基于51单片机的花样流水灯设计 - 毕业论文 - 图文(4)

第3章 系统硬件设计方案

特殊功能寄存器(SFR)：共有26个特殊功能寄存器，用于CPU对片内各功能部件进行管理和监视。特殊功能寄存器实际上是片内各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器，这些特殊功能寄存器映射在片内RAM区80H-FFH的地址区内。

图3-3 MCS-51内部结构

2.STC89C52引脚结构

目前，STC89C52多采用DIP-40封装，即双列直插，共40个引脚的封装方式。此外，还有44引脚的PLCC和LQFP封装（都为表贴元件）。

其中40个引脚根据功能的不能可分为3类：

(1)、电源及时钟引脚——VCC、GND；XTAL1、XTAL2。

(2)、控制引脚——PSEN非、ALE/PROG非、EA非/Vpp、RST（即复位）。 (3)、I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8为I/O口的外部引脚。 3.单片机时钟介绍

单片机执行的指令均是在CPU控制的时序控制电路的控制下进行的，各种时序均与时钟周期有关。

(1)、时钟周期

时钟周期是单片机时钟控制信号的基本时间单位。若时钟晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc.如fosc=12MHz，Tosc=83.3ns。

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(2)、机器周期

CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。单片机中通常把执行一条指令的过程分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作，如取指令、读或写数据等。STC89C52单片机每12个时钟周期为一个机器周期。即Tcy=12/fosc.若fosc=12MHz，Tcy=1us。

STC89C52单片机的一个机器周期包括12个时钟周期，分为6个状态，S1-S6。每个状态又分为两拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、...、S6P2。

(3)、指令周期

指令周期是执行一条指令所需的时间。STC89C52单片机中指令按字节来分，可分为单字节、双字节、三字节指令，因此执行一条指令的时间也有所不同。对于简单的单字节指令，取出指令立即执行，只需要一个机器周期的时间。而有些复杂的指令则需要两个或多个指令周期。

从指令的执行时间看，单字节和双字节指令一般为单机器周期和双机器周期，三字节指令是双机器周期，只有乘除法指令占用4个机器周期。 3.2.2.2 复位电路设计

(1)、复位操作

当STC89C52单片机进行复位操作时，PC寄存器初始化为0000H，使STC89C52单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或者操作错误使得系统处于“死锁”状态时，按复位键使得RST脚为高电平，使STC89C52单片机拜托当前状态而重启程序。出PC寄存器外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，例如SP、Acc、PSW、DPTR等。

(2)、复位电路

复位电路就是把电路恢复到起始状态的电路。能够在系统上电时给予复位信号，并且会一直等到系统的电源不再改变为止才会撤离所给的复位信号，这就是复位电路的功能所在。复位后的CPU的主要特征是各IO口呈现高电平。对于单片机而言基本的复位操作是将单片机的复位引脚RST上给定一个高电平信号并让该信号维持在2个机器周期以上，便可触发系统复位中断从而将系统复位。单

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第3章 系统硬件设计方案

片机系统的复位方式有：按键复位和上电复位。

首先是按键复位:复位电路最简单的方式就是通过按键复位直接在单片机复位引脚RST上加入高电平。单片机的复位引脚接至电阻R1一端，电阻R1另外一端接地。电路如下所示。常用的途径是在复位引脚端和正电压之间安装复位按键。当给一个力使按键被压迫向下，单片机的复位方位就会保持VCC。假如保持按下10ms即可让系统实现复位，如图3-4所示。

图3-4 按键复位 图3-5 上电复位 图3-6 混合模式 第二个是上电复位：上电复位的电路图如图3-5所示，具体实现方式如下： 系统上电瞬间单片机复位引脚RST电压时间变化曲线如图3-7所示。从曲线上易得当系统在一刹那完成上电，根据电容工作原理特性，它两端的Uc1不可能实现迅猛的变化，故电源电压全部加到R1上，然后电容C1开始充电，时间常数T=R1*C1，此时电容电压逐渐增加，R1两端电压逐渐降低，如果R1两端电压从高电平到低电平持续时间达到2个机器周期，即可实现单片机复位。

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图3-7 Urst电压时间曲线

在本设计中采用了按键复位和上电复位的两种模式（如图3-6所示）上电复位完成系统初始化，同时增加的手动按键复位可以方便调试使用。 3.2.2.3 时钟电路设计

时钟电路用于产生单片机工作时所必需的控制信号，STC89C52单片机的内部电路正是在时钟电路的控制下严格按时序执行指令进行工作的。

在执行指令时，CPU首先到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时钟电路产生一系列控制信号完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类，一类用于对片内各个功能部件的控制；另一类用于对片外存储器或I/O口的控制。

(1)、内部时钟方式

STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，它的输入端为芯片的XTAL1脚，输出端为XTAL2脚。这两个引脚跨界石英晶体和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。电路的电容C1和C2通常选择30pF。该电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体振荡频率的范围通常是1.2-12MHz。STC89C52通常采用12MHz的石英晶体。晶体的频率越高，系统的时钟频率越高，单片机的运行速度也就越快。但运行速度快对存储器的速度要求就越高，对PCB电路板的工艺要求也就越高，即要求线间的寄生电容要小。晶体和电容应尽可能安装得离单片机近一些以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性好的电容。

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第3章 系统硬件设计方案

(2)、外部时钟方式

外部时钟方式使用现成的外部振荡器产生脉冲信号，通常用于多片STC89C52单片机同时工作，以便于多片单片机之间的同步，一般为地狱12MHz的方波。外部时钟源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空。

(3)、时钟信号的输出

当使用片内振荡器时，XTAL1、XTAL2引脚还能为应用系统中的其他芯片提供时钟，但需要增加驱动能力。

(4)、晶振电路

在单片机最小系统晶振的作用是给单片机输入时钟信号，这个时钟信号就是单片机的工作速度。单片机工作的最小时间计量单位就是由晶振决定的。电路图如图3-4所示。

晶振电路电容选择的原则为：

(1)、C1，C2，因为每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。

(2)、在误差允许的区域内，C1和C2值都是越小，实现的功能就越精确，如果C1和C2值比正常数值大时，可能会使振荡器更加稳定，可是也会增加响应的时间。

图3-8 晶振电路

本系统的单片机最小系统的时钟电路采用图3.8所示的晶振电路，其中晶振选用12MHz石英晶体振荡器，接至单片机的XTAL1和XTAL2脚，两个电容选用30p瓷片电容。

通过上述具体方案的设计论证，本系统设计了如图3-9所示的最小系统。

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