汽车智能门锁遥控器设计.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文汽车智能门锁遥控器设计摘要近年来，随着我国经济的高速发展和人们生活水平的提升以及我国汽车工业的蓬勃发展，人们在日常生活中对汽车的使用越来越频繁，汽车逐渐成为人们生活中不可缺少的工具。与此同时，汽车的安全也成为当今社会普遍关注的问题，特别是随着汽车被盗案件的增加，汽车安全问题成为了当今社会急需解决的问题。在此背景下，一种新型的项目汽车防盗报警系统在市场上面世了，此项目有很广阔的市场前景，并且近些年来它的市场规模正在迅速扩大。虽然现在市场上有各式各样的汽车防盗系统，但是传统防盗系统已经不适应现代发展的要求，而且其本身也存在很多缺陷。论文详细论述了一种基于红外通信的汽车智能门锁遥控器的设计方案。本设计采用AT89C2051单片机作为核心，根据红外线发射频率的不同，遥控应用系统识别出不同的遥控功能。在我们按下某一个按键的后，由单片机识别出该按键后，接有红外发射管的端口接收到CPU发射的具有一定频率的脉冲，该脉冲与38KHz左右的载波脉冲进行调制，已调制的脉冲后被进行缓冲放大，激励红外发光二极管将电能转化为光能，使得红外发光二极管发射出具有一定频率的红外线，接收控制系统接收到该红外光后，由单片机内定时/计数器得到该红外光的频率，然后该频率将被送往CPU，由CPU对该信号进行反编码，识别出控制信号，从而对控制电路实施控制功能。完成整个遥控功能。 本文论述的汽车门锁遥控器具有硬件电路简单，软件功能完善，使用方便，性价比较高等特点。 关键词红外遥控；中断；定时；计数Automobile Door Lock ControllerAbstractIn recent years, with the continuous improvement of our peoples living standards and the automobile industry is growing day by day, the automobile has become the people work, life and an indispensable means of transport. But with the increasing of car theft, the automobile anti-theft has become the social attention and the problems to be solved, in order to solve this problem, a new project-automobile anti-theft alarm system in the market above the world, this project has very broad market prospect, And in recent years its market size is expanding rapidly. However, although the car anti-theft technology has been widely applied to various, however, traditional security installment has not adapt to the request of modern development, there are also have the insufficient place. The paper discusses in detail the design of automobile intelligent remote lock of infrared communication based on.The design of the main application of AT89C2051 microcontroller as the core, remote control system using infrared emission frequency difference to identify the remote control function is different. When we press a button, the button by computer recognition, pulse from CPU to the infrared emission tube port to launch a certain frequency, the pulse wave and 38KHz pulse modulation. Then the modulated pulse buffer amplifier, excited infrared LEDs will light energy into electrical energy, the infrared emitting a certain frequency of infrared