机基本组成及主要特点MCS-51 系统单片机基本结构如图 2-1所示。每一片单片机包括：（1）中央处理器 CPU(2) 128B数据存储器 RAM，用以存放可以读、写的数据，如运算中间结果和最终结果等。(3)4KB内部程序存储器 ROM，用以存放程序，亦可存放一些原始数据和表格。(4) 4个 8位输入/输出接口 P0、P1、P2、P3。每个口既可以用作输入，也可以用作输出。(5)2个定时器/计数器。可以用来对外部事件进行计数，也可以设置成定时器，并根据计数或定时的结果对计算机进行控制。(6)内部中断控制系统。(7)1个全双工 UART（通用异步接收发送器）串行 I/O接口，使得数据可以一位一位在计算机与外设之间传送，可以于单片机之间或单片机与微型之间串行通信。(8)内部时钟产生电路，但晶振和微调电容需要外接。振荡频率为 1.2-12MHz。以上各部分通过内部总线相连接。各种单片机性能比较如表 2-1所示：MCS-51 系统单片机有如下一些特点：(1)单+5V 供电，40 脚封装，常见的封装有两种，本设计使用 AT89C51的封装为长形，引脚排列如图 2-2所示；(2)1个由接收器和控制器组成的 8位微处理器（CPU） ；(3)片内有振荡器电路和时钟电路；(4)4个 8位并行 I/O接口，既可以作输入，也可以用作输出；(5)扩展片外数据存储器的寻址范围可达 64KB；(6)2个 16位定时/计数器；(7)具有 2个优先级的 5个中断源结构；(8)可编程全双工串行通道；(9)布尔处理器；(10)128个用户位置寻址单元。2.1.2 AT89C51 单片机内部结构及功能 AT89C51单片机的内部结构框图如图 2-3所示单片机内部基本结构之间通过总线交换信息。所谓总线是学校流通的公共通道，总线上的信息可以同时输送给几个部件，但不允许几个信息同时输送给总线，否则将产生信息冲突。总线按传送信息不同来分，可分为数据总线（DB） 、控制总线（CB）地址总线（AB） 。数据总线 CPU、存储器、输入/输出接口之间传送数据，如从存储器到CPU，把运算结果从 CPU 送到外部设备等。数据总线是双向的，控制总线是传送 CPU发出的控制信号，也可以使其它部件输入到微处理器的信息，对于每一个控制线，其传送方向是固定的。地址总线用来传输 CPU发出的地址信息，以选择需要访问的存储器和 I/O接口电路。地址总线是单向的，只能是 CPU向外传送地址信息。单片机采用上述三组总线的链接方式。(1)微处理器（CPU）微处理器又称 CPU，是单片机的控制和指挥中心，由运算器和控制器两大部分组成。运算器1运算器以算术逻辑运算单元 ALU为核心，含累加器 A、暂存器 1、暂存器 2、程序状态字 PSW、B 寄存器等许多部件。算术逻辑单元（ALU）：它在控制器所发出内部控制信号作用下，进行各种算术和逻辑运算。如带进位位加法、不带进位位加法、带借位微减法、加 1、减 1、BCD 数十进制调整、逻辑与、逻辑或、逻辑异或、求补、循环移位以及数据传送、程序转移等操作，此外，还具有以下功能：A.在 B寄存器配合下，能完成乘法与除法操作；B.可进行内容交换操作；C.能作比较判断跳转操作；D.很强的位操作功能。累加器 A:是最常见的专用寄存器，进入 ALU作算术和逻辑运算的操作数大多来自累加器 A，操作的结果也常送回 A。除此之外，A 累加器还经常作数据传送的中转站，实现将一个存储单元的数据送到另一个存储单元的任务。程序状态字 PSW：是程序状态字寄存器，简称程序状态字，PSW 是一个 8位特殊寄存器。用于存放指令执行后结果的状态信息。其各位的含义如图 2-4，其中 D1位未定义。8位特殊功能寄存器 B：B 寄存器又称乘法寄存器，它与累加器 A协同工作，可进行乘法和除法操作。在乘、除运算时，B 寄存器用来存放其中一个操作数，或存放运算后的一部分结果，若不作乘除法运算时，则可作为对 64KB片外扩展数据存储器寻址。此外，8051 片内还有一个布尔处理器（图中未绘出） ，它以 PWS中的进位标志 CY为其累加器，专门用于为操作，可执行置位、位清零、位取反、位等于 1转移、位等于 0转移、位等于 1转移并清零以及为累加器 C与其它寻址位之间进行信息传送等位操作，也能使用 C与其它可寻址之间进行逻辑“与” 、逻辑“或”操作，结果存放在进位标志位 C中。控制器控制器包括程序计数器 PC、指令寄存器 IR、指令译码器 ID、振荡器、定时电路及控制电路等部件，能根据不同的指令产生相应的操作时序和控制信号。程序计数器PC:由两个 8位计数器 PCH及 PCL组成，共 16位。PC 实际生时程序字节地址计数器，PC中的内容是将要执行的下一条指令的地址。改变 PC的内容就可改变程序执行的方向。PC可对 64KB程序存储器直接寻址，也可对 64KB片外扩展数据存储器寻址。指令存储器 IR及指令译码器 ID：当 CPU根据 PC程序计数器的值从指定的存储器单元中取出选取的指令时，送到指令寄存器 IR。再送到指令译码器 ID，由指令译码器ID对指令译码器并送 PLA逻辑阵列产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。振荡器及定时器电路：8051 单片机内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容就可以产生 8051作的基本节拍脉冲。(2)存储器配置概述MCS-51单片机，片内除了 CPU之外，还有存储器。其中片内只读存储数据（ROM）用作程序存储器，在计算机工作时，事先存入已编好的各种程序、常数、表格；片内读写存储器（RAM）又称随机存储器，它的存储单元的内容根据需要既可随时读出也可写入。用作数据存储器，存放输入、输出数据和中间计算结果，或与外存交换信息，以及作为堆栈，在必要时可保存断点。保存现场。MCS-51 系统单片机内含有的存储器容量（以字节为单位）见表 2-1。在容量不够时，可以另外扩展片外程序存储器或片外数据存储器。(3) MCS-51单片机 I/O口概述MCS-51单片机芯片有 4个 8位并行输入输出出口，分别称为 P0口、P1 口、P2 口、P3口，每个口都是 8位准双向口，这 4个接口可以并行输入或输出 8位数据，也可按位使用，即每一个输入输出线都能独立的用作输入或输出；每个端口都包括一个数据锁存器（即特殊功能寄存器（P03） ，一个输出驱动器和输入缓冲器。作输出时数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲，但这四个通道的功能并不完全相同。2.1.3 AT89C51 工作原理(1) 电源引脚Vcc：接+5V 电源Vss：接电源地端(2) 外接晶体引脚XTAL1：片内反向放大器输入端XTAL2：片内反向放大器输出端。外接晶体时，XTAL1 与 XTAL2各接晶体一端，借外接晶体与片内反向放大器构成振荡器。MCS-51 系统单片机内含有一个高增益的反向放大器，通过 XTAL1、XTAL2 外接作为反馈元件的晶体后，构成自激振荡器，接法如图 2-5.晶体呈感性，与 C1、C2 构成并联谐振电路。振荡器的振荡频率主要取决于晶体；电容对振荡频率有微调作用，通常取 30pF左右。电容的安装位置应尽量靠近单片机芯片。也可采用片外振荡器，按不同工艺制造的单片机芯片接法也不同。电路中的石英晶体又称石英晶体谐振器，是一种用于稳定频率和择频率的电子元件。石英晶体是一种各向异性的结晶体，从一块晶体上按一定的方位角切下薄片成为晶片，然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成了石英晶体谐振器。石英晶体之所以能做谐振器是基于它的“压电效应” ，从物理学中已知，若在晶体上午两个极板间加上一电场，会使晶体产生机械变形；反之。