light emitting diode, when receiving control system receives the infrared light. The microcontroller timer / counter to get the infrared frequency, then the frequency of the signal is sent to CPU, anti encoded by CPU. Identify the control signal, so as to implement the control function of the control circuit. Complete the function of remote control.The utility model has the advantages of simple hardware circuit, the software function is perfect, with higher price.Keywords Infrared remote control; Interrupt; Timing; CountII -目 录摘要IAbstractII第1章 绪论.11.1 课题背景11.2 国内外发展现状11.3 红外通信技术概述21.4 论文研究内容2第2章 系统设计原理.4 2.1 AT89C2051单片机的介绍.42.1.1 简介.42.1.2 引脚介绍.4 2.1.3 单片机的主要组成部分.62.2 单片机红外遥控发射器设计原理72.3 单片机红外遥控接收器设计原理72.4 本章小结8第3章 系统硬件电路设计.9 3.1 系统硬件电路总体设计93.2 定时器/计数器.93.2.1 主要特性.93.2.2 定时/计数器0和1的控制盒状态寄存器.103.2.3 定时器的四种工作方式.123.3 独立按键式结构.123.4 低功耗电路.133.4.1 低功耗的实现方法.133.4.2 掉电保护和低功耗设计.133.5 时钟电路.16 3.6 复位电路.173.6.1 复位状态.173.6.2 复位电路.18 3.7 红外发射电路设计.19 3.8 红外接收电路设计.20 3.9 本章小结.20第4章 系统软件设计.21 4.1 遥控发射程序设计.214.1.1 程序总体结构.214.1.2 伪指令和初始化程序.214.1.3 键盘扫描程序.234.1.4 中断服务程序.24 4.2 遥控接收程序设计.274.2.1 程序总体结构.274.2.2 初始化程序.274.2.3 计数值比较程序.294.2.4 定时器1中断服务程序.29 4.3 本章小结.30结论.31致谢.32参考文献.33附录A.34附录B.39附录C.43附录D.45千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景在国内汽车工业蓬勃发展的背景之下，汽车电子产业在中国也进入了高速发展的轨道。汽车电子技术普遍被人们认为是改善和提高汽车性能最有效的技术手段，未来的汽车将不仅仅只是一个普通的代步交通工具，汽车行业也将逐步向电子化、信息化、网络化和智能化发展，制造出具备娱乐、办公和通讯等多种功能的新型汽车。汽车技术水平的提高，电子技术在汽车上的应用将会对中国汽车工业能否持续快速地发展起到决定性作用。用电子信息技术改造传统的汽车行业，不仅给汽车行业的发展壮大带来新的生机和活力，同时也带动电子产业中元器件、集成电路、传感器、车载汽车电子产品和和通讯网络产品的发展。另一方面，汽车在给我们带来便利的同时，汽车的安全问题越来越受到人们的重视。目前中低档的汽车产品在出厂时并没有安装汽车防盗报警系统，车主必须自行安装防盗报警产品。目前市场上销售的汽车防盗报警器多为加装式汽车防盗器或采用电子密码钥匙的汽车防盗器。加装式汽车防盗器主要采用串接式的线路，对于精通汽车电路的盗贼来说，看似复杂的汽车电路将被他们轻易解决，防盗系统不发挥任何作用。基于以上的调查分析，我们决定采用基于红外通信的无线遥控完成汽车车门遥控器的设计。采用这种设计能够在不改变汽车整体电路的情况下最大限度的保护汽车安全。1.2 国内外发展现状汽车门锁遥控器关系着车主的财产安全，所以汽车门锁遥控器的研发一直都在不断的进步。机械锁是最常见也是最早应用的汽车防盗系统，现在已经很少单独使用，主要和电子式、芯片式联合使用。机械式锁主要起到限制车辆操作的作用，对防盗方面提供的帮助及其有限，很难抵挡住偷车贼。一般偷车贼用几十秒就能撬开方向盘锁。电子式防盗系统是目前应用最多的防盗系统，单向的电子防盗系统的主要功能是：车的开关门、震动或非法开启车门报警等，也有一些品牌的产品根据客户的需求增加了一些功能：用电子遥控器来完成发动机启动、熄火等。电子防盗系统的致命伤在于其电子密码和遥控操作方式，当车主用遥控器开关车门时，藏匿在附近的偷车贼可以用接收器或扫描器盗取遥控器发出的无线电波或红外线，再经过解码，就可以开启汽车的防盗系统1。芯片式数码防盗系统是现在汽车厂商顶级的防盗措施，像奔驰，奥迪的旗舰车型均采用这种防盗方式作为原配防盗器。