若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，但振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振” 。石英晶体谐振器的压电谐振现象可以用图 2-6所示的等效电路来模拟，等效电路中的 C0为切片与金属板构成的静电电容，L 和 C分别模拟晶体的质量和弹性，而晶片振动时，因摩擦而造成的损耗用电阻 R来等效。石英晶体的一个可贵的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值，因而它的品质因数 Q高达 10000500000 的范围。由石英谐振器组成的振荡器，其最大特点是频率稳定极高，可达 10 -8/日10-9 /日。甚至更高，如 10-11 /日。本设计中使用的是内部时钟电路方式，如图 2-6所示。晶体振荡器与单片机内部时钟电路连接，振荡器从 XTAL2端输入到片内的时钟发生器上，时钟发生器是一个 2分频的触发器电路，它将振荡器的信号频率经 2分频后，向 CPU提供了两相时钟信号P1和 P2，控制单片机各部分协调工作。（3）输入/输出引脚P0口：P0 口为一个漏极 双向 I/0口，每脚可吸收 8TTL门电路。当 P1口的管脚第一次写 1时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当 FLASH进行校验时，P0输出原码，此时 P0外部必须被拉高。P1口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL门电路。P1 口管脚写入 1后，被内部上拉位高，可以做输入，P1 口被外部下拉位低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4个 TTL门电路，当 P2口被写“1”时，器管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入，并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。早给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部高八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3 口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4个 TTL门电流。当 P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉位低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可以作为 AT89C51的一些特殊功能，如下表所示：口管脚 被选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0（外部中断 0）P3.3 INT1（外部中断 1）P3.4 T0（计时器 0外部输入）P3.5 T1（计时器 1外部输入）P3.6 WR（外部数据存储器写通道）P3.7 RD（外部数据存储器读选通）(4)MCS-51 机器周期和指令周期晶体振荡器的振荡信号从 XTAL2端输入到片内的时钟发生器上，如图 2-7所示，时钟发生器是一个 2分频的触发器电路，它将振荡器信号频率经 2分频后，向 CPU提供了两相时钟信号 P1和 P2。一个时钟信号的周期称为一个机器状态周期，它是振荡周期的 2倍，在每个时钟周期的前半周期，相位 1（P1）信号有效，在每个时钟周期的后半周期，相位 2（P2）信号有效。即每个时钟周期（又称为状态周期）有两个节拍，P1和 P2，CPU 以两相节拍 P1和 P2为基本节拍，控制单片机各部分协调工作。6个时钟周期构成 1个机器周期。CPU 执行一条指令的时间称为指令周期。指令周期以机器周期为单位的。例如：单周期指令是执行一条指令的时间为 1个机器周期，而双字节指令时间为 2个机器周期。若用 12MHz晶振，则单周期指令和双周期指令的执行时间分别为 1us 和 2us ，乘法指令和除法指令为 4us。如以 S1，S2S6 表示一个机器周期的 6个时钟周期，以 P1、P2 表示每个时钟周期的 2个节拍，则一个机器周期依次有 S1P1、S1P2、S2P1、S2P2共 12个振荡周期。若用 12MHz晶振，则单周期指令和双周期指令的执行时间分别为 1us 和 2us ，乘法指令和除法指令为 4us 。如以 S1,S2S6表示一个机器周期的 6个时钟周期，以P1,P2表示每个时钟周期的 2个节拍，则一个机器周期依次有S1P1、S1P2、S2P1、S2P2S6P6 共 12个振荡周期。ALE脉冲在每个机器周期的 S1P2S2P1 和 S4P2S5P1 期间各发生一次有效。但当对外部 RAM进行读/写时，ALE 信号不是周期性的，但在其它情况下，ALE 信号是一种周期信号，可以用作其它外部设备的时钟信号。（5）CPU 取指令、执行指令周期时序每一条指令的执行都包括取指令和执行指令两个阶段。在 8051指令系统中，其指令有单字节、双字节和多字节指令，但从指令的执行速度来看，单字节指令和双字节指令都可以是单周期或双周期，而三字节指令都是双周期的，只有乘法指令、除法指令是 4个机器周期指令。图 2-8为典型指令执行周期的 CPU时序，其中图 2-8（a）是单字节周期指令，图 2-8（b）是双字节单周期指令。二者都在 S1P2期间由 CPU取指令，即将指令代码读入指令寄存器，同时程序计数器 PC加 1；后者在同一个机器周期的 S4再读第二字节；前者在 S4虽也读操作码，但既是单字节指令，读的已是下一条指令，故读后丢弃不用，PC 也不加 1两种指令在 S6P2结束时都会完成操作。图 2-8（c）是单字节双周期指令，图 2-8（d）是双字节双周期指令。单字节双周期指令，在两个机器周期内将 4次读操作码，不过后 3次读后都丢弃不用。（6）外接附加电路MCS-51单片机的工作方式大体可以归纳为四种：复位方式、程序执行方式、节电方式和 EPROM的编程与教研方式。本设计中使用的是复位方式。MCS-51 系列单片机的复位（RST）引脚上只要出现 10ms以上的高电平，单片机就实现复位。复位的功能是把程序计数器 PC值初始化位 0000H，使单片机从 0000H单元开始执行程序。除此之外，复位操作还对一些特殊功能寄存器值也有影响。复位工作状态单片机在 RST引脚高电平控制下，特殊功能寄存器和程序计数器 PC复位后的状态如表 22所示。复位不影响片内 RAM存放的内容，控制信号 ALE、PSEN 在复位有效期间将输出高电平。单片机的各个功能模块由特殊寄存器控制，而程序的运行由 PC管理，所以上述的复位状态决定了单片机的初始状态。复位电路MCS-51单片机系统常常有上电复位两种方法，上电复位，是指单片机上电瞬间，要在 RST引脚上出现宽度大于 10ms的正脉冲，才能使计算机进入复位状态。手动复位是指用户按下“复位”按钮使单片机进入复位状态。本设计使用的是手动复位方法。复位是靠外部电路实现的，图 2-9是上电复位及手动(按钮)复位的实用电路。在手动复位下，按钮按下时 RST上出现高电平，实现了存在复位，在系统运用中，有些外围芯片业需要复位。如果这些芯片复位端得复位电平与单片机的一致，则可以与单片机的复位脚相连。非门在这里不仅起到了倒相作用，还增大了驱动能力。电容C1、C2 起滤波作用，防止干扰窜入复位端产生误动作。