芯片式数码防盗系统能锁住汽车的马达、电路和油路，在没有芯片钥匙的情况下无法启动车辆。数字化的密码重码率极低，而且要用密码钥匙接触车上的密码锁才能开锁，杜绝了被扫描的弊病。目前这种技术的应用率还比较低。1.3 红外通信技术概述红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。红外通信一般是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制(PWM)和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制(PPM)两种方法2。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。从光学的角度而言，红外是频率低于红色光的不可见光的无线光谱的整个频率中占有很小一个频率段，波长为0.75-100微秒之间，其中0.75-3微秒之间的红外光称为近红外，3-30微秒之间的红外光称为中红外，30-100微秒之间的称为远红外。红外光就其性质而言很简单，与普通光线的频率特性没有很大的区别，但是，由于任何有热量的物体均有能量产生，所以红外的利用非常广泛，而且不可取代，能否检测红外、能测到多少红外或者红外检测的技术是否可以应用于任何自然的或想象的场合是红外应用技术的关键。当今红外技术的一个重要分支是红外通信技术的应用，这个应用的发展非常迅速，尤其是红外通信应用于计算机设备中，近几年的发展已经表现出其非常成熟的特性。无线遥控方式可分为无线电波式、声控式、超声波式和红外线式。由于无线电式系统本身的抗干扰性能很差，误动作。超声波式频带较窄，易受噪声干扰，系统抗干扰能力差以及声控式识别正确率低，难度大而未能大量采用。红外遥控方式是以红外线作为载体来传送控制信息的，同时随着电子技术的发展，单片机的出现，催生了数字编码方式的红外遥控系统的快速发展。另外，红外遥控具有很多的优点，例如红外线发射装置采用红外发光二极管，遥控发射器易于小型化且价格低廉；采用数字信号编码和二次调制方式，不仅可以实现多路信息的控制，增加遥控功能，提高信号传输的抗干扰性，减少误动作，而且功率消耗低；不会产生信号串扰；反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠等。所以现在很多无线遥控方式都采用红外遥控方式3。1.4 论文研究内容鉴于红外通信技术的发展趋势，本论文主要阐述一种基于红外通信的汽车门锁遥控器，主要研究内容包括以下几点：1对红外通信原理进行研究，学习红外发射/接收原理。在发射端，输入信号经放大后送入红外发射管发射，在接收端，接收管收到红外信号后，由放大器放大处理后还原成信号，这就是红外的简单发射接收原理。设计基于红外通信的汽车门锁遥控器。2以理论分析结果为依据，构建系统的架构，以单片机AT89C2051为核心，由独立按键电路，复位电路，CPU时钟电路，低功耗电路，红外发射/接收电路构成整个系统的硬件电路。3研究系统的软件开发流程和程序结构。构建程序的框架，基于MSM平台，利用汇编语言编写系统的发射/接收程序。发射程序分为初始化程序，键盘扫描程序，中断服务程序几个模块。接收程序由初始化程序，计数值比较程序，定时器1中断服务程序几个模块组成。第2章 系统设计原理2.1 AT89C2051单片机的介绍2.1.1 简介AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用4。AT89C2051是一个带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(EEPROM)的低电压，高性能8位CMOS微处理器。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器，ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。AT89C2051提供以下标准功能：2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式。空闲方式停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位5。AT89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。AT89C2051可以采用下面两种方法开发应用系统。1由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。2将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出来仿真2051。2.1.2 引脚介绍AT89C2051单片机各引脚功能如下：Vcc：接+5V电源正端GND：接+5V电源地端。P1.0-P1.7：完整的双向串行通信接口，P1.0与P1.1还有第二种功能P3.0-P3.7：除P3.6外，双向I/O口，除P3.7外，均有第二功能，第二功能与MCS-51系列单片机基本相同。