2.1.4 定时器AT89C51单片机内部设有两个 16位可编程的定时器/计数器，简称定时器 0和定时器 1，分别用 T0和 T1表示。它们的工作方式、定时时间、量程、启动方式等均可以通过程序来设置和改变。AT89C51单片机内部定时器的逻辑结构见图 2-10.它由两个特殊寄存器 TCON和TMOD及 TO、T1 组成。其中 TMOD为模式控制寄存器，主要用来设置定时器/计数器的操作模式；TCON 为控制寄存器，主要用来控制定时器的启动与停止。两个 16位的定时器/计数 T0和 T1均可以分成 2个独立的 8位计数器即 TH0、TL0、TH1、TL1，它们用于存定时和计数的初值。它们是一个加 1的计数器。1 定时器的工作原理MCS-51单片机的两个定时器均有两种工作方式，即定时和计数工作方式。由 TMOD得 D6位和 D2位选择，其中 D6位选择 T1的工作方式，D2 位选择 T0的工作方式。（1）选择定时工作方式时 TMOD的 D6或 D2=1T0或 T1工作在定时方式时，计数脉冲输入信号是由内部时钟提供的，每一个机器周期使计数器的值加 1.每个机器周期等于 12个振荡周期，故计数器的计数频率为振荡器频率的 1/12。AT89C51单片机的定时器用于定时，其定时的时间由计数初值和选择的计数器的长度（如 8位、13 位或 16位）来确定。（2）选择计数工作方式时 TMOD的 D6或 D2=1T0或 T1工作在计数方式时，计数脉冲来自相应的外部输入引脚 T0或 T1，故计数方式是用于对外部事件进行计数，当外部输入脉冲信号产生由 1至 0的跳变时计数器的值加 1。计数器在每个机器周期的 S5P2期间，对外部脉冲输入进行一次采样。例如在第一个机器周期中采样到高电平“1” ，而在第二个机器周期中采样到一个“0”则在紧跟着的再下一个（第三个）机器周期的 S3P1期间计数器加 1.由于确认一次由 1至 0的下跳变要花 2个机器周期，即 24个振荡周期，对外部脉冲的占空比并没有什么限制，但为了确保某一给定的电平在变化之前至少被采样一次，因此外部计数器脉冲的高电平和低电平保持时间均要求在一个机器周期以上 。2.定时计数器的控制AT89C51单片机的定时器是一种可编程的部件。它的工作方式、操作模式、计数初值，启停操作均要求在定时器工作之前，CPU 必须向它写入一些命令字，下面介绍与定时器工作有关的寄存器。（1）模式控制寄存器-TMODTMOD是一个专用寄存器，用于控制 T1和 T0的操作模式及工作方式，其各位定义如下：GATE：门控值，用来控制定时器启动操作方式。当 GATE=0时，定时器只由软件控制位 TRO或 TR1来控制启停。TR1 位为 1，定时器启动开始工作；为 0时，定时器停止工作。当 GATE=1时，定时器的启动要由外部中断引脚和 TR1位共同控制。只有当外部中断引脚 INT0或 INT1为高时，TR0 或 TR1置 1才能启动定时器工作。C/T:功能选择位。当 C/T=0时设置为定时器工作方式；计数脉冲由内部提供，计数周期等于机器周期。当 C/T=1时设置为计数器工作方式，计数脉冲为外部引脚 T0或 T1的引入的外部脉冲信号。M1M0:操作模式控制位，2 位可形成 4种编码， 对应于 4种操作模式。4 种模式定义如下：M1M0 操作模式 功能简介0 0 模式 0 13位计数器，TL1 只用低 5位0 1 模式 1 16位计数器1 0 模式 2 8位自动重装计数器，TH1的值在计数中不变的值自动装入1 1 模式 3 TL1中 T0分成 2个独立的 8位计数器，T1 停止计数TMOD模式控制寄存器不能进行位寻址，只能用字节传送指令设置定时器的工作方式及操作模式，低 4位用于定义定时器 0，高 4位用于定义定时器 1.系统复位时 TMOD各有效位均为 0。模式控制字的设置举例：若设置定时器 1为定时器工作方式，由软件启动，选择操作模式 2；定时器 0为计数方式；由软件启动，选择操作模式。