XTAL1：震荡器反向放大器内部工作时钟输入端XTAL2：震荡器反向放大器的输出端。RST：复位引脚，震荡器工作时，该引脚上两个机器周期的高电平复位。AT89C2051单片机引脚图如图2-1所示。图2-1 AT89C2051引脚图AT89C2051主要功能特性如下所示。1兼容MCS51指令系统。2提15个双向I/O口。3两个16位可编成定时/计数器。4时钟频率0-24MHz。5. 两个外部中断源。6. 可直接驱动LED。7. 低功耗睡眠功能。8. 可编程URRL通道。9. 可反复擦写2KB Flash ROM。10. 6个中断源。11. 2.7-6.0V宽工作电压范围。12. 128*8位内部RAM。13. 两个串行中断。14. 两级加密位。15. 内置一个模拟比较放大器。16. 软件设置睡眠和唤醒功能。2.1.3 单片机的主要组成部分1CPUCPU是单片机的核心部分,他的作用是读入和分析每条指令,根据每条指令的功能要求,控制各个部件执行相应的操作。AT89C2051单片机内部有一个8位的CPU，它是由运算器和控制器组成。(1)运算器运算器主要包括算术、逻辑运算部件ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存器YMP1、YMP2、程序状态寄存器PSW、布尔处理器及十进制调整电路等。运算器主要用来实现数据的传送、数据的算术运算、逻辑运算和位变量处理等。(2)控制器控制器包括时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器指令译码器、程序计数器PC、程序地址寄存器、数据指针寄存器DPTR和堆栈指针SP等。控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件。它的功能是从程序存储器中提取指令，送到指令寄存器，再进入指令译码器进行译码，并通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需要的全部内部控制信息及CPU外部所需要的控制信号，如ALE、PSEN、RD、WR等，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作。2存储器(1)程序存储器程序存储器用于存放编好的程序、表格和常数。CPU的控制器专门提供一个控制信号EA来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区：当EA为无效电平时，单片机从片内ROM的2KB存储器取指令，而当指令超过07FFH后，就自动转向片外ROM取指令；当EA为有效电平时，CPU只从片外ROM取指令。在程序存储器中，有6个单元具有特殊存储功能。0000H-0002H：是所有执行程序的入口地址，2051单片机复位后，CPU总是从0000H单元开始执行程序。0003H：外部中断0入口。000BH：定时/计数器0溢出中断入口。0013H：外部中断1入口。001BH：定时/计数器1溢出中断入口。0023H：串行口中断入口。使用时，通常在这些入口地址处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址，或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始程序上。(2)数据存储器片内数据存储器的8位地址共可寻址256B单元，2051单片机将其分为两个区：00H-FFH的128B单元为片内RAM区，可以读、写任何数据；80H-FFH的高128B单元为专用寄存器区。在低128B的内部RAM中，前32个单元(地址为00H-1FH)为通用工作寄存器区，共分为四组(寄存器0组、1组、2组、3组)，每组8个工作寄存器由R0-R7组成，共占32个单元。选用哪一组由程序状态字PSW中的RS1、RS0这两位的设置决定，若程序并不需要四个4组工作寄存器，那么剩下的工作寄存器可作一般的存储器来使用。CPU在复位时自动选中0组20H-2FH的16个单元为位寻址区，每个单元8位，共128位。其位寻址范围为00H-7FH。位寻址区的每一位都可当作软件触发器，由程序直接进行处理。程序中通常把各种程序状态标志、位控变量设在位寻址区。同样，位寻址区的RAM单元也可作为一般的数据存储器按字节单元使用。3特殊功能寄存器(1)累加器A累加器A是一个最常用的8位特殊功能寄存器，它既可用于存放操作数，也可用于存放运算的中间结果。大部分单操作数指令的操作数就取自累加器。用ACC表示A的符号地址。(2)寄存器B寄存器B是一个8位寄存器，主要用于乘法和除法的运算。乘法运算时，B中存放乘法，乘法操作后，乘积的高8位又存于B中；除法运算时，B中存放除数，出发操作后，B中又存放余数。在其他指令中，寄存器B可作为一般的寄存器使用，用于暂存数据。2.2 单片机红外遥控发射器设计原理单片机红外遥控发射器主要有单片机、行列式键盘、低功耗空闲方式控制电路、红外管发射电路以及单片机的一些电源、复位、震荡子电路组成6。