则 TMOD各位设置为:0 0 1 0 0 1 0 1 25H用 MOV、TMOD、425H 指令写入 TMOD中。（2）控制寄存器-TCONTCON的作用是用于控制定时器的启、停及定时器的溢出标志和外部中断触法方式等。各位定义如下：TF1和 TF0：分别为定时器 1和定时器 0溢出标志。当定时器产生溢出时，由硬件自动置“1” ，并可申请中断。进入中段服务程序后，由硬件自动清 0.达两位也可作为程序查询的标志位，在查询方式下应由软件来清 0.TR1和 TR0：为定时器 1和定时器 0的启动控制位。当由软件使 TR1清 0而停止定时器工作。定时器启动时该位应置“1” 。IE1和 IE0：为外部中断 INT1和外部 INT0的中断请求标志位。当外部中断源有请求时其对应的中断标志位置“1” 。其复位由触法方式来设置。IT1和 IT0：为外部中断 1和外部中断 0的触发方式选择位。IT1 设置为“0”时为电平触发方式；设置为“1”时为边沿触发方式。TCON中低 4位与外部中断有关的位，高 4位为定时器控制位。它是一个可以进行位寻址的寄存器。当系统复位时所有位均为 0.若要启动定时器可以使用位操作指令SETB TR1来启动。3 定时计数器的初始化由于定时器的功能是由软件来设置的。所以一般在使用定时器/计数器前均要对其进行初始化。（1）确定工作方式、操作模式、启动控制方式-写入 TMOD寄存器。（2）设置定时器或计数器的初值-可直接按初值写入 TH0、TL0 或 TH1、TL1 中。16位计数初值必须分两次写入对应的计数器。（3）根据要求是否采用中断方式-直接剁 IE位赋值。开放中断时，对应位置 IP采样程序查询方式 IE位应清 0进行中断屏蔽。（4）启动定时器工作一 一可使用 SETB TR1启动，若第一步设置为软启动，即GAT设置为 0时，以上指令执行后，定时器即可开始工作。若 GATE设置为 1时，还必须由外 控制，只有当 INT1引脚电平为高时，以上指令执行定时器方可启动工作。定时器一旦启动就按规定的方式定时或计数。（5）计数初值的计算定时或计数方式下计数初值如何确定，定时器选择不同工作方式，不同的操作模式其计数初值均不同。若设最大计数值为 M，各操作模式下的 M值为:模式 0： M=2 13=8192模式 1： M=216=65536模式 2： M=2 8=256模式 3： M=256，定时器 T0分成 2个独立的 8位计数器，所以 TH0、TL0 的 M均为2569.因为 MCSE51的两个定时器均为加 1计数器，当加到最大值（00H 或 0000H）是产生溢出，将 TF位置 1.可发出溢出中断，因此计数器初值 X的计算公式为：X=M-计数器，式中的 M由操作模式确定，不同计数器的操作模式长不相同，故 M值也不相同。因此式中的计数器与定时器的工作方式有关。计数工作方式时1计数工作方式时，计数脉冲由外部引入，是对外部脉冲进行计数，因此计数值根据要求确定。其计数初值；X=M-计数值例如：某工序要求对外部脉冲信号计 100次，X=M-100定时工作方式时2定时工作方式时，因为计数脉冲由内部供给，是对机器周期进行计数，故计数脉冲频率为 fcont=fosc*1/12、计数周期 T=1/fcont=12/fosc,定时工作方式的计数初值X等于：X=M-计数值=M-t/T=M-（fosc*t）/12 式中：fosc 为振荡器的振荡频率，t 为要求定时的时间。2.1.5单片机的中断系统中断技术是计算机中一项很重要的技术，中断系统由硬件和软件组成。1 AT89C51的中断系统（1）中断系统的组成AT89C51系列的单片机有 5个中断源，可分为 2个中断优先级，即高优先级和低优先级；没个中断优先级都可以由程序来设定。AT89C51的中断系统组成见图 2-11所示，它是由 4个与中断有关的特殊功能寄存器（TCON、SCON 的相关位作中断源的标志位） ，中断允许控制寄存器 IE和中断顺序查询逻辑等组成。