单片机不工作时一直处于低功耗状态，采用了空闲节电工作方式。当遥控器的某一按键被按下以后，外部中断1产生中断，唤醒单片机进入工作状态，查询键盘按下的是哪一个按键，当确认按键后，控制软件启动定时器T0、T1，T1作为发射时间控制器，T0作为红外线发射频率控制器，T0定时溢出时中断程序使红外管接口电平反转一次，写入定时器的初值不同，在输出端口就得到不同的发射频率。T1定时溢出时中断程序关闭T0定时器，停止红外线发射7。2.3 单片机红外遥控接收器设计原理单片机红外遥控接收器主要有单片机、红外遥控接收电路、状态指示电路、控制电路以及单片机的一些外围电路组成。利用单片机中的T0作为红外脉冲计数器，T1作为计数时间控制器。当电路中红外接收管接收到第一个红外脉冲时，外部中断1被触发，启动计数器T0和定时器T1。定时溢出，中断程序关闭计数器T0，读入计数值并进行判断，确定操作对象(遥控按键)对其进行反转操作，控制电路对所控制的负载进行开或关。还可对接收电路实行上锁功能，对控制电路上锁后，遥控器不能对控制电路实施遥控功能8,9。2.4 本章小结本章主要介绍了整个系统的核心部件：AT89C2051，详细描述了该单片机各引脚的功能，主要特性以及内部构成。并阐明了红外发射和红外接收的设计原理以及硬件电路构成。第3章 系统硬件电路设计3.1 系统硬件电路总体设计单片机红外遥控发射器主要有单片机、行列式键盘、低功耗空闲方式控制电路、红外管发射电路以及单片机的一些电源、复位、震荡子电路组成。单片机红外遥控接收器主要有单片机、红外遥控接收电路、状态指示电路、控制电路以及单片机的一些外围电路组成10。系统硬件电路框图如图3-1所示。+5V电源行列式按键电路AT89C2051红外发射电路低功耗空闲控制电路AT89C2051控制电路红外接收电路状态指示电路+5V电源图3-1 系统硬件电路框图3.2 定时器/计数器3.2.1 主要特性1AT89C2051单片机有两个可编程的定时器/计数器定时器/计数器0与定时器/计数器1，可有程序选择作为定时器用或作为计数器用，定时时间或计数值也可由程序设定。2每一个定时器/计数器具有4种工作方式，可用程序选择。3任一定时器/计数器在定时时间到或记数值到时，可有程序安排产生中断请求信号或不产生中断请求信号。3.2.2 定时/计数器0和1的控制盒状态寄存器特殊功能寄存器TMOD和TCON分别是定时/计数器0和1的控制和状态寄存器，用于控制和确定各定时/计数器的功能和工作模式。1模式控制寄存器TMODTMOD用于控制T0和T1的工作方式和4种工作模式。其中低4位用于控制T0，高4位用于控制T1。其格式如图3-2所示。GATEC/T非M1M0GATEC/T非M1M0图3-2 TMOD格式GATE位：门控位。当GATE=1时，只有INT0非或INT1非引脚为高电平且TR0或TR1置1时，相应的定时/计数器才被选通工作；当GATE=0，则只要TR0和TR1置1，定时/计数器就被选通，而不管INT0非或INT1非的电平是高还是低C/T非位：计数/定时功能选择位。C/T非=0，设置为定时器方式，计数器的输入是内部时钟脉冲，其周期等于机器周期。C/T非=1，设置为计数器方式，计数器的输入来自T0(P3.4)或T1(P3.5)端的外部脉冲。M1、M0位：工作模式选择位。2位可形成4种编码，对应4种工作模式，如表3-1所示。表3-1 M1、M0 4种工作模式M1M0功能描述00方式0：13位定时器/计数器01方式1：16位定时器/计数器10方式2：具有自动重装初值的8位定时器/计数器11方式3：定时/计数器0分为两个8位定时/计数器，定时/计数器1在此方式无实用意义2控制寄存器TCONTCON用来控制T0和T1的启、停，并给出相应的控制状态，高4位用于控制定时器0、1的运行；低4位用于控制外部中断。格式如图3-3所示。TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0图3-3 TCON格式TF1：定时器1溢出标志。当定时器1溢出时，由硬件置1。使用查询方式时，此位做状态位供查询，查询有效后需由软件清零；使用中断方式时，此位做中断申请标志，进入中断服务后被硬件自动清零。TR1位：定时器1运行控制位。该位靠软件置位或清零，置位时，定时/计数器接通工作，清零时，停止工作。TF0位：定时器溢出标志位，其功能和操作情况类同于TF1。TR0位：定时器0运行控制位，其功能和操作类同于TR1。IE位：外部中断请求标志位。当CPU采样到INT0非(或INT1非)端出现有效中断请求时，IE0(或IE1)由硬件置1，中断响应完成后转向中断服务时，再由硬件自动清零。IT位：外部中断请求出发方式位。IT0(IT1)=1为脉冲触发方式，后负跳有效。IT0(IT1)=0为电平触发方式，低电平有效。3定时/计数器的初始化AT89C2051单片机的定时/计数器是可编程的，因此，在进行定时或计数之前也要用程序进行初始化。