中断顺序查询逻辑亦称硬件查询逻辑，5 个中断源的中断请求是否会得到响应，要受中断允许寄存器汇各位的控制，它们的优先级分别由 IP的各位来确定；同一优先级内的各中断源同时请求中断时，就由内部硬件查询逻辑来确定相应次序；不同的中断源有不同的中断矢量。（2）中断源及中断入口由图 2-7可知 AT89C51单片机有 5个中断源：2 个外部输入中断源 INT0（P3.2）和INT1（P3.3） ；3 个内部中断源 T0和 T1的溢出中断源及串行口发送/接收中断源。其中断请求信号的产生如下述：INT0和 INT1：外部中断 0和外部中断 1.其中断请求信号分别由 P3.3，P3.3 引1脚输入。请求信号的优先电平由 IT0和 IT1设置，一旦输入信号有效，则将 TCON中的IE0或 IE1标志位置 1，可向 CPU申请中断。TF0和 TF1：定时器 0和定时器 1的溢出中断。当 T0或 T1计数器加 1计数产生2溢出时，则将 TCON中的 TF0或 TF1置位，向 CPU申请中断。R1和 TF1：串行口的接受和发生中断。当串行口接收或发送完一帧数据时，将3TCON中的 R1或 T1位置 1，向 CPU申请中断。当某中断源的中断请求被 CPU响应之后，CPU 将自动把此中断源的中断入口地址（中断矢量地址）装入 PC，中断服务程序即从此地址开始执行。因此一般在此地址单元中存放一条绝对跳转指令，可以跳至用户安排的中断服务程序的入口处。AT89C51 单片机各中断源的矢量地址是固定的。见表 2-3.（3）中断控制部分的功能AT89C51单片机中断控制部分由 4个专用寄存器组成，它们的功能分述如下：中断请求标志：15个中断源的外部中断和定时器中断请求标志位设置在定时器控制寄存器TCON（一种特使功能寄存器）中，在此仅说明一下 TCON和 IT0和 IT1位，它们是外部中断的触发方式设置位，决定外部中断的复位方法。外部中断的复位方式为:当 IT=0时，外部中断位电平触发方式，该方式下 CPU每个机器周期的 S5P2期间对 TNT引脚采样，若测得为低电平，则认为有中断申请，随即使 IE标志位置位；若测得位高电平，认为无中断申请或中断申请已撤出，随即清除 IE标志位。在电平触发方式中，CPU 响应中断后不能自动清除 IE标志位，也不能由软件清除 IE标志，所以在中断返回前必须撤销 TNT引脚上的低电平，否则将再次中断造成错误。若 IT=1时，外部中断设置为边沿触发方式。CPU 在每个机器周期的 S5P2期间采样而引脚，若在连续 2个机器周期采样到先高后低的电平变化，则将 IE标志位置“1“此标志一直保持到 CPU响应中断时，才由硬件自动清除。在边沿触发方式中，位保障 CPU在两个机器周期内检测到由高到低的负跳变，输入高电平和低电平的持续时间起码要保持 12个振荡器周期即一个机器周期时间。TCON 的其他位在此不再重述。串行口的中断请求标志由串行口控制寄存器 SCON的 D0和 D1位来设置。R1（SCON）为接受中断标志位；T1（SCON）为发送中断标志位。其中断申请信号的产生过程为：发生过程：当 CPU将一个数据写入发生缓冲器 SBUF时，就启动发送，每发送完一帧数据。由硬件自动将 T位置位。但 CPU响应中断时不能清除 R1位，必须由软件清除。AT89C51单片机系统复位后，TCON 和 SCON中各位均清 0，应用时要注意各位的初始状态。中断开放和屏蔽2AT89C51单片机中，设有一个专用寄存器 IE称为中断允许寄存器，其作用是用来对各中断源进行开放和屏蔽的控制。其各位的定义如下：IP7和 IP6保留位PT2-IP5位为定时器 2优先级设定位，仅适用于 52子系列单片机。PT2=1 时，设定为高优先级，否则为低优先级。PS-IP4位为串行口优先级设定位。PS=1 时，串行口为高优先级，否则为低优先级。PT1-IP3位为定时器 1优先级设定位。PT1=1 时，T1 位高优先级，否则为低优先级。PX1-IP2位为外部中断 1优先级设定位。PX1=1 时，外部中断 1位高优先级。否则为低优先级。PT0-IP1位为定时器 0优先级设定位。PX0=1 时，外部中断 0为高优先级，否则为低优先级。PX0-IP0位为外部中断 0优先设定位。PX0=1 时。外部中断 0为高优先级，否则为低优先级。当系统复位后，IP 各位均为 0，所有中断源设置为低优先级中断，IP 也是可进行字节寻址和味寻址的专用寄存器。（4）优先级结构靠设置 IP寄存器把各种中断源的优先级分为高低 2级，它们遵循 2条基本原则：较低优先级中断可以被较高优先级中断所中断，反之不能。1一种中断（不管是什么优先级）一旦得到响应，与它同级的中断不能再中断它。2为实现这 2条规则，中断系统内部包含 2个不可寻址的“优先级激活”触发器。其中一个指示较高优先级的中断得到正确服务，所有后来的中断都被阻断。当 CPU同时受到几个同一优先级的中断请求时，前一个请求将得到服务。取决于内部的硬件查询顺序，CPU 将按自然优先级顺序确定该响应 4个中断请求。其自然优先级形成，排列如表 2-4：在每个机器周期中，CPU 对每个中断源都顺序的检查一下，这样到任意机器周期的 S6状态，可找到所有已激活的中断请求，并排好了优先级。在下一个机器周期的 S1状态，只要不受阻断就响应其中最高优先级的中断请求。若发生下列情况，中断响应会受到阻断：同级或高优先级的中断正在进行中；1现在的机器周期还不是执行命令的最后一个机器周期，即正在执行的指令还没2完成前不响应任何中断；正在执行的是中断返回指令 RETI或是访问专用寄存器 IE或 IP的指令，换而言3之，在 RETI或者读写 IE或 IP之后，不会马上响应中断请求，至少在执行其他一条指令之后才会响应。若存在上述一种情况，中断查询结果就被取消，否则，在紧接的下一个机器周期，中断查询结果变为有效。2 中断处理过程中断处理过程可分为 3个阶段，即中断响应，中断处理和中断返回。由于各 PC处理中断系统硬件不同，中断响应的方式就有不同。在此说明 AT89C51单片机的处理过程。（1）中断响应中断响应条件1CPU响应中断条件有：一有中断源发出中断请求，二有中断允许位 EA=1，即 CPU开中断；三申请中断的中断源的中断允许位为 1，即没有被屏蔽。以上条件满足，一般 CPU会相应中断，但在上一节所述的中断受阻断的情况下，本次的中短断请求 CPU不会响应。中断响应的过程2如果中断响应条件满足，而且不存在中断受阻的情况下，则 CPU将响应中断，在此情况下，CPU 首先使被响应中断的相应“优先级激活”触发器置位，以阻断同级和低级中断。然后，根据中断源的类别，在硬件的控制下内部形成长调用指令（） ，次指令的作用将自动把断点压入堆栈，但不能自动保存的内容。然后将对于的中断源矢量地址装入程序计数器 PC，是程序转向该中断的矢量地址，以转至中段服务程序对应的入口地址。在 AT89C51中各中断源的矢量地址见表 2-1所示。在使用时，通常在这些地址单元中存放一条绝对跳转指令，使程序转移到用户安排的中断服务程序入口处。中断响应的时间3CPU不是在任何情况下对中断请求给予响应，而不同的情况下对相应的时间也不同。现在已外部中断为例，说明中断响应的是最短时间。在每个机器周期的 s5p2期间，INT0 和 INT1引脚的电平被锁存到 TCON的 IE0和IE标志位，CPU 在下一个机器周期才会查询这些值。这是如果满足中断响应条件，下一个要执行的指令将是一条硬件长调用指令“LCALL” ，是程序转至中断源对应的矢量地址入口。硬件长调用指令本身要花费 2个机器周期，这样，才外部中断请求有效到开始执行中断服务程序的第一条指令。之间要隔 3个机器周期，这是最短的相应时间。