初始化一般包括以下几个步骤：(1)对TMOD寄存器赋值，以确定定时器的工作模式；(2)置定时/计数器初值，直接将初值写入寄存器的TH0，TL0或TH1，TL1；(3)根据需要，对寄存器IE置初值，开放定时器中断；(4)对TCON寄存器中的TR0或TR1置位，启动定时/计数器，置位以后，计数器即按规定的工作模式和初值进行计数或开始定时。在初始化过程中，要置入定时/计数器的初值，这时要做一些计算。由于计数器是加法计数，并在溢出时申请中断，因此不能直接输入所需的计数值，而是要从计数最大值倒退回去一个计数值才是应置入的初值。设计数器的最大值为M(在不同的工作模式中，M可以为8192，65536，256)，则置入的初值可以这样来计算。计数方式时，置入的初值可由计数器的最大值减去计数值得到。如公式(3-1)所示。 (3-1)定时方式时，置入初值计算方式如公式(3-2)所示。 (3-2)由公式(3-2)推导得到公式(3-3)。 (3-3)式中，T为计数周期，是单片机的机器周期。H为定时值。N代表计数值。3.2.3 定时器的四种工作方式方式0：13位定时/计数器，TL1(或TL0)的低5位和TH1(或TH0)的8位构成，TL中的高3位弃之未用。当TL的低5位记数溢出时，向TH进位，而全部13位计数器溢出时使计数器回零，并使溢出标志TF置1，向CPU发出中断请求。方式1：16位定时/计数器，其逻辑电路和工作情况与方式0几乎完全相同，唯一的差别就是方式1中TL的高3位也参与了计数。方式2：把TL配置成一个可以自动重装载的8位定时/计数器。方式3：仅对T0有意义，将16位定时/计数器分成两个互相独立的8位定时/计数器TL和TH。3.3 独立按键式结构独立式按键是指直接用I/O线构成的单个按键电路，每个独立式按键占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，其结构简单，但I/O口线浪费较大11。独立式按键配置灵活，软件结构简单，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平，其电路原理图如图3-4所示。图3-4 独立按键电路3.4 低功耗电路3.4.1 低功耗的实现方法AT89C2051单片机的CPU有两种节电工作方式即空闲方式和掉电方式，只有CHMOS型器件才有这种工作方式。CMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时消耗11-24mA电流，空闲状态时为1.7-5mA电流，掉电方式为5-50A电流，因此AT89C2051特别适合低功耗应用场合。遥控器采用了空闲节电方式。当CPU执行完IDL=1(PCON.0=1)指令后,系统进入空闲工作方式，这时内部时钟不向CPU提供，而只供给中断、串行口、定时器部分。遥控器退出低功耗空闲方式电路由与门来实现。当有键按下时，由与门触发外部中断1发生中断，单片机退出空闲工作方式，进入键盘和红外发射程序，结束后又进入低功耗空闲方式待机。使用过程中单片机基本上都处于空闲工作方式，功耗相当低，从而为使用电池电源提供保障。3.4.2 掉电保护和低功耗设计1掉电保护在单片机工作时，供电电源如果发生停电或瞬间停电，将会使单片机停止工作。待电源恢复时，单片机重新进入复位状态，停电前RAM中的数据全部丢失，这种现象对于一些重要的单片机应用系统是不允许的。在这种情况下，需要进行掉电保护处理。掉电保护具体操作过程如下。单片机应用系统的电压检测电路检测到电源电压下降时，触发外部中断(INT0或INT1)，在中断服务子程序中将外部RAM中的有用数据送入内部RAM保存。因单片机电源入口的滤波电容的储能作用，可以有足够的时间来完成中断操作。备用电源自切换电路属于单片机内部电路。它由两个二极管组成，当电源电压高于VPD引脚的备用电源电压时，VD1导通，VD2截止，单片机由电源供电；当电源电压降到比备用电源电压低时，二极管VD1截止，VD2导通，单片机由备用电源供电。备用电源只为单片机内部RAM和专用寄存器提供维持电流，这时单片机外部的全部电路因停电而停止工作，时钟电路也停止工作，CPU因无时钟也不工作。当电源恢复时，备用电源还会继续供电一段时间，大约10ms，以确保外部电路达到稳定状态。在结束掉电保护状态时，首要的工作是将被保护的数据从内部RAM中恢复过来。当用户检测到一个掉电保护电路时，立即通过外部中断输入线INT0来中断单片机现行操作。外部中断0服务程序将有关数据信息送入片内RAM保存，然后向P1.0写入0，P1.0输出的这个低电平触发单稳态电路MC755。它输出的脉宽取决于R、C的数值及VCC是否以掉电。如果当单稳态定时输出后，若VCC仍然存在，这是一个假掉电报警，并从复位开始重新操作；若VCC已掉电，则断电期间由单稳态电路给RESET/VPD供电，维持片内RAM处于“饿电流”供电状态保存信息，一直维持到VCC恢复为止。80C51的掉电保护过程则不同。当电压检测电路检测到电源电压降低时，也触发外部中断，在中断服务子程序中，除了要将外部RAM中的有用数据保存以外，还要将特殊功能寄存器的有用内容保护起来，然后对电源控制寄存器PCON进行设置。PCON寄存器的各位定义如表3-2所示。表3-2 PCON寄存器各位定义D7D6D5D4D3D2D1D0SMODGF1GF0PDIDL其中，SMOD是波特率倍增位，在串行通信中使用。GF1、GF0：通用标志，由软件置位、复位。PD：掉电方式控制位，PD=1，则进入掉电方式。IDL：待机方式控制位，IDL=1，则进入待机方式。由软件将PD置1，就可以使单片机进入掉电保护状态。这时，单片机的一切工作都停止，只有内部RAM和专用寄存器的内容被保存。掉电保护时的备用电源是通过VCC引脚接入的12。当电源恢复正常后，系统要维持10ms的恢复时间后才能退出掉电保护状态，复位操作将重新定义专用寄存器，但内部RAM的内容不变，可将被保护的内容恢复。其电路图如图3-5所示。图3-5 掉电保护电路2.低功耗设计在很多情况下，单片机要工作在供电困难的场合，如野外、井下和空中，对于便携式仪器要求用电池供电，考虑到汽车门锁遥控器的实际使用，这时都希望单片机应用系统能低供耗运行。以CMOS工艺制造的80C31/80C51/87C51型单片机提供了空闲工作方式。空闲工作方式(通常也指待机工作方式)是指CPU在不需要执行程序时停止工作，以取代不停的执行空操作或原地踏步等待操作，达到减小功耗的目的。当单片机进入空闲工作方式时，除CPU处于休眠状态外，其余硬件全部处于活动状态，芯片中程序未涉及到的数据存储器和特殊功能寄存器中的数据在空闲模式期间都将保持原值。单片机内部有一个电源管理寄存器PCON，这个寄存器的最低两位，IDL和PD这两位分别用来设定是否使单片机进入空闲模式和掉电模式。空闲工作方式是通过设置电源控制寄存器PCON中的IDL位来实现的。用软件将IDL位置1，系统进入空闲工作方式。这时，送往CPU的时钟被封锁，CPU停止工作，但中断控制电路、定时/计数器和串行接口继续工作，CPU内部状态如堆栈指针SP、程序计数器PC、程序状态寄存器PSW、累加器ACC及其他寄存器的状态被完全保留下来13。在空闲工作方式下，80C51消耗的电流由正常的24mA变为3mA。单片机退出空闲状态有如下两种方法。第一种是中断退出。由于空闲方式下，中断系统还在工作，所以任何中断的响应都可以使IDL位由硬件清零，而退出空闲方式下，单片机就进入中断服务程序。使用中断唤醒单片机时，程序从原来停止处继续运行。第二种是硬件复位退出。复位时，各个专用寄存器都恢复默认状态，电源控制寄存器PCON也不例外，复位使IDL清零，退出空闲工作方式。当使用硬件复位唤醒单片机时，程序将从头开始执行。MCS-51的掉电保护也是一种节电工作方式，它和空闲工作方式一起构成了低功耗工作方式。一旦用户检测到掉电发生，在VCC下降之前写一个字节到PCON，使PD=1，单片机进入掉电方式。在这种方式下，片内震荡器被封锁，一切功能都停止，只有片内RAM00H7FH单元的内容被保留14。在掉电方式下，VCC可降至2V，使片内RAM处于50微安左右的“饿电流”供电状态，以最小的耗电保存信息，VCC恢复正常之前，不可进行复位；当Vcc正常后，硬件复位10ms即能使单片机退出掉电方式。在该电路中，退出空闲工作方式采用中断的方法。当遥控键盘上的人任一个按键按下以后，与门输出即为低电平，触发INT1引脚，外部中断1响应，使IDL位清零，退出空闲工作方式，恢复正常状态。其硬件电路如图3-6所示。图3-6 低功耗设计电路3.5 时钟电路单片机时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路，这样可以为单片机提供运行时钟，如果运行时钟为0 的话，单片机就不工作，当然超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作。时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。1内部时钟方式2051单片机有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见下图3-5所示，外接晶振时，C1、C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷振荡器时，C1、C2约为47pF。C1、C2对频率有微调作用，震荡频率范围是1.2-12MHz。为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠的工作，谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近。内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出信号是单片机工作所需的时钟信号。2外部时钟方式外部时钟方式是采用外部振荡器，因内部时钟发生器的信号取自反相放大器的输入端，所以外部信号接至XTAL1，XTAL2不用。对外部振荡器的信号没有特殊的要求，一般为0.512MHz的方波，方波的波形应尽量规范即上升沿、下降沿尽可能垂直。一般情况下，单片机时钟输入均采用内部时钟方式，外接一个震荡电路，本系统采用内部时钟方式，晶振采用12MHz，其电路如图3-7所示。图3-7 时钟电路3.6 复位电路单片机在